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運動增進記憶力?

科學月刊_96
・2012/01/16 ・4258字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 585 ・九年級
運動有益身心健康。運動不但能減低心血管疾病的罹患率,
對腦的認知功能,也具有正面影響。運動的益處,值得現代人重視。

文/程樹德

孔子率弟子們周遊列國,到了南方楚境,就感受隱逸文化的衝擊,例如楚狂接輿及長沮桀溺,用歌或詞諷勸,反對他的積極淑世,倒另有一位荷篠丈人,似乎對「士」這個職業或階級很有意見,他對急著追尋老師的子路說:「四體不勤,五穀不分,孰為夫子?」,就不再理睬了,反自顧自去耕田,倒是平日魯莽的子路,此時恭恭敬敬地拱而立,這禮貌的舉動,反而贏得了丈人的讚許,殺雞煮黍地招待了子路一餐。

從這小故事,我們或可窺見,農業時代的體力勞動,該極為普遍,但或因地位漸生差別或因職業的分工,逐漸地,有些人較少行身體勞動,成為統治階級或勞心者,引起群眾的不滿,而新興的士首當其衝,也不受待見,被譏為菽麥不分。

時代演替,運動量大不同

的確,從漁獵文明,漸漸演化為農業文明,勞動的質與量,該會有很大的變化吧!我們可以想像,漁獵時的身體活動,當以走路、跑步、投擲、棒擊,拖拉及背負為主,手腳運動多,但背部彎曲不那麼頻繁,而從事農業時,身子的勞動,當以彎腰、鋤地、翻土、插秧、耕土、拔草、割穀,以及背負拉扯等為主,明顯地讓脊椎彎曲更久,俗話的「面朝黃土背朝天」,就指這姿勢,似乎運動部位,明顯不同,故日久受傷,位置也各異,老農駝背及腰痛,起源於此。

另外追尋獵物時,雖手持刀弓棒網,但用蠻力或出死力的時刻不多,反倒在務農時,用鋤翻土、鋸樹、夯土、背穀,常要持續出大蠻力,若以現代術語來套用,似乎漁獵時代的「有氧運動」較多,而農業時代的「無氧運動」反較多。

正由於長久且用大力的運動,熱量消耗上,農人可能平均要高於獵人,能維持這種運動量,農人攝食的熱量,也可能高些。

但轉入工業時代後,勞動的質與量,肯定與農業時代大不相同,由於人能操縱機器,而機器又由化石能源來驅動,人力的節省十分鉅大。例如,有人調查,發現日本進行農業機械化後,農夫平均的體力消耗少了一半,而在英國,從1956~1990年間,農民的熱量支出,驚人地少了65%。然而農人及勞工在現代社會中,還算是體力勞動較多的一群人,辦公室男女、學生老師等人,出有車,入有空調,日常所耗能量,就更少於漁獵或農業時代的一般人,這就會有大問題。

由於文化的變遷,技術累積,能源充裕,進而使人的日常生活方式大不相同,人群由身心皆已較為適應的漁獵文化,進入較未適應的工業文明,有可能適應不良而導致疾病,這一種概念,籠統叫作「文明病」(Disease of Civilization)。

運動使人身心健全有人一定會抗議,說現代文明舒服得很,怎叫「不適應」呢?出有車,入有冷氣,食有肥肉甜點,豈不是天堂的境界嗎?但我們該看細節,方能明白我的指涉,例如漁獵時代,甜的食物只有蜂蜜或熟透的瓜果,它所佔人攝入的總熱量之比例很低,幼兒也只能偶然吃到,但現代糖果及甜食極易獲得,經大量攝食後,即會齲齒及肥胖;再由肥胖產生糖尿病及心血管疾病,故「魔鬼藏在細節裡」,當我們逐項審視時,就可發現,追求舒適及縱慾後,可能出現預想不到之後果了。

運動對腦功能有何影響?運動除能降低疾病發生率,對記憶、認知方面,亦具 有正面的效益。運動的益處,值得缺乏運動的現代人所重視。

由於體力勞動是狩獵及農牧社會中,居上位的巨型寄生階級除外,大多數人的日常生活方式,運動與健康的關聯,並未被農業時代的人所普遍體會,當然也有先知先覺之人,例如荷篠丈人或許很甘於田間工作,西方羅馬帝國的哲學家西賽羅(Marcus Cicero)在西元前65年,也曾說過:「運動讓人精神好,心智活躍。」

