小籃球運動對學齡前孤獨癥兒童重復刻板行為及腦灰質體積的影響

董曉曉，陳愛國，劉智妹，王金貴，蔡可龍，熊 軒

孤獨癥譜系障礙（autism spectrum disorder，ASD）簡稱“孤獨癥”，又稱“自閉癥”，是一種起始于兒童早期的神經發育障礙疾病。2018年4月美國疾病控制與預防中心的數據表明，ASD兒童的患病率已達到1/59（Redfield et al.，2018），成為嚴重危害兒童青少年健康、給社會和家庭造成巨大負擔的常見精神疾患之一。重復刻板行為（restricted repetitive behaviors，RRBs）是ASD兒童的核心癥狀表現，是指高頻率地以固定的方式重復、渴望環境單調的行為（李天碧等，2018；Kanner，1943）。它嚴重影響ASD兒童功能性行為和社會技能的習得（Nadig et al.，2010；South et al.，2005），容易引發自我傷害、情緒等問題。當前，采用有效手段改善ASD兒童的重復刻板行為已經成為孤獨癥康復訓練的難點和重點，越早對ASD兒童進行干預，預后效果越好（靜進，2007；王莉 等，2014）。

研究表明，體育運動已經成為改善ASD兒童重復刻板行為的有效手段（崔爽，2017；張志勇等，2012；Bahrami et al.，2012；Ferreira et al.，2018；Tse et al.，2018）。具有易行性、規律性和趣味性等特點的小籃球運動被研究者關注，并運用到ASD兒童的治療中。結果發現，小籃球運動干預方案能夠改善ASD兒童的認知功能和運動技能（潘紅玲等，2017；朱瑜等，2017），作為ASD兒童核心癥狀表現的重復刻板行為則鮮有涉及。此外，體育運動可改善ASD兒童核心癥狀表現，但其神經機制尚未被闡明。借助結構磁共振成像技術（structural magnetic resonance imaging，sMRI）發現，ASD兒童的重復刻板行為與皮層及皮層下區域灰質體積（gray matter volume，GMV）的非典型發育有關（Eisenberg et al.，2015）。因此，探究小籃球運動對腦灰質體積可塑性的影響，有助于揭示體育運動改善ASD兒童重復刻板行為的神經機制。

本研究借助行為測量法和結構磁共振成像技術，選取學齡前ASD兒童為研究對象，探究小籃球運動干預對學齡前ASD兒童重復刻板行為及腦灰質體積的影響，進一步解釋運動干預改善學齡前ASD兒童重復刻板行為的神經機制。基于以上認識，本研究假設：1）小籃球運動能改善學齡前ASD兒童的重復刻板行為，引起他們腦灰質體積的變化；2）小籃球運動能夠通過改變學齡前ASD兒童的腦灰質體積，改善其重復刻板行為。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象與分組

從揚州市2所特殊兒童教育中心篩選59名3～6歲的學齡前ASD兒童。選取標準：1）漢族；2）符合美國精神障礙診斷與統計手冊第5版（DSM-V）診斷標準，確診為ASD的中重度兒童；3）無明確頭部受過創傷經歷；4）無神經系統和精神障礙疾病，如癲癇、抽動癥等；5）無短期內服用影響中樞神經系統的藥物經歷；6）無短期內接受籃球培訓班經歷；7）無肢體殘疾，無法參與運動干預等癥狀；8）無聽力和視力障礙；9）滿足磁共振掃描條件，如體內無植入金屬（如金屬假牙等），身上未裝有電子、磁或機械的設備（如心臟起搏器）等。本研究獲得揚州市第一人民醫院倫理委員會倫理批準，被試父母/監護人簽署了知情同意書。

采用整體隨機分組，將揚州市某兒童發展中心的被試選為對照組，揚州市某教育機構的被試選為實驗組。實驗組在機構常規行為康復的基礎上，開展12周的小籃球運動干預；對照組只接受機構常規行為康復干預。在實驗組運動干預時，對照組進行常規學習生活。最終進入實驗的被試為30名，實驗組15名（12男/3女），對照組15名（13男/2女）。篩除原因：1）未完成實驗27名；2）T1-MPRAGE結構像存在缺失2名。

