身體鍛煉與刷新能力的研究進(jìn)展

袁小英　王明暉　顧雨潔

【摘 要】 本文從行為水平、功能水平、結(jié)構(gòu)水平、分子水平四個(gè)方面，綜合國(guó)內(nèi)外眾多研究者的研究，闡述了刷新能力的機(jī)制；并對(duì)腦的不同發(fā)展時(shí)期進(jìn)行分類，從學(xué)齡兒童、大學(xué)生、老年人的角度，總結(jié)了國(guó)內(nèi)目前關(guān)于身體鍛煉與刷新能力關(guān)系的研究結(jié)果，其顯示無論在腦的哪一發(fā)展階段，適量的、恰當(dāng)?shù)纳眢w鍛煉均對(duì)刷新能力有著積極作用，可提高機(jī)體的執(zhí)行能力、改善腦的認(rèn)知功能。

【關(guān)鍵詞】 身體鍛煉；刷新能力；可塑性機(jī)制；研究狀況

身體鍛煉是以發(fā)展身體、增進(jìn)健康、增強(qiáng)體質(zhì)、調(diào)節(jié)精神和豐富文化生活為目的的身體活動(dòng)。我們常說“生命在于運(yùn)動(dòng)”，已有大量的研究表明，身體鍛煉可以提高機(jī)體的心肺功能，增強(qiáng)機(jī)體免疫力等，并提出了相關(guān)的生理學(xué)機(jī)制。

近年來，身體鍛煉對(duì)腦功能的促進(jìn)作用、對(duì)心理的積極影響以及對(duì)高級(jí)認(rèn)知功能的改善等作用逐漸獲得全世界學(xué)者的關(guān)注，越來越多的研究提示，運(yùn)動(dòng)是腦認(rèn)知功能、執(zhí)行功能的保護(hù)因素。此類研究常選擇兒童、大學(xué)生、中年婦女以及老年人進(jìn)行身體鍛煉的干預(yù)，以觀察不同程度的身體鍛煉對(duì)其所要研究的內(nèi)容的影響程度差異，包括兒童智力的開發(fā)，大學(xué)生的人格成長(zhǎng)、心理健康，老年人的認(rèn)知功能改善等等。

刷新能力是工作記憶中央執(zhí)行的核心成分，而工作記憶又是人類高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)的核心，是學(xué)習(xí)、推理、問題解決和智力活動(dòng)的重要成分，[1]由此可知，刷新能力可以反映人的認(rèn)知功能。刷新能力是指?jìng)€(gè)體根據(jù)當(dāng)前任務(wù)要求，對(duì)工作記憶中的信息進(jìn)行不斷更新，納入新信息以取代舊信息的過程。[2]相較于抑制、轉(zhuǎn)換等中央執(zhí)行功能，刷新功能與人類高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)（如流體智力）之間的關(guān)系最為密切。[3]

目前多采用活動(dòng)記憶范式和n-back范式研究刷新能力。已有研究涉及身體鍛煉與刷新能力的關(guān)系，但他們的研究并不以此為單一目的。本文旨在綜合已有研究成果，嘗試闡述刷新能力的可塑性機(jī)制，并總結(jié)各項(xiàng)身體鍛煉對(duì)不同年齡段人群刷新能力的影響。

一、刷新能力的可塑性機(jī)制

工作記憶作為高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)的核心，依賴于中央執(zhí)行功能，因而執(zhí)行功能又被稱為高級(jí)認(rèn)知加工過程，而大腦在工作中，中央執(zhí)行的功能主要分為：任務(wù)轉(zhuǎn)換功能、干擾跟抑制功能，信息刷新功能。目前已有研究表明，相較于轉(zhuǎn)換與抑制，刷新功能與人類高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)的關(guān)系最為緊密。

