大强度间歇训练与脑部功能

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  摘  要:身体活动是提高人体生理适应的有效方法。但何种类型的运动,以及多大训练量能够产生最佳化的身体适应仍存在争议。当前,尽管大强度间歇训练存在较高的损伤风险,但鉴于大强度的间歇训练的独特性,能够获得更多的健康上的益处,也已受到广泛的关注。研究表明,大强度间歇练习可能更为有效地提高心血管和肌肉骨骼系统,以及脑部功能。充分认识大强度间歇运动与脑部功能之间的关系和适应机制,可为最佳化健身计划的制定,提供有用的信息。
  關键词:大强度间歇训练  脑部功能  海马  最佳化适应
  中图分类号:G804                            文献标识码:A                  文章编号:2095-2813(2020)09(a)-0017-05
  Abstract: Physical activity is an effective way to improve the physiological adaptation of the human body. What type of exercise, and how much of it, can produce optimal physical fitness, is still a matter of debate. At present, despite the high-intensity interval training has a high risk of injury, but in view of the uniqueness of the high-intensity interval training, more health benefits can be obtained, which has received widespread attention. Studies have shown that high-intensity interval exercises may be more effective in improving cardiovascular and musculoskeletal systems, as well as brain function. A full understanding of the relationship between high-intensity interval exercise and brain function and its adaptive mechanism can provide useful information for the formulation of optimal fitness plan.
  Key Words: High-intensity interval training; Brain functions; Hippocampus; Optimized adaptation
  身体活动和运动训练是提高人体生理适应的有效方法,包括心血管、肌肉骨骼系统及脑部功能。前期研究表明运动可以改善心血管和骨骼肌适应的各种标志物[1-3],产生特定生物学适应[4]。另外,还可能会调节中枢神经系统方面的适应[5],例如促进成人海马神经再生,这一适应与海马相关的空间学习和记忆功能有关。运动可增强突触的传递和可塑性[5]。尽管前期的研究已经证明运动与中枢和外周的变化有关,但何种类型的运动,以及多大训练量能够产生最佳化的身体适应仍存在争议。当前,尽管大强度间歇训练(high-intensity interval training,HIIT)存在较高的损伤风险,但鉴于大强度的间歇训练的独特性[6,7],能够获得更多的健康上的益处,也已受到广泛的关注。
  1  大强度间歇训练的特点和生理适应
  HIIT训练设计涉及到最大努力的运动,通常为大约20~90s,然后嵌入短暂的休息或低强度恢复。锻炼通常不到30min,但有些持续时间更长。其目标是充分恢复,以至于受训者在下一个训练间隔中,能够再次尽最大的努力[6,7]。因此,HIIT练习可以根据低强度恢复的时间而变化,而不是高强度的时间。
  HIIT是可变的,这种形式的训练引起的特定生理适应性由多种因素决定,包括强度、持续时间和练习次数,以及间隔恢复期间的持续时间、运动模式。研究认为HIIT如同耐力练习一样,可有效地提高有氧能力、线粒体脂肪酸氧化和心血管系统的能力[8-11]。研究发现,当能量消耗相当时,HIIT可替代传统耐力训练方案,与传统耐力练习一样,在健康个体和患病人群中可诱导一系列相似甚至更优的生理适应、运动表现和健康相关标志物[12]。
  此外,研究认为尽管时间和总运动量减少,但HIIT可诱导与中等强度连续训练类似的生理重塑[13]。低训练量HIIT研究,通常使用的最常见运动模型是Wingate测试,涉及到30s“全力以赴”以及外部负荷。受试者通常完成4~6次,恢复间隔约4min,在持续约20min的训练期间,总共有2~3min的剧烈运动。这种类型的HIIT训练只需6次,2周总共大约15min的全面运动,可增加了骨骼肌氧化能力,主要反映在线粒体酶的最大活性和/或蛋白质含量上,相当于传统的耐力训练[14]。
