体育锻炼对青少年脑功能发展的影响研究

林显虹，李 丹

(吉林体育学院，吉林长春 130022)

党的十八届三中全会《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》对学校体育工作作出重要部署，明确提出“强化体育课和课外锻炼，促进青少年身心健康、体魄强健”。结合身、心、大脑的生物关系，采用体育锻炼促进神经连结，重新建立身心连结，使青少年在身心健康、体魄强健的同时，还能发展智力,消除压力、焦虑、忧郁和注意力不集中等心理问题。

1 体育锻炼促进青少年大脑可塑性的开发

1.1 优化青少年的前额叶皮质

前额叶皮质属于大脑最前方的皮质区域。其最后演化出来的灰质部分是大脑的执行长，也是存放工作记忆之处，能将资讯加以分析、排序、集结，也可以与小脑和基底核合作，让一些特定功能得以顺利进行，且维持资讯往返的规律性，负责统筹人的生理和心理活动，透过大脑最周延的神经网络接受讯号、发布指令。根据脑部扫描的研究，当青少年在学习一个新单字时，前额叶皮质区会因为开始活动而亮起来(海马回和听觉皮质区等其他相关区域也一样)，一旦神经迴在麸氨酸的发射下建构完成，单字也学会了，前额叶皮质区就会暗下来，监督工作由其他脑区进行接力，因此前额叶皮质是大脑的重要区域[1]。动作复杂的体育锻炼将利用到前额叶皮层和额叶后三分之二部分，尤其是背外侧额叶在内更大范围的重要脑区控制[2]。

青少年处于脑部结构发育和身心健康发展的关键时期，前额叶皮质是在青少年时期逐渐成熟的。此阶段的青少年有着敏感、脆弱、偏激的特点。通过体育锻炼能让前额皮质大量神经元细胞快速“工作”，有效优化前额叶皮质，提高学习能力和启动积极行为模式，有助于增进青少年自我效能感，改善其大脑功能。

1.2 强化及拓展青少年的神经迴路

大脑是个适应性很强的器官，越使用就变得越灵活。大脑必须时时注意接收进来的刺激，当感觉运动区域收到大脑的指示时，把它暂存成工作记忆，然后把所有资讯连回海马回，同时增加海马回长期增益效应，且将所有的神经网络元素全部派上用场。

任何比走路还要复杂的肢体技巧都需要学习，刚开始学习时会出现退缩和手忙脚乱。随着神经迴路连上小脑、基底核，前额叶皮质区开始活跃起来，学习的动作变得更准确，通过反复练习，大脑神经纤维外层会形成更厚的髓鞘，提升讯号传递的品质和速度，进而增加迴路的运作效率[3]。突触的连结也会越复杂。虽然这些脑部迴路是透过动作产生的，但它们还是会在其他区域的号召下加入共同的学习过程。无论是瑜伽、芭蕾、探戈、体操、滑冰还是空手道,这些训练都会与脑部的神经细胞产生关联。如青少年在学习探戈时，需要判断舞伴动作并及时做出相关反应。学习过程中,要求青少年有较高的注意力、判断力和动作精确度。通过长期的锻炼，能扩充和丰富大脑各神经迴路，使脑部神经细胞之间产生紧密关系，从而开发大脑的可塑性。

2 体育锻炼促进青少年的认知能力的提高

2.1 改善认知功能

许多研究表明体育锻炼能锻炼大脑，在一定程度上帮助青少年改善认知能力，提升学业表现。认知功能是人脑加工、存储和提取信息的能力。体育干预组的青少年的体力活动水平显著提高，认知能力测试得分和学业表现优于对照组青少年，且差异具有显著性[4]。此外，通过功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)发现进行体育锻炼的测试者的右额叶前部的激活水平下降，注意力和抗干扰表现有所改善[5]，后顶叶皮层等区域的激活水平下降，而大脑的前扣带皮质和额上回等区域的激活水平升高[6]。若某个脑区有损伤，其他的脑区会采取积极地代偿，保持脑部正常运作和认知功能水平[7]。

2.2 提高执行功能

执行功能(executive function)可分为控制干扰能力、抑制优势反应能力、思维维持与转换、整合计划能力、工作记忆水平5部分[8]。具有较强执行功能的青少年能更有效地安排和处理生活和学习，自我控制能力强，遵守社会秩序。

国内外许多研究表明，体育锻炼能提高执行功能，对执行功能异常的青少年具有积极改善作用。体育锻炼能提高青少年执行功能，使前额部脑电[9]和海区域发生积极变化[10]。此外，对超重小学生进行体育锻炼干预，能改善他们执行功能的计划维度[11]。体育锻炼促使个体海马齿状回里神经元的数量増加，从而提高学习记忆和执行功能[12]。长期的体育锻炼影响相关脑区激活水平，短时的体育运动也能使相关脑区激活水平发生变化[13]。

