從腦科學詮釋體育運動提升學習效益的理論與實踐

周成林，金鑫虹

（上海體育學院心理學院，上海200438）

兒童青少年教育一直都是我國教育領域高度關注的重點問題，也是體育科學的重要研究課題。近年來，體育運動作為促進身心健康的有效途徑之一，逐漸受到人們的普遍認可，已成為學校教育中不可或缺的關鍵環節。2016 年，中共中央、國務院印發《“健康中國2030”規劃綱要》，為加大學校健康教育力度，將健康教育納入國民教育體系，并作為所有教育階段的素質教育的重要內容［1］。然而，當前我國兒童青少年健康問題依然嚴峻，隨著經濟的迅猛發展和生活便捷性的增加，超重、肥胖兒童青少年數量逐年增長。有研究［2］發現，2017年我國兒童青少年超重率為12.2%，肥胖率為7.1%，且存在地域差異，最高地區可達27.9%。《2015年中國青少年健康體重調查報告》顯示，體重正常人數比例甚至不足50%。肥胖不僅易導致青少年罹患其他生理疾病（如脂肪肝、糖尿病、心血管疾病等），還會對大腦健康造成損害，影響兒童青少年認知功能的發展［3-5］。雖然近些年我國兒童青少年體質健康態勢稍有回升，但“亞健康”狀況仍十分嚴峻，“體育運動缺乏”已成為兒童青少年肥胖、慢性病低齡化的主要成因［6］。同時，我國青少年近視人數也呈逐年遞增趨勢。2020 年，國家衛生健康委員會發布的《中國眼健康白皮書》數據顯示，我國兒童青少年近視總體發生率為53.6%，大學生超過90%，然而其中80%的眼病可防可控。采取相應措施減緩近視人數增長速度，提高兒童青少年的健康用眼意識已然成為當務之急。

20 世紀50 年代以來，體育運動對兒童青少年身心健康的效益逐漸成為體育科學的熱點話題。在兒童青少年成長過程中，學習效益一直是家長和學校關注的問題，然而在影響學習成績的諸多因素中，體育運動一直被忽視。越來越多的研究［7-10］表明，參與體育運動能有效促進學習成績的提高，體育運動促進大腦功能效益逐漸被大量實證研究證實。兒童青少年階段是認知能力發展的關鍵時期，認知能力的發展直接影響學業成績，體育運動可有效促進大腦認知功能，發展兒童青少年認知能力。Donnelly 等［11］的一項對1 490 名青春期前兒童進行的為期2 a 的隨機對照試驗發現，相較于課堂上不參加體育活動的兒童，經常參加體育活動的兒童總體學業成績有所提高。Best［12］分 別 考 察 了 急 性 身 體 活 動（acute physical activity）和認知參與在干預兒童執行功能中的作用，發現認知參與程度對認知功能測試成績無影響，而急性身體活動（如運動游戲）提高了兒童解決視覺空間刺激沖突干擾的認知速度，同時，通過不同年齡對比發現，隨著年齡的增長，解決干擾的準確性和總體反應時間均有所提高。“體教融合”是為加強體育教育、推進素質教育提出的新舉措，將體育與教育相融合，體現了當前學校教育人才培養的綜合性目標。隨著認知神經科學的發展，眾多腦科學證據［7，13-16］表明，體育運動可提高兒童青少年的腦細胞活性、改變大腦結構，從而提高注意力、改善認知功能、緩解壓力等。體育運動在提高身體素質的同時，還能促進心理健康發展，幫助兒童青少年健康成長，通過促進大腦發育，提升學習效益，這也是實現體教融合目標的重要路徑。因此，體育運動如何通過促進大腦神經活動及結構功能來提高學習成績，是當前體育科學和認知神經科學領域亟待解決的熱點問題。

1 體育運動提升大腦功能效益的生理機制

體育運動能對大腦結構和功能產生持久效益，是促進身心健康的重要手段。體育運動對大腦的影響效益體現在提高神經系統中細胞、分子和神經回路的機能以及改變大腦結構和功能連接等多方面，在提高兒童青少年認知功能上起到了重要作用［17］。欲揭示體育運動促進兒童青少年大腦效益提升的生物學機理，關鍵在于對大腦神經系統結構及功能的理解，這是解釋體育運動促進大腦發育機制的重要途徑。

