身體鍛煉與刷新能力的研究進展

袁小英　王明暉　顧雨潔

【摘 要】 本文從行為水平、功能水平、結構水平、分子水平四個方面，綜合國內外眾多研究者的研究，闡述了刷新能力的機制；并對腦的不同發展時期進行分類，從學齡兒童、大學生、老年人的角度，總結了國內目前關于身體鍛煉與刷新能力關系的研究結果，其顯示無論在腦的哪一發展階段，適量的、恰當的身體鍛煉均對刷新能力有著積極作用，可提高機體的執行能力、改善腦的認知功能。

【關鍵詞】 身體鍛煉；刷新能力；可塑性機制；研究狀況

身體鍛煉是以發展身體、增進健康、增強體質、調節精神和豐富文化生活為目的的身體活動。我們常說“生命在于運動”，已有大量的研究表明，身體鍛煉可以提高機體的心肺功能，增強機體免疫力等，并提出了相關的生理學機制。

近年來，身體鍛煉對腦功能的促進作用、對心理的積極影響以及對高級認知功能的改善等作用逐漸獲得全世界學者的關注，越來越多的研究提示，運動是腦認知功能、執行功能的保護因素。此類研究常選擇兒童、大學生、中年婦女以及老年人進行身體鍛煉的干預，以觀察不同程度的身體鍛煉對其所要研究的內容的影響程度差異，包括兒童智力的開發，大學生的人格成長、心理健康，老年人的認知功能改善等等。

刷新能力是工作記憶中央執行的核心成分，而工作記憶又是人類高級認知活動的核心，是學習、推理、問題解決和智力活動的重要成分，[1]由此可知，刷新能力可以反映人的認知功能。刷新能力是指個體根據當前任務要求，對工作記憶中的信息進行不斷更新，納入新信息以取代舊信息的過程。[2]相較于抑制、轉換等中央執行功能，刷新功能與人類高級認知活動（如流體智力）之間的關系最為密切。[3]

目前多采用活動記憶范式和n-back范式研究刷新能力。已有研究涉及身體鍛煉與刷新能力的關系，但他們的研究并不以此為單一目的。本文旨在綜合已有研究成果，嘗試闡述刷新能力的可塑性機制，并總結各項身體鍛煉對不同年齡段人群刷新能力的影響。

一、刷新能力的可塑性機制

工作記憶作為高級認知活動的核心，依賴于中央執行功能，因而執行功能又被稱為高級認知加工過程，而大腦在工作中，中央執行的功能主要分為：任務轉換功能、干擾跟抑制功能，信息刷新功能。目前已有研究表明，相較于轉換與抑制，刷新功能與人類高級認知活動的關系最為緊密。

1、行為水平可塑性

通過訓練使得個體在相關行為學任務上的成績有所提高，這種表現在行為學水平上的認知功能的改善即為認知可塑性。目前已有大量研究在行為學水平上驗證了身體鍛煉可以提高認知能力，其中采用活動記憶范式與n-back范式的研究可提示刷新能力存在認知可塑性。Dahlin等人采用動態記憶任務對被試進行訓練與測試，并持續跟進測試，證明了這種認知可塑性至少可以保持18個月，而不只是暫時的認知能力的提高。[4]

趙鑫等研究者以成年人為被試，結合自適應活動記憶任務與ERPs技術，發現經過20天的訓練，被試者頂部P300的波幅顯著升高。P300是反映刷新能力的一項有效值指標。同時研究還發現伴隨P300波幅的升高，被試者額區P200的峰值降低，證明刷新能力提高的同時伴有抑制能力的提高。

2、功能水平可塑性

采用功能性核磁共振（fMRI）等對大腦進行掃描比對，可以發現相關腦區的皮層活動變化，證明了與訓練相適應的神經可塑性，主要體現在與認知功能最為密切的額葉上。Olesen等人[5]研究發現，青年被試在5周的視覺空間空座記憶訓練后額中回及頂上小葉與頂下小葉腦區的激活增加，同時目前進一步的研究表明，這種刺激的出現是由于原本刺激所激活的腦區基本的激活程度上有一定增長性。

Erickson等研究者通過對青年被試采取雙任務訓練后發現，被試者背側前額葉經訓練后激活程度增強而右腹側前額葉的激活有所下降，證明刷新能力提高的神經可塑性不僅體現在相關腦區的激活增加，還體現在激活位置的轉移即大腦皮層功能的重組上。

另外，也有研究表明，刷新功能與紋狀體有關，Dahiln等研究者發現青年被試訓練后左側紋狀體的激活增加。

3、結構水平可塑性

通過結構性核磁共振（MRI）等對被試者大腦進行掃描比對，可以發現相關腦區的結構變化，主要體現在老年被試者相關腦區的容量變化。Colcombe等研究者通過對老年人進行6個月有氧運動鍛煉，發現老年被試者們的前額葉、顳葉及頂葉的灰質與白質容量增加。[6]

