運(yùn)動(dòng)與大腦的可塑性

□ 許嘉興 鄧偉（通訊作者）（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)體育學(xué)院 云南 昆明 650000）

前言

隨著內(nèi)部和外部環(huán)境的變化，大腦不斷修改和重組的能力是指大腦的可塑性。人類探索大腦活動(dòng)的規(guī)律，充分了解大腦的可塑性，并正確理解大腦可塑性研究對(duì)教育的影響。它用于教育實(shí)踐，對(duì)于實(shí)現(xiàn)大腦使用，保護(hù)大腦，然后發(fā)展大腦非常重要。近年來(lái)，一些研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)鍛煉可以改善影響大腦可塑性，這具有重要影響。本文旨在回顧兩者關(guān)系的研究進(jìn)展，探討該領(lǐng)域研究成果對(duì)教育的啟示，為促進(jìn)大腦健康發(fā)展的運(yùn)動(dòng)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1、運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦的影響

1.1、有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦的作用

促進(jìn)大腦發(fā)育。隨著年齡的增長(zhǎng)，大腦中新細(xì)胞的速度減慢，大腦組織縮小。而運(yùn)動(dòng)鍛煉也許能逆轉(zhuǎn)這一趨勢(shì)。研究表明，有氧運(yùn)動(dòng)可以改善中年人的血管，減少衰老對(duì)他們的影響。有氧運(yùn)動(dòng)促進(jìn)血液流向大腦，為大腦帶來(lái)更多氧氣（大腦需要吸收20%的人體氧氣）。

提升構(gòu)建大腦荷爾蒙水平。就像一個(gè)想要快速生長(zhǎng)的肥料植物一樣，這種肥料是必不可少的，這種化學(xué)物質(zhì)叫做腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（BDNF）?？梢源龠M(jìn)腦細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖分化。對(duì)于負(fù)責(zé)記憶的海馬體尤其如此，并且記憶最容易與年齡相關(guān)的退化。你鍛煉得越多，你就越有利。

擊退抑郁和焦慮。抑郁會(huì)降低大腦處理信息的能力，使其更難集中精力并做出決策，并導(dǎo)致記憶問(wèn)題。如果是重度抑郁癥，當(dāng)然需要藥物治療。如果抑郁癥不是太嚴(yán)重，那么運(yùn)動(dòng)對(duì)改善情緒狀態(tài)有很大幫助。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)身體血清素和多巴胺的合成，這些是決定快樂(lè)情緒的大腦化學(xué)物質(zhì)。運(yùn)動(dòng)也可以增加內(nèi)啡肽，一種讓你快樂(lè)的化學(xué)物質(zhì)。

減少壓力?！皦毫蔂柮伞薄べ|(zhì)醇可以使大腦衰老。思考減緩分散以及健忘正是由壓力所導(dǎo)致。運(yùn)動(dòng)可以降低皮質(zhì)醇水平，對(duì)改善思維有很好的幫助。運(yùn)動(dòng)也被認(rèn)為有助于在大腦的齒狀回中產(chǎn)生新的神經(jīng)細(xì)胞。這個(gè)齒狀回是海馬體的一部分，與新記憶的產(chǎn)生有關(guān)。這個(gè)區(qū)域的腦細(xì)胞會(huì)因壓力而被耗盡。

提高對(duì)胰島素的敏感度。當(dāng)你進(jìn)食時(shí)，身體將大部分食物轉(zhuǎn)化為葡萄糖或血糖。這就是大腦所需能量的主要來(lái)源。為了使它們進(jìn)入細(xì)胞，這些葡萄糖需要伴有胰島素等激素。然而，有些人的細(xì)胞對(duì)胰島素有抵抗力。事實(shí)上，運(yùn)動(dòng)期后胰島素敏感性得到改善，餐后血糖水平穩(wěn)定至少16小時(shí)。血糖控制越好，認(rèn)知功能的年齡相關(guān)性下降越好。

2、運(yùn)動(dòng)對(duì)不同水平大腦可塑性的影響

人腦是自然界最復(fù)雜的系統(tǒng)，腦可塑性是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，受經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展程度的相互作用影響，并在宏觀和微觀上展示可塑性特征?？梢詮娜齻€(gè)不同的層面分析運(yùn)動(dòng)和大腦的可塑性：宏觀系統(tǒng)水平的大腦可塑性，細(xì)胞水平的大腦可塑性，以及分子水平的大腦可塑性。