1.2 實驗設計與程序

本研究為2（組別：實驗組、對照組）×2（測試時間點：前測、后測）混合實驗設計。整個實驗由3部分組成：前測、小籃球運動干預、后測。1）前測：小籃球運動干預之前，所有被試均由揚州婦幼保健服務中心的專業醫師進行孤獨癥癥狀程度診斷，參與體質健康發育評定，在同一位教師的帶領下前往揚州市某醫院進行sMRI掃描，完成前測的T1-MPRAGE結構像采集。由于掃描時間長，機器噪音較大，為確保ASD兒童均能配合完成掃描，每個被試需適度睡眠剝奪，進行鎮靜，具體包括：sMRI掃描檢查前一天告知家長讓被試晚睡早起，間隔6～8 h后給予每個被試10%水合氯醛0.3 ml/kg（30 mg/kg）灌腸，最大劑量不超過10 ml。待被試熟睡后，由護士進行意識水平檢測。若被試對輕度疼痛刺激無反應，由醫生將被試仰臥位平放于磁共振檢查床。所有被試的父母/監護人填寫“重復刻板行為檢查表”“睡眠習慣問卷”以及“飲食習慣問卷”。2）小籃球運動干預：實驗組在機構常規行為康復的基礎上，開展小籃球運動干預；對照組只接受機構常規行為康復干預，進行常規學習生活，不參加同類型的體育活動。3）后測：小籃球運動干預實施12周后，在與前測相同的時間、地點，采取相同的步驟，進行sMRI掃描，完成后測的T1-MPRAGE結構像采集，所有被試的家長/監護人填寫“重復刻板行為檢查表”。

1.3 實驗實施

1.3.1 小籃球運動干預方案設計與實施

基于國內外球類運動與ASD兒童康復治療的研究成果（朱瑜 等，2017；Westendorp et al.，2014）和運動提升兒童腦智發展的多途徑理論（陳愛國，2016），干預方案采用小籃球基本動作練習（腳步、球感、運球、傳接球、投籃練習）和體育游戲相結合的模式，根據學齡前兒童發育及ASD兒童運動特征，設計不同難度的學習任務，采取雙人、小組以及集體多種學習形式，兼顧規律性、趣味性、娛樂性、易行性等特點。

整個運動干預方案主要分為3個階段，每個階段的任務根據學齡前ASD兒童的具體情況而定（表1）。每次小籃球運動干預過程包含開始、熱身運動、小籃球運動干預、放松4個部分，大約持續40 min。在干預中，保持兒童處于中等活動強度（平均心率控制在128～148次/min），心率監控采用POLAR M430心率監測儀。干預頻率為5次/周（周一至周五，固定時間、地點、教師），干預周期為12周（表2）。

表1 小籃球運動干預方案內容安排Table 1 Mini-basketball Training Program

表2 每次運動干預內容安排Table 2 Exercise Intervention Content for Each Time

1.3.2 行為學的測量

采用Schopler等（1980）編制的兒童孤獨癥評定量表（childhood autism rating scale，CARS）對學齡前ASD兒童的癥狀程度進行評定。該量表有較好的信效度（盧建平等，2004），具有鑒別診斷意義。量表總分60分，評分標準如下：無孤獨癥（總分＜30分）；輕中度孤獨癥（總分=30～37分）；重度孤獨癥（總分=37～60分，且至少5項的評分高于3分）。本研究的CARS量表得分由揚州市婦幼保健院兒童孤獨癥門診主任醫師評定。

兒童睡眠習慣問卷（children's sleep habits ouestionnaire，CSHQ）評估學齡前ASD兒童的睡眠習慣（Owens et al.，2000），用于篩查睡眠障礙，由被試家長/監護人填寫。該量表共有45道題目，記總分，總分越高，睡眠問題越嚴重。

