0 引言

       体育活动是保持身体及心理健康的最有效方式之一，对人类大脑结构、功能、认知能力都有积极的影响，并贯穿人的整个生命周期^[1]。有氧运动作为运动干预的主要手段之一，可以延缓老年痴呆，降低帕金森病、卒中等疾病的发生率^{[2, 3, 4]}。此外，有研究表明经过有氧运动后，大学生的反应速度、词语学习能力显著增强^[5]。有氧运动干预通常评估干预前后心肺功能的变化，以监测有氧运动干预对提高有氧能力的有效性，而有氧能力水平又可依据最大摄氧量（maximal oxygen uptake, VO2max）测试法进行定量评估^{[6, 7, 8]}。纵观多项国内外研究发现，有氧运动能够使脑灰质结构产生可塑性改变，一些研究发现有氧运动可以增加灰质体积，但另一些研究却表明有氧运动减小了灰质体积，分析其原因可能是由于有氧运动的干预方案、时间、频率以及受试者自身有氧水平的差异造成研究结果的不统一^{[9, 10, 11, 12]}。基于体素的形态学测量（voxel-based morphometry, VBM）方法是一种定量分析方法，能自动计算大脑灰质、白质和脑脊液的体积，并可对大脑结构进行精确的体素水平形态学研究^{[13, 14]}。这种分析方法的出现为研究有氧运动干预对脑灰质结构的可塑性变化提供了可能。鉴于先前研究显示男性和女性在认知功能和大脑结构方面存在显著差异，这些差异可能会影响他们对运动干预的响应^[15]。因此，本研究专注于女性群体，以减少性别差异带来的潜在混淆因素，通过以VO2max作为分组依据，并采用中等强度的有氧运动干预方案，旨在深入探讨中等强度有氧运动对不同有氧能力水平女大学生脑灰质结构变化的影响。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本试验采用G-power工具对试验所需样本进行计算，当效应量为0.4，置信水平为0.95，统计效力为0.9，重复测量相关系数为0.5时，2×2重复测量方差分析所需样本总量至少为20人，每组10人。因此，在北京师范大学随机招募健康女大学生为研究对象，共24名。试验分组依据VO2max水平进行划分，低有氧组11名，高有氧组13名。所有受试者均无精神病史和脑部创伤等影响脑结构和功能的疾病；体内无金属植入物，无幽闭恐惧症，符合磁共振扫描条件，且所有受试者均为右利手。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经北京师范大学试验伦理委员会批准（批准文号：ICBIRB0050002），全体受试者均签署了知情同意书。

1.2 研究方法

       本研究为2（组别：低有氧组、高有氧组）×2（测试时间：前测、后测）混合试验设计。整个试验由3部分组成：前测、运动干预、后测。前测和后测场地、测量工具、测试时间、测试人员和指导语保持一致。

1.2.1 VO2max测定

       在北京师范大学运动生理学实验室，采用渐进性耐力测试来准确测定VO2max值。此测试利用了来自芬兰的S725X Polar心率监测器、Cortex Metalyzer 3B心肺功能分析仪，以及Lode Valiant医用跑步机，确保数据的高精度和可靠性。在测试前，研究团队对受试者进行了全面的身体评估，并记录了他们的基本信息。为了保证测试的顺利进行，受试者在进行充分的热身后，通过佩戴呼吸面罩、心率接收器，并安装涡轮传感器等措施，开始测试。测试开始时，受试者在跑步机上以5千米/小时的速度慢走1分钟，以适应测试设备。待心率回落至静息水平后，便开始了正式的VO2max测试。本研究采用了经典的Bruce跑步机方案，通过逐步增加运动的负荷——即每3分钟提高坡度和速度，直到受试者达到极限^[16]。VO2max的评定基于一系列严格的标准，包括微小的吸氧量变化、心率、呼吸商的阈值，以及受试者的主观感受^[16]。根据最大摄氧量标准等级（www.CooperInstitute.org）及其对应的年龄标准，本研究将最大摄氧量为36.1 mL/（kg∙min）作为区分高低有氧组的临界值。

1.2.2 运动干预方案

       本研究的中等强度有氧运动干预方案包括每周一次90分钟的形体课程及每周两次90分钟的课余有氧健身锻炼（表1），于2019年9月至12月在北京师范大学形体课教室进行。形体课程运动负荷为中等强度，课余有氧运动干预则经过科学严谨的课程编排，保证有氧运动的训练强度和负荷，使其达到有氧运动干预目的及效果。整个干预过程为每位受试者佩戴SunFitLink心率带（https://www.sunfitlink.com），全程监控受试者的心率，并要求每位受试者保证心率达到最大心率60%~69%以上。

