功能连接组在成年生命周期中调节身体健康与认知能力之间的关联

《Human Brain Mapping》：The Functional Connectome Mediates Associations Between Fitness and Cognition Across the Adult Lifespan

心肺功能与认知功能的中介机制研究，发现前额叶注意网络及边缘系统功能连接的变化在两者间起关键中介作用，提示CRF通过增强VAN和抑制 limbic-其他网络连接来促进记忆与执行功能。

　　心血管和认知功能（CRF）之间的关系近年来成为神经科学和心理学研究的重要课题。CRF通常被定义为身体在持续活动过程中利用氧气的能力，它不仅反映了身体的健康状况，也被认为是影响大脑功能的重要因素。特别是随着年龄的增长，CRF的提升被认为有助于延缓认知能力的下降，包括记忆和执行功能等关键认知领域。这一研究利用了人类连接组计划（HCP）中的老龄化数据集，探索了CRF与大脑功能连接模式之间的关系，并进一步揭示了这些连接模式如何作为中介因素影响认知表现。研究样本覆盖了36至100岁之间的378名个体，采用了一种名为连接组预测建模（CPM）的数据驱动方法，识别出与CRF、记忆和执行功能最相关的功能连接（FC）模式。

### 研究背景与意义

年龄相关的认知功能下降已成为全球范围内的公共卫生挑战。已有大量研究表明，定期锻炼和提高CRF可以有效改善认知功能，尤其是对老年人群体而言。然而，尽管已有研究关注CRF与大脑功能连接之间的关系，但相关研究往往局限于特定的预设网络，如默认模式网络（DMN）或海马体相关网络，未能全面探讨整个大脑的功能连接模式。因此，研究CRF与大脑功能连接之间的整体关系，对于理解其对认知功能的保护作用具有重要意义。

此外，随着人口老龄化的加剧，寻找有效的干预手段以维持或改善老年人的认知健康变得尤为紧迫。通过识别CRF相关的功能连接模式，不仅可以揭示其在神经机制上的作用，还可能为未来开发针对CRF和功能连接的干预策略提供理论依据。本研究正是在这一背景下展开，旨在通过数据驱动的方法，系统地探索CRF与认知功能之间的关系，并进一步分析这些功能连接模式如何作为中介因素影响认知表现。

### 研究方法

本研究采用连接组预测建模（CPM）方法，这是一种基于数据的建模技术，能够更有效地预测个体差异。CPM通过将数据集分为多个独立的训练和测试部分，使用九折交叉验证重复100次，从而减少模型过拟合的风险，提高结果的稳健性和可推广性。研究首先利用CPM识别出与CRF（通过2分钟步行测试）、记忆（通过雷氏听觉言语学习测试）和执行功能（通过Flanker任务）最相关的功能连接模式。然后，研究进一步分析这些功能连接模式是否在CRF与认知功能之间起到中介作用。

研究中使用的脑功能连接矩阵是通过计算每个ROI（感兴趣区域）之间的皮尔逊相关系数构建的，其中每个功能连接值的范围为-1到1，正负值分别表示功能连接的同步和解耦。为了确保结果的可靠性，研究对数据进行了严格的质量控制，包括排除因功能连接数据缺失或异常而影响分析的个体。

### 研究结果

研究发现，CRF与记忆和执行功能的功能连接模式存在高度重叠，尤其是在腹侧注意网络（VAN）和边缘系统网络中。具体而言，与CRF正相关的功能连接主要集中在VAN内部和与其他网络之间的连接，而与CRF负相关的功能连接则主要分布在边缘系统网络与其他网络之间的连接中。此外，研究还发现，这些功能连接模式在CRF与记忆之间的关系中起到了完全中介的作用，而在CRF与执行功能之间的关系中则起到了部分中介的作用。

值得注意的是，尽管研究未观察到调节效应，但功能连接模式的中介作用得到了充分支持。例如，右背侧岛叶（node 174）在VAN中表现出高度的功能连接，且与CRF和记忆功能的提升密切相关。而边缘系统中的眶额回（node 48）则表现出与CRF和执行功能负相关的功能连接，表明这些区域的功能解耦可能对认知表现具有重要影响。

### 讨论与机制分析

研究结果表明，CRF对认知功能的影响可能通过特定的神经网络机制实现。其中，腹侧注意网络和边缘系统网络的功能连接模式可能是关键的中介因素。这些网络在CRF与认知功能之间的关系中表现出显著的协同作用，例如，更高的CRF水平与更广泛的VAN功能连接相关，而边缘系统网络的功能解耦则可能促进认知能力的提升。

进一步分析指出，这些功能连接模式的变化可能与神经递质系统的调节有关。例如，胆碱能系统和多巴胺能系统在CRF与认知功能之间的关系中可能起到重要作用。胆碱能系统在维持记忆和执行功能方面具有关键作用，而多巴胺能系统则参与认知灵活性、工作记忆和目标导向注意力的调节。研究还发现，CRF可能通过增强这些神经递质系统的功能连接，促进大脑的高效运作。

此外，研究还指出，CRF可能通过抑制内部驱动或情绪相关的网络活动，促进大脑网络之间的解耦，从而提高任务相关的功能连接。这种解耦效应可能由谷氨酸能抑制系统介导，而该系统的恢复已被认为是运动对大脑健康有益的关键机制之一。

### 研究意义与未来方向

本研究不仅揭示了CRF与认知功能之间的神经机制，还为未来干预策略提供了潜在的目标。例如，通过提高CRF，可以增强VAN的功能连接，从而改善记忆和执行功能。同时，边缘系统网络的功能解耦可能成为认知保护的另一个关键因素。因此，未来的研究可以进一步探讨这些功能连接模式在不同年龄段的动态变化，以及它们是否受到遗传因素（如APOE基因型）的影响。

此外，研究还指出，CRF与功能连接之间的关系可能不仅限于大脑结构和功能，还可能涉及其他生理和心理因素。例如，CRF可能通过影响大脑的代谢状态和表观遗传机制，间接促进神经网络的优化。因此，未来的研究可以结合代谢和表观遗传学的方法，进一步揭示CRF对认知功能的保护机制。

### 局限性与展望

尽管本研究取得了一定的成果，但也存在一些局限性。首先，2分钟步行测试虽然是一种较为可靠的CRF评估方法，但其精度仍不如直接测量VO?max的方法。其次，研究中采用的CPM方法虽然具有较强的解释性，但在捕捉非线性关系方面可能不如支持向量回归（SVR）等其他机器学习方法。因此，未来的研究可以考虑结合多种建模方法，以更全面地理解CRF与认知功能之间的复杂关系。

最后，研究还强调了进一步探索CRF与大脑功能连接模式之间的长期变化的重要性。例如，通过纵向研究，可以更清楚地了解这些连接模式在不同年龄阶段的演变，以及它们如何随着年龄的增长而变化。此外，研究还建议在未来的研究中考虑其他潜在的中介因素，如遗传风险、结构指标（如皮层厚度）和生理指标（如血氧水平）等，以更全面地揭示CRF对认知功能的影响机制。