2.3 增强注意力

青少年很容易被身边的新鲜事物所吸引，分散其注意力。比如，天上飞过飞机，他们会不自觉的抬头向天上望去；操场旁边走过一个衣着鲜艳的人，他们的眼神情不自禁的随着路人的走过而漂移，等等。在忽略无关信息的同时有选择地关注相关信息的能力是大脑的基本功能，以确保有效地与环境互动。这种能力需要增强注意力，注意力是认知系统的核心功能，并调节其他认知功能，如记忆和语言[14]。注意网络系统可分为三个不同的网络：警觉网络、定向网络和执行控制网络。通过神经成像分析揭示它们各自有特定的注意功能，并且三个网络之间几乎没有重叠[15]。警觉网络与维持一定程度的唤醒和持续警惕有关；定向网络允许从多个感官输入中选择信息；执行控制网络与监控和解决冲突的能力有关[16]。

Chang等发现，一次急性体育锻炼不是引起全面注意力网络改善，而是选择性地加强执行控制[17]。同样，Fabel等发现运动员表现出选择性增强注意力网络的执行控制，而在警报和定向网络中没有观察到运动员和非运动员之间的差异[18]。它表明体育锻炼与执行控制网络的调制之间存在某种关联。因此，体育锻炼能促进青少年的执行控制网络，提高监控和解决冲突的能力。

3 体育锻炼可调节青少年情绪和缓解压力

3.1 降低焦虑感

青少年在学习和生活上或多或少会产生焦虑，而所有形式的焦虑都能彼此渗透、相互依存会让大脑失去洞察力。

John等将54位焦虑指数较高的大学生和每周运动不到一次的焦虑症患者分成两组，然后分别在两周的时间完成六节20 min的跑步机训练，第一组必须达到最大心率六到九成的激烈程度，第二组以1.6 km·h-1的速度(约最大心率五成)，结果显示，这两种训练法都能降低焦虑敏感度，而激烈运动的效果比较快，也比较好[19]。在体育锻炼时心跳和呼吸逐渐变快，自身会认识到这些生理现象不见得会引发焦虑，然后越来越习惯身体的自然反应，不再自动假设它们是有害的现象。随着体适能水平的提升，从而降低其焦虑感。

3.2 减低忧郁感

青少年的情绪波动幅度比较剧烈，如因学习、社交、家庭等环境问题而产生忧郁感，影响青少年的学习力、注意力、活力与动机。

杨尚明和李红发现，老鼠的海马回直接注射脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)后，出现了比未注射组老鼠更快脱逃的举动；相反，研究者发现体内基因只能制造50%BDNF的老鼠对抗忧郁药的反应并不好，逃离压力的速度比BDNF运作正常的同伴明显慢，说明BDNF是抗忧郁药发挥功效的必要元素[20]。肌肉锻炼时，会制造出“因子”蛋白质，尤其重要的是BDNF，其是连结和平衡思想、情绪与动作的关键物质，并随着血液进入脑部，然后在思考机制里扮演关键角色。体育锻炼到某个程度时，大脑会自动分泌多巴胺、血清张素和正肾上腺素，这些神经传导物质都跟学习和记忆力有关。因此，体育锻炼后学业效果比较好，记忆力比较强。因此，体育锻炼可以为青少年营造积极正面的心理状态，让其心情愉悦,提高学习效率。

3.3 缓解压力

压力其实是对身体平衡的一种威胁，它会催促、呼唤人做出适当的反应及适应。压力基本上是脑细胞遭遇威胁时，投射在情绪上的一种现象，是外界加诸人身上的重担。而每个青少年的压力阈值都不相同，其会随着所处环境、基因、行为或其它条件而升降。

体育锻炼除了能提高压力阈值，还能开启细胞复原机制，增加细胞间制造能量的效率。在体育锻炼时，脑部活动会产生耗损细胞的副作用，但只要在正常情况下，修复机制都会让细胞变得更经久耐用，以应付未来的挑战。

众所周知，塑造肌肉的方法就是先破坏它，再让它休养生息。同样，诱发轻微的压力，可以启动内建修复机制的神经细胞。神经元就像肌肉一样会塑造、分解，而压力会使它们变得更有弹性。体育锻炼让身心在轻微的压力下变得更强壮、坚韧，更能应付未来的挑战。

4 结语

体育锻炼不仅能锻炼肌肉，还能锻炼脑功能，开启大脑的可塑性。一方面，青少年进行体育锻炼能提高认知能力和执行能力，增强注意力；另一方面，体育锻炼起到调节情绪和缓解压力的有效作用，可以有效提高学业成绩，从而使他们的学习和生活更快乐、更幸福。