兒童青少年運動教育的全腦重塑作用：基于心理健康與心理能力發展的雙重視角分析

郭燕，周珂，魏高峽

中共二十大報告中強調：培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人［1］。《〈體育與健康〉教學改革指導綱要（試行）》中也強調：“進一步深化體育教學改革，指導全國中小學體育教師科學、規范、高質量地上好體育課，更好地幫助學生在體育鍛煉中‘享受樂趣、增強體質、健全人格、錘煉意志’，促進學生身心健康全面發展”［2］。這提示新時代教育改革勢在必行，體育運動是實現立德樹人教育目標的重要途徑。

體育運動既包括一般性的身體活動、專業的競技運動訓練，也包括在學校組織的有目的、有計劃、結構式的體育教學活動。人類的大腦具有高度可塑性，其發育受到遺傳和環境因素交互作用的影響。腦影像學研究證據表明，體育活動作為重要的環境變量，能重塑人腦結構和功能［3］，對兒童青少年這一發育早期群體有著更為顯著的影響。來自教育領域的神經認知科學研究成果也表明，體育教育的各個要素、內容和環境對學生大腦的發展具有更為獨特的價值和意義［4］。本文基于腦科學研究成果的梳理和思考（如圖1 所示），介紹了多樣化的體育教育活動影響個體認知、情感和意志有關的大腦局部腦區和腦網絡，并根據個體差異和教學過程的規律，提出了今后體育教學活動需要重點關注的內容，一方面能從環境角度進一步豐富神經科學中大腦可塑性的研究證據，另一方面有助于為體育教學提供新的視角，同時也為正在進行的體育與健康課程改革路徑提供科學指導。

圖1 運動促進心理能力發展與心理健康的全腦重塑

1 運動重塑大腦結構和功能

人類運動經驗作用于大腦結構和功能的多個層面，對青少年兒童的大腦結構發育完善、功能成熟有顯著影響［5-6］。發展神經科學的研究結果顯示，在大腦發育的關鍵時期，豐富的早期生活經驗（如體育、藝術、音樂、志愿服務及語言學習）是成人期大腦結構和功能變化的關鍵因素，這種影響甚至持續終生［7］。

1.1 改變大腦結構

體育運動作為一項重要的生活方式和學習經驗，對兒童青少年群體的大腦結構發育有著重要的影響。在兒童群體，體育運動顯著改善了大腦白質微觀結構，提高了胼胝體的完整性［8］；同時增加了島葉皮層、尾狀體、雙側顳上回和雙側緣上回等多區域的白質體積［9］。在青少年群體，來自運動專家的腦影像學證據表明，長期的運動技能學習能夠改變青少年時期大腦局部腦區等灰質體積、褶皺度、皮層厚度及皮層下結構組織［10-12］。比如，針對14 歲跳水運動員的大腦結構研究發現，專業的跳水運動顯著增加了個體運動區和丘腦腦區的灰質密度［13-14］，增強了雙側丘腦和左側蒼白球的形變參數［15］，同時促進了左側顳上溝、右側眶額皮質、右側海馬旁回等腦區皮層厚度增加［16］。短道速滑運動增進了大腦左側楔前葉、左側頂葉、下葉和右側額葉的皮層厚度［17］。此外，其他的運動技能學習也對大腦局部腦區產生了選擇性影響。如足球顛球的動作學習可改變學生白質結構網絡拓撲屬性，增加額葉-紋狀體環路的白質結構網絡重塑［18］。專門的平衡訓練增加視覺和前庭皮質區域的皮質厚度［19］，促進腦組織網絡重組，以提高姿勢控制的自動化和有效協調［20］。國內一項大樣本的影像學研究發現，青少年的體育活動量與大腦皮層厚度顯著負相關，這些腦區主要包括右側腦島短回、扣帶回背側、左側中后扣帶回/溝和楔狀回，同時與左側前枕溝皮層厚度顯著正相關［12］。增加心肺功能的籃球運動則與大腦紋狀體體積的增加有關［21］。因此，無論是側重于技能學習的經驗，還是強調心肺功能的體育鍛煉活動，均可促進兒童青少年大腦結構的改變。同時，不同的運動項目給大腦結構帶來的影響存在個體差異。最近的一個大樣本研究揭示，與個人運動相比，團體運動與較薄的前額葉大腦皮層有關，顯示出運動參與與大腦成熟之間的關聯［22］。

