《Brain Sciences》：Exercise Modulates Working Memory-Related Brain Activation Through Bidirectional Neural Mechanisms: An ALE Meta-Analysis of Longitudinal and Cross-Sectional fMRI Studies
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背景：体育锻炼可改善整个生命跨度的工作记忆（WM），但其背后的神经机制仍未完全阐明，且干预诱导的神经可塑性变化与长期运动相关差异是否汇聚于共同的神经回路尚不清楚。方法：研究人员系统检索了PubMed、Web of Science、PsycINFO和中国知网（C
背景：体育锻炼可改善整个生命跨度的工作记忆（WM），但其背后的神经机制仍未完全阐明，且干预诱导的神经可塑性变化与长期运动相关差异是否汇聚于共同的神经回路尚不清楚。方法：研究人员系统检索了PubMed、Web of Science、PsycINFO和中国知网（CNKI）截至2026年6月的文献，纳入11项任务态fMRI研究（6项纵向干预研究和5项横断面比较研究；共403名受试者），这些研究报告了全脑激活坐标。分别对每种设计内的激活增强和激活减弱进行激活似然估计（ALE）荟萃分析。结果：纵向研究显示，运动诱导双侧小脑（后叶、小脑扁桃体）激活增强及右侧丘脑激活减弱。横断面研究显示，与对照组相比，长期运动者在左侧颞中回（BA 21）表现出更强的激活，在右侧扣带回（BA 24）和左侧尾状核体部表现出更低的激活。关键的是，两种设计产生了空间上不重叠的模式。结论：这些发现支持一种双重机制模型，即运动在增强任务正网络参与的同时，优化了对任务无关加工的抑制。它们进一步表明，运动通过不同的、依赖于时间尺度的神经回路塑造工作记忆环路。
1. 引言
工作记忆（WM）是对信息进行暂时存储和操作的能力，是推理、问题解决和决策等复杂认知功能的基础。WM功能随年龄增长而下降，尤其在老年人中更为显著。大量证据表明，体育锻炼可改善不同年龄段的WM表现，包括有氧训练、抗阻训练以及太极和瑜伽等身心运动。然而，运动产生认知益处的神经机制尚未被完全理解，且这些效应是否会根据运动参与的时间尺度而表现不同，在很大程度上仍未被探索。现有研究采用两种不同的设计：纵向干预研究评估结构化运动方案前后脑激活的变化，反映相对短期的神经可塑性适应；横断面研究则比较长期运动者或运动员与静坐对照组，反映数年规律体力活动相关的稳定神经特征。任务态功能磁共振成像（fMRI）研究结果不一致，而激活似然估计（ALE）荟萃分析为定量综合基于坐标的fMRI数据、识别跨研究的一致激活模式提供了稳健框架。本研究旨在：(1) 识别纵向研究中运动干预后一致的脑激活变化；(2) 识别横断面研究中长期运动者与对照组之间一致的脑激活差异；(3) 比较两种设计所揭示的神经模式，评估纵向与横断面证据是否汇聚于相似神经回路。
2. 材料与方法
2.1 方案与注册
本荟萃分析依照系统综述和荟萃分析优先报告条目（PRISMA）2020声明进行，并已在国际系统综述前瞻性注册数据库（PROSPERO）注册，注册号为CRD420261462524。
2.2 文献检索
研究人员系统检索了PubMed、Web of Science、PsycINFO和中国知网（CNKI）中截至2026年6月发表的研究。检索策略结合了运动、工作记忆和fMRI相关术语，并额外手工检索了相关综述和荟萃分析的参考文献列表。
2.3 纳入与排除标准
纳入标准包括：参与者为无神经或精神疾病、无认知障碍的健康个体；研究设计为原始实证研究；纵向研究采用任何形式的结构化运动干预（如有氧运动、抗阻训练和多模式运动方案），横断面研究比较长期运动者/运动员与静坐/不运动对照组；认知任务采用N-back等标准范式的任务态fMRI；报告了MNI或Talairach空间的全脑峰值激活坐标。排除标准包括：参与者存在神经或精神疾病、轻度认知障碍或影响认知功能的医学状况；认知训练、冥想或药物干预等非运动干预；非fMRI神经成像模态，或仅报告静息态功能连接、脑网络分析或感兴趣区（ROI）结果而无全脑坐标的研究；未报告工作记忆相关fMRI激活结果或未报告全脑峰值坐标的研究。
2.4 研究选择与数据提取