       先前研究显示，16周的有氧运动干预显著改善了女大学生的身体素质（VO2max、无氧阈和有氧输出功率）^[17]，但其对大脑结构的影响尚未明确。因此，本研究设定相同的16周干预期，进行两次测试：试验开始和结束时，每位受试者接受MRI扫描。干预频率定为每周三次，总计48次，每次90分钟。根据美国运动医学会的标准，确保受试者在每次训练中的平均心率达到最大心率的60%~69%，即中等强度。试验中，干预前后的地点、测量工具、测试时间、测试人员和运动方案保持一致。

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表1  中等强度有氧运动干预方案
Tab. 1  Moderate-intensity aerobic exercise intervention protocol

1.2.3 磁共振成像扫描

       采用Siemens MAGNETOM Trio 3.0 T磁共振成像系统（北京师范大学脑成像中心）进行图像采集，使用64通道头颅线圈。采用三维磁化准备快速梯度回波成像（three-dimensional magnetization prepared rapid gradient echo, 3D MPRAGE）序列采集T1WI脑结构像，矢状位扫描，TR 1900 ms，TE 3.44 ms，翻转角9°，矩阵256×256，层厚1 mm，共扫描176层。

1.2.4 图像处理及分析

       使用MATLAB环境下的SPM 12（https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software）软件VBM工具包对T1WI结构像进行预处理。具体步骤如下：（1）使用MRIcron软件的dcm2niix将所有受试者T1WI的DICOM格式图像转换为VBM可处理的格式；（2）将每个受试者的T1WI结构像进行分割，分割成灰质、白质、脑脊液图像；（3）对分割后的图像进行空间标准化，将每个受试者的脑图像配准到蒙特利尔神经科研研究所（Montreal Neumlogical Institute, MNI）标准空间；（4）对标准化后的图像进行质量检查，排除分割、配准效果不佳的受试者数据；（5）最后对经过雅克比列式相乘调制的灰质体积图像进行全宽半高为8 mm的空间平滑，经过平滑后的灰质体积图像用于统计分析。

1.3 统计分析

       采用SPSS 27.0统计分析软件对行为学数据进行统计分析。采用独立样本t检验对高低有氧组的年龄、受教育年限进行统计分析。采用2（组别：低有氧组、高有氧组）×2（测试时间：前测、后测）重复测量方差分析对中等强度有氧运动干预前后身体质量指数（body mass index, BMI）和VO2max进行分析，P<0.05表示差异具有统计学意义。采用SPM 12对预处理后的图像数据进行2（组别：高有氧组、低有氧组）×2（干预：前测、后测）重复测量方差分析，将年龄、受教育年限、BMI作为协变量纳入，并进行事后检验。利用RESTplus（http://restfmri.net）对统计结果进行高斯随机场（Gaussian random field, GRF）理论多重比较校正（体素水平P< 0.001，团块水平P<0.01，校正结果表示具有统计学意义）。

2 结果

2.1 两组人口统计学特征差异

       低有氧组与高有氧组性别构成相同，年龄差异无统计学意义（t=-0.51，P=0.62），受教育年限差异无统计学意义（t=-0.65，P=0.52）（表2）。

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表2  研究对象的基本资料及VO2max
Tab. 2  Basic information and VO2max of the study participants

2.2 运动干预对高低有氧组BMI的影响

       采用重复测量方差分析的方法分析中等强度有氧运动干预对高低有氧组BMI的影响。结果发现，组别主效应显著[F（1，22）=5.22，P<0.05，ηp2=0.25]，时间主效应不显著[F（1，22）=0.49，P=0.50，ηp2=0.03]，组别×时间的交互作用不显著[F（1，22）=0.15，P<0.71，ηp2=0.01]。进一步简单效应分析，结果发现，低有氧组和高有氧组前测BMI存在显著差异[F（1，22）=5.92，P<0.05，ηp2=0.27]；低有氧组和高有氧组后测BMI不存在显著差异[F（1，22）=4.07，P=0.06，ηp2=0.20]；低有氧组在中等强度有氧运动干预前后BMI不存在显著差异[F（1，22）=0.59，P=0.46，ηp2=0.04]；高有氧组在中等强度有氧运动干预前后BMI也不存在显著差异[F（1，22）=0.05，P=0.83，ηp2=0.00]，如图1A所示。