1.2 優化大腦功能

功能磁共振成像（縮寫為fMRI）技術能更為精確地幫助人類探測到毫秒級的大腦功能活動。多個研究證據表明，無論是短時30 min 的有氧運動，還是長達數月的長時運動干預，均發現能顯著改變大腦功能特征。這些功能活動一方面表現為任務活動相關的大腦激活水平的變化，另一方面表現為靜息態局部功能活動或大腦功能網絡活動模式的改變。

體育活動同樣會影響兒童青少年的靜息態腦網絡。有研究發現，有氧適能水平與青春前期兒童認知控制網絡的連接效率之間存在正向關聯［25］，即那些擁有更好有氧適能的兒童，其大腦中負責認知控制的神經網絡連接更加高效。一項8 個月的鍛煉干預研究發現，課外體育活動明顯改善了肥胖兒童的大腦靜息態凸顯網絡、默認網絡、執行控制網絡和運動網絡的大腦功能活動［26］。有研究者甚至在不同形式的體育活動中也發現了運動項目差異。比如，單人運動與有合作運動相比，右側顳頂交界處和后內側前額葉皮層在與競爭對手的互動中表現出更高的激活水平［27］。

2 體育運動的全腦教育作用

2.1 提升心理能力的腦機制

在諸多的心理能力中，認知功能是認知神經科學領域最為熱門的研究主題。兒童青少年時期，認知功能發展速度最快，且具有極強的可塑性［28］。行為學研究發現，長期運動對兒童青少年執行功能、記憶能力［29］和學業成績均有著顯著的促進作用［6，30-31］。與此同時，大腦影像學研究還表明，這些認知促進作用的背后有著一致性的大腦結構和功能活動基礎。運動提升認知功能的主要腦區主要集中在前額葉相關區域、海馬、基底神經核團等［5,32-35］。

執行功能是大腦的核心認知功能之一，主要包括抑制、刷新和轉換3 個子功能，其作用是幫助個體靈活且高效地完成認知活動，進行有效行為調控，產生目的性行為［36］。一項13～16 周有氧運動干預實驗發現，肥胖兒童［年齡為（9.3±1）歲；BMI 為（26±4.6）kg/m2］參加體育活動的強度（低強度20min/d，高強度40min/d）與其執行功能的改善和數學成績的提高相關；干預后觀察到兒童執行認知任務時眶額葉、后頂葉皮層和前額葉皮層的神經活動增強［23］。前額葉的作用在另一項大樣本橫斷面研究中被證實。Chaddock 團隊研究發現，9～10 歲體質水平好的兒童通過前額葉-海馬相互作用，表現出更強的執行控制能力和靈活轉換能力［37］。其原因可能是經常參加身體鍛煉的兒童腦容量較大，執行功能的處理速度更快，大腦的認知控制和記憶任務也更加出色，所以表現出較好的認知功能和突出的學業成績［5］。體育運動對執行功能的影響除了運動強度因素以外，還有大腦認知參與度的大小，即認知需求較高的運動更能激活參與執行功能的大腦區域，增強生理喚醒，誘導更具體的認知激活，從而進一步增強即時記憶，促進額外刺激以改善執行功能［38-39］。

