體育鍛煉對青少年腦功能發展的影響研究

林顯虹，李 丹

(吉林體育學院，吉林長春 130022)

黨的十八屆三中全會《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》對學校體育工作作出重要部署，明確提出“強化體育課和課外鍛煉，促進青少年身心健康、體魄強健”。結合身、心、大腦的生物關系，采用體育鍛煉促進神經連結，重新建立身心連結，使青少年在身心健康、體魄強健的同時，還能發展智力,消除壓力、焦慮、憂郁和注意力不集中等心理問題。

1 體育鍛煉促進青少年大腦可塑性的開發

1.1 優化青少年的前額葉皮質

前額葉皮質屬于大腦最前方的皮質區域。其最后演化出來的灰質部分是大腦的執行長，也是存放工作記憶之處，能將資訊加以分析、排序、集結，也可以與小腦和基底核合作，讓一些特定功能得以順利進行，且維持資訊往返的規律性，負責統籌人的生理和心理活動，透過大腦最周延的神經網絡接受訊號、發布指令。根據腦部掃描的研究，當青少年在學習一個新單字時，前額葉皮質區會因為開始活動而亮起來(海馬回和聽覺皮質區等其他相關區域也一樣)，一旦神經迴在麩氨酸的發射下建構完成，單字也學會了，前額葉皮質區就會暗下來，監督工作由其他腦區進行接力，因此前額葉皮質是大腦的重要區域[1]。動作復雜的體育鍛煉將利用到前額葉皮層和額葉后三分之二部分，尤其是背外側額葉在內更大范圍的重要腦區控制[2]。

青少年處于腦部結構發育和身心健康發展的關鍵時期，前額葉皮質是在青少年時期逐漸成熟的。此階段的青少年有著敏感、脆弱、偏激的特點。通過體育鍛煉能讓前額皮質大量神經元細胞快速“工作”，有效優化前額葉皮質，提高學習能力和啟動積極行為模式，有助于增進青少年自我效能感，改善其大腦功能。

1.2 強化及拓展青少年的神經迴路

大腦是個適應性很強的器官，越使用就變得越靈活。大腦必須時時注意接收進來的刺激，當感覺運動區域收到大腦的指示時，把它暫存成工作記憶，然后把所有資訊連回海馬回，同時增加海馬回長期增益效應，且將所有的神經網絡元素全部派上用場。

任何比走路還要復雜的肢體技巧都需要學習，剛開始學習時會出現退縮和手忙腳亂。隨著神經迴路連上小腦、基底核，前額葉皮質區開始活躍起來，學習的動作變得更準確，通過反復練習，大腦神經纖維外層會形成更厚的髓鞘，提升訊號傳遞的品質和速度，進而增加迴路的運作效率[3]。突觸的連結也會越復雜。雖然這些腦部迴路是透過動作產生的，但它們還是會在其他區域的號召下加入共同的學習過程。無論是瑜伽、芭蕾、探戈、體操、滑冰還是空手道,這些訓練都會與腦部的神經細胞產生關聯。如青少年在學習探戈時，需要判斷舞伴動作并及時做出相關反應。學習過程中,要求青少年有較高的注意力、判斷力和動作精確度。通過長期的鍛煉，能擴充和豐富大腦各神經迴路，使腦部神經細胞之間產生緊密關系，從而開發大腦的可塑性。

2 體育鍛煉促進青少年的認知能力的提高

2.1 改善認知功能

許多研究表明體育鍛煉能鍛煉大腦，在一定程度上幫助青少年改善認知能力，提升學業表現。認知功能是人腦加工、存儲和提取信息的能力。體育干預組的青少年的體力活動水平顯著提高，認知能力測試得分和學業表現優于對照組青少年，且差異具有顯著性[4]。此外，通過功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)發現進行體育鍛煉的測試者的右額葉前部的激活水平下降，注意力和抗干擾表現有所改善[5]，后頂葉皮層等區域的激活水平下降，而大腦的前扣帶皮質和額上回等區域的激活水平升高[6]。若某個腦區有損傷，其他的腦區會采取積極地代償，保持腦部正常運作和認知功能水平[7]。

2.2 提高執行功能

執行功能(executive function)可分為控制干擾能力、抑制優勢反應能力、思維維持與轉換、整合計劃能力、工作記憶水平5部分[8]。具有較強執行功能的青少年能更有效地安排和處理生活和學習，自我控制能力強，遵守社會秩序。

國內外許多研究表明，體育鍛煉能提高執行功能，對執行功能異常的青少年具有積極改善作用。體育鍛煉能提高青少年執行功能，使前額部腦電[9]和海區域發生積極變化[10]。此外，對超重小學生進行體育鍛煉干預，能改善他們執行功能的計劃維度[11]。體育鍛煉促使個體海馬齒狀回里神經元的數量増加，從而提高學習記憶和執行功能[12]。長期的體育鍛煉影響相關腦區激活水平，短時的體育運動也能使相關腦區激活水平發生變化[13]。

