运动与大脑的可塑性

□ 许嘉兴 邓伟（通讯作者）（云南农业大学体育学院 云南 昆明 650000）

前言

随着内部和外部环境的变化，大脑不断修改和重组的能力是指大脑的可塑性。人类探索大脑活动的规律，充分了解大脑的可塑性，并正确理解大脑可塑性研究对教育的影响。它用于教育实践，对于实现大脑使用，保护大脑，然后发展大脑非常重要。近年来，一些研究发现，通过锻炼可以改善影响大脑可塑性，这具有重要影响。本文旨在回顾两者关系的研究进展，探讨该领域研究成果对教育的启示，为促进大脑健康发展的运动提供理论和实践依据。

1、运动对大脑的影响

1.1、有氧运动对大脑的作用

促进大脑发育。随着年龄的增长，大脑中新细胞的速度减慢，大脑组织缩小。而运动锻炼也许能逆转这一趋势。研究表明，有氧运动可以改善中年人的血管，减少衰老对他们的影响。有氧运动促进血液流向大脑，为大脑带来更多氧气（大脑需要吸收20%的人体氧气）。

提升构建大脑荷尔蒙水平。就像一个想要快速生长的肥料植物一样，这种肥料是必不可少的，这种化学物质叫做脑源性神经营养因子（BDNF）。可以促进脑细胞的生长和增殖分化。对于负责记忆的海马体尤其如此，并且记忆最容易与年龄相关的退化。你锻炼得越多，你就越有利。

击退抑郁和焦虑。抑郁会降低大脑处理信息的能力，使其更难集中精力并做出决策，并导致记忆问题。如果是重度抑郁症，当然需要药物治疗。如果抑郁症不是太严重，那么运动对改善情绪状态有很大帮助。因为运动可以促进身体血清素和多巴胺的合成，这些是决定快乐情绪的大脑化学物质。运动也可以增加内啡肽，一种让你快乐的化学物质。

减少压力。“压力荷尔蒙”——皮质醇可以使大脑衰老。思考减缓分散以及健忘正是由压力所导致。运动可以降低皮质醇水平，对改善思维有很好的帮助。运动也被认为有助于在大脑的齿状回中产生新的神经细胞。这个齿状回是海马体的一部分，与新记忆的产生有关。这个区域的脑细胞会因压力而被耗尽。

提高对胰岛素的敏感度。当你进食时，身体将大部分食物转化为葡萄糖或血糖。这就是大脑所需能量的主要来源。为了使它们进入细胞，这些葡萄糖需要伴有胰岛素等激素。然而，有些人的细胞对胰岛素有抵抗力。事实上，运动期后胰岛素敏感性得到改善，餐后血糖水平稳定至少16小时。血糖控制越好，认知功能的年龄相关性下降越好。

2、运动对不同水平大脑可塑性的影响

人脑是自然界最复杂的系统，脑可塑性是一个动态过程，受经验和发展程度的相互作用影响，并在宏观和微观上展示可塑性特征。可以从三个不同的层面分析运动和大脑的可塑性：宏观系统水平的大脑可塑性，细胞水平的大脑可塑性，以及分子水平的大脑可塑性。

2.1、系统水平的脑可塑性

大脑的结构和功能组织是在发育和经验效应下形成的，运动可以改变全身大脑的可塑性。首先，运动具有改变脑结构的能力。Colcombe等。颞叶和顶叶的灰质和白质体积减少。因为长期运动可以改善有氧健身，这项研究间接揭示了运动对大脑结构的影响。纵向干预研究直接证明运动对大脑结构可塑性有影响，Colcombe等。通过磁共振成像扫描脑结构，研究发现6个月的有氧运动组与对照组相比。前额叶，颞叶和顶叶的灰质和白质能力显着增加。到目前为止，已发现运动对大脑结构的影响，所涉及的大脑区域包括小脑，海马和背侧纹状体。

其次，运动有能力改变相关大脑区域的激活水平。例如，Colcombe和Kramer等使用完全随机实验设计，当老年人运动前后6个月完成侧腹任务（测量认知功能的任务）时，使用功能磁共振成像来检测大脑激活的特征。结果发现，6个月的有氧运动可以改善老年人的认知功能，主要机制是通过减少前扣带皮层激活水平，提高中前脑回(the middle frontal gyrus，MFG)和顶上小叶(the SU-perior parietal lobules，SPL)等相关的脑区激活水平。Yanagisawa等采用功能近红外成像技术研究短时中等强度功率自行车运动对大学生志愿者认知功能stroop任务测试及其神经机制的影响，结果发现，中等强度运动增加了认知功能，并伴有左背外侧前额叶皮层（左侧DLPFC）活化的增加。