兒童飲食行為問卷（child eating behavior questionnaire，CEBQ）評估學齡前ASD兒童的飲食行為（Wardle et al.，2001）。該問卷由被試家長/監護人填寫，包括8個維度56個條目，調查兒童最近1個月的飲食行為狀況。量表記總分，得分越高，表明飲食行為問題越明顯。

采用《國民體質測定標準手冊（幼兒部分）》對學齡前ASD兒童體質健康發育情況進行評估。具體測試內容包括速度靈敏、肌肉力量、柔韌性和平衡能力。速度靈敏的測試項目為2×10 m折返跑（s），肌肉力量的測試項目為立定跳遠（cm），柔韌性的測試項目為坐位體前屈（cm），平衡能力的測試項目為平衡木測試（s）。

采用Bodfish等（2000）修訂的重復刻板行為檢查表（repetitive behavior scale，RBS-R）對學齡前ASD兒童的重復刻板行為進行評定。該量表具有較好的信效度，由被試家長/監護人填寫。量表共43道題目，分為6個子維度（刻板行為、自傷行為、強迫行為、儀式行為、單調行為、限制行為），記總分，評分越高，代表重復刻板行為越嚴重。

1.3.3 灰質體積的處理

1）結構像采集：采用GE Discovery MR750W 3.0T磁共振成像完成圖像采集。T1-MPRAGE結構像掃描參數為：脈沖重復間隔時間=7.20 ms，回波時間=3.06 ms，厚度=1.00 mm，翻轉角=12°，采集矩陣=256*256，掃描視野=256*256 mm。

2）灰質體積的預處理：使用SPM 8的工具包VBM 8對T1-MPRAGE結構像進行預處理。將預處理后的數據在SPM 8中以8 mm×8 mm×8 mm半寬全高的高斯核函數對圖像進行平滑處理，提高圖像信噪比。參考陳愛國等（2018）灰質體積提值方法，采用get_totals插件提取顯著變化區域的灰質體積值。

1.3.4 統計分析

1）采用SPSS 23.0軟件對實驗組和對照組的人口統計學以及CARS、CSHQ、CEBQ量表分數和體質健康發育情況進行同質性檢驗，檢查兩組人口統計學以及各項行為特征是否具有差異性，分析結果均以P≤0.05為差異有統計學意義。

2）腦灰質體積分析：采用SPM 8的隨機效應模型（flexible factorial design）分析12周小籃球運動干預對學齡前ASD兒童腦灰質體積的影響，將小籃球運動干預前、后的腦灰質體積變化區域與重復刻板行為表現變化做Pearson相關分析。

2 結果

2.1 兩組學齡前ASD兒童人口統計學及各項行為特征差異

研究表明，ASD兒童的癥狀程度、睡眠、飲食習慣以及體質健康發育會影響個體的重復刻板行為（孫慧珍等，2017；Cortese et al.，2020；Marshall et al.，2015）。本研究對以上因素進行控制。通過卡方檢驗兩組兒童的性別（χ2=0.24，P＞0.05），通過獨立樣本t檢驗分析兩組年齡[t（28）=1.25，P＞0.05]、BMI[body mass index，體重/身高2，t（28）=0.07，P＞0.05]、CARS[t（28）=-0.94，P＞0.05]、CSHQ[t（28）=-0.47，P＞0.05]、CEBQ[t（28）=-0.02，P＞0.05]、速度靈敏[t（28）=1.29，P＞0.05]、肌肉力量[t（28）=1.33，P＞0.05]、柔韌性[t（28）=-1.08，P＞0.05]、平衡能力[t（28）=-1.49，P＞0.05]，差異均無統計學意義，說明兩組學齡前ASD兒童在人口統計學指標、癥狀程度、睡眠和飲食上具有同質性（表3）。

表3 人口統計學變量及行為特征表現Table 3 Participants'Demographics and Behaviors Characteristic M±SD

