運(yùn)動對大腦結(jié)構(gòu)與功能的可塑性影響

韓桂花

（西南大學(xué)體育學(xué)院 重慶 400715）

1、大腦可塑性及其研究溯源

大腦可塑性，也被稱為神經(jīng)可塑性，它是個體的大腦在整個生命周期中所具有的持續(xù)改變的能力或特性。可從多個維度觀察大腦的可塑性，在單細(xì)胞水平上是指突觸可塑性，即神經(jīng)元之間連接的變化；微觀水平上是指個體神經(jīng)元數(shù)量的改變；宏觀上是大腦結(jié)構(gòu)和功能的變化或大腦損傷后的自我修復(fù)。環(huán)境的刺激、運(yùn)動或身體鍛煉、心境及情緒均可能導(dǎo)致神經(jīng)可塑性的變化。大腦可塑性特征對個體的健康、發(fā)展、學(xué)習(xí)、記憶和腦損傷的恢復(fù)均有重要意義。

有研究表明，經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)е麓竽X發(fā)生改變，這一科學(xué)根源可以追溯到18世紀(jì)兩個科學(xué)家之間的書信交流。1779年，Malacarne寫給Bonnet的書信中提到關(guān)于Malacarne所觀察到的正常人和嚴(yán)重智力障礙的人大腦結(jié)構(gòu)的差異，認(rèn)為神經(jīng)發(fā)育不完全可能是導(dǎo)致智力低下的原因。William James于1890年在《心理學(xué)原理》中最早提出“可塑性”。加州大學(xué)伯克利分校的Marian Diamond在1964年首次提出了解剖學(xué)上的大腦可塑性的科學(xué)證據(jù)。波蘭的神經(jīng)學(xué)家Jerzy Konorski是第一個使用“神經(jīng)可塑性”一詞的研究者。

Michael Merzenic是神經(jīng)可塑性研究的先驅(qū)之一。他提出了從出生到死亡大腦均具有可塑性的主張。Merzeni因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)和神經(jīng)活動對腦功能的重塑機(jī)制曾獲得2016年“Kavli神經(jīng)科學(xué)獎”。

在過去的十年中，身體運(yùn)動、認(rèn)知訓(xùn)練和學(xué)習(xí)活動都被認(rèn)為與大腦結(jié)構(gòu)的變化相關(guān)聯(lián)。然而，大腦結(jié)構(gòu)因?yàn)檫\(yùn)動、認(rèn)知或行為而發(fā)生改變的機(jī)制仍不清楚。

2、運(yùn)動重塑大腦的進(jìn)化論基礎(chǔ)

人類進(jìn)化的新觀點(diǎn)認(rèn)為，人類的大腦因運(yùn)動而成型、銳化。2004年，進(jìn)化生物學(xué)家，哈佛大學(xué)的丹尼爾和丹尼斯在《自然》雜志上發(fā)表過一篇影響深遠(yuǎn)的文章：《耐久性長跑與人類的進(jìn)化》。研究認(rèn)為，耐久性長跑不僅塑造了人類的形體，便于人類追捕速度更快的獵物，更重要的是，耐久性長跑還促進(jìn)了人類大腦體積的迅速增長。另有研究指出，基于人類的體型、再比較其他哺乳動物，人類大腦的體積是其應(yīng)有的3倍大。最近的數(shù)據(jù)表明，有氧身體活動與大腦之間存在進(jìn)化關(guān)系，包括在廣泛的哺乳動物中有氧運(yùn)動能力與大腦體積之間存在正相關(guān)關(guān)系。

3、運(yùn)動對大腦結(jié)構(gòu)與功能的影響

3.1、運(yùn)動對大腦結(jié)構(gòu)的影響

運(yùn)動對大腦結(jié)構(gòu)的影響是指運(yùn)動可以增加大腦灰質(zhì)的體積、白質(zhì)密度及抵消老化導(dǎo)致的腦萎縮。有研究通過對比不同項(xiàng)目的運(yùn)動員與普通人在腦結(jié)構(gòu)上的差異來探索運(yùn)動對腦結(jié)構(gòu)的影響，其本質(zhì)也是分析腦體積的變化。比如，吳殷采用功能磁共振成像技術(shù)，比較了13名羽毛球運(yùn)動員、13名籃球運(yùn)動員和16名非運(yùn)動員的大腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)差異，結(jié)果表明，運(yùn)動員在雙側(cè)中央前回、左側(cè)頂下小葉、中央后回、眶額回、顳上回灰質(zhì)體積顯著大于非運(yùn)動員，顯示長期的運(yùn)動訓(xùn)練會對不同運(yùn)動項(xiàng)目的運(yùn)動員大腦產(chǎn)生相似的可塑性變化。孟國正采用磁共振成像技術(shù)(MRI),對優(yōu)秀排球運(yùn)動員和普通大學(xué)生的大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析,結(jié)果顯示優(yōu)秀排球運(yùn)動員多年的動作技能學(xué)習(xí)和運(yùn)動訓(xùn)練能夠?qū)ζ浯竽X右半球負(fù)責(zé)視覺信息加工的枕葉腦區(qū)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可塑性變化。Colcombe使用吳殷和孟國正同樣的技術(shù)方法對未有訓(xùn)練痕跡的人員進(jìn)行針對性地訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，經(jīng)過6個月有氧運(yùn)動訓(xùn)練的被試，其大腦在與認(rèn)知功能區(qū)域相關(guān)的灰質(zhì)和白質(zhì)的體積也得到了明顯地增加。相似的研究還有學(xué)者埃里克森，他曾通過磁共振成像研究了老年人的海馬體積與運(yùn)動水平的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動水平高的老年人的海馬體積也更大。除了對運(yùn)動員的研究外，有研究者對動物也進(jìn)行了相關(guān)研究，例如，研究者通過運(yùn)動干預(yù)對成年小鼠神經(jīng)發(fā)生的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)動干預(yù)試驗(yàn)可以有效促進(jìn)成年小鼠齒狀回顆粒細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞的生成、新細(xì)胞生長和突觸的生長。

