艺术体操训练对青少年脑结构功能的影响分析

□ 王芷琪 王芷瑶 曹春梅（1.北京师范大学附属实验中学 北京 10003；.清华大学体育部 北京 100084）

艺术体操是在音乐的伴奏下，徒手或者持器械（如绳、圈、球、棒、带等）进行表演的体育运动竞技项目。其练习的主要内容在很大程度上与人体的生理、心理特点相适应，表现出动作的美感和艺术性。与其它运动项目相比，艺术体操尤其注重儿童青少年时期的训练，因为青少年时期的训练不仅为将来打下扎实的基础，更主要的是艺术体操运动员成材较早。在艺术体操的训练过程中，身体灵活性和协调性、体能、气质等因素，都需要全面综合地进行训练，而这些都与脑神经发育有着密切的关系。

一直以来，作为常识，大脑网络只有在发育的关键时期才可能发生变化，成年后的神经细胞只会减少。然而过去十几年的研究支持了大脑永久可塑性的观点。因环境变化引起的输入改变以及学习新技能的新奇经历现在被认为是大脑功能和潜在神经解剖回路的调节剂。理解由于环境变化和需求而导致的大脑结构的规范性变化对于理解大脑的适应能力至关重要。

大脑可塑性可以分为结构可塑性和功能可塑性，而两者又相互联系、密不可分，经过长期系统的运动训练可导致不同肌肉专门性或者不同的肌肉组合的运动技能增强。脑功能成像研究表明，长期训练者不仅和普通人之间存在差异，运动项目之间的差异也会造成大脑激活部位和激活程度的变化。

青少年正处在生长发育的重要时期，不良的生活习惯和生活方式有可能引起身体和心理等方面的问题，青少年时期开始进行艺术体操训练，不仅可以强健体魄，应对紧张的学业，纠正某些发育不良的形体，重要的是可促进她们脑神经的发育和塑型，在心理稳定、身体平衡、器械技巧、速度激情、运动美感等方面得到全面提升。近年来有关运动与脑神经重塑的研究热度很高，但涉及艺术体操的研究相对匮乏，本文试就相近有关联的研究文献加以总结概述，或许对今后艺术体操的研究、运动员选材以及普及推广有所帮助。

1、脑与平衡稳定

平衡能力是艺术体操的重要表现之一，平衡能力的提高需要长期的训练。有研究显示具有较强平衡性要求的旋转训练与前额皮质、丘脑和杏仁核的体积增加有关，而初级运动皮层下的小脑和胼胝体的白质在训练后变小了，此外，训练后的行为改善与海马体和纹状体等多个区域的分数各向异性(FA)较高有关，而初级视觉皮质和内嗅皮质的FA较低。在缺乏高代谢需求的情况下，挑战平衡能力的全身运动似乎会引起大脑结构和功能的明显变化。一般来说，在任何类型的身体活动中，前庭输入都是不可避免的。前庭系统评估自我运动，以快速调整眼睛和其他身体部位的平衡控制。平衡控制需要视觉、本体感觉以及与运动相关的多感觉线索的整合，这些线索最早发生在中央前庭处理的第一阶段，即脑干的前庭核,前庭核和海马体、前额叶和顶叶之间的通路提供了与记忆和空间功能相关的信息,表明前庭系统对更高的认知功能有重要贡献。

图1

Rogge等对健康成年人进行长达12周、每周两次的平衡训练研究，通过平衡测试和图像分析大脑形态变化，只有平衡组在训练后平衡能力有显著提高。与放松组相比，平衡组颞上皮层、视觉联想皮层、后扣带皮层、额上沟和中央前回的皮质厚度增加。结果表明，平衡训练可引起与视觉和前庭自我运动知觉相关的脑区神经可塑性。由于这些区域在空间定向和记忆方面的作用已被认知，因此我们推测，在自我运动过程中刺激视觉前庭通路或许可以调节体育锻炼对认知的有益影响。

2、脑与运动协调

器械技巧是艺术体操主要表现形式，绳、圈、球、棒、带各有特色，但共同的基本特点是都有旋转、各种花式器械抛接，技巧要求很高，需要手脚、眼睛、耳朵、头脑等等完美配合才能完成。其实高技巧的运动项目不仅此一项，比如各种球类项目的精准度要求一样很高，同样会引起脑神经的重塑。

采用静息状态功能核磁共振成像(MRI)评估职业高尔夫球手的脑功能连通性发现，与对照组相比，职业高尔夫球手的左小脑与枕叶、颞叶、顶叶和两个额叶的连接更为积极。挥杆击打得分的标准差（SD）与冲击角度的标准差（SD）呈正相关，职业高尔夫球手挥杆速度和挥杆角度的恒定与小脑和顶叶、额叶之间的功能连接(FC)有关。Di等采用基于体素的形态测量法(VBM)对脑灰质浓度(GMC)进行测量，并通过低频波动幅度(ALFF)和基于种子的功能连通性测量静息脑功能，结果显示职业羽毛球运动员组右侧小脑和内侧小脑区GMC和ALFF值较高，同时也证明了运动员组的左顶叶ALFF更小，左顶叶和额叶之间的功能连接也发生了改变，这说明羽毛球专业技能不仅与小脑灰质密度增大的可塑性结构变化有关，还与额顶叶连接性的功能变化有关。运动的协调性与小脑的控制是分不开的，基于人工体素分析发现，优秀篮球运动员在长期高强度运动学习后，小脑蚓部小叶VI的白质（WM）体积显著增大。这种结构和功能的改变可能反映了各自运动训练和实践的具体经验，包括高效率的视觉空间处理和手眼协调，以及精细的运动技能。