2.2 小籃球運動對學齡前ASD兒童重復刻板行為的效果

采用重復測量方差分析小籃球運動對學齡前ASD兒童重復刻板行為總分及6個子維度分數的影響，在重復刻板行為總分上，組別主效應[F（1，28）=9.98，P＜0.01，ηp 2=0.26]差異有統計學意義，時間主效應[F（1，28）=2.75，P＞0.05，ηp2=0.09]差異無統計學意義，時間×組別交互作用[F（1，28）=9.25，P＜0.01，ηp2=0.25]差異有統計學意義。進一步簡單效應分析發現，兩組的重復刻板行為總分前測（P＜0.05）和后測（P＜0.01）差異均有統計學意義；對照組前、后測總分差異無統計學意義（P＞0.05），實驗組前、后測總分差異有統計學意義（P＜0.01）；實驗組后測總分均值低于前測。由于兩組前測總分具有差異，為進一步驗證小籃球運動能夠改善學齡前ASD兒童的重復刻板行為總分，對兩組前、后測差值進行獨立樣本t檢驗。結果發現，兩組差值具有統計學意義[t（28）=-3.04，P＜0.01]，實驗組差值均值低于對照組。以上結果表明，小籃球運動能夠改善學齡前ASD兒童的重復刻板行為。

刻板行為維度上，組別主效應[F（1，28）=1.22，P＞0.05，ηp2=0.04]差異無統計學意義，時間主效應[F（1，28）=7.69，P＜0.05，ηp2=0.22]和時間×組別交互作用[F（1，28）=5.71，P＜0.05，ηp2=0.17]差異均有統計學意義。結合兩組前、后測刻板行為變化，進一步簡單效應分析發現，兩組的刻板行為前測差異無統計學意義（P＞0.05），后測差異有統計學意義（P≤0.05）；對照組前、后測刻板行為差異無統計學意義（P＞0.05），實驗組前、后測刻板行為差異有統計學意義（P＜0.01）；實驗組刻板行為后測均值低于前測。以上結果表明，小籃球運動能夠改善學齡前ASD兒童的刻板行為。

自傷行為維度上，組別主效應[F（1，28）=0.71，P＞0.05，ηp2=0.03]和時間主效應[F（1，28）=1.95，P＞0.05，ηp2=0.07]差異均無統計學意義，時間×組別交互作用[F（1，28）=5.41，P＜0.05，ηp2=0.16]差異有統計學意義。結合兩組前、后測自傷行為變化，進一步簡單效應分析發現，兩組的自傷行為前測（P＞0.05）和后測差異均無統計學意義（P＞0.05）；對照組前、后測自傷行為差異有統計學意義（P＜0.05），實驗組前、后測自傷行為差異無統計學意義（P＞0.05）；對照組自傷行為后測均值高于前測，實驗組自傷行為后測均值低于前測。以上結果表明，小籃球運動能夠改善學齡前ASD兒童的自傷行為。

強迫行為維度上，組別主效應[F（1，28）=6.05，P＜0.05，ηp2=0.18]差異有統計學意義；時間主效應[F（1，28）=1.25，P＞0.05，ηp2=0.04]和時間×組別交互作用[F（1，28）=2.01，P＞0.05，ηp2=0.07]差異均無統計學意義。以上結果表明，小籃球運動未改善學齡前ASD兒童的強迫行為。

儀式行為維度上，組別主效應[F（1，28）=9.69，P＜0.01，ηp2=0.26]差異有統計學意義；時間主效應[F（1，28）=0.10，P＞0.05，ηp2=0.004]和時間×組別交互作用[F（1，28）=1.46，P＞0.05，ηp2=0.05]差異均無統計學意義。以上結果表明，小籃球運動未改善學齡前ASD兒童的儀式行為。

