抽象
吸毒成瘾是全球性的公共卫生问题，是由多种现象引起的，包括社会和生物学现象。 长期使用精神活性物质已被证明可诱发大脑的结构和功能变化，从而损害认知控制并促进强迫性寻求行为。 实践证明，体育锻炼可以改善健康人群和临床人群的脑功能和认知能力。 尽管一些研究证明了体育锻炼对治疗和预防成瘾行为的潜在益处，但很少有研究调查其对成瘾者大脑的认知和神经生物学贡献。 在这里，我们回顾了使用认知行为反应和神经影像技术对人体进行的研究，这些研究表明，运动可以成为药物成瘾性疾病的有效辅助治疗。 此外，我们描述了神经生物学机制，运动引起的前额叶皮层神经可塑性改善了执行功能，并可能降低了易患物质使用障碍的个体的强迫行为。 最后，我们提出了一种综合的认知-心理-生物学运动模型，可用于药物成瘾的未来研究和临床环境中的实用指导。
介绍
成瘾的精神活性物质（例如尼古丁，可卡因，大麻，酒精，海洛因，吸入剂，LSD和摇头丸）是现代世界的公共卫生问题（1）。 美国精神病学协会（DSM-V 2013）的《精神疾病诊断和统计手册》将吸毒成瘾归类为一种物质使用障碍（SUD），当一个人符合以下两种或两种以上有关使用精神活性物质的标准时：耐受性，渴望，反复尝试停止使用毒品或与毒品使用相关的社会，个人，身体或心理问题（2）。 除了生物学，文化，社会，经济和心理因素对SUD患者的影响（3），在动物模型和人类中的研究表明，使用精神活性物质会诱发大脑的表观遗传，分子，结构和功能性变化（4）。 因此，药物成瘾的神经生物学模型提出了生物学和环境因素之间的复杂相互作用，并为预防，治疗和药理学目标创造了新的综合观点（5).
传统上，SUD与大脑奖励系统中的异常多巴胺释放和敏感性有关。 这个神经网络由几个相互连接的大脑区域组成，包括腹侧被盖区域，伏隔核，杏仁核，纹状体，海马和前额叶皮层（PFC）（6）。 PFC是人体的完整神经系统，是正常执行功能（包括决策和抑制控制）以及有益的社会情感功能所必需的（7）。 使用正电子发射断层扫描（PET）和功能磁共振成像（fMRI）进行的研究表明，患有SUD的个体的PFC活性降低（8）。 这种情况似乎与多巴胺受体数量减少和多巴胺能神经元的异常放电速率有关（9）。 多巴胺系统和PFC活性的这些变化可能有利于强迫性物质的摄入和寻求行为，以及对药物消耗的控制丧失（8）。 同样，有人提出前额叶皮层发育不完全以及由此导致的控制冲动决定的能力下降，可以解释为青少年特别容易受到药物滥用的影响（10），强调了在此大脑发育阶段防止使用成瘾性精神活性药物的重要性。 因此，当代的康复计划强调了针对跨学科治疗方法的重要性，这种方法的目标是恢复正常的PFC功能，同时结合使用药物，社会护理和由精神科医生，心理学家，社会工作者和家庭支持的行为疗法（5).