图2 羽毛球运动员脑结构的重塑（引自Di等）

3、脑与速度

跑、跳、翻滚是艺术体操的另一大特征，无论是徒手或是持器械都需要很强的爆发力。功能型核磁共振影像检查（fMRI）显示这种力量型运动与小脑前叶的活动增加和灰质体积增大相关联。Schlaffke等关于不同代谢特征（无氧和有氧）的观察，对象包括柔道、空手道、自由搏击等武术类运动员和铁人三项、马拉松、场地自行车等耐力型运动员，经采用高分辨率结构成像和基于体素的形态测量(VBM)发现，与不运动的人员相比，两组运动员的补充运动区/背侧运动前皮层(BA 6)的灰质(GM)体积更高。此外，耐力型运动员内侧颞叶(MTL)的灰质(GM)体积显著增加，尤其是海马和海马旁回，而武术组未见到。Huang等收集了13位世界级体操运动员（WCGs）和14位非运动员脑部静息状态下功能核磁共振成像（R-fMRI）数据。采用组无关分量分析(ICA)将R-fMRI数据分解为空间无关分量和相关时间序列。确定了9个静息状态网络（RSNs），统计分析表明，只有在外纹视觉网络（EVN）中WCGs比对照组增加，其余网络联通WCGs组全部降低。说明长期运动技能训练与WCGs大脑的效率提高有关，而在休息状态下WCGs的大脑功能连接一般较弱。在运动控制上丘脑的作用不容忽视，在对世界级优秀游泳运动员利用静息状态下功能核磁共振成像（rs-fMRI）图像理论和基于种子的功能连接分析发现，在世界排名最高的优秀游泳运动员中，丘脑与感觉运动网络的联系最为紧密(职业最佳排名：1-35)。值得注意的是，丘脑—感觉运动功能连接与游泳运动员的卓越表现高度相关，即在最佳世界排名中个人差异占41%。结果揭示了涉及丘脑—感觉运动功能回路的长期运动表现与神经系统之间的关系。

4、脑与运动美感

音乐、舞蹈是艺术体操的基本要素，音乐家和舞蹈家的表现各不相同，而艺体则把二者有机的结合在一起。有研究对比舞蹈演员和没有舞蹈经验的初学者静状态下的脑功能，结果显示舞蹈演员的脑回皮质的多个区域低频波动幅度（ALFF）增加，且额下回和颞顶叶区域之间的功能连接也发生了改变。表明舞蹈演员的感觉运动区域的神经活动增强，额颞叶和额顶叶连接功能发生改变，这可能反映了舞蹈相关的特定训练经验，包括高容量动作感知、注意力控制和运动调整等。Giacosa等则使用弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)测试了舞蹈演员和音乐家，同时进行了一系列行为测试。结果显示，舞者在皮质脊髓束、上纵束和胼胝体等白质（WM）区域的扩散系数增加，纤维相干性降低。相比之下，音乐家在相似的区域显示出更低的扩散率和更强的纤维一致性。更重要的是，扩散系数的测量与舞蹈和音乐任务的表现有关，这表明舞蹈和音乐训练对白质（WM）结构产生相反的影响。这些发现通过强调不同类型的训练可以对大脑结构产生不同的长期影响，扩展了我们对大脑可塑性的理解。

5、脑与完美结合

台上一分钟，台下十年工，这句俗语也非常适合体育项目，专业选手所要求的非凡的运动技能需要长期的、密集的练习，从而形成两项关键技能，一项是最高水平的运动表演能力，另一项则是排除干扰后的关注力。Milton等的研究也显示运动新手和专业高手在准备过程中大脑的活跃区域是不同的，长时间的广泛实践可以使专业选手开发出一种专注且高效的任务相关神经网络组织，而新手则很难过滤掉不相关的信息。运动训练后最先出现的变化是脑部运动区网络连接的增加，连续训练数周后脑白质结构的变化才逐渐形成，表明训练诱导的大脑功能与大脑结构可塑性在系统水平上存在紧密的相关性。

6、小结

本文在综合分析了艺术体操项目所需能力的基础上，重点分析了相关能力及运动运动对大脑结构及功能的可塑性影响。结果发现，艺术体操不同能力特点与大脑不同区域结构和功能有关，平衡能力主要体现在脑结构方面，最佳能力的发挥则与神经效率相关。该结果为青少年参与艺术体操训练提供了神经生理方面理论依据，希望能对艺术体操的普及起到推进作用。