1.1 體育運動提升大腦細胞和分子層面效益

體育運動如何誘發細胞和分子水平的變化，以及這些變化如何影響認知功能？解答這一問題是揭示運動提升大腦功能效益的前提。多數研究［18］發現，體育運動可通過增加神經遞質含量，改善細胞血流環境，促進神經膠質細胞再生，提高突觸可塑性等，為大腦提供充足營養和能量，同時提高大腦可塑性，而這些效益多與認知功能增強有關。例如：Kronenberg等［19］發現，體育運動增加了神經發生的概率；另有研究［20］發現，與不運動的對照組相比，跑步干預提升了小鼠海馬神經發生、脊神經密度、突觸可塑性和神經營養蛋白水平，同時提高了其空間記憶能力。

神經系統進行生命活動的必要前提是營養的獲得和能量的利用［21-22］，運動改變大腦細胞和分子機制的首要影響因素是神經營養因子［腦源性神經營養因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）和血管內皮 生 長 因 子（vascular endothelial growth factor，VEGF）］。BDNF 和 VEGF 水平可通過運動進行調節［8］：BDNF可引起細胞內的生化反應，擴展樹突棘和軸突等神經結構［23］；VEGF作用于血管壁的內皮細胞，可促使細胞分裂并生成新的血管［24］。BDNF 大量存在于海馬和負責高級認知功能的腦區，可支持神經細胞存活、生長和調節突觸可塑性［25-26］，在體育運動提高大腦可塑性和認知功能方面起到促進作用。Neeper 等［27］首先證明了身體活動和 BDNF 水平之間的正相關關系，后續研究［28-30］還發現，無論在進行短時間（2～7 d）還是長時間（1～8 個月）的連續或交替跑步運動后，海馬中BDNF 水平和蛋白表達水平均升高，且在運動結束后至少2周內持續升高［9］。同時，其他生長因子，如胰島素樣生長因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）也參與體育運動促進血管變化過程，對優化血流環境起促進作用。組織學和影像學技術研究［31-32］還發現，運動提高血管系統功能也同樣出現在大腦運動皮層和紋狀體中。

神經膠質細胞在神經元代謝支持和調節突觸效能等方面也發揮著重要作用，其生長模式與突觸、神經結構相似，只在學習過程中才會擴大體積［33］。運動時大腦會產生大量內源性大麻素和內啡肽，通過改變神經遞質的釋放影響其在中樞和外周血液中的水平，促進血管新生和神經發生，在緩解不良情緒狀態的同時獲得獎賞、鎮靜和欣快的效果，進而改善大腦中獎賞、認知控制等高級認知環路的功能［34-36］。

1.2 體育運動提升大腦結構和功能效益

體育運動對大腦功能的提升效益不僅體現在微觀細胞和分子層面，還反映在大腦結構和功能的改變上，而形態解剖學和腦成像技術為更宏觀、系統地了解運動改變大腦功能提供了依據。其中，體育運動對海馬的影響與學習效益直接相關。海馬是記憶形成和空間導向必不可少的大腦區域［18］，是一種與記憶和壓力調節有關的大腦結構。有氧運動可誘導海馬體積和血管系統的結構變化［8］。早在1999 年就有研究［37］發現，在老鼠的海馬體中，自主轉輪運動可顯著增加新生神經元的數量。同時，急性有氧運動和長期運動也可影響BDNF 的活性，在抑郁和焦慮的嚙齒動物模型中，自主轉輪運動與海馬BDNF 水平呈正相關［38］。體育運動還可抑制大腦中杏仁核的活化，阻止壓力、恐懼、焦慮等負面情緒的出現［36］。

