综述：从感觉到动作：神经可塑性、认知-运动训练及适应性新兴生物标志物

《Genes》：From Sensation to Action: Neuroplasticity, Cognitive–Motor Training, and Emerging Biomarkers of Adaptation

　　

人类与环境的互动依赖于动态感觉运动环路内感觉输入、认知加工与运动输出的整合，该过程由分布式神经环路支持，并受全生命周期内的学习、记忆及神经可塑性调控。本综述系统梳理了当前关于感觉运动整合潜在机制的研究进展，重点阐述了经验依赖性可塑性如何在健康与疾病状态下支持功能恢复与表现优化。创伤性脑损伤、神经退行性疾病及衰老等病理生理改变常导致认知与运动功能联合受损。研究人员回顾了利用神经可塑性的非侵入性干预策略，包括体力活动、运动训练及认知训练，并指出整合性认知-运动干预正受到日益关注。以虚拟现实为代表的新兴技术可提供生态效度高的沉浸式环境，能够同时激活感知、认知与动作系统，有望提升训练效果。然而，干预效果的异质性及远迁移证据不足仍是核心挑战。为应对上述局限，研究人员强调将沉浸式训练与客观生物学指标相结合的重要性，其中基于质子核磁共振（1H NMR）的代谢组学为识别神经可塑性适应的生物标志物提供了极具前景的非侵入性路径。整合稳健的生物标志物工具有助于开发并评估有效的精准认知-运动干预方案，优化康复策略，提升脆弱人群的生理韧性。

1. 1.
   引言
   生物体与环境的互动由高度复杂的动态生物过程介导。视觉、味觉、嗅觉、触觉及听觉等多感官模态持续为大脑提供海量信息，其中大部分加工过程发生于意识之外，使大脑能够构建外部世界的连贯整合表征。选择性注意可优先处理行为相关刺激，支撑目标导向行为、学习与记忆形成。获取感觉信息、将其与既往经验及情境整合并转化为协调运动输出的能力是日常功能的基础，该过程依赖分布式神经环路及交互生物系统的紧密协调。损伤、疾病或环境挑战可揭示这些系统的相互依赖性与脆弱性。本综述系统阐释了感觉、认知与运动域的交互机制，梳理了其潜在的神经解剖基础与环路特征，并讨论了学习、记忆及神经可塑性在功能恢复与表现优化中的作用，进而评述了当前认知与运动训练的进展，重点关注方法学创新、争议及旨在改善功能结局的新兴策略。尽管感觉运动整合、神经可塑性、认知-运动训练、虚拟现实（VR）及代谢组学多被独立研究，但鲜有研究将这些领域纳入统一的转化框架。这种整合具有重要价值，因为认知-运动干预通常仅以行为结局为评价指标，难以全面捕捉导致训练反应、保留及迁移个体差异的生物学过程。因此，本综述将基础机制与应用干预策略及新兴1H NMR代谢组学方法相结合，为训练相关适应提供转化视角，旨在为临床、教育及社区场景下的循证认知与运动干预开发提供概念框架。

1.1 复杂环境中的导航：感觉运动环路

理解人类与环境的关系需认识到二者为物理独立的系统，通过感觉运动环路实现交互。由身体与脑构成的有机体无法直接感知环境，需通过感觉器官采集外部刺激并将其转化为大脑可处理的神经信号，进而构建有意义的内部环境表征以支持互动与导航。这一感觉输入与运动输出的循环交互被称为感觉运动环路。

1.1.1 感觉运动环路的域构成

感觉运动环路包含脑功能的五个域：感觉、知觉、认知、运动及反馈。感觉指感觉受体对外部环境刺激的初步检测；知觉是大脑对感觉输入的解析，形成对环境的意识觉知；认知是通过组织知觉信息、理解规则、应用问题解决策略并确定最佳行动方案以实现目标的能力；运动系统执行运动计划，旨在调整身体姿态以最大化目标达成与奖赏获取的概率；运动过程中获得的传入感觉输入则发挥关键反馈作用，以精细化调整动作指向特定目标。以拼字游戏为例，玩家识别字母牌为感觉输入，将字母组合为潜在词汇属于知觉加工，基于游戏规则、棋盘布局及对手反应评估最优落子策略涉及计划、决策与工作记忆等执行功能，最终伸手抓取并放置字母牌至棋盘的动作需要运动系统协调参与，而游戏过程中的持续反馈进一步驱动策略与动作的动态调整，直观体现了感觉运动环路的动态递归特性。