1、行為水平可塑性

通過訓(xùn)練使得個(gè)體在相關(guān)行為學(xué)任務(wù)上的成績(jī)有所提高，這種表現(xiàn)在行為學(xué)水平上的認(rèn)知功能的改善即為認(rèn)知可塑性。目前已有大量研究在行為學(xué)水平上驗(yàn)證了身體鍛煉可以提高認(rèn)知能力，其中采用活動(dòng)記憶范式與n-back范式的研究可提示刷新能力存在認(rèn)知可塑性。Dahlin等人采用動(dòng)態(tài)記憶任務(wù)對(duì)被試進(jìn)行訓(xùn)練與測(cè)試，并持續(xù)跟進(jìn)測(cè)試，證明了這種認(rèn)知可塑性至少可以保持18個(gè)月，而不只是暫時(shí)的認(rèn)知能力的提高。[4]

趙鑫等研究者以成年人為被試，結(jié)合自適應(yīng)活動(dòng)記憶任務(wù)與ERPs技術(shù)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過20天的訓(xùn)練，被試者頂部P300的波幅顯著升高。P300是反映刷新能力的一項(xiàng)有效值指標(biāo)。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)伴隨P300波幅的升高，被試者額區(qū)P200的峰值降低，證明刷新能力提高的同時(shí)伴有抑制能力的提高。

2、功能水平可塑性

采用功能性核磁共振（fMRI）等對(duì)大腦進(jìn)行掃描比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)相關(guān)腦區(qū)的皮層活動(dòng)變化，證明了與訓(xùn)練相適應(yīng)的神經(jīng)可塑性，主要體現(xiàn)在與認(rèn)知功能最為密切的額葉上。Olesen等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，青年被試在5周的視覺空間空座記憶訓(xùn)練后額中回及頂上小葉與頂下小葉腦區(qū)的激活增加，同時(shí)目前進(jìn)一步的研究表明，這種刺激的出現(xiàn)是由于原本刺激所激活的腦區(qū)基本的激活程度上有一定增長(zhǎng)性。

Erickson等研究者通過對(duì)青年被試采取雙任務(wù)訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)，被試者背側(cè)前額葉經(jīng)訓(xùn)練后激活程度增強(qiáng)而右腹側(cè)前額葉的激活有所下降，證明刷新能力提高的神經(jīng)可塑性不僅體現(xiàn)在相關(guān)腦區(qū)的激活增加，還體現(xiàn)在激活位置的轉(zhuǎn)移即大腦皮層功能的重組上。

另外，也有研究表明，刷新功能與紋狀體有關(guān)，Dahiln等研究者發(fā)現(xiàn)青年被試訓(xùn)練后左側(cè)紋狀體的激活增加。

3、結(jié)構(gòu)水平可塑性

通過結(jié)構(gòu)性核磁共振（MRI）等對(duì)被試者大腦進(jìn)行掃描比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)相關(guān)腦區(qū)的結(jié)構(gòu)變化，主要體現(xiàn)在老年被試者相關(guān)腦區(qū)的容量變化。Colcombe等研究者通過對(duì)老年人進(jìn)行6個(gè)月有氧運(yùn)動(dòng)鍛煉，發(fā)現(xiàn)老年被試者們的前額葉、顳葉及頂葉的灰質(zhì)與白質(zhì)容量增加。[6]

這些結(jié)構(gòu)上的改變表明了大腦的信號(hào)傳導(dǎo)速度的提高，證明了身體鍛煉對(duì)腦功能的改善作用，包括對(duì)刷新能力的提高作用。

4、分子水平可塑性

通過磁共振波譜分析（MRS）等，可以發(fā)現(xiàn)分子水平即神經(jīng)遞質(zhì)的相關(guān)改變，主要是與認(rèn)知功能最為密切的多巴胺系統(tǒng)的改變。McNab等研究者發(fā)現(xiàn)，工作記憶訓(xùn)練增加了前額葉多巴胺的遞質(zhì)密度，同時(shí)多巴胺D1受體發(fā)生相應(yīng)改變。[7]Backman等人通過PET掃描也證實(shí)了刷新訓(xùn)練對(duì)多巴胺釋放的增強(qiáng)作用。[8]表明神經(jīng)元能量提高，證明了突觸信號(hào)傳遞的增強(qiáng)。