體育運動除對運動相關腦區的結構產生影響［18］外，還可影響涉及高級認知功能相關腦區的激活模式及其功能連接［39-40］。基于全腦和體素的形態測量學研究報道了身體活動［41］或運動干預［10，42］與大腦額葉、頂葉、顳葉和扣帶回灰質密度大量增加相關。體育運動可通過改變腦島、小腦和紋狀體的活動水平［43］提高運動相關的注意控制和學習能力［44］。運動還可提高兒童青少年的中央執行功能。一項研究［45］對進行30 min 短時中等強度有氧運動的10 歲兒童的執行功能進行前后測，發現運動后兒童執行功能有積極的改善效應，腦激活模式中雙側額上回、額中回、頂上小葉和左側頂下小葉激活程度增加，左側前扣帶回激活減弱。同時，大腦認知過程受到獎賞環路和多巴胺信號的影響，這些在處理環境獎勵刺激和自主運動中起重要作用［46］。在完成較復雜的任務時，不僅需喚醒某些特定腦區，同時還需多腦區的連接與配合［47］。對動物和人類的研究［48-49］發現，運動鍛煉能改善神經控制環路和記憶環路。體育運動在促進感覺運動相關腦區功能連接的同時，提升運動學習相關的認知能力［40］，這是促進大腦發育、提升學習效益的關鍵途徑（圖1）。

圖1 運動鍛煉認知效益的機制示意［18，36］Figure 1 Schematic diagram of the cognitive benefits of exercise

體育運動對大腦健康發育的效益體現在神經活動的不同層面，包含神經細胞、分子水平和大腦結構、功能機制，其在提升運動相關能力的同時，對高級認知能力及功能連接也存在明顯效益。長期體育運動習慣對兒童青少年大腦健康發育和認知功能的提升具有重要意義。

2 體育運動提升學習效益的實證研究

由體育運動促進大腦健康發育的神經活動機制和大腦結構功能可知，體育運動促進大腦功能效益的研究已在生理機制上得以證實。在運動心理學研究中，“專家模式”一直受到研究者青睞，通過對比“專家—新手”差異，有助于深入了解某運動項目的特殊認知優勢。在體育運動實踐中，不同項目對兒童青少年學習效益的提升是否具有專項性，是有效開展體育運動的重要前提。明確運動促進大腦健康發育和認知加工過程是否存在運動項目和大腦功能之間的差異，是開展體教融合須解決的重要問題。

2.1 體育運動提升記憶能力

記憶是人腦對過去學習、經歷過事物的編碼、保持和提取，是影響學業成績的關鍵因素，也是兒童青少年智力發展和高級認知加工的必要條件［50］。如何提高兒童青少年的記憶力一直是學校和家庭關注的重要問題，然而，記憶是一個復雜的過程：記憶編碼的準確性受刺激期間注意力資源分配程度的影響；記憶的保持發生在經驗之后，包括大腦細胞層面（如促進神經元之間通信蛋白質的合成）和系統層面（如加強海馬和大腦其他新皮層區域之間的聯系）的加工過程；記憶的提取則可能同時受編碼和保持的影響［51］。由此可見，記憶能力的保持和提高可能受到諸多因素的影響。上述體育運動影響海馬體積及功能的研究結果提示，運動鍛煉對記憶能力起到促進作用，但運動鍛煉對不同記憶類型和不同階段的促進作用還需進一步實證研究。

工作記憶是兒童青少年完成學習、閱讀、推理、問題解決和智力活動的重要基礎［52］，也是認知活動的關鍵成分之一。在兒童青少年學習過程中，遺忘和抑制是影響記憶能力的主要因素，先前學習的知識對新知識的前攝抑制干擾作用是導致遺忘的主要原因。為探討身體活動對工作記憶的促進作用，有研究［50，53］采用具有生態學效度的生物運動材料和改進版變化覺察任務（change detection task），考察不同身體活動水平對大學生工作記憶的影響，結果顯示，高身體活動水平個體對生物運動素材的工作記憶編碼階段反應時更短，準確率更高，alpha 頻段能量更大，同時額頂區N1 成分波幅更大，調用了更多的認知資源。進一步關于身體活動水平對工作記憶前攝抑制影響的研究［50］發現，高身體活動水平個體依然表現出工作記憶優勢，在靶刺激的分辨階段和前攝抑制的解決階段投入了更多的認知資源，具體表現在額中央區誘發了更大振幅的N2 和P3 成分，但在靶刺激分辨和前攝抑制解決的速度方面無明顯效益。由此可見，高身體活動水平可提高工作記憶能力，有著更高的大腦喚醒水平，并在一定程度上解決了生物運動工作記憶的前攝抑制作用。