2.3 增強注意力

青少年很容易被身邊的新鮮事物所吸引，分散其注意力。比如，天上飛過飛機，他們會不自覺的抬頭向天上望去；操場旁邊走過一個衣著鮮艷的人，他們的眼神情不自禁的隨著路人的走過而漂移，等等。在忽略無關信息的同時有選擇地關注相關信息的能力是大腦的基本功能，以確保有效地與環境互動。這種能力需要增強注意力，注意力是認知系統的核心功能，并調節其他認知功能，如記憶和語言[14]。注意網絡系統可分為三個不同的網絡：警覺網絡、定向網絡和執行控制網絡。通過神經成像分析揭示它們各自有特定的注意功能，并且三個網絡之間幾乎沒有重疊[15]。警覺網絡與維持一定程度的喚醒和持續警惕有關；定向網絡允許從多個感官輸入中選擇信息；執行控制網絡與監控和解決沖突的能力有關[16]。

Chang等發現，一次急性體育鍛煉不是引起全面注意力網絡改善，而是選擇性地加強執行控制[17]。同樣，Fabel等發現運動員表現出選擇性增強注意力網絡的執行控制，而在警報和定向網絡中沒有觀察到運動員和非運動員之間的差異[18]。它表明體育鍛煉與執行控制網絡的調制之間存在某種關聯。因此，體育鍛煉能促進青少年的執行控制網絡，提高監控和解決沖突的能力。

3 體育鍛煉可調節青少年情緒和緩解壓力

3.1 降低焦慮感

青少年在學習和生活上或多或少會產生焦慮，而所有形式的焦慮都能彼此滲透、相互依存會讓大腦失去洞察力。

John等將54位焦慮指數較高的大學生和每周運動不到一次的焦慮癥患者分成兩組，然后分別在兩周的時間完成六節20 min的跑步機訓練，第一組必須達到最大心率六到九成的激烈程度，第二組以1.6 km·h-1的速度(約最大心率五成)，結果顯示，這兩種訓練法都能降低焦慮敏感度，而激烈運動的效果比較快，也比較好[19]。在體育鍛煉時心跳和呼吸逐漸變快，自身會認識到這些生理現象不見得會引發焦慮，然后越來越習慣身體的自然反應，不再自動假設它們是有害的現象。隨著體適能水平的提升，從而降低其焦慮感。

3.2 減低憂郁感

青少年的情緒波動幅度比較劇烈，如因學習、社交、家庭等環境問題而產生憂郁感，影響青少年的學習力、注意力、活力與動機。

楊尚明和李紅發現，老鼠的海馬回直接注射腦源性神經營養因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)后，出現了比未注射組老鼠更快脫逃的舉動；相反，研究者發現體內基因只能制造50%BDNF的老鼠對抗憂郁藥的反應并不好，逃離壓力的速度比BDNF運作正常的同伴明顯慢，說明BDNF是抗憂郁藥發揮功效的必要元素[20]。肌肉鍛煉時，會制造出“因子”蛋白質，尤其重要的是BDNF，其是連結和平衡思想、情緒與動作的關鍵物質，并隨著血液進入腦部，然后在思考機制里扮演關鍵角色。體育鍛煉到某個程度時，大腦會自動分泌多巴胺、血清張素和正腎上腺素，這些神經傳導物質都跟學習和記憶力有關。因此，體育鍛煉后學業效果比較好，記憶力比較強。因此，體育鍛煉可以為青少年營造積極正面的心理狀態，讓其心情愉悅,提高學習效率。

3.3 緩解壓力

壓力其實是對身體平衡的一種威脅，它會催促、呼喚人做出適當的反應及適應。壓力基本上是腦細胞遭遇威脅時，投射在情緒上的一種現象，是外界加諸人身上的重擔。而每個青少年的壓力閾值都不相同，其會隨著所處環境、基因、行為或其它條件而升降。

體育鍛煉除了能提高壓力閾值，還能開啟細胞復原機制，增加細胞間制造能量的效率。在體育鍛煉時，腦部活動會產生耗損細胞的副作用，但只要在正常情況下，修復機制都會讓細胞變得更經久耐用，以應付未來的挑戰。

眾所周知，塑造肌肉的方法就是先破壞它，再讓它休養生息。同樣，誘發輕微的壓力，可以啟動內建修復機制的神經細胞。神經元就像肌肉一樣會塑造、分解，而壓力會使它們變得更有彈性。體育鍛煉讓身心在輕微的壓力下變得更強壯、堅韌，更能應付未來的挑戰。

4 結語

體育鍛煉不僅能鍛煉肌肉，還能鍛煉腦功能，開啟大腦的可塑性。一方面，青少年進行體育鍛煉能提高認知能力和執行能力，增強注意力；另一方面，體育鍛煉起到調節情緒和緩解壓力的有效作用，可以有效提高學業成績，從而使他們的學習和生活更快樂、更幸福。