單調行為維度上，組別主效應[F（1，28）=5.60，P＜0.05，ηp2=0.17]差異有統計學意義；時間主效應[F（1，28）=0.51，P＞0.05，ηp2=0.02]和時間×組別交互作用[F（1，28）=0.15，P＞0.05，ηp2=0.01]差異無統計學意義。以上結果表明，小籃球運動未改善學齡前ASD兒童的單調行為。

限制行為維度上 ，組別主效應[F（1，28）=13.85，P＜0.01，ηp2=0.33]差異有統計學意義；時間主效應[F（1，28）=0.65，P＞0.05，ηp2=0.02]差異無統計學意義；時間×組別交互作用[F（1，28）=8.27，P＜0.01，ηp2=0.23]差異有統計學意義。結合兩組前、后測限制行為變化，進一步簡單效應分析發現，兩組的限制行為前測差異無統計學意義（P＞0.05），后測差異有統計學意義（P＜0.001）；對照組前、后測限制行為差異無統計學意義（P＞0.05），實驗組前、后測限制行為差異有統計學意義（P＜0.05）；實驗組限制行為后測均值低于前測。以上結果表明，小籃球運動能夠改善學齡前ASD兒童的限制行為。

綜上所述，小籃球運動能夠顯著改善學齡前ASD兒童的重復刻板行為及其刻板、自傷和限制3個子維度的行為表現，其他子維度雖未發現顯著變化，但均具有改善趨勢（表4）。

2.3 小籃球運動前、后學齡前ASD兒童腦灰質體積的變化

采用SPM 8的隨機效應模型對兩組學齡前ASD兒童前、后測腦灰質體積數據進行分析，探究運動干預引起的學齡前ASD兒童腦灰質體積的變化。結果發現，時間×組別交互作用具有顯著性（統計閾值設置為P＜0.001，未校正，最小團塊為100）的腦區包括：右側小腦8區（right cerebellum 8，rCbe8）、右側梭狀回（right fusiform gyrus，FFG.R）的灰質體積增加（表5，圖1）。

表4 運動干預前、后兩組學齡前ASD兒童重復刻板行為表現結果Table 4 Performance Results for RRBs，Segregated by Exercise Intervention and Time Point M±SE

表5 運動干預所致學齡前ASD兒童腦灰質體積改變的區域Table 5 Significant Changes of GMV in Preschool Children withASD Caused by Exercise Intervention

圖1 運動干預所致學齡前ASD兒童腦灰質體積變化Figure 1.GMV Changes Caused by Exercise Intervention

2.4 小籃球運動引起學齡前ASD兒童腦灰質體積變化區域與重復刻板行為表現變化相關性

采用Pearson相關分析研究小籃球運動引起學齡前ASD兒童腦灰質體積的改變（后測-前測）與重復刻板行為總分及其刻板、自傷和限制3個子維度行為表現變化（后測-前測）的關系。由于實驗組與對照組的重復刻板行為總分前測存在顯著差異，將重復刻板行為的前測總分作為控制變量進行偏相關分析。結果發現，右側小腦8區的灰質體積變化與重復刻板行為總分的變化具有顯著的負相關性（r=-0.56，P＜0.05），其他顯著變化腦區未發現與重復刻板行為總分及其子維度行為表現變化具有顯著性相關。這表明學齡前ASD兒童右側小腦8區灰質體積的增加與重復刻板行為成負相關（圖2）。

3 討論

3.1 小籃球運動對學齡前ASD兒童重復刻板行為的影響

本研究發現，小籃球運動對學齡前ASD兒童的重復刻板行為及其刻板、自傷和限制3個子維度的行為表現均產生積極作用，改善了學齡前ASD兒童的重復刻板行為表現，并得到已有研究的支持。以往研究表明，ASD兒童的重復刻板行為主要是為了尋求或是逃避感知覺刺激，以及達到自身的平衡（Lovaas et al.，1987）。具有規律性、趣味性、娛樂性、易行性的體育運動，可以使ASD兒童的重復刻板行為得到控制，改善其感知覺能力和行為控制力。此外，體育運動中的身體動作與重復刻板行為中的動作類似，可能會產生相似的愉快狀態，有助于減少重復刻板行為（Bahrami et al.，2012；Lang et al.，2010）。本研究以小籃球拋、接和運球等與重復刻板行為類似的基本動作練習和體育游戲為主要內容，由易到難，兼具易行性、規律性、趣味性，因此，推測小籃球運動能夠改善學齡前ASD兒童的重復刻板行為，是由于在運動中獲得愉快感和感知覺刺激，改善了行為控制力，從而減少重復刻板行為的發生。