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图1  高低有氧组中等强度有氧运动前后BMI、VO2max变化。1A为高低有氧组中等强度有氧运动前后BMI变化图；1B为高低有氧组中等强度有氧运动前后VO2max变化图。*表示P<0.05；***表示P< 0.001。
Fig. 1  Changes in BMI and VO2max before and after moderate-intensity aerobic exercise in high and low aerobic groups. 1A shows the changes in BMI before and after moderate-intensity aerobic exercise in the high and low aerobic groups; 1B shows the changes in VO2max before and after moderate-intensity aerobic exercise in the high and low aerobic groups. * indicates P<0.05; *** indicates P<0.001.

2.3 运动干预对高低有氧组VO2max的影响

       采用重复测量方差分析的方法分析中等强度有氧运动干预对高低有氧组VO2max的影响。结果发现，组别主效应显著[F（1，22）=29.60，P<0.001，ηp2=0.57]，时间主效应显著[F（1，22）=61.54，P<0.001，ηp2=0.74]，组别×时间的交互作用不显著[F（1，22）=1.37，P<0.001，ηp2=0.06]。进一步简单效应分析，结果发现，低有氧组和高有氧组前测VO2max存在显著差异[F（1，22）=29.24，P<0.001，ηp2=0.57]；低有氧组和高有氧组后测VO2max存在显著差异[F（1，22）=27.98，P<0.001， ηp2=0.56]；低有氧组前后测VO2max存在显著差异，中等强度有氧运动干预后VO2max显著提升[F（1，22）=37.51，P<0.001，ηp2=0.63]；高有氧组前后测VO2max存在显著差异，中等强度有氧运动干预后VO2max同样显著提升[F（1，22）=24.30，P<0.001，ηp2=0.53]，如图1B所示。

2.4 运动干预对高低有氧组脑灰质体积的影响

       采用SPM 12中的全因子模型（Full factorial）对两组有氧运动干预前后脑灰质体积进行2×2重复测量方差分析，探讨中等强度有氧运动干预对大脑灰质体积的影响。结果发现，组别主效应不显著，时间主效应显著，时间×组别交互效应不显著（统计阈值设置为体素水平P<0.001，团块水平P<0.01，GRF校正，最小团块>100 mm³），并对其进行事后检验。

2.4.1 中等强度有氧运动干预前高低有氧组之间脑灰质体积差异

       中等强度有氧运动干预前，高有氧组比低有氧组在左侧颞上回/颞中回、右侧扣带回、颞中回、颞下回/梭状回灰质体积显著减小（P<0.01，未校正）（表3，图2）。

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图2  中等强度有氧运动干预前高、低有氧组之间脑灰质体积差异（P<0.01，未校正）。
Fig. 2  Differences in brain gray matter volume between high and low aerobic groups before moderate-intensity aerobic exercise intervention (P<0.01, uncorrected).

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表3  中等强度有氧运动干预前高低有氧组之间脑灰质体积差异
Tab. 3  Differences in brain gray matter volume between high and low aerobic groups before moderate-intensity aerobic exercise intervention

2.4.2 中等强度有氧运动对低有氧能力女大学生脑结构可塑性的影响

       经过中等强度有氧运动干预后，低有氧能力女大学生在双侧颞上回/颞中回/缘上回/顶下小叶、右侧额中回/前扣带回/额内侧回灰质体积显著减小（GRF校正，体素水平P<0.001，团块水平P<0.01）（表4，图3）。

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图3  中等强度有氧运动对低有氧能力女大学生脑灰质结构可塑性的影响（GRF校正，体素水平P<0.001，团块水平P<0.01）。
Fig. 3  Effect of moderate-intensity aerobic exercise on gray matter structural plasticity in female college students with low aerobic capacity (GRF corrected, voxel-level P<0.001, cluster-level P<0.01).