2.1、系統(tǒng)水平的腦可塑性

大腦的結(jié)構(gòu)和功能組織是在發(fā)育和經(jīng)驗(yàn)效應(yīng)下形成的，運(yùn)動(dòng)可以改變?nèi)泶竽X的可塑性。首先，運(yùn)動(dòng)具有改變腦結(jié)構(gòu)的能力。Colcombe等。顳葉和頂葉的灰質(zhì)和白質(zhì)體積減少。因?yàn)殚L(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)可以改善有氧健身，這項(xiàng)研究間接揭示了運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦結(jié)構(gòu)的影響?？v向干預(yù)研究直接證明運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦結(jié)構(gòu)可塑性有影響，Colcombe等。通過(guò)磁共振成像掃描腦結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)6個(gè)月的有氧運(yùn)動(dòng)組與對(duì)照組相比。前額葉，顳葉和頂葉的灰質(zhì)和白質(zhì)能力顯著增加。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦結(jié)構(gòu)的影響，所涉及的大腦區(qū)域包括小腦，海馬和背側(cè)紋狀體。

其次，運(yùn)動(dòng)有能力改變相關(guān)大腦區(qū)域的激活水平。例如，Colcombe和Kramer等使用完全隨機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，當(dāng)老年人運(yùn)動(dòng)前后6個(gè)月完成側(cè)腹任務(wù)（測(cè)量認(rèn)知功能的任務(wù)）時(shí)，使用功能磁共振成像來(lái)檢測(cè)大腦激活的特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6個(gè)月的有氧運(yùn)動(dòng)可以改善老年人的認(rèn)知功能，主要機(jī)制是通過(guò)減少前扣帶皮層激活水平，提高中前腦回(the middle frontal gyrus，MFG)和頂上小葉(the SU-perior parietal lobules，SPL)等相關(guān)的腦區(qū)激活水平。Yanagisawa等采用功能近紅外成像技術(shù)研究短時(shí)中等強(qiáng)度功率自行車運(yùn)動(dòng)對(duì)大學(xué)生志愿者認(rèn)知功能stroop任務(wù)測(cè)試及其神經(jīng)機(jī)制的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)增加了認(rèn)知功能，并伴有左背外側(cè)前額葉皮層（左側(cè)DLPFC）活化的增加。

另外，運(yùn)動(dòng)還具有改變腦功能網(wǎng)絡(luò)的能力。Voss等研究老年人有氧體能、默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network，DMN)和執(zhí)行功能(Task switching、Wisconsin card sorting task任務(wù)測(cè)查)的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，青少年有氧適應(yīng)水平與其執(zhí)行功能和DMN功能呈正相關(guān)，DMN功能在有氧適應(yīng)水平與執(zhí)行功能的關(guān)系中起著中介作用。Burdette等人使用功能性磁共振研究來(lái)研究老年人的海馬變化，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干預(yù)4個(gè)月后，運(yùn)動(dòng)組海馬的血流量增加，全腦網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接分析發(fā)現(xiàn)海馬的功能聯(lián)接性增加，具體表現(xiàn)為增加了海馬與前扣帶回的聯(lián)接。

2.2、細(xì)胞水平的腦可塑性

神經(jīng)發(fā)生是細(xì)胞水平的大腦可塑性的主要表現(xiàn)之一。神經(jīng)發(fā)生是指神經(jīng)干細(xì)胞或神經(jīng)祖細(xì)胞在誘導(dǎo)因子下產(chǎn)生的新神經(jīng)元。越來(lái)越多的研究表明，在最近階段，中樞神經(jīng)系統(tǒng)仍然存在成人的神經(jīng)發(fā)生，海馬的齒狀回保持了在整個(gè)生命中產(chǎn)生新神經(jīng)元的能力。為促進(jìn)海馬齒狀回神經(jīng)干細(xì)胞或神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖，遷移，存活和分化，促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生，運(yùn)動(dòng)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。Wu等研究主動(dòng)運(yùn)動(dòng)(跑臺(tái)訓(xùn)練)對(duì)成年小鼠神經(jīng)發(fā)生的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)成年小鼠馬齒狀回顆粒細(xì)胞下層神經(jīng)干細(xì)胞的分化和新生細(xì)胞的生長(zhǎng)。

突觸可塑性也是細(xì)胞水平的大腦可塑性的主要表現(xiàn)之一。突觸可塑性表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的可塑性和傳動(dòng)的可塑性上。突觸結(jié)構(gòu)可塑性是指突觸形態(tài)和新突觸連接的變化，其是指突觸傳遞效率的增加（簡(jiǎn)化）或減少（抑制），導(dǎo)致突觸傳遞。研究表明，運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)改變突觸結(jié)構(gòu)參數(shù)，突觸線粒體結(jié)構(gòu)和數(shù)量以及突觸數(shù)量來(lái)引起突觸可塑性。結(jié)果表明，適度運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)腦老化過(guò)程中大腦認(rèn)知功能區(qū)突觸的可塑性補(bǔ)償，延緩腦老化的發(fā)生。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練還可以改善突觸素，腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子）。BDNF，N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體水平誘導(dǎo)突觸可塑性。