1.1.2 感觉运动环路的神经生理学与神经解剖基础

视觉扫视的神经环路为理解感觉运动环路的解剖基础提供了经典范例。视网膜光感受器将光信号转化为电信号，经视神经、视交叉、外侧膝状体核（LGN）传递至初级视觉皮层（V1），随后通过背侧与腹侧通路分别投射至顶叶与额叶以处理刺激的位置与身份特征，最终抵达前额叶皮层的额眼区（FEF）及中脑的上丘（SC）。FEF与SC内的拓扑眼动图谱使视觉传入信号与传出眼动指令能够激活相应神经元，SC发出的传出信号控制眼外肌收缩以调整注视方向，同时将扫视的时间、方向与幅度反馈至皮层。复杂运动的执行还依赖前额叶皮层（PFC）、辅助运动皮层、初级运动皮层（M1）、基底节、小脑及脊髓的协同参与。PFC整合意图、动机、规则与情境信息以决策动作选择，辅助运动皮层结合情境与外部感觉信息筛选并排序运动计划，M1通过脊髓将运动指令传递至骨骼肌以执行随意运动，基底节与小脑则依赖内外反馈确保运动的平滑启动与精准控制，二者在运动学习中亦发挥关键作用。上述神经生理与解剖结构共同构成了人类环境交互的硬件基础，而感觉运动环路的学习与记忆特征则支持技能的精细化与回忆。

1. 2.
   学习与记忆
   感觉运动环路支持实时环境交互，而大脑随时间推移适应并优化交互的能力则依赖学习与记忆。技能习得需要目标练习与矫正性反馈，行为改变及其时间保留是学习的标志。Fitts与Posner的三阶段模型指出运动技能学习依次经历认知期、联结期与自动化期：认知期个体探索任务规则与策略，联结期通过持续练习优化动作表现，自动化期技能实现巩固，仅需极少认知资源即可高效执行。重复练习促进技能编码进入长时记忆，后者分为内隐记忆与外显记忆。内隐记忆是无意识的，源于学习自动化阶段，表现为外部线索触发的自动化动作执行；外显记忆则是有意识的主动回忆，如对任务学习经历的回溯或事实信息的提取。两类记忆系统均依赖学习过程中的神经可塑性改变。

2.1 神经可塑性

神经可塑性可分为三类：经验期待性神经可塑性、经验独立性神经可塑性及经验依赖性神经可塑性。经验期待性神经可塑性依赖发育关键期内特定预期感觉输入（如语言习得）以支撑正常发育；经验独立性神经可塑性无需外部感觉刺激，主要由基因驱动的自发神经活动调控，如轴突导向过程中的化学信号引导突触形成；经验依赖性神经可塑性则是本研究的核心，指学习与生活经验诱导的脑结构改变，贯穿全生命周期，支持神经网络的持续优化。

2.1.1 经验依赖性神经可塑性

该过程可导致短时程与长时程改变。短时程变化如工作记忆相关的突触权重短暂改变（突触易化或抑制），持续毫秒至分钟；长时程增强（LTP）与长时程抑制（LTD）则需持续刺激诱导，高频刺激（约100 Hz）诱发LTP，低频刺激（约5 Hz）导致LTD。LTP与LTD属于功能性可塑性，通过调节现有突触权重实现功能重塑。

2.1.2 长时程增强与长时程抑郁的神经生理机制

LTP与LTD的诱导涉及突触后α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体（AMPAR）与N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）的分子与形态学改变。静息状态下镁离子阻塞NMDAR的钙通道，细胞膜去极化后镁离子解离，谷氨酸结合NMDAR引发钙离子内流。高频刺激导致镁离子完全解离，大量钙离子内流激活信号级联反应，促进AMPAR向突触后膜迁移，增强突触传递效率，诱导LTP；低频刺激下镁离子部分解离，钙离子内流较少，激活替代信号通路导致AMPAR减少，引发LTD。LTP还可激活沉默突触（仅含NMDAR的突触），促使其插入AMPAR以增强兴奋性。长期的结构改变包括树突棘形成（突触发生）或消除（突触修剪）、轴突发芽及树突扩展，进而增加局部灰质体积与皮层厚度，提升环路效率与稳定性。成年神经发生也是重要机制，海马齿状回颗粒下层与侧脑室室管膜下区的神经干细胞可持续生成新生神经元，富集环境与运动可促进海马神经发生，为神经网络提供可整合的新单元，支持新信息获取与记忆回忆。