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表4  中等强度有氧运动干预前后低有氧能力女大学生脑灰质体积差异
Tab. 4  Differences in brain gray matter volume between before and after moderate intensity aerobic exercise of female college students with low aerobic capacity

2.4.3 中等强度有氧运动对高有氧能力女大学生脑结构可塑性的影响

       经过中等强度有氧运动干预后，高有氧能力女大学生在双侧额内侧回/前扣带回、左侧额中回/额下回、左侧颞上回/颞中回、右侧额上回/额下回/脑岛、右侧颞中回/颞下回灰质体积显著减小（GRF校正，体素水平P<0.001，团块水平P<0.01）（表5，图4）。

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图4  中等强度有氧运动对高有氧能力女大学生脑灰质结构可塑性的影响，GRF校正，体素水平P<0.001，团块水平P<0.01。
Fig. 4  Effect of moderate-intensity aerobic exercise on gray matter structural plasticity in female college students with high aerobic capacity (GRF corrected, voxel-level P<0.001, cluster-level P<0.01).

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表5  中等强度有氧运动干预前后高有氧能力女大学生脑灰质体积差异
Tab. 5  Differences in brain gray matter volume between before and after moderate intensity aerobic exercise of female college students with high aerobic capacity

3 讨论

       本研究利用结构MRI技术，并采用VBM分析方法，首次深入探讨了16周规律性中等强度有氧运动对健康女大学生大脑结构的影响。研究结果显示，尽管所有参与者均遵循相同的运动计划，但具有不同有氧能力的女大学生在大脑结构变化上表现出了显著的个体差异。这一发现突显了在有氧运动干预中考虑个体有氧能力的重要性，并指出这些差异可能源于受试者的初始有氧能力、生理响应的差异以及大脑对运动的适应性变化。此外，本研究强调，在设计有氧运动干预方案时必须考虑到个体的生理差异，如VO2max和心率变异性等，这些指标不仅反映了个体的有氧运动能力，也为理解运动如何影响大脑结构提供了重要视角。

3.1 有氧运动对不同年龄群体大脑结构可塑性的影响

       随着脑可塑性研究的深入，越来越多的证据表明有氧运动是有效维持身心健康的方法之一^{[18, 19]}。然而，目前的研究焦点主要在于有氧运动对儿童及中老年人脑结构和功能的影响，显示了对不同生命阶段脑可塑性的高度关注。儿童时期是大脑发展的关键时期，此时进行的有氧运动干预会对认知发展产生长远的积极影响^[20]。相较而言，在中老年人群体中主要关注如何通过有氧运动延缓认知衰退并提升认知功能^[21]。尽管有氧运动对儿童和中老年人的益处已被广泛认可，但针对大学生，特别是女大学生的研究相对较少^{[22, 23, 24]}。这一群体处于青年期至成年早期的关键阶段，其大脑高度可塑，同时也是形成及巩固健康习惯的关键时期^[23]。对女大学生而言，有氧运动对大脑健康的重要性可能由于其特有的生理、心理和社会因素而更为显著^[15]。例如，有氧运动可以有效缓解压力和焦虑，这对经常承受学业和生活压力的大学生尤其重要。此外，女性在青春期和成年早期的大脑发展轨迹与男性不同，这可能意味着有氧运动对她们的大脑结构和功能有不同的影响^[15]。

       本研究聚焦于女大学生，以VO2max作为分组变量。研究发现经过16周规律性中等强度有氧运动干预后，高低有氧组女大学生颞上回/颞中回、额内侧回/前扣带回、颞中回灰质体积均出现显著下降，与中老年人和聋哑儿童的相关研究结果一致^{[12, 21]}。COLCOMBE等^[21]研究发现，在中老年人中，慢跑可显著增加前额叶、前扣带回和颞上回的灰质体积，而拉伸训练则导致这些区域灰质体积减小。本研究主要采用拉伸训练作为有氧运动干预方式，结果显示女大学生在前额叶、前扣带回、颞上回的灰质体积显著下降，这表明不同的有氧运动干预方式可能对大脑灰质结构的可塑性有不同影响^{[25, 26, 27]}。有氧运动对大脑灰质体积的影响可能源于多种因素，如神经可塑性增强、血流动力学改变、应激反应调节，以及受试者的年龄和发展阶段^{[12, 28]}。不同的有氧运动干预方式，如慢跑和拉伸训练，可能通过不同的机制（例如血流动力学改变或神经营养因子释放）影响大脑结构，导致灰质体积的不同变化^[21]。

