體育鍛煉對青少年腦功能發(fā)展的影響研究

林顯虹，李 丹

(吉林體育學(xué)院，吉林長春 130022)

黨的十八屆三中全會《中共中央關(guān)于全面深化改革若干重大問題的決定》對學(xué)校體育工作作出重要部署，明確提出“強化體育課和課外鍛煉，促進青少年身心健康、體魄強健”。結(jié)合身、心、大腦的生物關(guān)系，采用體育鍛煉促進神經(jīng)連結(jié)，重新建立身心連結(jié)，使青少年在身心健康、體魄強健的同時，還能發(fā)展智力,消除壓力、焦慮、憂郁和注意力不集中等心理問題。

1 體育鍛煉促進青少年大腦可塑性的開發(fā)

1.1 優(yōu)化青少年的前額葉皮質(zhì)

前額葉皮質(zhì)屬于大腦最前方的皮質(zhì)區(qū)域。其最后演化出來的灰質(zhì)部分是大腦的執(zhí)行長，也是存放工作記憶之處，能將資訊加以分析、排序、集結(jié)，也可以與小腦和基底核合作，讓一些特定功能得以順利進行，且維持資訊往返的規(guī)律性，負責(zé)統(tǒng)籌人的生理和心理活動，透過大腦最周延的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接受訊號、發(fā)布指令。根據(jù)腦部掃描的研究，當(dāng)青少年在學(xué)習(xí)一個新單字時，前額葉皮質(zhì)區(qū)會因為開始活動而亮起來(海馬回和聽覺皮質(zhì)區(qū)等其他相關(guān)區(qū)域也一樣)，一旦神經(jīng)迴在麩氨酸的發(fā)射下建構(gòu)完成，單字也學(xué)會了，前額葉皮質(zhì)區(qū)就會暗下來，監(jiān)督工作由其他腦區(qū)進行接力，因此前額葉皮質(zhì)是大腦的重要區(qū)域[1]。動作復(fù)雜的體育鍛煉將利用到前額葉皮層和額葉后三分之二部分，尤其是背外側(cè)額葉在內(nèi)更大范圍的重要腦區(qū)控制[2]。

青少年處于腦部結(jié)構(gòu)發(fā)育和身心健康發(fā)展的關(guān)鍵時期，前額葉皮質(zhì)是在青少年時期逐漸成熟的。此階段的青少年有著敏感、脆弱、偏激的特點。通過體育鍛煉能讓前額皮質(zhì)大量神經(jīng)元細胞快速“工作”，有效優(yōu)化前額葉皮質(zhì)，提高學(xué)習(xí)能力和啟動積極行為模式，有助于增進青少年自我效能感，改善其大腦功能。

1.2 強化及拓展青少年的神經(jīng)迴路

大腦是個適應(yīng)性很強的器官，越使用就變得越靈活。大腦必須時時注意接收進來的刺激，當(dāng)感覺運動區(qū)域收到大腦的指示時，把它暫存成工作記憶，然后把所有資訊連回海馬回，同時增加海馬回長期增益效應(yīng)，且將所有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)元素全部派上用場。

任何比走路還要復(fù)雜的肢體技巧都需要學(xué)習(xí)，剛開始學(xué)習(xí)時會出現(xiàn)退縮和手忙腳亂。隨著神經(jīng)迴路連上小腦、基底核，前額葉皮質(zhì)區(qū)開始活躍起來，學(xué)習(xí)的動作變得更準確，通過反復(fù)練習(xí)，大腦神經(jīng)纖維外層會形成更厚的髓鞘，提升訊號傳遞的品質(zhì)和速度，進而增加迴路的運作效率[3]。突觸的連結(jié)也會越復(fù)雜。雖然這些腦部迴路是透過動作產(chǎn)生的，但它們還是會在其他區(qū)域的號召下加入共同的學(xué)習(xí)過程。無論是瑜伽、芭蕾、探戈、體操、滑冰還是空手道,這些訓(xùn)練都會與腦部的神經(jīng)細胞產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。如青少年在學(xué)習(xí)探戈時，需要判斷舞伴動作并及時做出相關(guān)反應(yīng)。學(xué)習(xí)過程中,要求青少年有較高的注意力、判斷力和動作精確度。通過長期的鍛煉，能擴充和豐富大腦各神經(jīng)迴路，使腦部神經(jīng)細胞之間產(chǎn)生緊密關(guān)系，從而開發(fā)大腦的可塑性。