在兒童青少年學習過程中，對知識存儲的檢驗是體現學習效益的重要手段，長時記憶是影響學習效益的又一重要因素。已有研究［54］證實，急性有氧運動對長時記憶具有促進作用，但急性有氧運動對不同記憶類型和記憶過程的交互作用尚不明確。一項行為研究［55］考察了中等強度急性有氧運動對陳述性記憶和程序性記憶編碼和鞏固加工過程的影響，分別采用“有氧運動—學習—第1 次自由回憶—有氧運動—休息1 h—第2次自由回憶—休息24 h—第3次自由回憶—再認測試”和“有氧運動—序列學習—有氧運動—休息1 h—第1次序列測試—休息24 h—第2次序列測試”流程，通過控制急性有氧運動干預順序，對不同類型記憶進行長時記憶測試，結果顯示，急性有氧運動對陳述性記憶和程序性記憶均有促進作用，但促進階段不同：急性有氧運動可提高陳述性記憶編碼階段的加工效率，而對程序性記憶的鞏固階段效益顯著。

記憶能力的提高對兒童青少年學習成績的提高具有重要作用。不管是長期的高身體活動水平還是急性有氧運動均可提高個體記憶能力，但具有不同的針對性。上述研究結果顯示，長期身體活動可提高工作記憶表現，減少一定的前攝抑制干擾，表現為大腦喚醒水平更高，調用更多認知資源，然而對加工速度的影響并不明顯。那么，長期運動訓練干預對工作記憶的提高效益如何，是否可進一步提高信息加工速度還需進一步研究。不同的是，在長時記憶能力方面，急性有氧運動對不同記憶類型（陳述性記憶和程序性記憶）提高的階段（編碼階段和鞏固階段）不同，在不同程度上改善了長時記憶效果。目前對急性有氧運動促進長時記憶各階段加工的認知機制尚需進一步探討。在急性有氧運動可提高長時記憶的實證研究基礎上，長期有氧運動干預對長時記憶的其他階段是否存在促進作用，以及改變運動干預方案可否改善記憶的其他階段加工，仍需進一步研究證實。

2.2 體育運動提升感知-運動協調能力

感知-運動系統是外界環境刺激和個體動作交互作用的體現，是完成各種動作協同的重要因素，有效地組合來自環境刺激的同步信號，是動態注意能力和信息處理加工過程的基本環節。動作協調能力對兒童青少年的重要性，不僅體現在身體素質上，更表現在其注意和大腦反應能力上。在日常生活中，時常出現感知-動作不協調現象，嚴重的甚至會引起損傷。有研究［56-57］指出，身體節奏的時機訓練可提高大腦神經效率，促進信息加工過程，進而改善任務績效。多項研究［58-59］指出，舞蹈經驗可促進個體在感知-運動協調相關任務上的表現。一項對舞蹈運動員感覺運動同步（sensorimotor synchronization）的行為研究［60］要求舞蹈運動員與普通大學生對不同刺激類型的節奏進行動作同步響應，結果顯示，具有舞蹈經驗的個體對節奏刺激的同步性更準確，動作更穩定，且可適應不同頻段的節奏，動作協同能力更好。由此可知，長期舞蹈訓練可有效提高個體對外界刺激的感知能力，促進其動作協同表現。

神經興奮的節律性波動（神經振蕩，neural oscillations）是大腦在感知-運動協調中的關鍵特征［61］。大腦神經振蕩產生的規律性感知是協調能力的基礎［62］，調節外界刺激與內在神經活動的感知與動作。動作協調過程是內部神經振蕩適應外界刺激的過程，需要基本的時序加工和感知-運動的耦合能力［63］。對外界刺激的感知-運動協調實際上是動態注意能量規律性變化的過程。進一步研究發現，即使是在個體動作適宜節奏下，舞蹈運動員對外界刺激的動作協同能力也明顯優于普通人，而這一優勢體現在舞蹈運動員神經振蕩與外界刺激同步性的增強，即神經振蕩與外界節奏形成了共振聯結，提高了動作協調能力，同時舞蹈運動員對節奏刺激的探測速度更快。