       陈爱国等^[12]的研究发现，经过有氧运动干预后聋哑儿童在前额叶皮质、扣带回皮质等脑区出现灰质体积显著下降的现象，但在颞上回并未发现灰质体积有显著改变。鉴于儿童和青少年时期是大脑结构剧烈变化的关键时期，这些结果应该谨慎解释^[29]。结合大样本的人口模型研究发现，在儿童时期大脑灰质体积最大，在10~20岁期间脑灰质体积下降迅速，在20~25岁期间呈缓慢下降趋势，而大脑白质在15~25岁之间一直处在增加趋势，直到25岁后才显示出相对稳定状态^[29]。本试验中受试者人群的年龄均处在20岁左右，即处于脑灰质体积显著下降，脑白质体积显著增加的年龄节点。因此，本研究结果提示经过16周规律性的中等强度有氧运动可能会加速脑灰质体积减小，逐渐退化淘汰无用的神经连接，从而增加白质体积，强化巩固有用高效的神经连接，达到神经精简期^{[12, 29, 30, 31]}。TAKEUCHI等^[32]以大学生为研究对象，研究发现工作记忆成绩的提高与双侧额顶叶脑区、左侧颞上回的灰质体积减小相关，而工作记忆在许多复杂的认知活动中发挥着至关重要的作用。曾有研究者推测灰质体积减小的过程中可能存在一个选择性消除的突触结构变化机制，选择性消除的突触结构有助于塑造神经回路，而突触消除的增加可能导致额、颞叶灰质体积减小，从而促进认知功能的提高^[32]。鉴于多项研究已经证实青年人群皮层厚度或灰质体积的减小与更强的认知功能有关，因此本研究结果提示中等强度有氧运动对认知功能可能具有积极的塑造作用^[33]。

3.2 有氧运动对不同有氧能力人群大脑结构可塑性的影响

       先前的众多纵向和横断面研究探讨了有氧运动对脑灰质结构可塑性的影响，发现高有氧组的额叶和颞叶灰质体积显著低于低有氧组^[34]。本研究也在有氧运动干预前的基线水平发现，高有氧组与低有氧组的大脑灰质体积存在差异。经过16周规律性中等强度有氧运动干预，高有氧组和低有氧组的大脑灰质体积均减小，但高有氧组在更多脑区的灰质体积减小更为显著。考虑到VO2max与前额叶、颞叶、顶叶灰质体积之间的相关性，高有氧组的更广泛灰质体积减小可能与干预前的基线差异有关。然而，这些基线差异未通过更严格的统计检验及多重比较校正，因此，这种减小更可能是中等强度有氧运动对高有氧组大脑可塑性的强化效果^{[35, 36, 37]}。不同的干预效果揭示了个体生理差异和基线大脑状态对运动干预反应的影响，强调了制定个性化运动计划的重要性。值得注意的是，大量研究证明有氧运动干预能够增加高有氧组老年人群额叶灰质体积，但PETERS等^[38]研究却证实了有氧运动并不会增加高有氧组年轻人群大脑额叶及脑岛的灰质体积，同时由于其研究为男女混合试验，并不是特定于女性受试者，因此当考虑到性别在大脑发育中所存在的争议，即由于性别之间的身高差异所造成的大脑结构上的差异，本试验的研究结果可能首次为中等强度有氧运动对高低有氧能力女大学生的脑结构可塑性提供了证据。

3.3 研究局限性及展望

       本研究虽然提供了有益的见解，但仍受到一些局限性的约束。首先，本研究的样本量相对较小，目前的样本也仅限于健康的女大学生，这可能影响了结果的统计功效和结论的泛化能力。未来的研究应当扩大样本规模，并考虑纳入更广泛人群的样本，以增强研究结果的普遍适用性。其次，由于本研究未设置对照组，因此难以准确判断观察到的脑结构变化是由试验干预直接引起，还是受到其他外部因素的影响。未来研究中，应该引入对照组设计，以便更准确地区分试验干预的效果与其他可能的干扰因素。此外，本研究在控制潜在干扰因素方面存在不足，例如受试者的生活方式和饮食习惯等因素未得到充分控制。这些因素的变化可能对研究结果产生影响，因此在后续研究中应加以考虑并进行适当控制。最后，本研究在脑图谱的选择上采用了基于高加索人群脑结构构建的MNI152脑图谱进行脑部图像的配准。鉴于种族和地域差异可能影响脑结构的特点，未来研究应考虑采用基于中国人脑结构的Chinese2020图谱进行配准，进一步验证试验结果的普适性和准确性^[39]。

4 结论

       本研究发现16周规律性中等强度有氧运动可能导致女大学生大脑灰质体积减小，而且这种减小在不同有氧水平的女大学生之间表现出差异。这表明大脑结构的调整可能与个体的有氧能力水平密切相关。