二、國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

1、身體鍛煉對(duì)兒童刷新能力的作用

兒童的執(zhí)行功能隨著主導(dǎo)活動(dòng)的變化而發(fā)展。學(xué)齡兒童（6-12歲）正處于大腦功能發(fā)展的黃金時(shí)期，從學(xué)前班進(jìn)入小學(xué)，其主導(dǎo)活動(dòng)由游戲逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)，大腦的認(rèn)知能力得到迅速發(fā)展。

陳愛國(guó)等[9]在研究中對(duì)多組小學(xué)生分別施加了8min、15min、30min籃球運(yùn)動(dòng)干預(yù)，結(jié)果表明，8min運(yùn)動(dòng)和15min運(yùn)動(dòng)對(duì)刷新功能無明顯影響，而30min籃球運(yùn)動(dòng)能顯著提高小學(xué)生的刷新能力。潘家禮、殷恒嬋等人[10]對(duì)正常小學(xué)生和學(xué)習(xí)困難小學(xué)生進(jìn)行了類似的干預(yù)，即以籃球運(yùn)球、傳球和投籃的學(xué)習(xí)、練習(xí)、比賽為主，加之少量籃球相關(guān)的體育游戲。十周后，正常小學(xué)生和學(xué)習(xí)困難小學(xué)生的刷新能力均得到了顯著提高，且學(xué)習(xí)困難小學(xué)生刷新能力的提升效果優(yōu)于正常組。

除籃球運(yùn)動(dòng)外，多種身體鍛煉項(xiàng)目均被證明有著提高學(xué)齡兒童刷新能力的效果，如花樣跑步、慢跑、健美操、跳繩等。由此可見，適量的、恰當(dāng)?shù)纳眢w鍛煉對(duì)于學(xué)齡兒童刷新能力的提升具有積極作用。

2、身體鍛煉對(duì)大學(xué)生刷新能力的作用

大學(xué)生的腦組織結(jié)構(gòu)發(fā)育完善，各項(xiàng)功能趨于成熟，但刷新能力仍可得到發(fā)展和提升。眾多學(xué)者對(duì)大學(xué)生群體進(jìn)行了體育鍛煉干預(yù)，研究證明，多種運(yùn)動(dòng)形式都可對(duì)其刷新功能產(chǎn)生積極影響。

陳愛國(guó)等人[11]對(duì)30名大學(xué)生使用瑞典產(chǎn)MONARK 834型功率自行車實(shí)施三種不同強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)干預(yù)，每個(gè)研究參與者先后接受3 次不同強(qiáng)度（小、中和大）的有氧運(yùn)動(dòng)方案干預(yù)，進(jìn)行4次（基線、小強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)后、中強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)后和大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)后）執(zhí)行功能任務(wù)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果為，三種強(qiáng)度的短時(shí)有氧運(yùn)動(dòng)均可提高大學(xué)生的刷新功能，其中小強(qiáng)度效果最好。有研究表明，長(zhǎng)時(shí)間大強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)鍛煉后對(duì)大腦的刷新功能的提升有明顯的差異，其中運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與刷新功能的關(guān)系存在性別差異，男性大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)鍛煉對(duì)刷新功能的改善明顯，女性大學(xué)生中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)鍛煉就對(duì)刷新功能的改善明顯。這可能是由于現(xiàn)在的大學(xué)生缺乏鍛煉和性別體質(zhì)的差異，同時(shí)中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體來說負(fù)荷過大，從而導(dǎo)致了損傷的出現(xiàn)。