感知-運動協調是一項涉及時序加工的高級認知功能，體現了對外界刺激注意、感知和自身動作協調同步的過程，是一項重要的認知能力。綜上所述，舞蹈訓練不僅可促進個體動作協調能力，還可提高神經振蕩與外界環境刺激的交互作用，進而提升信息加工效率。兒童青少年動作協調能力的訓練（如舞蹈）對其感知-運動協調能力、大腦反應速度及其他認知能力的影響機制，是體育運動領域值得深入探討的問題。

2.3 體育運動提升其他認知功能

大量的實證研究已指出，運動鍛煉與認知功能之間存在正相關關系，“運動提高認知功能”這一觀點已得到了諸多研究成果的證實。以執行功能為例，根據認知加工任務的不同，運動鍛煉可提高個體執行功能中的抑制、轉換和刷新過程［64］。隨著體育科學和腦科學交叉發展，體育運動與認知功能的關系探究已不再局限于有氧運動，揭示不同運動項目對各級認知功能的促進作用是全面了解體育運動提升學習效益的重要途徑。與有氧運動相比，其他運動項目在對抗性或規則等方面的特殊性，具有其特殊的認知規律并調用不同的認知功能，因此，了解不同運動項目對各類認知功能的影響，為進一步了解體育運動提升認知功能提供了具體化和專屬性依據。

在復雜環境中有效地提取外部信息、排除干擾并進行高效預測是自上而下的高級認知功能在學習過程中的體現，其中對抗類運動項目是研究的重點。動作預測的優勢性是高水平足球運動員制勝的重要因素，尤其在射門過程中，當前信息與先驗信息的加工處理可直接影響運動員的動作預判和績效。足球運動員先驗信息動作預判研究［65-66］發現，高水平足球運動員先驗信息認知加工的優勢不僅體現在專項任務上，在一般信息的處理能力方面也明顯優于普通人。同時，足球專家組在信息量較少、干擾信息條件下仍表現出較高的預判正確率，這一行為優勢表現在專家組誘發的N1、N2和CNV2成分振幅更大，體現了高水平足球運動員在動作信息較少情況下整合信息的能力更強，對早期注意資源的調節與整合效率更高。

乒乓球運動因具有高速對抗、線索引導明顯等特點成為考察動作預期優勢的又一主要運動項目。對乒乓球運動員動作預判的研究［67］，通過分離對手身體線索與球飛行軌跡線索，判斷不同對抗信息線索量和線索匹配程度條件下，高經驗組、中等經驗組和無經驗組的準確性和大腦激活特點，結果顯示：高經驗組乒乓球運動員存在明顯的動作預判優勢，具備快速且高效的線索提取和加工能力；當信息出現不匹配沖突時，可通過中央區更大的抑制和頂枕區更大的激活進行調節。此外，進一步考察抽象加工層面（概念語義經驗）乒乓球運動員動作的高級認知加工過程同樣發現：乒乓球運動員對專項動作的加工可同時激活感知運動系統和語義系統，高水平運動員動作和語義信息的傳遞效率更高；概念語義經驗同樣對乒乓球運動員的動作加工能力起促進作用，且與運動經驗水平成正比［68］。

在對沖突事件信息的加工中，認知抑制功能起到了關鍵性作用。抑制功能是中央執行功能的子功能之一，也是兒童青少年高級認知功能發展中的重要部分。在體育運動尤其隔網對抗項目中，反應抑制是優化技戰術、取得好成績的重要認知功能。分別采用信號停止任務和信號變換任務考察高水平羽毛球運動員反應抑制能力的研究［69］發現：在反應抑制過程中，高水平運動員傾向使用快速動作執行策略，認知資源表現出節省化特征；而在抑制-變換情境中，羽毛球運動員抑制和變換速度更快，會在動作抑制早期投入更多注意資源（N1 成分），在后期評價過程調用了較少認知資源。高水平羽毛球運動員在反應抑制加工過程中表現出了高效節省化的認知加工特點。