這些結構上的改變表明了大腦的信號傳導速度的提高，證明了身體鍛煉對腦功能的改善作用，包括對刷新能力的提高作用。

4、分子水平可塑性

通過磁共振波譜分析（MRS）等，可以發現分子水平即神經遞質的相關改變，主要是與認知功能最為密切的多巴胺系統的改變。McNab等研究者發現，工作記憶訓練增加了前額葉多巴胺的遞質密度，同時多巴胺D1受體發生相應改變。[7]Backman等人通過PET掃描也證實了刷新訓練對多巴胺釋放的增強作用。[8]表明神經元能量提高，證明了突觸信號傳遞的增強。

二、國內研究進展

1、身體鍛煉對兒童刷新能力的作用

兒童的執行功能隨著主導活動的變化而發展。學齡兒童（6-12歲）正處于大腦功能發展的黃金時期，從學前班進入小學，其主導活動由游戲逐漸轉變為學習，大腦的認知能力得到迅速發展。

陳愛國等[9]在研究中對多組小學生分別施加了8min、15min、30min籃球運動干預，結果表明，8min運動和15min運動對刷新功能無明顯影響，而30min籃球運動能顯著提高小學生的刷新能力。潘家禮、殷恒嬋等人[10]對正常小學生和學習困難小學生進行了類似的干預，即以籃球運球、傳球和投籃的學習、練習、比賽為主，加之少量籃球相關的體育游戲。十周后，正常小學生和學習困難小學生的刷新能力均得到了顯著提高，且學習困難小學生刷新能力的提升效果優于正常組。

除籃球運動外，多種身體鍛煉項目均被證明有著提高學齡兒童刷新能力的效果，如花樣跑步、慢跑、健美操、跳繩等。由此可見，適量的、恰當的身體鍛煉對于學齡兒童刷新能力的提升具有積極作用。

2、身體鍛煉對大學生刷新能力的作用

大學生的腦組織結構發育完善，各項功能趨于成熟，但刷新能力仍可得到發展和提升。眾多學者對大學生群體進行了體育鍛煉干預，研究證明，多種運動形式都可對其刷新功能產生積極影響。

陳愛國等人[11]對30名大學生使用瑞典產MONARK 834型功率自行車實施三種不同強度的有氧運動干預，每個研究參與者先后接受3 次不同強度（小、中和大）的有氧運動方案干預，進行4次（基線、小強度有氧運動后、中強度有氧運動后和大強度有氧運動后）執行功能任務測試。測試結果為，三種強度的短時有氧運動均可提高大學生的刷新功能，其中小強度效果最好。有研究表明，長時間大強度的有氧運動鍛煉后對大腦的刷新功能的提升有明顯的差異，其中運動強度與刷新功能的關系存在性別差異，男性大強度的運動鍛煉對刷新功能的改善明顯，女性大學生中等強度的運動鍛煉就對刷新功能的改善明顯。這可能是由于現在的大學生缺乏鍛煉和性別體質的差異，同時中等強度的有氧運動對機體來說負荷過大，從而導致了損傷的出現。

近年來，以瑜伽、冥想為主的正念訓練逐漸進入大學生的視野。與傳統鍛煉項目不同，正念訓練是一種身體、心理以及精神的同步練習。李璐在研究時，通過篩選18名參與測試的大學生在完成8周的正念訓練后，得出結論：0-back任務的反應時顯著提高，即一次工作記憶刷新能力顯著提升。[12]但由于訓練時間較短，1-back和2-back任務并沒有發生明顯的變化。若能延長訓練時間，也許多次任務轉換能力也能得到提高。

可見，恰當的身體鍛煉對大學生的刷新功能具有積極作用，但當鍛煉強度、方式超過了身體的負荷，或是鍛煉的量沒有達到一定的閾值，則可能不會出現效果，甚至可能對身體造成損傷，起到反作用，這是大學生在鍛煉時應該注意的問題。

3、身體鍛煉對老年人刷新能力的作用

在勞動能力下降的同時，機體衰老所帶來的各個器官的功能減退，尤其是認知能力、執行能力的減退，對老年人的生活質量產生了嚴重的影響。研究表明，年老老人（75～82歲）與年輕老人（60～74歲）相比，抑制控制和記憶刷新功能下降顯著。[13]如何延緩這一退化過程，使老年人能更加獨立地生活，是亟待解決的問題。