对于在成瘾康复的不同阶段接受治疗的SUD患者，体育锻炼已被提议作为一种补充疗法（11–13）。 临床前动物研究已显示出体育锻炼诱发的神经生物学机制的证据，支持其潜在用途作为治疗药物成瘾的治疗策略。 示例如下：使多巴胺能和谷氨酰胺能传递正常化，促进BDNF（脑源性神经营养因子）介导的表观遗传相互作用以及修饰基底神经节中的多巴胺能信号传导（11, 14）。 然而，鉴定运动与人脑之间类似的分子相互作用提出了重大的方法学挑战，需要将这些发现从动物模型转化为人类。
另一方面，体育锻炼对人类认知功能和脑部结构的好处在文献中已有详细记录（15）。 例如，有氧运动与PFC地区执行功能的改善以及灰质数量和活动的增加有关（16, 17）。 此外，心肺适应性较高的儿童和成人（即VO2 max）在PFC和前扣带回皮质（ACC）中显示出改善的认知表现和神经元活动（18）。 临床前动物研究的结果表明，这些大脑适应似乎与运动诱发的分子（如BDNF）的释放有关（19）和IGF-1（胰岛素样生长因子1）（20）。 两种分子均充当神经营养因子并产生新的突触，神经元和神经网络（18）。 运动过程中脑血流量的增加促进了这些适应（21）和血管内皮生长因子（VEGF）的释放（22），可促进血管内皮细胞的有丝分裂活性，从而促进血管生成并增强神经元的氧气和营养供应（18）。 此外，运动还与脑血屏障的完整性有关（23）。 然而，尽管锻炼大脑具有广泛的益处，但是其对SUD个体中PFC和认知功能受损的影响尚需进一步研究。
在这个小型综述中，我们介绍了有关运动和SUD的最新文献的综述结果。 我们将搜索限于研究SUD人群中急性或慢性有氧运动对认知和/或神经生物学标志物的影响。 用于选择文章的搜索字词是“香烟”，“尼古丁”，“酒精”，“甲基苯丙胺”，“裂纹”，“可卡因和大麻”，“体育锻炼”，“耐力运动”，“有氧运动”， ”，“成瘾”：物质使用障碍，“执行功能”，“前额叶皮层”，“认知”和“大脑”。两位作者选择了在电子数据库中确定的已发表和经过同行评审的文章（Pubmed Central，Medline， Scopus和Web of Science）在2019年2月发布，而第三位作者解决了观点分歧。 仅考虑以英文发表的文章。 最后，我们提出了一种运动的综合认知-心理生物学模型，以支持该主题的未来研究，并为其在临床环境中作为SUD的治疗工具的应用提供方法学指导。
有氧运动对SUD患者脑和认知功能的影响
有氧运动通常以次最大强度进行很长时间，大部分能量消耗来自线粒体氧依赖性的ATP产生。 有氧训练导致的心肺系统的有机适应性主要体现在较高的VO值上2 最大值，这与多项健康参数的改善以及大脑和认知功能的改善有关（18, 24）。 有氧运动的示例包括夏季运动中的跑步，游泳和骑自行车以及冬季运动中的越野滑雪或速滑（25). 表1 描述了研究有氧运动对SUD患者大脑和认知功能的影响的研究。 有氧运动的急性影响（即，运动停止后立即发生）已显示出PFC氧合增加与更大的抑制控制有关（26），并改善了多物质用户的记忆力，注意力和速度处理能力（27）。 同样，在固定式自行车测功机上运动的甲基苯丙胺使用者其后表现出改善，例如更好的药物特异性抑制控制，降低的渴望水平和增强的ACC（冲突监测和抑制区域）的大脑活动（28）。 Wang等。 （29）和王，周和张（30）还对甲基苯丙胺使用者进行了研究，结果表明，在中等强度（即最大心率的65–75％）下进行的锻炼会降低渴望程度，改善执行/不执行任务的性能，并增加非执行中的N2幅度在出现视觉提示后，当个人不得不抑制冲动按下计算机屏幕底部的冲动时，会出现这种情况。 值得注意的是，N2是一种与事件相关的电位，使用非侵入性脑电图（EEG）进行监测，其起源于额叶顶叶皮层，并直接与抑制性控制相关（31).