2.3、分子水平的腦可塑性

運(yùn)動(dòng)影響大腦可塑性的機(jī)制也可以追溯到相關(guān)分子的表達(dá)。運(yùn)動(dòng)對(duì)腦可塑性的影響在分子水平與BDNF、胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin―likegrowthfactorl，IGF-1)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、神經(jīng)生長(zhǎng)因子(nerve growth factor，NGF)和神經(jīng)肽(neumpeptide)等有關(guān)，中腦衍生的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和胰島素樣生長(zhǎng)因子-1是實(shí)驗(yàn)證實(shí)的兩個(gè)最重要的分子。甲基化是哺乳動(dòng)物中最重要的DNA修飾之一，也是影響基因表達(dá)調(diào)控的重要機(jī)制之一，因此，改變大腦中DNA甲基化水平會(huì)影響大腦可塑性的變化。運(yùn)動(dòng)促進(jìn)老年大鼠的學(xué)習(xí)記憶功能和海馬齒狀回神經(jīng)發(fā)生的調(diào)節(jié)。

總之，運(yùn)動(dòng)可以對(duì)不同程度的大腦可塑性產(chǎn)生積極影響，對(duì)不同程度的大腦可塑性的研究也有其自身的重點(diǎn)。它們不僅對(duì)增強(qiáng)對(duì)運(yùn)動(dòng)與大腦可塑性之間關(guān)系的理解有獨(dú)特的貢獻(xiàn)，而且為進(jìn)一步利用運(yùn)動(dòng)保護(hù)大腦和發(fā)育大腦提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。

3、重視運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦可塑性的研究和所帶來(lái)的積極作用

大腦就是由于運(yùn)動(dòng)的影響所產(chǎn)生一系列可塑性的變化，長(zhǎng)期以來(lái)，許多人都在頭腦中形成了一個(gè)錯(cuò)誤的概念，比如說(shuō)：“頭腦簡(jiǎn)單，四肢發(fā)達(dá)”，還有孩子們參加運(yùn)動(dòng)對(duì)學(xué)習(xí)有很大的影響，容易受傷等等一系列錯(cuò)誤的概念。有時(shí)候確實(shí)會(huì)同時(shí)存在，但這不代表它們是因果關(guān)系。近些年來(lái)的許多研究卻得出了相反的結(jié)論。例如說(shuō)姚明，在大多數(shù)人的印象中，小巨人憑借其身高優(yōu)勢(shì)鶴立雞群。但在NBA站穩(wěn)腳跟，并打下一片天地，光靠身高，沒(méi)有一點(diǎn)智慧可是不行的。近期的研究也發(fā)現(xiàn)與學(xué)業(yè)成績(jī)有關(guān)的認(rèn)知、注意控制、情緒功能都具有特定的中樞神經(jīng)基礎(chǔ)，而運(yùn)動(dòng)能夠改善這些特定神經(jīng)基礎(chǔ)，實(shí)際的情況是“運(yùn)動(dòng)促進(jìn)孩子的學(xué)業(yè)成績(jī)提高”。另外，運(yùn)動(dòng)與大腦可塑性的研究表明：運(yùn)動(dòng)對(duì)個(gè)體發(fā)展的 生命全程大腦都具有一定的可塑性，大腦是具有終身的可塑性，運(yùn)動(dòng)能夠?qū)Ω髂挲g階段大腦的可塑性產(chǎn)生積極效應(yīng)，這為終身體育提供了神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)。而并非大眾所想的“頭腦簡(jiǎn)單”。因此，教育者應(yīng)該不斷學(xué)習(xí)最新的運(yùn)動(dòng)與腦可塑性研究成果，正確、全面理解運(yùn)動(dòng)對(duì)腦可塑性的積極作用，并將其和教育實(shí)踐緊密聯(lián)系起來(lái)。

4、結(jié)語(yǔ)

不同運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員結(jié)構(gòu)的差異，這與不同運(yùn)動(dòng)的特征有關(guān)。在非運(yùn)動(dòng)員與運(yùn)動(dòng)員的比較中，再次證明了，通過(guò)長(zhǎng)期訓(xùn)練可以改變與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)，大腦具有結(jié)構(gòu)上的可塑性。