2 體育鍛煉促進青少年的認知能力的提高

2.1 改善認知功能

許多研究表明體育鍛煉能鍛煉大腦，在一定程度上幫助青少年改善認知能力，提升學(xué)業(yè)表現(xiàn)。認知功能是人腦加工、存儲和提取信息的能力。體育干預(yù)組的青少年的體力活動水平顯著提高，認知能力測試得分和學(xué)業(yè)表現(xiàn)優(yōu)于對照組青少年，且差異具有顯著性[4]。此外，通過功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)發(fā)現(xiàn)進行體育鍛煉的測試者的右額葉前部的激活水平下降，注意力和抗干擾表現(xiàn)有所改善[5]，后頂葉皮層等區(qū)域的激活水平下降，而大腦的前扣帶皮質(zhì)和額上回等區(qū)域的激活水平升高[6]。若某個腦區(qū)有損傷，其他的腦區(qū)會采取積極地代償，保持腦部正常運作和認知功能水平[7]。

2.2 提高執(zhí)行功能

執(zhí)行功能(executive function)可分為控制干擾能力、抑制優(yōu)勢反應(yīng)能力、思維維持與轉(zhuǎn)換、整合計劃能力、工作記憶水平5部分[8]。具有較強執(zhí)行功能的青少年能更有效地安排和處理生活和學(xué)習(xí)，自我控制能力強，遵守社會秩序。

國內(nèi)外許多研究表明，體育鍛煉能提高執(zhí)行功能，對執(zhí)行功能異常的青少年具有積極改善作用。體育鍛煉能提高青少年執(zhí)行功能，使前額部腦電[9]和海區(qū)域發(fā)生積極變化[10]。此外，對超重小學(xué)生進行體育鍛煉干預(yù)，能改善他們執(zhí)行功能的計劃維度[11]。體育鍛煉促使個體海馬齒狀回里神經(jīng)元的數(shù)量増加，從而提高學(xué)習(xí)記憶和執(zhí)行功能[12]。長期的體育鍛煉影響相關(guān)腦區(qū)激活水平，短時的體育運動也能使相關(guān)腦區(qū)激活水平發(fā)生變化[13]。

2.3 增強注意力

青少年很容易被身邊的新鮮事物所吸引，分散其注意力。比如，天上飛過飛機，他們會不自覺的抬頭向天上望去；操場旁邊走過一個衣著鮮艷的人，他們的眼神情不自禁的隨著路人的走過而漂移，等等。在忽略無關(guān)信息的同時有選擇地關(guān)注相關(guān)信息的能力是大腦的基本功能，以確保有效地與環(huán)境互動。這種能力需要增強注意力，注意力是認知系統(tǒng)的核心功能，并調(diào)節(jié)其他認知功能，如記憶和語言[14]。注意網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可分為三個不同的網(wǎng)絡(luò)：警覺網(wǎng)絡(luò)、定向網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)。通過神經(jīng)成像分析揭示它們各自有特定的注意功能，并且三個網(wǎng)絡(luò)之間幾乎沒有重疊[15]。警覺網(wǎng)絡(luò)與維持一定程度的喚醒和持續(xù)警惕有關(guān)；定向網(wǎng)絡(luò)允許從多個感官輸入中選擇信息；執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控和解決沖突的能力有關(guān)[16]。

Chang等發(fā)現(xiàn)，一次急性體育鍛煉不是引起全面注意力網(wǎng)絡(luò)改善，而是選擇性地加強執(zhí)行控制[17]。同樣，F(xiàn)abel等發(fā)現(xiàn)運動員表現(xiàn)出選擇性增強注意力網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行控制，而在警報和定向網(wǎng)絡(luò)中沒有觀察到運動員和非運動員之間的差異[18]。它表明體育鍛煉與執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制之間存在某種關(guān)聯(lián)。因此，體育鍛煉能促進青少年的執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)，提高監(jiān)控和解決沖突的能力。