表1
进行体育锻炼对患有物质使用障碍的人的大脑和认知功能的影响的研究。
| 急性运动研究的结果 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 参考文献 | 学习程序 | 药物种类 | 运动（类型；强度；时间） | 神经生物学标记和认知测试 | 结果 |
| Janse Van Rensburg和Taylor（2008）（32) | 吸烟者（N = 23）经历了各种状况（运动和被动休息）。 他们在患病前后进行了认知测试。 | 尼古丁 | 在跑步机上进行有氧运动； 光线自定强度； 2min热身和15min锻炼 | Stroop测试 | 运动后，与对照组相比，吸烟者的认知测试表现没有改善。 |
| Janse Van Rensburg等，（2009）（33) | 吸烟者（N = 10）处于一定条件下（运动和被动休息），然后在观看吸烟和中性图像时进行了功能磁共振成像扫描。 | 尼古丁 | 骑自行车的有氧运动； 中等强度（RPE 11-13）; 2min热身，10min运动。 | 功能磁共振成像 | 与对照组相比，吸烟者在运动后与奖赏，动机和视觉空间注意有关的区域大脑活动减少。 |
| Rensburg等（2012）（ 34) | 吸烟者（N = 20）处于一定条件下（运动和被动休息），然后在观看吸烟和中性图像时进行了功能磁共振成像扫描。 | 尼古丁 | 骑自行车的有氧运动； 中等强度（RPE 11-13）; 2min热身，10min锻炼） | 功能磁共振成像 | 锻炼后吸烟者在吸烟影像中视觉处理（即枕叶皮层）区域活动减少 |
| 王周昌.2015（30) | 参与者（N = 24）执行两个条件：运动和阅读控制会话在每个条件下均测量认知测试和脑电活动。 | 甲基安非他明 | 自行车测功机上的有氧运动； 预计最大心率的65-75％，30min（5min热身，20min运动和5min冷却） | 脑电图（EEG），GoNoGo | 与对照组相比，运动后一般和甲基苯丙胺特异性抑制控制均得到改善。 与对照相比，在两种抑制性对照试验的Nogo条件下的认知试验期间，观察到的N2振幅都更大。 |
| Wang et al。，2016（29) | 参与者（N = 92）被随机分为4组：轻度运动，中度运动，剧烈运动和阅读对照组。 在运动或阅读课程之前和之后的20min进行认知测试和脑电活动测量。 | 甲基安非他明 | 自行车测功机上的有氧运动； 每组都有自己的强度，基于估计的最大HR（40-50％，65-75％和85-95％，分别对应于轻，中和高强度）； 30min的运动（5min的热身运动，20min的运动和5min的冷却时间） | 执行一般GoNogo任务和甲基苯丙胺特定GoNogo任务时的脑电图（EEG）。 | 中等强度组表现出更好的反应时间和更少的错误数量。 同一组在常规和甲基特异性抑制对照的Nogo条件下均显示出更大的N2振幅。 |
| Da Costa等，2017（35) | 在最大努力锻炼期间，将具有药物滥用障碍（N = 15）的个体与15健康的个体进行比较。 在会议期间，所有志愿者在进行认知测试时均测量了其前额叶皮层的氧合。 | 多个吸毒者（35.5％上瘾于一种物质，43％上瘾于两种物质，21.1％上瘾于三种物质）。 8报告为裂纹/可卡因使用者，6为酒精使用者，3为大麻使用者。 | 有氧运动直至自愿性筋疲力尽[Borg量表上的20（6-20）]。 旋律仪保持在60-70 rpm。 初始负载为25w，每两分钟发生一次25w增量。 | 近红外光谱（NIRS）和Stroop测试 | 有物质使用障碍的个体在运动期间增加前额叶皮层的氧合，这与Stroop测试中更好的反应时间有关。 另外，锻炼后的渴望降低了。 |
| Da Costa等，（2016） (36) | 滥用药物（N = 9）的个体进行了3个月的运动干预。 他们在运动方案前后进行了认知测试。 | 裂纹和可卡因 | 有氧运动（自由奔跑），自行选择强度； 每周3次； 36-60min /会话。 该协议持续了3个月。 | Stroop测试 | 发现参与者减少了与改善心肺适应性相关的反应时间。 比较干预前后，Stroop测试的错误数量保持不变。 |