而真正發現運動確實有益健康,該是人類深入工業時代之後,方能察覺了,在西元1949年,由摩里絲(Jerry Morris)所領導的研究小組發現,兩群人縱有相同社會地位,或相似的職業,但因運動量不同,心臟病發作的機會就不同,他特別挑出巴士車掌及巴士駕駛們,來進行統計比較,駕駛坐著,動得少,故發現其心臟病比例,遠高於必須前後走動的車掌了。

由於身體勞動在現代富裕社會裡,已經不是生活必然的條件,研究運動與健康,反倒相對容易些,因學者較容易找到完全不運動者,及刻意努力運動者,以比較他們患各種慢性疾病的機會。

運動對心血管系統有所裨益,這有許多研究的支持:例如世衛組織統計,不運動的習慣,佔心臟病成因約17%,在中老年人群中,統計學家甚至發現了一條直線關係,存在於每週運動所消耗的熱量(從2000大卡到700大卡),與各病因總死亡率及心血管疾病的死亡率,換句話說,每週耗2000 大卡運動這一小群體,死亡率最低,但每週只耗700大卡運動的小群體,則有最高死亡率。中等強度的運動,也即運動只達最高耗氧量的40~60%,即可達最佳降低心臟病致死的機會,但高強度運動倒無益。我還記得在1980 年代,美國一位費斯克先生提倡慢跑,風頭極健,在追求健康成痴的美國,是電視及雜誌寵兒,一日忽聞他運動中死亡,原來他隱瞞自己的心血管疾病,卻每日堅持超長時間的慢跑,怪哉!此人為跑而生,也為跑而死!

有成百計的論文,研究運動與免疫系統的關係,但少有直接證據,可指出運動降低某種感染病的機率。有個流行病學的統計,指出中強度運動,似乎可降低上呼吸道感染率,達29%;也有研究指出,頻繁及強烈的運動,可壓抑免疫細胞的功能,與此相似,有研究指出,運動員較易受病原感染致病。

但運動似也可降低皮脂醇在血中含量。這「皮脂醇」由腎上腺皮層所分泌,是因應人體所受心理壓力而增加,它除了能抑制免疫功能外,也能增強焦慮、憂鬱、促使記憶缺失,所以運動經由降低皮脂醇,對於身心有所裨益。

運動常能使人喜悅,在英文裡稱之為「跑者快樂高潮」。以前認為運動刺激「腦內啡」(endorphin),而這腦內啡循行到了腦內的嗎啡接受器,便產生快樂興奮。的確,測量運動者的血液內的血清張力素及腦內啡,可發現,兩者都上升了,而且能持續好些天,似乎能造成人的好情緒及高自尊心,故有人建議,中度以下的憂鬱症患者,可以試試只用運動來預防或治療呢!

大腦中的海馬狀結構 人腦中具有一對「海馬迴」(hippocampus)構造,分別位於左右 腦半球,掌管記憶以及空間定位方面的功能。其名稱源於此部 位外觀貌似海馬。 20世紀初,開始有科學家認識到海馬迴對於某些記憶以及學習 有著基本的作用。特別是1957年有關亨利.莫萊森的海馬迴病例報 告,當時引起了眾多科學家的關注。 由於長期的癲癇症狀,醫生為莫萊森進行手術,切除了顳葉皮 層下一部份的邊緣系統組織,其中包括了兩側的海馬迴。手術後, 莫萊森的癲癇症狀被有效控制,但,自此以後卻失去了形成新的長 時記憶之能力;而這個發現也成為許多研究人員想要了解海馬迴在 記憶及學習機制的契機。

描繪「空間地圖」的關鍵運動對腦功能有何影響呢? 幾年前(2008)在《公眾利益之心理科學》雜誌上,有一篇65 頁的回顧,討論各種恢復認知功能(cognitive function)的治療法,作者們的結論是:「運動,尤其是有氧運動,可增進老年人的認知功能。」

要想客觀地衡量某一「認知」的功能,我們可以邀集志願者,請他參與實驗,並詢問他的認知狀態。但最好能用實驗動物,因為可以嚴格控制一個變因,也能詳細測量牠的行為,更能犧牲牠,拿出其腦子來檢驗細部變化。