近年來，以瑜伽、冥想為主的正念訓(xùn)練逐漸進(jìn)入大學(xué)生的視野。與傳統(tǒng)鍛煉項(xiàng)目不同，正念訓(xùn)練是一種身體、心理以及精神的同步練習(xí)。李璐在研究時(shí)，通過篩選18名參與測(cè)試的大學(xué)生在完成8周的正念訓(xùn)練后，得出結(jié)論：0-back任務(wù)的反應(yīng)時(shí)顯著提高，即一次工作記憶刷新能力顯著提升。[12]但由于訓(xùn)練時(shí)間較短，1-back和2-back任務(wù)并沒有發(fā)生明顯的變化。若能延長(zhǎng)訓(xùn)練時(shí)間，也許多次任務(wù)轉(zhuǎn)換能力也能得到提高。

可見，恰當(dāng)?shù)纳眢w鍛煉對(duì)大學(xué)生的刷新功能具有積極作用，但當(dāng)鍛煉強(qiáng)度、方式超過了身體的負(fù)荷，或是鍛煉的量沒有達(dá)到一定的閾值，則可能不會(huì)出現(xiàn)效果，甚至可能對(duì)身體造成損傷，起到反作用，這是大學(xué)生在鍛煉時(shí)應(yīng)該注意的問題。

3、身體鍛煉對(duì)老年人刷新能力的作用

在勞動(dòng)能力下降的同時(shí)，機(jī)體衰老所帶來的各個(gè)器官的功能減退，尤其是認(rèn)知能力、執(zhí)行能力的減退，對(duì)老年人的生活質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。研究表明，年老老人（75～82歲）與年輕老人（60～74歲）相比，抑制控制和記憶刷新功能下降顯著。[13]如何延緩這一退化過程，使老年人能更加獨(dú)立地生活，是亟待解決的問題。

有學(xué)者認(rèn)為，高體力活動(dòng)的老人，其刷新功能顯著好于低體力、甚至無體力活動(dòng)的老人。因此，體育鍛煉可能對(duì)老年人刷新功能的改善有積極作用。但由于年齡的增加和身體機(jī)能的下降，老年人往往不能承受高強(qiáng)度的體育鍛煉。因此，太極拳成為了眾多老年人的首選運(yùn)動(dòng)方式。

戈成在研究中發(fā)現(xiàn)，[14]太極拳運(yùn)動(dòng)對(duì)一般老年人的刷新能力有益，而隨著鍛煉時(shí)間和鍛煉等級(jí)的提升，專家組的刷新能力要顯著高于普通練習(xí)組，即鍛煉時(shí)間越長(zhǎng)、級(jí)別越高，太極拳鍛煉對(duì)刷新能力的提升就越顯著。可見，太極拳運(yùn)動(dòng)對(duì)老年人益處頗多，如何將這種鍛煉方式進(jìn)行推廣、普及，使更多的老年人從中獲益，享受輕松、舒適的晚年生活，是我們需要考慮的問題。

三、研究展望

身體鍛煉對(duì)認(rèn)知功能的提高不僅體現(xiàn)在刷新能力上，也伴隨著抑制與轉(zhuǎn)化能力的提高。先前一直困擾研究者們的問題是，認(rèn)知功能的提高究竟是記憶存儲(chǔ)容量的提高還是中央執(zhí)行功能的改善？隨著科技的進(jìn)步，ERPs技術(shù)、核磁成像技術(shù)等的不斷發(fā)展與完善，目前已經(jīng)可以確定認(rèn)知功能的提高是由于中央執(zhí)行功能的改善。[15]但是在中央執(zhí)行功能改善的過程中，刷新能力的提高究竟占了多少比重？轉(zhuǎn)換與抑制能力又做出了怎樣的貢獻(xiàn)？希望在未來的研究中，可以更加具體地研究出身體鍛煉對(duì)刷新能力的改善作用，并以此為科學(xué)依據(jù)，逐步向大眾推廣、普及，將身體鍛煉運(yùn)用于自閉癥兒童、聾啞兒童、老年人等人群的認(rèn)知功能改善中。

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【作者簡(jiǎn)介】

袁小英（1996—）女，漢族，蘇州大學(xué)體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練專業(yè)本科生.

王明暉（1997—）女，漢族，蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部臨床專業(yè)本科生.

顧雨潔（1996—）女，漢族，蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部臨床專業(yè)本科生.