2.2 损伤、神经退行性变及衰老对认知-运动功能的挑战

创伤性脑损伤（TBI）、神经退行性疾病（ND）及衰老可通过不同病理机制损害认知-运动功能，凸显神经可塑性在恢复、维持与干预中的持续意义。

2.3 创伤性脑损伤

TBI分为穿透伤与非穿透伤。穿透伤的认知运动缺损与受损脑区直接相关（如海马损伤致记忆障碍，运动皮层损伤致协调缺陷）；非穿透伤因机械力导致轴索牵拉剪切与脑血管损伤，引发代谢异常与脑区间通信中断，其严重程度决定平衡、精细运动、注意力及冲动控制等核心缺损的表现差异。

2.3.1 神经退行性疾病

ND的分类传统上基于主导症状（如帕金森病归为运动障碍，阿尔茨海默病归为认知障碍），但晚期常出现混合表型：帕金森病患者可出现计划与注意力缺陷，阿尔茨海默病患者可伴发灵活性、精细运动及平衡障碍。ND相关缺损源于致病产物干扰细胞功能，导致神经元丢失、突触功能障碍及神经递质缺乏，破坏神经网络完整性。混合认知-运动表型的普遍性提示刚性分类存在局限。

2.3.2 衰老

衰老相关的认知运动缺损源于神经元、突触及突触效率的渐进性丢失，而非TBI或ND的快速神经元死亡。认知老化表现为晶体能力与流体能力的分化：晶体能力（知识提取与应用）维持稳定至高龄，流体能力（信息加工与计划执行）自成年早期持续衰退。流体能力下降与信息处理速度减慢密切相关，后者是认知老化的核心标志，且与运动表现下降显著相关。衰老过程中运动功能对认知功能的代偿依赖增强，但认知功能的同步衰退最终导致平衡、协调及步态异常，增加跌倒风险与健康寿命缩短。

2.3.3 TBI、神经退行性疾病与衰老的神经可塑性差异

神经可塑性随年龄增长自然衰减，故年轻成人TBI后的恢复潜力优于老年群体。与衰老及TBI不同，ND的致病机制直接破坏神经可塑性进程，降低脑的适应能力，阻碍功能恢复。尽管如此，三类状态均保留一定程度的神经可塑性，为非侵入性干预提供了可能。体力活动与认知训练已被证实可在TBI、ND及衰老人群中促进神经可塑性。

2.4 利用认知与运动训练干预促进康复与功能增强

2.4.1 体力活动

有氧运动通过提升心率促进脑血流与资源输送，产生急性认知运动功能增强效应。长期运动可上调脑源性神经营养因子（BDNF）与血管内皮生长因子（VEGF）的表达，支持突触可塑性、神经发生及血管重构，尤其对ND患者与老年人的神经可塑性具有保护作用。体力活动不仅选择性增强特定认知功能，更可为神经可塑性提供基础分子环境，与认知训练联合可能产生协同康复效应。

2.4.2 运动训练

运动学习通过重复目标导向练习优化动作执行与协调，诱导感觉运动与小脑环路的可塑性适应，是卒中、脊髓损伤及ND后运动功能重建的核心手段。运动学习与认知学习共享注意、错误校正与绩效监控等神经机制，支持认知-运动学习（CML）作为康复新框架的理论合理性。

2.4.3 认知训练

传统认知训练包括纸笔练习、逻辑谜题与记忆术等非技术低沉浸方法，现已逐步发展为计算机化认知训练（CCT）。CCT可根据用户表现动态调整难度，提供即时反馈与实时进度追踪，且支持居家访问，降低了临床资源的依赖。两类方法均被证实可改善认知功能，但CCT在技术优势上更具推广潜力。

2.4.4 潜在现实世界影响：恢复与增强

认知运动训练已在TBI、卒中、多发性硬化、帕金森病、阿尔茨海默病及老龄化干预中显示出恢复与维持功能的潜力，可提升患者生活质量并减轻医疗系统负担。在健康人群中，认知训练可增强儿童学业表现（如工作记忆训练提升词汇与数学成绩），预防外科医生技能衰退，并优化运动员的注意、处理速度与决策能力。值得注意的是，速度-准确率权衡现象在运动认知训练中普遍存在，竞技场景中决策速度的微小优势往往具有决定性价值。

2.5 认知-运动训练领域的争议与解决方案

2.5.1 认知-运动训练研究的争议与方法学挑战

领域核心争议在于训练获益的迁移性：远迁移指训练效果跨领域泛化（如乐器学习提升阅读理解），近迁移指效果在同结构任务间的转移（如数独练习提升逻辑谜题表现）。学界对商业产品宣称的远迁移效应存在广泛质疑，Meta分析显示远迁移效应量趋近于零，近迁移仅有中等支持证据。方法学标准化缺失是导致结论分歧的关键原因，学界已提出提升统计效能、数据透明化、报告阴性结果及多指标测量等最佳实践建议。虚拟现实技术的引入为突破传统训练局限提供了新路径。