另外，运动还具有改变脑功能网络的能力。Voss等研究老年人有氧体能、默认模式网络(default mode network，DMN)和执行功能(Task switching、Wisconsin card sorting task任务测查)的关系，研究发现，青少年有氧适应水平与其执行功能和DMN功能呈正相关，DMN功能在有氧适应水平与执行功能的关系中起着中介作用。Burdette等人使用功能性磁共振研究来研究老年人的海马变化，发现运动干预4个月后，运动组海马的血流量增加，全脑网络联接分析发现海马的功能联接性增加，具体表现为增加了海马与前扣带回的联接。

2.2、细胞水平的脑可塑性

神经发生是细胞水平的大脑可塑性的主要表现之一。神经发生是指神经干细胞或神经祖细胞在诱导因子下产生的新神经元。越来越多的研究表明，在最近阶段，中枢神经系统仍然存在成人的神经发生，海马的齿状回保持了在整个生命中产生新神经元的能力。为促进海马齿状回神经干细胞或神经祖细胞的增殖，迁移，存活和分化，促进神经发生，运动是一个不错的选择。Wu等研究主动运动(跑台训练)对成年小鼠神经发生的影响，结果发现，跑台运动促进成年小鼠马齿状回颗粒细胞下层神经干细胞的分化和新生细胞的生长。

突触可塑性也是细胞水平的大脑可塑性的主要表现之一。突触可塑性表现在结构的可塑性和传动的可塑性上。突触结构可塑性是指突触形态和新突触连接的变化，其是指突触传递效率的增加（简化）或减少（抑制），导致突触传递。研究表明，运动可以通过改变突触结构参数，突触线粒体结构和数量以及突触数量来引起突触可塑性。结果表明，适度运动可促进脑老化过程中大脑认知功能区突触的可塑性补偿，延缓脑老化的发生。同时，运动训练还可以改善突触素，脑源性神经营养因子（脑源性神经营养因子）。BDNF，N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体水平诱导突触可塑性。

2.3、分子水平的脑可塑性

运动影响大脑可塑性的机制也可以追溯到相关分子的表达。运动对脑可塑性的影响在分子水平与BDNF、胰岛素样生长因子-1(insulin―likegrowthfactorl，IGF-1)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、神经生长因子(nerve growth factor，NGF)和神经肽(neumpeptide)等有关，中脑衍生的神经营养因子和胰岛素样生长因子-1是实验证实的两个最重要的分子。甲基化是哺乳动物中最重要的DNA修饰之一，也是影响基因表达调控的重要机制之一，因此，改变大脑中DNA甲基化水平会影响大脑可塑性的变化。运动促进老年大鼠的学习记忆功能和海马齿状回神经发生的调节。

总之，运动可以对不同程度的大脑可塑性产生积极影响，对不同程度的大脑可塑性的研究也有其自身的重点。它们不仅对增强对运动与大脑可塑性之间关系的理解有独特的贡献，而且为进一步利用运动保护大脑和发育大脑提供了坚实的科学依据。

3、重视运动对大脑可塑性的研究和所带来的积极作用

大脑就是由于运动的影响所产生一系列可塑性的变化，长期以来，许多人都在头脑中形成了一个错误的概念，比如说：“头脑简单，四肢发达”，还有孩子们参加运动对学习有很大的影响，容易受伤等等一系列错误的概念。有时候确实会同时存在，但这不代表它们是因果关系。近些年来的许多研究却得出了相反的结论。例如说姚明，在大多数人的印象中，小巨人凭借其身高优势鹤立鸡群。但在NBA站稳脚跟，并打下一片天地，光靠身高，没有一点智慧可是不行的。近期的研究也发现与学业成绩有关的认知、注意控制、情绪功能都具有特定的中枢神经基础，而运动能够改善这些特定神经基础，实际的情况是“运动促进孩子的学业成绩提高”。另外，运动与大脑可塑性的研究表明：运动对个体发展的 生命全程大脑都具有一定的可塑性，大脑是具有终身的可塑性，运动能够对各年龄阶段大脑的可塑性产生积极效应，这为终身体育提供了神经科学基础。而并非大众所想的“头脑简单”。因此，教育者应该不断学习最新的运动与脑可塑性研究成果，正确、全面理解运动对脑可塑性的积极作用，并将其和教育实践紧密联系起来。

4、结语

不同运动的运动员结构的差异，这与不同运动的特征有关。在非运动员与运动员的比较中，再次证明了，通过长期训练可以改变与运动相关的大脑结构，大脑具有结构上的可塑性。