运动对大脑结构与功能的可塑性影响

韩桂花

（西南大学体育学院 重庆 400715）

1、大脑可塑性及其研究溯源

大脑可塑性，也被称为神经可塑性，它是个体的大脑在整个生命周期中所具有的持续改变的能力或特性。可从多个维度观察大脑的可塑性，在单细胞水平上是指突触可塑性，即神经元之间连接的变化；微观水平上是指个体神经元数量的改变；宏观上是大脑结构和功能的变化或大脑损伤后的自我修复。环境的刺激、运动或身体锻炼、心境及情绪均可能导致神经可塑性的变化。大脑可塑性特征对个体的健康、发展、学习、记忆和脑损伤的恢复均有重要意义。

有研究表明，经验能够导致大脑发生改变，这一科学根源可以追溯到18世纪两个科学家之间的书信交流。1779年，Malacarne写给Bonnet的书信中提到关于Malacarne所观察到的正常人和严重智力障碍的人大脑结构的差异，认为神经发育不完全可能是导致智力低下的原因。William James于1890年在《心理学原理》中最早提出“可塑性”。加州大学伯克利分校的Marian Diamond在1964年首次提出了解剖学上的大脑可塑性的科学证据。波兰的神经学家Jerzy Konorski是第一个使用“神经可塑性”一词的研究者。

Michael Merzenic是神经可塑性研究的先驱之一。他提出了从出生到死亡大脑均具有可塑性的主张。Merzeni因为发现经验和神经活动对脑功能的重塑机制曾获得2016年“Kavli神经科学奖”。

在过去的十年中，身体运动、认知训练和学习活动都被认为与大脑结构的变化相关联。然而，大脑结构因为运动、认知或行为而发生改变的机制仍不清楚。

2、运动重塑大脑的进化论基础

人类进化的新观点认为，人类的大脑因运动而成型、锐化。2004年，进化生物学家，哈佛大学的丹尼尔和丹尼斯在《自然》杂志上发表过一篇影响深远的文章：《耐久性长跑与人类的进化》。研究认为，耐久性长跑不仅塑造了人类的形体，便于人类追捕速度更快的猎物，更重要的是，耐久性长跑还促进了人类大脑体积的迅速增长。另有研究指出，基于人类的体型、再比较其他哺乳动物，人类大脑的体积是其应有的3倍大。最近的数据表明，有氧身体活动与大脑之间存在进化关系，包括在广泛的哺乳动物中有氧运动能力与大脑体积之间存在正相关关系。

3、运动对大脑结构与功能的影响

3.1、运动对大脑结构的影响

运动对大脑结构的影响是指运动可以增加大脑灰质的体积、白质密度及抵消老化导致的脑萎缩。有研究通过对比不同项目的运动员与普通人在脑结构上的差异来探索运动对脑结构的影响，其本质也是分析脑体积的变化。比如，吴殷采用功能磁共振成像技术，比较了13名羽毛球运动员、13名篮球运动员和16名非运动员的大脑灰质结构差异，结果表明，运动员在双侧中央前回、左侧顶下小叶、中央后回、眶额回、颞上回灰质体积显著大于非运动员，显示长期的运动训练会对不同运动项目的运动员大脑产生相似的可塑性变化。孟国正采用磁共振成像技术(MRI),对优秀排球运动员和普通大学生的大脑结构进行对比分析,结果显示优秀排球运动员多年的动作技能学习和运动训练能够对其大脑右半球负责视觉信息加工的枕叶脑区结构产生可塑性变化。Colcombe使用吴殷和孟国正同样的技术方法对未有训练痕迹的人员进行针对性地训练，发现与对照组相比，经过6个月有氧运动训练的被试，其大脑在与认知功能区域相关的灰质和白质的体积也得到了明显地增加。相似的研究还有学者埃里克森，他曾通过磁共振成像研究了老年人的海马体积与运动水平的关系，结果发现有氧运动水平高的老年人的海马体积也更大。除了对运动员的研究外，有研究者对动物也进行了相关研究，例如，研究者通过运动干预对成年小鼠神经发生的影响，结果发现运动干预试验可以有效促进成年小鼠齿状回颗粒细胞、神经干细胞的生成、新细胞生长和突触的生长。