2.5.2 通过虚拟现实推进认知-运动训练

VR通过头戴显示器与运动控制器提供多感官沉浸式体验，支持具身认知所需的感知-认知-运动耦合，提升临场感、参与度与记忆巩固效率。其高度可定制的虚拟环境（VE）可实现任务游戏化与现实场景模拟，兼顾实验室控制与生态效度，允许在无现实风险的前提下练习日常生活或职业技能。VR还可实时提供绩效反馈并动态调整难度，确保训练处于最优挑战区。研究显示VR认知-运动训练可促进技能迁移并改善现实功能结局，但设备成本、空间需求与治疗师培训门槛限制了其普及。低成本独立系统、简化界面、远程康复及个体化游戏化任务设计有助于提升可及性与长期依从性。此外，VR训练过程中的行为数据可生成数字生物标志物，用于认知衰退的早期检测，但行为指标仍无法完全解释适应过程的生理机制。1H NMR代谢组学作为互补技术，可识别与训练相关的尿液代谢谱，但目前相关特异性代谢响应仍需进一步验证。

2.6 NMR代谢组学与认知-运动生物标志物

2.6.1 代谢与代谢产物

代谢包含合成大分子的合成代谢与分解大分子为副产物的分解代谢，其小分子产物（<1500 Da）统称为代谢物，包括肽类、糖类、酮体、甾体、氨基酸等。代谢组是生物体内所有代谢物的集合，分为内源性（体内合成）与外源性（饮食、药物或环境来源）两类，具有细胞类型与体液特异性。代谢组位于“组学”层级的关键接口位置，可同时反映基因表达与环境互作，是表型分析的敏感指标。代谢组学通过全面分析生物样本中的代谢物，评估生理与外部因素（生活方式、饮食、药物等）诱导的浓度变化，已成为环境-基因互作、药物发现及疾病生物标志物鉴定的核心工具。其研究方法分为靶向（测量预设通路相关代谢物）与非靶向（检测样本中所有代谢物）两类。核磁共振（NMR）光谱与质谱（MS）是两大主流分析技术：NMR非破坏性、样品制备简单、重现性高，单次测量可定量约200种代谢物；MS虽灵敏度更高，但破坏性、样品制备复杂且重现性较低。1H NMR代谢组学通过对尿液等生物样本中150-200种可检测代谢物的光谱预处理（峰对齐、分箱）与多元统计分析，已成功识别出与疾病、脑外伤及认知功能相关的潜在生物标志物。将沉浸式VR与CML框架整合可提供系统层面的康复路径，而1H NMR代谢组学可补充表征训练相关的系统性生化特征。但需注意尿液代谢谱并非神经可塑性的直接测量指标，仅反映训练诱导适应的广义生理过程。未来需通过标准化纵向研究验证其作为训练应答者识别与个体化康复指导工具的可靠性，最终实现行为与生物学信息融合的精准康复范式。

1. 3.
   结论与展望
   人类与环境的互动依赖动态感觉运动环路内感觉输入、认知加工与运动输出的持续整合，该过程受全生命周期内学习、记忆及神经可塑性机制的塑造，支持个体适应环境变化、损伤后功能恢复及表现优化。本综述系统阐释了分布式神经环路对感觉运动整合的支撑作用，以及经验依赖性可塑性在健康与疾病状态下的功能恢复与增强价值，并探讨了认知-运动训练的应用潜力及1H NMR代谢组学对训练相关生理变化的表征意义。现有证据表明，体力活动、运动训练、认知训练及VR等非侵入性干预可通过调控神经可塑性改善认知运动结局，但训练效果的异质性、迁移性及现实相关性仍是核心挑战。解决这些问题需要更严格的方法学标准、高生态效度的任务设计及连接神经机制与功能结局的整合框架。未来，沉浸式认知-运动训练与客观生物学指标的融合是领域发展的重要方向：VR可在受控真实环境中同步激活感知、认知与动作系统，1H NMR等代谢组学技术则提供敏感的非侵入性神经可塑性适应生物标志物。整合行为、神经生理与代谢数据将有助于实现干预个性化、监测训练反应性并识别恢复或衰退的早期标记，推动基于系统神经科学与生物表型分析的精准认知-运动干预发展，最终优化康复策略，提升全生命周期的生理韧性，改善临床与非临床人群的功能独立性。