總之，運(yùn)動不僅對人體的結(jié)構(gòu)方面具有可塑性影響，還對動物的大腦具有積極的影響，在生命的整個階段中，運(yùn)動對大腦結(jié)構(gòu)的可塑性影響將發(fā)揮出巨大的作用。

3.2、運(yùn)動對大腦功能的影響

運(yùn)動對大腦功能的影響是指由運(yùn)動所引起的大腦區(qū)域間連接的改變、延緩老化導(dǎo)致的認(rèn)知下降、提升認(rèn)知及學(xué)業(yè)表現(xiàn)。研究表明，長期的有氧運(yùn)動可以使左右半腦中前額皮質(zhì)、海馬和扣帶回區(qū)域間的功能性連接得到加強(qiáng)。運(yùn)動會影響腦的多種功能，對腦的健康有著重要作用，包括提高認(rèn)知能力，延緩由衰老引起的認(rèn)知能力下降。例如，在長時有氧運(yùn)動的研究方面，藍(lán)永生探索了6周太極拳運(yùn)動對大學(xué)生認(rèn)知功能有積極影響，且每周運(yùn)動5次的練習(xí)效果比每周運(yùn)動3次的效果更好。除了運(yùn)動對人的抑制控制能力有影響的研究外，此類研究在動物身上也得到了證實(shí)。例如，自由跑轉(zhuǎn)輪運(yùn)動能有效刺激成年小鼠海馬神經(jīng)發(fā)生，并延長了新生神經(jīng)元的存活時間，同時運(yùn)動還提高了小鼠的空間學(xué)習(xí)能力。周躍輝將SD大鼠隨機(jī)分為安靜組和中等強(qiáng)度運(yùn)動組，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)與安靜組相比，運(yùn)動組大鼠在執(zhí)行任務(wù)時的正確率明顯提高；通過連續(xù)10天的中等強(qiáng)度跑臺運(yùn)動后，尼古丁戒斷大鼠的抑制能力得到提升，這可能是由于運(yùn)動改善了大鼠前額葉皮層α7煙堿乙酰膽堿受體蛋白表達(dá)，進(jìn)而降低了它們對尼古丁依的賴性。

以上研究者從長時有氧運(yùn)動層面分析了運(yùn)動對人和動物都有積極的影響，有研究者還證明了短時有氧運(yùn)動對個體的大腦有積極的影響。

Chang曾經(jīng)通過使用倫敦塔任務(wù)（TOL任務(wù)）評估短時有氧運(yùn)動對執(zhí)行功能的影響發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動組進(jìn)行了30分鐘中高強(qiáng)度運(yùn)動后，TOL任務(wù)得分提高，說明短時中高強(qiáng)度的有氧運(yùn)動對人的執(zhí)行功能有促進(jìn)作用。Kao采用ERP技術(shù)對64個成年人進(jìn)行了單次高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練（HIIT）和有氧運(yùn)動（CAE）對抑制控制影響的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與坐姿對照組相比，參與者在進(jìn)行了持續(xù)有氧運(yùn)動和單次高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練之后的整體反應(yīng)時間縮短，研究結(jié)果表明了急性有氧運(yùn)動對抑制控制有提升。Wang發(fā)現(xiàn)經(jīng)過短時有氧運(yùn)動后，甲基苯丙胺依賴者的抑制控制能力得到提升。劉堅(jiān)采用同等強(qiáng)度不同時間運(yùn)動為干預(yù)手段測試學(xué)生的執(zhí)行功能，發(fā)現(xiàn)不同時間同等強(qiáng)度運(yùn)動均能在一定程度上促進(jìn)初中生執(zhí)行功能的發(fā)展。

上述研究既從人的角度分析了不同運(yùn)動的時間均可以改善大腦的認(rèn)知能力，又從動物的角度證明了其相同的作用，總的來說，兩種持續(xù)不同時間的運(yùn)動對大腦的功能連接都有促進(jìn)作用。

4、結(jié)語

隨著21世紀(jì)信息時代的快速發(fā)展，越來越多的研究者對大腦的研究也更深入，而運(yùn)動作為一種改善大腦結(jié)構(gòu)與功能的十分經(jīng)濟(jì)且無創(chuàng)傷的方式，在現(xiàn)代社會中也得到了大眾的認(rèn)可，因此運(yùn)動對大腦可塑性的研究成為了學(xué)者的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過上述的文獻(xiàn)分析與證明，運(yùn)動之所以能夠?qū)Υ竽X結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生影響，除了運(yùn)動在大腦結(jié)構(gòu)方面可以增加腦部灰質(zhì)的體積、白質(zhì)密度及抵消老化導(dǎo)致的腦萎縮外，運(yùn)動對大腦的功能方面還對區(qū)域間連接的改變、延緩老化導(dǎo)致的認(rèn)知下降、提升認(rèn)知及學(xué)業(yè)表現(xiàn)等積極作用。在未來的研究中，除了通過磁共振成像或者腦電的實(shí)驗(yàn)方式對個體大腦進(jìn)行測試外，還可以思考如何將磁共振成像、腦電和肌電等方式結(jié)合測試，以更準(zhǔn)確深入的研究運(yùn)動對大腦的影響在分子水平方面的情況。