两名研究者独立筛选标题、摘要和全文，分歧通过讨论或咨询第三方研究者解决。标准化数据提取表提取了研究特征、参与者特征、运动干预细节、fMRI任务类型、对比条件、激活坐标及效应方向。当同一研究报告多个对比条件时，优先提取最高工作记忆负荷对比（如2-back > 0-back）的坐标；同时报告全脑分析和ROI结果时，仅提取全脑坐标。若坐标仅以图示形式呈现，则联系作者获取，四周内未回复则排除。
2.5 ALE元分析
使用GingerALE 3.0.2进行ALE元分析。每个实验的报告坐标被建模为三维高斯概率分布，其全宽半高（FWHM）基于样本量经验性确定。通过5000次置换生成零分布，将观测ALE分数与之比较确定统计显著性。聚类阈值为体素水平p < 0.001（未校正），最小簇范围为200 mm3。分别对纵向研究中的激活增强（post > pre）和激活减弱（post < pre）、横断面研究中的激活增强（exercisers > controls）和激活减弱（exercisers < controls）进行独立的ALE分析。
3. 结果
3.1 研究选择与特征
系统检索共识别出503条记录，去除151条重复后，经标题和摘要筛选排除289条明显无关记录，剩余63篇全文评估后排除52篇，最终纳入11项研究，包括6项纵向研究和5项横断面研究，共403名受试者，提供48个激活坐标。纵向研究共158名参与者，年龄10至74.7岁，干预包括12周Ai-Chi、12周多模式运动、12周高强度间歇或中等强度训练以及急性骑行方案。横断面研究共245名参与者，年龄20.8至70.6岁，比较包括瑜伽专家与静坐对照、奥林匹克赛艇/游泳运动员与静坐对照、篮球运动员与非运动员对照、高低剧烈体力活动者以及运动活跃与不活跃个体。工作记忆任务包括N-back任务（7项）、扫描内工作记忆任务（1项）、Sternberg工作记忆任务（1项）、变化检测任务（1项）和双匹配任务（1项）。三项研究报告了不同脑区的双向激活变化，即同时存在增强和减弱，这些坐标按报告方向分别提取并分类。
3.2 ALE元分析结果
11项研究中提取的48个坐标中，27个来自纵向研究（14个增强，13个减弱），21个来自横断面研究（10个增强，11个减弱）。分别对每种设计中的激活增强和减弱进行ALE分析，共产生6个显著簇。
3.2.1 纵向ALE元分析结果
激活增强（post > pre）：运动诱导的激活增强显示两个显著簇，位于双侧小脑（后叶、小脑扁桃体）。左侧小脑簇峰值MNI坐标为(?11, ?44, ?53)，ALE值为0.00878（p = 2.77 × 10
-5，Z = 4.03）；右侧小脑簇峰值坐标为(38, ?60, ?38)，ALE值为0.00988（p = 2.86 × 10
-6，Z = 4.54）。激活减弱（post < pre）：一个显著簇位于右侧丘脑，峰值MNI坐标(4, ?18, ?3)，ALE值为0.00738（p = 6.11 × 10
-4，Z = 3.23），体积为304 mm3。
3.2.2 横断面ALE元分析结果
激活增强（exercisers > controls）：一个显著簇位于左侧颞中回（BA 21），峰值MNI坐标(?57, ?33, ?10)，ALE值为0.01054（p = 1.90 × 10
-5，Z = 4.12）。激活减弱（exercisers < controls）：两个显著簇，第一个位于右侧扣带回（BA 24），峰值MNI坐标(28, ?8, 42)，ALE值为0.00803（p = 6.96 × 10
-5，Z = 3.81）；第二个位于左侧尾状核体，峰值MNI坐标(?15, 15, 21)，ALE值为0.00762（p = 3.15 × 10
-4，Z = 3.42）。
3.3 纵向与横断面结果比较
纵向和横断面分析识别的脑区在空间上不重叠：纵向研究显示小脑和丘脑的变化，而横断面研究显示颞中回、扣带回和尾状核的差异。这种空间分离提示，运动诱导的神经可塑性变化（纵向）与长期运动相关差异（横断面）可能涉及不同的神经回路。由于每项分析中的实验数量有限，未进行两种设计之间的正式联合或对比分析，以避免统计上不可靠的结果。
4. 讨论
本ALE荟萃分析分别考察了干预诱导的变化（纵向研究）和长期运动相关差异（横断面研究），发现纵向研究显示急性或短期运动后双侧后部小脑激活增强、右侧丘脑激活减弱，横断面研究显示长期运动者左侧颞中回激活增强、右侧扣带回和左侧尾状核激活减弱，且两种设计产生空间不重叠的脑区模式。这些结果提示，运动通过双向机制调节WM相关脑网络，即增强任务相关加工并优化任务无关加工的抑制，且这些机制可能在不同时间尺度上涉及不同神经回路。