海馬和大腦內側顳葉是進行記憶的重要腦區。體育活動對這2 個腦區的影響已得到大量動物學實驗和人類影像學研究的支持［35］。來自動物實驗的證據表明，在分子水平上，有氧運動提高了影響海馬等腦區突觸可塑性的生長因子的水平［40-41］。尤其是腦源性神經營養因子（BDNF）和胰島素樣生長因子-1 的產生可以促進新血管和神經元的發育，并能將其整合到大腦相關區域現有的網絡細胞中［42-43］，從而促進神經元的細胞增生、存活和分化，進而促進大腦的發育［44］，提高記憶表現。近期的一項證據發現，在運動誘導下，海馬中的BDNF 表達調節增強，且與空間學習和記憶形成密切相關［33］，進一步證實了運動對海馬結構有關的記憶表現的影響。此外，人類影像學研究發現，無論短時高強度體育運動，還是中等強度的有氧運動，都顯著改善了與記憶密切相關的內側顳葉的激活，促進認知功能的改善［35，45］。有研究者認為，體育運動后通過增強內側顳葉及相關大腦網絡的功能活動［35］，從而促進了情景記憶的時長，改善了情景記憶的效果［46］。

此外，20～40 min 的中等強度身體活動能促進學生對知識的理解和掌握［47］，提高兒童青少年的學業成績，其中對數學成績提高最為明顯［47］。Lopez-Vicente等研究發現，堅持體育運動9 個月的兒童右側前額皮層激活顯著高于未堅持運動的兒童；與低體質水平兒童相比，高體質水平兒童表現出額上回、顳葉區和外側枕葉皮層的灰質厚度減少，同時數學成績更加突出。此外還發現，兒童出色的算術能力與前額區和上額區的皮質灰質變薄有關［48］。

2.2 改善心理健康的腦機制

在兒童青少年的發展過程中，特別是青春期這個特殊發展階段，個體大腦發生著劇烈變化，具體表現為影響調控和計劃的大腦前額葉發展遠遠落后于情緒腦區的成熟程度，表現為常見的情緒失調現象，嚴重時可能發展為抑郁、焦慮等情緒癥狀，影響青少年的心理健康和社會性適應能力的發展。因此，情緒健康問題成為兒童青少年時期需要密切關注的主題。

目前，大多數實驗研究證實，短時運動和長時運動的干預方式對負性情緒有顯著的改善效果［49-50］。采用短時有氧運動的實驗室范式進行研究發現，一次30 min 的中等強度（60%～70%最大心率）有氧運動可以顯著降低抑郁患者的負性情緒感受（POM問卷中的抑郁、慌亂、疲勞和緊張感維度）［51］。長時運動的臨床干預實驗研究也觀察到抑郁癥患者的抑郁癥狀因參與體育鍛煉而得到顯著緩解，其中干預研究的對象不僅包括典型的老年抑郁患者［52］，還包括多個年齡段的成年被試［51-53］。因此，有元分析得出結論，身體鍛煉的干預方式對于抑郁的改善效果量至少是中等程度［53］；在觀察性研究中，無論全球地區、性別、年齡或隨訪期如何，習慣性和不斷增加的中等至劇烈體力活動水平與成人抑郁事件和亞臨床抑郁癥狀的發作呈負相關［54］。此外，體育鍛煉對焦慮癥的改善效果也得到了多項元分析的證實［55-57］。除了情緒障礙的治療外，多個長時運動的干預研究還發現，體育鍛煉還能顯著改善心血管疾病［58］、硬化癥［59］等多種軀體疾病患者的抑郁、焦慮、應激等負性情緒癥狀。

3.3.2 實驗室貧血檢查 呈現不同程度的貧血，以小細胞低色素性貧血常見，典型者表現為缺鐵性貧血。本研究顯示實驗室檢查為貧血表現占50例，大便潛血試驗陽性19例，考慮鉤蟲性十二指腸炎綜合征患者多以長期慢性貧血為主，對于從農村而來的特別是不明原因消化道出血、長期慢性貧血的患者檢查時應高度警惕鉤蟲感染可能[8-10]。

越來越多的分子學證據表明，下丘腦-垂體-腎上腺軸的炎癥增加和過度活躍是重度抑郁癥中最一致的結果［60］。體育運動通過促進多種細胞源性神經營養因子及血管內皮和胰島素樣生長因子-1 等多種神經生長因子的含量增多，進而促進神經突觸的生發、下丘腦-垂體-腎上腺軸活性、單胺類神經遞質等，從而緩解抑郁癥狀［61］。研究發現，6 周的運動干預明顯促進炎癥細胞因子（TNF-α）水平和IL-6 水平，進而緩解了抑郁癥狀［62］，尤其是自愿運動可以保護或防止由于壓力性應激引起的BDNF 蛋白表達的減少［63］。