圖2 小籃球運動所致學齡前ASD兒童腦灰質體積變化與重復刻板行為改善的相關性Figure 2.Correlation between GMV Change and RRBs Change

3.2 小籃球運動對學齡前ASD兒童腦灰質體積的影響

本研究發現，小籃球運動使得學齡前ASD兒童的右側小腦8區和梭狀回灰質體積增加，與已有研究一致。以往研究表明，ASD兒童相較正常兒童的腦灰質體積存在區域性異常（陳靜 等，2016；Peterson et al.，2006），尤其是與行為控制、注意相關的小腦（Townsend et al.，1999）和與面部識別有關的梭狀回區域（Pierce et al.，2004）的灰質體積異常。具體表現為，以小腦為中心，向雙側延伸至梭狀回、枕葉等區域的灰質體積異常減少（Peterson et al.，2006；Rojas et al.，2006；Stoodley，2014；Toal et al.，2009；Yang et al.，2016，2018）。由此推測，小籃球運動干預中，學齡前ASD兒童需要進行球繞頭、腰和抓球等多肢體間協調控制的動作練習，以及運球等個體間協作配合的游戲，引起右側小腦8區和右側梭狀回區域的灰質體積增加，發育趨于正常。這與一項來自聾啞兒童的研究結果相似。陳愛國等（2018）發現，聾啞兒童小腦、枕下回等區域的腦結構發育遲滯，11周運動干預則可以加速聾啞兒童腦結構的發育，使之趨于正常。本研究首次發現運動干預對學齡前ASD兒童腦灰質體積的積極效應，為體育運動與ASD兒童腦可塑性的研究領域提供了新的證據。

3.3 小籃球運動所致學齡前ASD兒童腦灰質體積變化與重復刻板行為的關系

本研究發現，小籃球運動所致的學齡前ASD兒童的右側小腦8區灰質體積增加與其重復刻板行為表現減輕存在顯著負相關，即伴隨學齡前ASD兒童右側小腦8區灰質體積的增加，其重復刻板行為得以改善。該結果與已有研究一致。以往橫斷面的研究表明，ASD兒童小腦區域的灰質體積減小與其重復刻板行為表現的加重呈負相關（Rojas et al.，2006），認為小腦主要參與運動、非運動信息的整合和認知控制（D'Mello et al.，2015）。ASD中的重復刻板行為，反映了對運動行為認知控制的喪失（Mosconi et al.，2009），提示小腦區域的異常減少可能導致ASD重復刻板行為的產生。對特殊人群的研究發現，運動干預可以通過改善腦的可塑性提高發育障礙人群的行為表現（陳愛國等，2018）。可見，小籃球運動是通過增加學齡前ASD兒童的右側小腦8區灰質體積，來改善其重復刻板行為癥狀。本研究首次從灰質體積視角揭示體育運動對學齡前ASD兒童重復刻板行為發生作用的神經機制，拓展研究者對ASD兒童重復刻板行為神經機制的認識。

4 結論

本研究首次整合行為學和神經影像學證據，發現小籃球運動能夠改善學齡前ASD兒童的重復刻板行為，神經機制與右側小腦8區灰質體積增加有關，初步揭示小籃球運動對學齡前ASD兒童重復刻板行為的改善作用及內部神經機制。該研究成果為深入理解體育運動與ASD兒童重復刻板行為的關系提供了新證據，為在教育和醫療中采用小籃球運動改善ASD兒童重復刻板行為癥狀提供實踐基礎。