总之，运动不仅对人体的结构方面具有可塑性影响，还对动物的大脑具有积极的影响，在生命的整个阶段中，运动对大脑结构的可塑性影响将发挥出巨大的作用。

3.2、运动对大脑功能的影响

运动对大脑功能的影响是指由运动所引起的大脑区域间连接的改变、延缓老化导致的认知下降、提升认知及学业表现。研究表明，长期的有氧运动可以使左右半脑中前额皮质、海马和扣带回区域间的功能性连接得到加强。运动会影响脑的多种功能，对脑的健康有着重要作用，包括提高认知能力，延缓由衰老引起的认知能力下降。例如，在长时有氧运动的研究方面，蓝永生探索了6周太极拳运动对大学生认知功能有积极影响，且每周运动5次的练习效果比每周运动3次的效果更好。除了运动对人的抑制控制能力有影响的研究外，此类研究在动物身上也得到了证实。例如，自由跑转轮运动能有效刺激成年小鼠海马神经发生，并延长了新生神经元的存活时间，同时运动还提高了小鼠的空间学习能力。周跃辉将SD大鼠随机分为安静组和中等强度运动组，研究结果发现与安静组相比，运动组大鼠在执行任务时的正确率明显提高；通过连续10天的中等强度跑台运动后，尼古丁戒断大鼠的抑制能力得到提升，这可能是由于运动改善了大鼠前额叶皮层α7烟碱乙酰胆碱受体蛋白表达，进而降低了它们对尼古丁依的赖性。

以上研究者从长时有氧运动层面分析了运动对人和动物都有积极的影响，有研究者还证明了短时有氧运动对个体的大脑有积极的影响。

Chang曾经通过使用伦敦塔任务（TOL任务）评估短时有氧运动对执行功能的影响发现，运动组进行了30分钟中高强度运动后，TOL任务得分提高，说明短时中高强度的有氧运动对人的执行功能有促进作用。Kao采用ERP技术对64个成年人进行了单次高强度间歇训练（HIIT）和有氧运动（CAE）对抑制控制影响的研究，结果发现与坐姿对照组相比，参与者在进行了持续有氧运动和单次高强度间歇训练之后的整体反应时间缩短，研究结果表明了急性有氧运动对抑制控制有提升。Wang发现经过短时有氧运动后，甲基苯丙胺依赖者的抑制控制能力得到提升。刘坚采用同等强度不同时间运动为干预手段测试学生的执行功能，发现不同时间同等强度运动均能在一定程度上促进初中生执行功能的发展。

上述研究既从人的角度分析了不同运动的时间均可以改善大脑的认知能力，又从动物的角度证明了其相同的作用，总的来说，两种持续不同时间的运动对大脑的功能连接都有促进作用。

4、结语

随着21世纪信息时代的快速发展，越来越多的研究者对大脑的研究也更深入，而运动作为一种改善大脑结构与功能的十分经济且无创伤的方式，在现代社会中也得到了大众的认可，因此运动对大脑可塑性的研究成为了学者的研究热点。经过上述的文献分析与证明，运动之所以能够对大脑结构与功能产生影响，除了运动在大脑结构方面可以增加脑部灰质的体积、白质密度及抵消老化导致的脑萎缩外，运动对大脑的功能方面还对区域间连接的改变、延缓老化导致的认知下降、提升认知及学业表现等积极作用。在未来的研究中，除了通过磁共振成像或者脑电的实验方式对个体大脑进行测试外，还可以思考如何将磁共振成像、脑电和肌电等方式结合测试，以更准确深入的研究运动对大脑的影响在分子水平方面的情况。