| Cabral等，（2017）（37）（一种） | 案例报告。 在开始跑步方案之前，之后的45天和之后的90天，受试者在进行增量运动期间进行了额叶前皮质充氧。 | 酒精和尼古丁 | 有氧运动（自由奔跑）； 自选强度 每周3次； 运行时间沿周增加（第一周：3-6min，上周：40-50min）。 该协议持续了12周。 | 近红外光谱（NIRS）。 Stroop测试 | 经过90天的跑步，受试者在通气阈值时改善了921％的前额叶皮层氧合，在呼吸补偿点改善了604.2％，在最大努力时改善了76.1％。 此外，在抑制性对照试验中，个人正确答案的数量增加了266.6％，反应时间增加了23％。 |
| Wang et al。，（2017）（38) | 随机对照试验研究。 参与者分为两组：运动（N = 25）和对照组（N = 25）。 在12周之前和之后，两组均进行了认知测试和脑电图测量。 | 甲基安非他明 | 有氧运动（骑自行车，慢跑，跳绳）； 预计最大HR的65-75％； 每周3次； 40min /会话（5min热身，30min有氧运动和5min冷却）。 该协议进行了12周。 | 脑电图（EEG），Go / NoGo | 与对照组相比，运动后一般和甲基苯丙胺特异性抑制对照均得到改善。 与对照组相比，在两种抑制性试验的Nogo条件下的认知试验中，观察到的N2振幅都更大。 |
| Cabral等，（2018）（39）（b） | 案例报告。 在进行认知测试时，在休息期间进行运动之前和之后测量参与者的大脑活动。 此外，在递增式跑步机运动期间测量了额叶前额叶氧合。 | 裂纹/可卡因和酒精 | 高强度的有氧运动； 全力以赴参加30，并为4休息：30min每周进行3次会议。 该协议持续了4周。 | 脑电图（EEG）和近红外光谱（NIRS），Stroop测试 | 在跑步机测试开始时，前额叶皮层氧合血红蛋白增加了228.2％，在中间测试中增加了305.4％，在测试结束时增加了359.4％。 Stroop测试期间前额叶皮层活动得到增强。 Stroop效果降低了327％。 |
在尼古丁使用者中，进行荟萃分析（40）和系统评价（41）对戒烟几乎没有影响。 但是，这些评论未包括使用认知或神经生物学标记作为结果的研究。 另一方面，Rensburg等。 （32–34）进行了一系列重要实验，表明有氧运动对尼古丁使用者的大脑和认知功能的潜在益处。 第一项研究表明，与控制条件（被动休息）相比，15分钟的轻度跑步机运动减少了渴望水平，但没有发现抑制性控制的改善。 但是，抑制性控制任务的绩效只能通过反应时间来衡量，而不能通过错误数量来衡量，这可能会限制我们对结果的解释（32）。 在第二个实验中，与对照条件（被动坐10分钟）相比，10分钟的中等强度自行车运动引起了渴望水平的降低。 在每种情况下，参与者在观看中性图片和与吸烟有关的图片时都要进行功能磁共振成像扫描。 在观看吸烟图像时，参与者表现出与运动后奖励（即尾状核），动机（即眶额皮质）和视觉空间注意（即顶叶和海马旁回）有关的大脑区域激活减少（33）。 另一项研究在大量吸烟者中重复了相同的实验设计。 结果表明，中等强度运动的10分钟也降低了渴望水平，而功能磁共振成像分析显示，在运动状态下吸烟图像期间视觉处理（即枕叶皮层）区域的活动减少，而对于对照状态（被动坐姿）则没有（34）。 因此，这些结果表明，有氧运动对调节尼古丁使用者的渴望和相关的大脑区域具有潜在的作用。
因此，尽管迄今为止在文献中可用的研究数量有限，但是很明显，有氧运动的急性发作减少了渴望水平，并且似乎有益于这些个体的认知和脑功能。 但是，了解定期进行的锻炼（即慢性影响）是否可能在整个运动训练的数周和数月中潜在地对SUD个体的大脑和认知产生潜在的急性好处。 迄今为止，只有两项研究使用神经生物学和认知标志物研究了有氧运动对SUD患者的慢性影响（ 表1 ）。 在一项研究中，甲基苯丙胺使用者在每周执行3分钟的30分钟的中等强度锻炼之后，在抑制任务期间表现出更好的抑制控制和ACC更大的激活作用（38）。 奇怪的是，Wang等人的这项开创性工作。 （38）没有报告心肺适应性的变化，这限制了运动引起的心肺适应与大脑和认知功能改善之间的关联。 但是，另一项针对多物质使用者的纵向试验研究结果显示，3个月的有氧运动改善了抑制控制，并与心肺适应性改善相关（36).