纵向分析中小脑后叶激活增强与目前对小脑参与高级认知功能的认识一致。小脑通过齿状核-丘脑-皮层通路与额叶和顶叶区域连接，参与WM的调节。运动后小脑激活增强可能反映任务正网络（TPN）内神经资源动员能力的提升，符合神经补偿假说。然而，小脑功能组织并非均质：内在连接图谱显示，更靠下的后部区域（包括属于小脑扁桃体的Ⅸ小叶）优先与默认网络（DMN）而非额顶控制系统偶联。因此，纵向分析中观察到的扁桃体激活增强可能不仅反映TPN参与的增强，还可能反映运动后小脑在TPN-DMN交互中的参与重校准，例如在小脑作为领域通用调节器的框架下，通过共同预测计算优化任务相关和任务无关加工流。
横断面研究中左侧颞中回（BA 21）激活增强可能提示长期运动者在WM任务中使用更有效的语义加工或言语编码策略。颞中回参与语义加工和言语WM维持，其在运动员和体力活动活跃者中的增强激活，表明长期运动可能与更高效的言语编码或策略使用相关，这是一种对TPN参与形成补充的领域特异性认知增强。
与激活增强互补，本研究还发现右侧丘脑（纵向）以及右侧扣带回（BA 24）和左侧尾状核体（横断面）的激活减弱。这些区域参与注意门控、表现监测和认知控制，其激活降低可在神经效率框架内解释。DMN由内侧前额叶、后扣带回、角回和颞中回等区域构成，通常在外部导向认知任务中失活。成功的WM表现依赖于抑制DMN活动以减少任务无关的内部心理活动。扣带回（BA 24）作为DMN的核心节点，其激活减弱提示运动可能增强DMN抑制，这是改善认知效率的关键机制。丘脑作为皮层-丘脑-皮层环路的中继站，运动后激活减弱可能反映皮层区域间更高效的信息传递，所需丘脑门控减少。尾状核体是皮层-基底节-丘脑环路的重要节点，参与WM门控和更新，其激活减弱表示长期运动中优化的认知门控机制。这些模式共同指向神经效率：运动训练后以较少的神经资源实现相当的认知表现。
整合来看，这些发现支持运动改善WM的双重机制模型。运动同时增强任务正网络参与（小脑激活增强）并优化DMN抑制（丘脑、扣带回和尾状核激活减弱）。这种TPN-DMN拮抗关系在认知神经科学中已得到确认：在认知要求高的任务中，TPN区域活动增加，DMN区域活动减少，二者的负相关程度与更好的WM表现和认知控制相关。本研究将这一框架扩展至运动领域，证明运动后不同脑区可同时观察到两个方向的激活变化。这种双向模式也与神经认知老化的补偿假说和衰老与认知的脚手架理论（STAC）及其修订版（STAC-r）相符，即大脑在应对功能挑战时构建补充回路，而运动是促进脚手架形成的关键丰富化因素。
纵向与横断面结果之间的空间分离值得关注。纵向研究捕捉相对短期的运动效应（从单次急性运动到几周或几个月的训练），主要显示皮层下结构（小脑、丘脑）的变化；横断面研究反映持续数年的长期运动习惯，显示皮层和纹状体区域（颞中回、扣带回、尾状核）的差异。一种可能的解释是，运动诱导的早期神经可塑性变化主要影响WM网络的皮层下节点，而长期适应扩展至皮层区域，这与脚手架理论中随需求增强而补充神经回路的观点一致。另一种解释是两种设计反映了不同的潜在机制：纵向研究捕捉训练后的状态样变化，横断面研究捕捉与持续运动习惯相关的特质样差异。
需要指出的是，本模型基于相对较少的研究（6项纵向、5项横断面）。空间分离虽支持不同时间尺度机制的存在，但未来仍需更大样本和更标准化设计的研究来直接检验该模型。局限性包括：纳入研究数量较少；体素水平p < 0.001的未校正阈值可能增加假阳性风险；各研究在参与者特征、运动干预和WM任务上存在临床异质性；纵向分析中无法分离长期运动训练与急性运动效应；受限于研究数量和人口学异质性，无法进行亚组分析或元回归以考察年龄、性别或运动类型的调节作用。
5. 结论
本ALE荟萃分析提供了运动通过双向神经机制调节WM相关脑激活的定量证据。纵向研究显示急性或短期运动后后部小脑激活增强和丘脑激活减弱，横断面研究显示长期运动者颞中回激活增强、扣带回和尾状核激活减弱。这些模式与双重机制模型一致：运动增强任务相关回路的参与并优化任务无关加工的抑制；两种设计之间的空间分离支持这些机制在不同、时间尺度依赖的神经回路中展开。鉴于纳入实验数量有限，这些发现应被视为探索性结果，但它们为理解运动如何在整个生命跨度中塑造WM功能架构提供了可检验的框架。