3 體育鍛煉可調(diào)節(jié)青少年情緒和緩解壓力

3.1 降低焦慮感

青少年在學(xué)習(xí)和生活上或多或少會產(chǎn)生焦慮，而所有形式的焦慮都能彼此滲透、相互依存會讓大腦失去洞察力。

John等將54位焦慮指數(shù)較高的大學(xué)生和每周運動不到一次的焦慮癥患者分成兩組，然后分別在兩周的時間完成六節(jié)20 min的跑步機訓(xùn)練，第一組必須達到最大心率六到九成的激烈程度，第二組以1.6 km·h-1的速度(約最大心率五成)，結(jié)果顯示，這兩種訓(xùn)練法都能降低焦慮敏感度，而激烈運動的效果比較快，也比較好[19]。在體育鍛煉時心跳和呼吸逐漸變快，自身會認識到這些生理現(xiàn)象不見得會引發(fā)焦慮，然后越來越習(xí)慣身體的自然反應(yīng)，不再自動假設(shè)它們是有害的現(xiàn)象。隨著體適能水平的提升，從而降低其焦慮感。

3.2 減低憂郁感

青少年的情緒波動幅度比較劇烈，如因?qū)W習(xí)、社交、家庭等環(huán)境問題而產(chǎn)生憂郁感，影響青少年的學(xué)習(xí)力、注意力、活力與動機。

楊尚明和李紅發(fā)現(xiàn)，老鼠的海馬回直接注射腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)后，出現(xiàn)了比未注射組老鼠更快脫逃的舉動；相反，研究者發(fā)現(xiàn)體內(nèi)基因只能制造50%BDNF的老鼠對抗憂郁藥的反應(yīng)并不好，逃離壓力的速度比BDNF運作正常的同伴明顯慢，說明BDNF是抗憂郁藥發(fā)揮功效的必要元素[20]。肌肉鍛煉時，會制造出“因子”蛋白質(zhì)，尤其重要的是BDNF，其是連結(jié)和平衡思想、情緒與動作的關(guān)鍵物質(zhì)，并隨著血液進入腦部，然后在思考機制里扮演關(guān)鍵角色。體育鍛煉到某個程度時，大腦會自動分泌多巴胺、血清張素和正腎上腺素，這些神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)都跟學(xué)習(xí)和記憶力有關(guān)。因此，體育鍛煉后學(xué)業(yè)效果比較好，記憶力比較強。因此，體育鍛煉可以為青少年營造積極正面的心理狀態(tài)，讓其心情愉悅,提高學(xué)習(xí)效率。

3.3 緩解壓力

壓力其實是對身體平衡的一種威脅，它會催促、呼喚人做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)及適應(yīng)。壓力基本上是腦細胞遭遇威脅時，投射在情緒上的一種現(xiàn)象，是外界加諸人身上的重擔(dān)。而每個青少年的壓力閾值都不相同，其會隨著所處環(huán)境、基因、行為或其它條件而升降。

體育鍛煉除了能提高壓力閾值，還能開啟細胞復(fù)原機制，增加細胞間制造能量的效率。在體育鍛煉時，腦部活動會產(chǎn)生耗損細胞的副作用，但只要在正常情況下，修復(fù)機制都會讓細胞變得更經(jīng)久耐用，以應(yīng)付未來的挑戰(zhàn)。

眾所周知，塑造肌肉的方法就是先破壞它，再讓它休養(yǎng)生息。同樣，誘發(fā)輕微的壓力，可以啟動內(nèi)建修復(fù)機制的神經(jīng)細胞。神經(jīng)元就像肌肉一樣會塑造、分解，而壓力會使它們變得更有彈性。體育鍛煉讓身心在輕微的壓力下變得更強壯、堅韌，更能應(yīng)付未來的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)語

體育鍛煉不僅能鍛煉肌肉，還能鍛煉腦功能，開啟大腦的可塑性。一方面，青少年進行體育鍛煉能提高認知能力和執(zhí)行能力，增強注意力；另一方面，體育鍛煉起到調(diào)節(jié)情緒和緩解壓力的有效作用，可以有效提高學(xué)業(yè)成績，從而使他們的學(xué)習(xí)和生活更快樂、更幸福。