由于文献中缺乏纵向研究，我们进行了两个病例报告，其中我们测试了两种不同的运动干预措施。 第一个是3个月的跑步程序（每周3次），该程序基于自行选择的中等强度锻炼。 该研究是在一家公共精神病医院接受治疗的慢性酒精使用者进行的。 在锻炼计划之前和之后评估PFC氧合作用，抑制性控制和医疗干预的必要性。 在3个月结束时，参与者展示出PFC氧合改善，抑制控制任务中的反应时间减少以及对医疗干预的需求减少（37）。 第二例病例报告涉及裂纹/可卡因和酒精使用者接受治疗。 他们进行了4周的高强度运动（每周3次），我们测量了PFC的氧合作用，脑电图检查的大脑活动以及干预前后的抑制作用。 参与者在抑制性对照试验中表现出PFC活性增加，在运动中表现出PFC氧合增加（39）。 两者合计，认知能力和脑功能与定期运动之间的关系表明，体育锻炼在促进对SUD个体的强迫行为进行更好的执行控制方面起着有希望的作用。
自选运动强度的心理生物学：临床设置和研究的实用工具
从进化的角度来看，人类已经通过寻找食物和持久捕食猎物（据说一直进行到体力衰竭）适应了长时间的有氧运动（42）。 有氧自我选择运动以及对获取食物和生存的环境提示的认知评估被认为是人脑发育的关键特征（43）。 但是，现代社会已经消除了人们为食物或庇护所奔跑/行走的需要。 结果，运动不足行为和相关疾病（例如糖尿病，肥胖和高血压）的发生率不断增加（44, 45）。 关于运动量，强度和运动频率的理性声明式决策不足以改变久坐的行为。 因此，正在提出一些方法来促进人们对体育锻炼团的更多遵守，并且从心理生物学的角度出发似乎是实现这一目标的一种有前途的方法（46, 47).
研究表明，运动强度的认知和情感调节在锻炼计划的耐受性和坚持性中起着关键作用。 例如，久坐不动的人在运动过程中因高强度运动引起的体内稳态干扰与负面的情绪状态和较低的愉悦感有关（45），导致遵循率降低（48）。 相反，自我选择的运动强度与积极的情感状态和运动过程中更高的愉悦度相关联（45）。 自我选择的运动强度强调大脑是运动强度波动的主要控制者（46），而PFC通过双向心智/身体整合来控制增加或降低速度或容忍或终止运动的决策（49）。 在此框架内，自上而下的机制是发起的机制 通过 PFC级别的陈述性或非陈述性心理处理，它调节肌肉的募集并改变生理和行为反应。 另一方面，自下而上的机制是通过使无所不在的躯体，内脏，化学和机械感觉感受器敏感，从而影响从外围到脑干，边缘系统和大脑皮层的中枢神经加工而启动的（50）。 在以自选强度进行任何体育活动时，对生理状态的认知解释可能会一直在努力保持体内稳态，从而达到既定目标（46, 51）。 换句话说，跑步时速度的波动是大脑监控的行为结果（52）。 通过将任务认知评估与与生化和生物物理变化有关的传入信息（例如温度，心脏和呼吸频率，血压，代谢物（例如，PO）2，PCO2， H+，HCO3 - 和乳酸），肌内H+以及运动过程中能量底物的可用性（53).