由此可見，體育運動項目對提升大腦健康效益和認知功能有重要作用，不同運動項目的特點和規則差異在提升多種認知功能上各有傾向。因此，兒童青少年在進行體育運動時，不僅可通過有氧運動促進大腦健康發育和認知功能發展，還可通過培養不同運動項目愛好，在豐富運動技能的同時，提高特定認知加工能力。“運動改善大腦”已得到大量科學研究［7-10］的證實，但當前在體育教育過程中，如何有效利用和開展運動干預手段提高兒童青少年學習效益，仍是體育科學研究的重要課題。

3 體教融合鍛煉效益的劑量關系

體育鍛煉的劑量問題（體育活動的類型、頻率、強度和時間）一直是研究者關注的重要課題，兒童青少年體育運動與身體活動的聯系與區別也是開展校園體育工作的主要難點。2018 年國家體育總局發布的《全民健身指南》明確指出，運動鍛煉干預應包含運動類型、強度和時間等3 個基本要素。倒U 型假說（the inverted-U hypothesis）認為，運動強度與任務績效之間存在倒U 型關系，小強度和大強度運動誘發過低或過高喚醒水平均不利于提升任務績效，只有中等強度的運動可對應最佳喚醒水平［70］。不同強度急性有氧運動與抑制功能關系的研究［71］將久坐大學生隨機分為大、中、小等3 種不同運動強度干預和控制組，發現運動干預組抑制任務正確率顯著高于控制組，中等強度急性有氧運動正確率最高（P3振幅最大），說明提高抑制能力的最佳運動方式是中等強度急性有氧運動。在運動鍛煉的強度方面，研究者也針對不同群體進行了低、中、高強度的多方嘗試，研究［48-49］指出，中等強度有氧運動對改善大腦認知功能效果最佳。在運動效益的時間進程方面，研究［72］發現，中等強度有氧運動對大學生反應抑制和反應執行的時程效益可持續到運動結束后的50 min。而由體育運動對兒童青少年認知能力和學業表現的文獻綜述［73］可知，無論是短期（20～40 min）還是長期（13周～3 a）體育運動，均表現出效益的提升。在體育運動項目上，乒乓球、跳繩、武術、足球、羽毛球等也是校園體育運動的熱門項目。Wang 等［74］在乒乓球訓練對注意網絡的研究中發現，長期乒乓球訓練可優化執行控制網絡加工過程，而對注意警覺和注意導向的效益并不顯著。

20 世紀70 年代以來，體育運動研究者就當前大眾身體素質和研究結果對運動鍛煉時間和頻次劑量提出了建議。當前，美國運動醫學會（American College of Sports Medicine）建議，成年人每天應參與中等強度運動訓練≥30 min、每周≥5 d，或每天應參與高強度運動訓練≥20 min、每周≥3 d，或中等和高強度結合的運動訓練。此外，還建議每周花2～3 d 時間進行每個主要肌肉群的抗阻運動、神經運動鍛煉（平衡、敏捷和協調）和主要肌群的柔韌性運動［8］。兒童青少年體育運動最佳活動強度和時間一直是我國體育領域的重點研究課題。《學校體育工作條例》要求中小學校應保證學生每天有1 h體育活動；《中國兒童青少年身體活動指南》建議，兒童青少年每天應累積至少60 min 的中高強度身體活動，每周≥3 d，減少久坐行為。然而，基于當前體育運動促進學習效益的研究成果，兒童青少年體育運動項目選擇與運動劑量之間的關系仍需進一步研究。

4 結束語

隨著認知神經科學的發展，眾多腦科學證據表明，體育運動可提高兒童青少年的腦細胞活性、改善大腦結構，從而提高注意力、改善認知功能、緩解壓力等。筆者分別考察了有氧運動和不同體育運動項目在提高記憶能力、感知-運動協調、動作預期和執行功能等高級認知功能方面的顯著效果，這為體育運動提升大腦功能效益提供了科學依據；同時，體育運動提升大腦功能效益，需每天累積至少60 min、每次持續20～30 min、每周≥3 d 的中高強度身體活動。因此，體育與教育結合是促進兒童青少年大腦健康發育和學習效益的有效手段，體教融合應立足于理論機理，基于運動效益的科學劑量關系，開展體育教育，以更好地促進兒童青少年健康素質的提高。

作者貢獻聲明：

周成林：提出論文選題，設計論文框架，撰寫、審核、指導修改論文；

金鑫虹：調研文獻，核實數據，修改論文。