藝術體操訓練對青少年腦結構功能的影響分析

□ 王芷琪 王芷瑤 曹春梅（1.北京師范大學附屬實驗中學 北京 10003；.清華大學體育部 北京 100084）

藝術體操是在音樂的伴奏下，徒手或者持器械（如繩、圈、球、棒、帶等）進行表演的體育運動競技項目。其練習的主要內容在很大程度上與人體的生理、心理特點相適應，表現出動作的美感和藝術性。與其它運動項目相比，藝術體操尤其注重兒童青少年時期的訓練，因為青少年時期的訓練不僅為將來打下扎實的基礎，更主要的是藝術體操運動員成材較早。在藝術體操的訓練過程中，身體靈活性和協調性、體能、氣質等因素，都需要全面綜合地進行訓練，而這些都與腦神經發育有著密切的關系。

一直以來，作為常識，大腦網絡只有在發育的關鍵時期才可能發生變化，成年后的神經細胞只會減少。然而過去十幾年的研究支持了大腦永久可塑性的觀點。因環境變化引起的輸入改變以及學習新技能的新奇經歷現在被認為是大腦功能和潛在神經解剖回路的調節劑。理解由于環境變化和需求而導致的大腦結構的規范性變化對于理解大腦的適應能力至關重要。

大腦可塑性可以分為結構可塑性和功能可塑性，而兩者又相互聯系、密不可分，經過長期系統的運動訓練可導致不同肌肉專門性或者不同的肌肉組合的運動技能增強。腦功能成像研究表明，長期訓練者不僅和普通人之間存在差異，運動項目之間的差異也會造成大腦激活部位和激活程度的變化。

青少年正處在生長發育的重要時期，不良的生活習慣和生活方式有可能引起身體和心理等方面的問題，青少年時期開始進行藝術體操訓練，不僅可以強健體魄，應對緊張的學業，糾正某些發育不良的形體，重要的是可促進她們腦神經的發育和塑型，在心理穩定、身體平衡、器械技巧、速度激情、運動美感等方面得到全面提升。近年來有關運動與腦神經重塑的研究熱度很高，但涉及藝術體操的研究相對匱乏，本文試就相近有關聯的研究文獻加以總結概述，或許對今后藝術體操的研究、運動員選材以及普及推廣有所幫助。

1、腦與平衡穩定

平衡能力是藝術體操的重要表現之一，平衡能力的提高需要長期的訓練。有研究顯示具有較強平衡性要求的旋轉訓練與前額皮質、丘腦和杏仁核的體積增加有關，而初級運動皮層下的小腦和胼胝體的白質在訓練后變小了，此外，訓練后的行為改善與海馬體和紋狀體等多個區域的分數各向異性(FA)較高有關，而初級視覺皮質和內嗅皮質的FA較低。在缺乏高代謝需求的情況下，挑戰平衡能力的全身運動似乎會引起大腦結構和功能的明顯變化。一般來說，在任何類型的身體活動中，前庭輸入都是不可避免的。前庭系統評估自我運動，以快速調整眼睛和其他身體部位的平衡控制。平衡控制需要視覺、本體感覺以及與運動相關的多感覺線索的整合，這些線索最早發生在中央前庭處理的第一階段，即腦干的前庭核,前庭核和海馬體、前額葉和頂葉之間的通路提供了與記憶和空間功能相關的信息,表明前庭系統對更高的認知功能有重要貢獻。

圖1

Rogge等對健康成年人進行長達12周、每周兩次的平衡訓練研究，通過平衡測試和圖像分析大腦形態變化，只有平衡組在訓練后平衡能力有顯著提高。與放松組相比，平衡組顳上皮層、視覺聯想皮層、后扣帶皮層、額上溝和中央前回的皮質厚度增加。結果表明，平衡訓練可引起與視覺和前庭自我運動知覺相關的腦區神經可塑性。由于這些區域在空間定向和記憶方面的作用已被認知，因此我們推測，在自我運動過程中刺激視覺前庭通路或許可以調節體育鍛煉對認知的有益影響。

2、腦與運動協調

器械技巧是藝術體操主要表現形式，繩、圈、球、棒、帶各有特色，但共同的基本特點是都有旋轉、各種花式器械拋接，技巧要求很高，需要手腳、眼睛、耳朵、頭腦等等完美配合才能完成。其實高技巧的運動項目不僅此一項，比如各種球類項目的精準度要求一樣很高，同樣會引起腦神經的重塑。

采用靜息狀態功能核磁共振成像(MRI)評估職業高爾夫球手的腦功能連通性發現，與對照組相比，職業高爾夫球手的左小腦與枕葉、顳葉、頂葉和兩個額葉的連接更為積極。揮桿擊打得分的標準差（SD）與沖擊角度的標準差（SD）呈正相關，職業高爾夫球手揮桿速度和揮桿角度的恒定與小腦和頂葉、額葉之間的功能連接(FC)有關。Di等采用基于體素的形態測量法(VBM)對腦灰質濃度(GMC)進行測量，并通過低頻波動幅度(ALFF)和基于種子的功能連通性測量靜息腦功能，結果顯示職業羽毛球運動員組右側小腦和內側小腦區GMC和ALFF值較高，同時也證明了運動員組的左頂葉ALFF更小，左頂葉和額葉之間的功能連接也發生了改變，這說明羽毛球專業技能不僅與小腦灰質密度增大的可塑性結構變化有關，還與額頂葉連接性的功能變化有關。運動的協調性與小腦的控制是分不開的，基于人工體素分析發現，優秀籃球運動員在長期高強度運動學習后，小腦蚓部小葉VI的白質（WM）體積顯著增大。這種結構和功能的改變可能反映了各自運動訓練和實踐的具體經驗，包括高效率的視覺空間處理和手眼協調，以及精細的運動技能。