記憶很易量化,而它也涉及到腦中一個小結構,海馬迴(hippocampus),這就讓海馬迴成為熱門的研究部位,這一對海馬狀的結構,處於大腦側室的尾端,深埋於大腦顳葉皮層的內部,而其功能的首要線索,來自對一位病人(亨利.莫萊森,簡稱H.M.)的外科手術,為了防止癲癇發作,醫生用手術刀破壞了他的海馬迴,術後他無法對新遭遇有任何記憶,對接近術前所發生的事,也沒任何回憶,但對童年事卻如數家珍,這奇異現象使莫氏成了醫學史上,被最熱烈研究的對象。

除了幫助新事件(episodic memory)的記憶,海馬迴也幫助老鼠對空間方位有所記憶,牠們的海馬迴細胞似乎形成了一個「方位場域」,也即當這隻老鼠走到熟悉環境的某一定點時,迴裡某些特定細胞,就發出行動電位(action potential),這種特殊的「位置細胞」似乎指出老鼠所處的位置。

這項發現導致海馬迴的另一可能功能,即它為個體畫了一個空間地圖,使老鼠知道牠在那裡,及導引牠向何處運動。

由於海馬迴內不同形態的細胞整齊的排列成層狀,易於辨認,所以成了研究神經生理學的模式系統,我們以下介紹的研究,即運動對老年鼠學習能力及神經細胞新生有無影響,這是由美國加州沙克生物學研究所遺傳研究室的蓋吉小組所做研究︰老年老鼠學習能力減弱了,而觀察老年鼠腦內的海馬迴,其神經細胞的突觸數量,強度及彈性也減少,且迴內新細胞的產生速度也減弱了,所以,老年鼠學習力弱,似與海馬迴細胞衰老有關。老年人海馬迴一般均會有些萎縮,但終生運動的老年人,其萎縮程度少於不愛動的老人。

水迷宮實驗:運動提升了小鼠的記憶能力

如何用老鼠模擬老年人狀態呢?研究人員選一群三個月大的小鼠當「年輕組」,用一群19個月大的小鼠當「老年組」。年輕、老年兩組又再各自劃分出「運動組」與一直靜態生活的「靜止組」;這品系小鼠(C57BL/6)壽命之中位數是26 個月。靜止組小鼠沒有運動器材,但運動組小鼠有跑輪(Running wheel),可隨意使用,牠們一直用了45 天。

如何測驗小鼠們對空間的記憶力呢?心理學家摩里森發明了水迷宮(Water maze),即用無毒漆加入水中,讓水白而不透明,迷宮中有一塊小平台,掩蓋在水下一公分,只要老鼠找到這平台,便能爬上休息,不須緊張地泅水,各組老鼠們在實驗第35 天起開始受水迷宮訓練,每天四次,每天下水位置不同,每隻鼠找到平台的時間及游的長度都記錄了下來。

在四組老鼠中,靜態老年組的老鼠,花最多時間,方能找到平台,運動老年組表現不遜於年輕鼠,在5 天訓練中,成績由接近40 秒迅速下降到15 秒左右。靜態老年鼠也得探索最長的路徑(500公分左右),方能覓得平台,其他各組老鼠平均游200 公分就登台了。

研究者如何偵測新神經細胞的產生呢?小鼠被注射溴去氧尿嘧啶後,這些核酸小分子便能取代胸腺嘧啶,而進入新合成的基因體之內,鼠被犧牲後,腦即被固定切片,螢光抗體可用以結合到溴尿嘧啶核酸上,發出螢光的腦細胞就是新生的。

運動多日的鼠,均比不運動鼠,有較多的新神經細胞,但排第一的是運動年輕鼠組,老年運動鼠表現次之,優於靜態年輕組,老年不運動組則表現最差。蓋吉的研究,很清楚的顯現出:老年鼠運動後,不但記憶力增強了,且海馬迴內也有許多細胞新生出來。如果人腦的生理,與小鼠相似,則運動的益處,值得現代缺乏運動的人們,不管是青年、中年或老年人,一起來知曉及借鑑呢!

引用論文:

1. van Praag, H. et al., Exercise EnhancesLearning and Hippocampal Neurogenesis in Aged Mice, The Journal of Neuroscience,vol. 25(38): 8680-8685, 2005.

原發表於科學月刊第四十二卷第十二期

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科學月刊_96
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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》