  2  大强度间歇训练潜在的分子机制
  运动方式与运动潜在分子适应机制有关[15-17]。HIIT诱导骨骼肌代谢分子适应机制业已受到关注。考虑到HIIT可增加线粒体能力的潜力。另外,促进线粒体生物发生重要分子是过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子(PGC-1α)。它是一种可诱导的共激活因子,其调节核和线粒体基因组中编码的线粒体蛋白的协调表达[18]。因此,研究主要集中在PGC-1α信号途径[19]。   在骨骼肌中,PGC-1α已成为线粒体生物发生的关键调节因子,其应答神经肌肉输入和普遍的收缩活动。一次耐力运动诱导骨骼肌中PGC-1α基因和蛋白质的快速和持续增加[20],而PGC-1α的肌肉特异性过表达导致功能性大幅增加线粒体[18],提高VO2max,在次最大运动期间从碳水化合物转变为脂肪燃料,以及提高耐力能力[21]。AMPK和P38 MAPK是两个重要的信号级联反应,它们聚集在PGC-1α的调节上,从而调节线粒体生物发生[22,23]。AMPK和P38 MAPK是PGC-1α的已知调节因子磷酸化并激活PGC-1α表达,并反过来通过结合并激活PGC-1α启动子上游的CREB位点来,增加PGC-1α蛋白。
  有证据表明,运动强度是影响人体骨骼肌PGC-1α活化的关键因素。功能丧失研究表明PGC-1α在训练诱导的骨骼及线粒体生物发生,血管生成和纤维类型变化的变化中起着主要的作用[24]。PGC-1α是协调许多氧化适应的主要参与者。与耐力运动相似,急性HIIT可通过增加其核转位,来激活PGC-1α[25],表明线粒体生物合成与这些短时间的强度运动有关。
  目前,HIIT运动强度、持续时间和训练量在诱导特定生理适应中的确切作用仍有待确定。最近,MicroRNAs作为基因调节的重要参与者,可研究运动提供了一个新的视角[26-28],HIIT同样影响特定循环MicroRNAs的变化[29]。
  3  大强度间歇训练对脑部功能产生的影响
  不同的运动形式可能对脑部产生不同的影响[30,31]。当前,HIIT对认知功能的影响及其作用相关的潜在机制尚未得到充分的认识。前期研究表明随意性的阻力跑可改善大脑的功能,研究开始评定HIIT是否有效增强与海马相关的空间学习和记忆,基于海马的脑源性神经营养因子因子(BDNF)来研究可能存在的相关机制。
  急性和慢性高负荷的自主阻力轮跑增加了能量消耗,但没有增加跑步距离(控制的一半),研究结果表明与传统的轮子跑相比,与BDNF相关的学习和记忆信号转导,以及海马适应,例如大鼠的神经发生,发生的变化相似[32,33]。另外,高负荷的自主阻力轮跑可导致海马可塑性相关基因的表达[34]。
  在给定负载,进行随意性的阻力跑是一种有用的锻炼模型,可以提高为能量消耗,而没有身体和心理压力。由于强度相对较高,且间歇性运动持续时间短,可以增强氧化酶柠檬酸合成酶的活性以及跖肌快肌纤维肥大[35]。表明HIIT对快肌纤维有更明显的影响[14]。因此,HIIT可能是一种独特类型的高强度运动,主要通过增加强度来适应高能量需求,这明显不同于传统的耐力训练。
  研究认为BDNF是支持神经元生长、发育和存活的关键蛋白质。体力活动可增加海马BDNF mRNA和蛋白质[36],反过来,可促进海马依赖性认知功能和神经发生[37,38]。运动锻炼会增加海马BDNF mRNA和蛋白质,从而促进成人神经发生。BDNF信号的变化显然是运动影响啮齿动物海马可塑性所必需的[39];阻断BDNF信号传导,可阻止运动诱导的学习和记忆和神经发生[40]。研究同样表明HIIT代表了一种有效的模型,即通过较低的运动量和时间来增强海马BDNF信号传导的空间认知功能。
  另外研究数据表明,与耐力训练相比,随意性的阻力跑类似于HIIT,可以在较低训练量和较短的运动时间更有效增强与海马BDNF信号传导相关的海马依赖性学习和记忆[41]。HIIT是传统耐力训练的有效替代方法,一系列生理、运动表现和健康相关标志物类似甚至更高。HIIT可能类似于随意性的阻力跑,即间歇性运动,在更短的距离内可产生更高的工作水平,它也是促进脑功能改善有效运动。综上,高强度的间歇性运动,如HIIT,可以改善肌肉适应能力和有氧能力,同时还可以改善大脑功能。
  4  结语
  当前,HIIT是提高心肺功能、代谢能力和运动成绩最有效的方法之一。HIIT涉及到由短到长的大强度练习,间隔一定的恢复时间。在制定HIIT训练计划时,至少存在9个变量,包括工作间隔强度、持續时间、恢复间隔强度、持续时间、练习方式、重复次数、组数、组间恢复强度和持续时间。调控其中任一变量可影响HIIT产生不同的急性生理反应。充分认识HIIT与脑部功能之间的关系和适应机制,可为最佳化健身计划的制定,提供有用的信息。
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