圖2 羽毛球運動員腦結構的重塑（引自Di等）

3、腦與速度

跑、跳、翻滾是藝術體操的另一大特征，無論是徒手或是持器械都需要很強的爆發力。功能型核磁共振影像檢查（fMRI）顯示這種力量型運動與小腦前葉的活動增加和灰質體積增大相關聯。Schlaffke等關于不同代謝特征（無氧和有氧）的觀察，對象包括柔道、空手道、自由搏擊等武術類運動員和鐵人三項、馬拉松、場地自行車等耐力型運動員，經采用高分辨率結構成像和基于體素的形態測量(VBM)發現，與不運動的人員相比，兩組運動員的補充運動區/背側運動前皮層(BA 6)的灰質(GM)體積更高。此外，耐力型運動員內側顳葉(MTL)的灰質(GM)體積顯著增加，尤其是海馬和海馬旁回，而武術組未見到。Huang等收集了13位世界級體操運動員（WCGs）和14位非運動員腦部靜息狀態下功能核磁共振成像（R-fMRI）數據。采用組無關分量分析(ICA)將R-fMRI數據分解為空間無關分量和相關時間序列。確定了9個靜息狀態網絡（RSNs），統計分析表明，只有在外紋視覺網絡（EVN）中WCGs比對照組增加，其余網絡聯通WCGs組全部降低。說明長期運動技能訓練與WCGs大腦的效率提高有關，而在休息狀態下WCGs的大腦功能連接一般較弱。在運動控制上丘腦的作用不容忽視，在對世界級優秀游泳運動員利用靜息狀態下功能核磁共振成像（rs-fMRI）圖像理論和基于種子的功能連接分析發現，在世界排名最高的優秀游泳運動員中，丘腦與感覺運動網絡的聯系最為緊密(職業最佳排名：1-35)。值得注意的是，丘腦—感覺運動功能連接與游泳運動員的卓越表現高度相關，即在最佳世界排名中個人差異占41%。結果揭示了涉及丘腦—感覺運動功能回路的長期運動表現與神經系統之間的關系。

4、腦與運動美感

音樂、舞蹈是藝術體操的基本要素，音樂家和舞蹈家的表現各不相同，而藝體則把二者有機的結合在一起。有研究對比舞蹈演員和沒有舞蹈經驗的初學者靜狀態下的腦功能，結果顯示舞蹈演員的腦回皮質的多個區域低頻波動幅度（ALFF）增加，且額下回和顳頂葉區域之間的功能連接也發生了改變。表明舞蹈演員的感覺運動區域的神經活動增強，額顳葉和額頂葉連接功能發生改變，這可能反映了舞蹈相關的特定訓練經驗，包括高容量動作感知、注意力控制和運動調整等。Giacosa等則使用彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)測試了舞蹈演員和音樂家，同時進行了一系列行為測試。結果顯示，舞者在皮質脊髓束、上縱束和胼胝體等白質（WM）區域的擴散系數增加，纖維相干性降低。相比之下，音樂家在相似的區域顯示出更低的擴散率和更強的纖維一致性。更重要的是，擴散系數的測量與舞蹈和音樂任務的表現有關，這表明舞蹈和音樂訓練對白質（WM）結構產生相反的影響。這些發現通過強調不同類型的訓練可以對大腦結構產生不同的長期影響，擴展了我們對大腦可塑性的理解。

5、腦與完美結合

臺上一分鐘，臺下十年工，這句俗語也非常適合體育項目，專業選手所要求的非凡的運動技能需要長期的、密集的練習，從而形成兩項關鍵技能，一項是最高水平的運動表演能力，另一項則是排除干擾后的關注力。Milton等的研究也顯示運動新手和專業高手在準備過程中大腦的活躍區域是不同的，長時間的廣泛實踐可以使專業選手開發出一種專注且高效的任務相關神經網絡組織，而新手則很難過濾掉不相關的信息。運動訓練后最先出現的變化是腦部運動區網絡連接的增加，連續訓練數周后腦白質結構的變化才逐漸形成，表明訓練誘導的大腦功能與大腦結構可塑性在系統水平上存在緊密的相關性。

6、小結

本文在綜合分析了藝術體操項目所需能力的基礎上，重點分析了相關能力及運動運動對大腦結構及功能的可塑性影響。結果發現，藝術體操不同能力特點與大腦不同區域結構和功能有關，平衡能力主要體現在腦結構方面，最佳能力的發揮則與神經效率相關。該結果為青少年參與藝術體操訓練提供了神經生理方面理論依據，希望能對藝術體操的普及起到推進作用。