有學者認為，高體力活動的老人，其刷新功能顯著好于低體力、甚至無體力活動的老人。因此，體育鍛煉可能對老年人刷新功能的改善有積極作用。但由于年齡的增加和身體機能的下降，老年人往往不能承受高強度的體育鍛煉。因此，太極拳成為了眾多老年人的首選運動方式。

戈成在研究中發現，[14]太極拳運動對一般老年人的刷新能力有益，而隨著鍛煉時間和鍛煉等級的提升，專家組的刷新能力要顯著高于普通練習組，即鍛煉時間越長、級別越高，太極拳鍛煉對刷新能力的提升就越顯著。可見，太極拳運動對老年人益處頗多，如何將這種鍛煉方式進行推廣、普及，使更多的老年人從中獲益，享受輕松、舒適的晚年生活，是我們需要考慮的問題。

三、研究展望

身體鍛煉對認知功能的提高不僅體現在刷新能力上，也伴隨著抑制與轉化能力的提高。先前一直困擾研究者們的問題是，認知功能的提高究竟是記憶存儲容量的提高還是中央執行功能的改善？隨著科技的進步，ERPs技術、核磁成像技術等的不斷發展與完善，目前已經可以確定認知功能的提高是由于中央執行功能的改善。[15]但是在中央執行功能改善的過程中，刷新能力的提高究竟占了多少比重？轉換與抑制能力又做出了怎樣的貢獻？希望在未來的研究中，可以更加具體地研究出身體鍛煉對刷新能力的改善作用，并以此為科學依據，逐步向大眾推廣、普及，將身體鍛煉運用于自閉癥兒童、聾啞兒童、老年人等人群的認知功能改善中。

【參考文獻】

[1] 趙鑫.工作記憶刷新功能的可塑性[J].心理科學進展，2014.22（10）1521-2531.

[2] 趙鑫.刷新功能的訓練：內容、效果與機制[J].中國臨床心理學雜志，2016.24（5）808-813.

[3] Friedman NP， Miyake A， Corley RP， et al. Not All Executive Function Are Related to Intelligence. Psychological Science， 2006.17（2）172-179.

[4] Dahlin， E.， Nyberg， L.， B?ckman， L.， & Neely， A.S. （2008）. Plasticity of executive functioning in young and olderadults： Immediate training gains， transfer， andlong-term maintenance. Psychology and Aging， 23（4）720-730.

[5] Olesen， P. J.， Westerberg， H.， & Klingberg， T. （2004）. Increased prefrontal and parietal activity after training of working memory. Nature Neuroscience， 7（1）75-79.

[6] Colcombe， S.， Erickson， K.， Scalf， P.， Kim， J.， Prakash， R.， Mc Auley， E.， & Kramer， A. F. （2006）. Aerobic exercise training increases brain volume in aging humans. Journals of Gerontology： Series A： Biological Sciences and Medical Sciences， 61（11）1166-1170.

[7] McNab， F.， Varrone， A.， Farde， L.， Jucaite， A.， Bystritsky， P.， Forssberg， H.， & Klingberg， T. （2009）. Changes in cortical dopamine D1receptor binding associated with cognitive training.Science， 323（5915）800-802.

[8] B?ckman L， Nyberg L. Dopamine and training-related work-ing-memory improvement. Neuroscience and BiobehavioralReviews， 2013.37（9）2209-2219.

[9] 陳愛國，馮磊，朱麗娜等.不同持續時間的中等強度籃球運動對兒童執行功能的影響[J].首都體育學院學報，2015.27（3）223-227.

[10] 潘家禮，殷恒嬋，崔蕾等.運動干預對學習困難、正常小學生執行功能影響的實驗研究[J]. 體育科學，2016.36（6）84-91.

[11] 陳愛國，顏軍.不同強度短時有氧運動對執行功能的影響[J].心理學報，2011.43（9）1055-1062.

[12] 李璐.正念訓練對大學生執行功能的影響[D].安徽：安徽師范大學.2015.

[13] 丁翠萍，王竹影. 老年女性的執行功能與功能性體適能、體力活動水平關系的研究[J].中國學校體育，2017.4（10）88-93.

[14] 戈成. 太極拳練習對老年人執行功能的影響[D].蘇州：蘇州大學.2016.

[15] Conway， A. R. A.， Cowan， N.， Bunting， M. F.， Therriault， D. J.， & Minkoff， S. R. B. （2002）. A latent variable analysis of working memory capacity， short-term memory capacity， processing speed， and general fluid intelligence. Intelligence，30，163-183.

【作者簡介】

袁小英（1996—）女，漢族，蘇州大學體育學院運動訓練專業本科生.

王明暉（1997—）女，漢族，蘇州大學醫學部臨床專業本科生.

顧雨潔（1996—）女，漢族，蘇州大學醫學部臨床專業本科生.