此外，疲劳感和自我挫败感需要PFC进行抑制性控制，以保持身体活动（54）。 在这种情况下，决策可能基于诸如感觉到的劳累（即锻炼的强度），影响（即，好和坏感觉的普遍价）之类的感觉以及诸如“我不能做到， ”“我会放弃”或“这很难”（53, 55）。 因此，自我选择的运动强度会强调在体育锻炼过程中生理变化（自下而上）下的认知控制（自上而下）（ 图1 ），并且可以将其用作在SUD患者治疗过程中发展自我监控和自我控制能力的策略。 例如，当在锻炼过程中设定目标（例如跑步特定时间或距离（即计时锻炼））时，个人需要调节自己的步调以成功完成该任务。 因此，在锻炼过程中，调节速度（跑步速度）的决定将受到几种环境刺激（即天气，地形，竞争对手，口头指示以及时间或距离反馈）以及生理状态的影响。
在连续运动过程中控制步伐，同时综合自上而下（认知功能）和自下而上的加工因素（生理反应）。
已经提出了几种通过自上而下和自下而上的双向机制专注于这种身心相互作用的疗法，作为调节压力和免疫系统的有希望的康复工具（56, 57）。 因此，我们假设自我选择的运动强度采用双向机制，可以改善与脑运动诱发的神经可塑性相关的自我控制能力。 可以使用神经影像学方法（例如，fMRI，PET扫描和fNIRS）和/或脑电图，在研究知觉反应，运动诱发的作用和PFC功能时，在人类中测试这种认知调节。 此外，大脑反应可以与评估SUD特定决策和抑制控制的执行结构的测试相关联，例如提示反应性通过/不通过测试，其中个体必须抑制其对显着刺激相关的反应毒品相关线索（例如毒品行为图片）。 该提示反应性反应已显示可激活PFC区域并预测不同物质疾病的复发（58, 59）。 因此，我们建议随机临床试验可以遵循神经科学范式和认知方法论来检验这一假设。 此外，对照组的实施将在这些实验设计中起关键作用，以便将自行选择的运动强度与其他类型的运动强度调节进行比较以证明其功效。
结论
尽管需要进一步的前瞻性研究和临床试验来测试运动的心理生物学模型作为SUD的干预和治疗的功效，但体育锻炼已被证明是SUD个体有效且有前途的治疗手段。 在这里，我们已经描述了SUD患者以及有氧运动可改善慢性物质对大脑区域的影响。 其中一些领域主要与执行功能有关，执行功能是指与思想和行为控制相关的一组自我调节过程，包括抑制性控制和决策。 因此，与建议体育锻炼来治疗其他疾病的方式相同，有氧运动所促进的神经可塑性可能表明其可作为SUD患者潜在的额外治疗方法。 具体而言，这些好处可能会在与执行控制相关的大脑区域中看到，例如那些与抑制吸毒行为和冲动有关的区域，以及与吸毒有关的决策。 此外，SUD个体的健康水平提高可能会增强PFC功能和认知能力。 这些好处应提高个人在受到环境提示时抑制药物消耗行为的能力，从而提高他们维持禁欲的能力。 但是，这仍然是一个假设，需要进一步的研究来提供运动对维持戒毒的有效性的证据，尤其是自我调节强度的运动。 因此，我们提出了一种运动的综合认知-心理生物学模型，以供将来研究之用，并提供实践指导，以优化其在康复计划中的潜在利益。
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