目前，運動影響情緒的人腦機制研究才剛剛起步，其中鍛煉效應的腦可塑性假說的提出為這一領域提供了積極的啟示。前額葉和杏仁核是運動誘發情緒反應中應該重點關注的腦區。

在短時運動的腦機制研究方面，腦電圖（EEG）研究發現，該運動形式在減少緊張-焦慮情緒反應的同時，顯著增強了右側額葉alpha-1 的活動，降低了前扣帶回alpha-2 的活動［64］。一項近紅外成像研究表明，15 min的有氧運動能顯著降低負性情緒，同時伴隨有腹側前額葉的顯著激活［65］。此外，功能磁共振成像（fMRI）研究也觀察到30 min 的短時有氧鍛煉能顯著改善情緒，降低了與獎賞有關的皮層活動［66］。在長時運動的情緒干預腦機制研究方面，有研究者將有氧運動作為冥想訓練的對照組，旨在探索冥想改變負性情緒的神經機制。該研究發現，8 周的有氧鍛煉與冥想同樣能夠降低負性情緒反應，還增多了腹側前額葉的活動［67］。

杏仁核在結構上與紋狀體、額葉和顳葉相關，在對負面情緒刺激的情緒處理反應中起主要作用［68］。體育運動可抑制大腦中杏仁核的功能活動［69］，也可能會調節經過杏仁核與認知控制和邊緣網絡的功能相互作用［68］，共同降低壓力、恐懼、焦慮等負性情緒。此外，近期一項單次有氧運動影像學研究表明，30 min 中等強度有氧運動顯著降低力量個體負性情緒體驗，增加了右側杏仁核與右側眶額皮質之間的功能連接活動，且這種功能連接的增強與抑郁情緒評分的降低顯著相關。以上研究說明，有氧運動可能通過同時增強眶額葉對杏仁核的認知控制，或降低杏仁核自身的活動水平，減少負性情緒（如抑郁）的產生［68］。

除了情緒問題以外，兒童青少年時期還需要發展一定的心理韌性水平，應對學業壓力和情緒發展的挑戰。目前，由于心理韌性水平低，獨自解決困難問題的能力差，兒童青少年容易出現問題行為和極端行為。因此，心理韌性的提升也是全社會所高度關注的問題。研究表明，體育運動有助于提升兒童青少年的意志品質，提高其面對困難的堅韌性、解決問題的能力和完成任務的專注度［70］。參與體育鍛煉多的學生意志品質越堅強，困難承受度和智源集中度越高［71］。此外，高性能的運動障礙和激烈的對抗，有助于鞏固運動員意志品質，優化其心理資源［72］。比如，耐久跑、足球、攀巖、短道速滑［73］、障礙性體育游戲均可提高學生的意志品質［74］。

近期一項腦成像研究發現，優秀短道速滑運動員意志品質得分顯著高于普通人，并且運動員在左側楔前葉、左側頂下小葉和右側額葉的皮層厚度更厚，且左側頂下小葉皮質厚度和意志品質得分之間存在正相關，意志品質的獨立性表現與左側頂葉下部皮質厚度正相關［75］。必須注意的是，意志品質的發展受年齡［76］和性別［77］影響。此外，運動形式、運動類型（團隊和個人）、運動經驗等個人特質等因素在運動對意志品質的影響中可能起重要的調節作用［78］。

2.3 個體差異的影響

運動誘導的大腦可塑性受生理性別、年齡和體質水平的影響。由于女性的灰質體積更大，表現出更大的基線活動，因此，運動誘發的神經可塑性更大［11］。有研究發現，男性青少年運動量與右側楔前回和顳下溝皮層厚度顯著正相關，而女性青少年運動量與雙側后扣帶回腹側，右側腦島短回和外側顳枕回及左側扣帶回/溝中后部、楔狀回的皮層厚度顯著負相關［12］。針對不同年齡的個體，運動對大腦活動的影響也存在差異。一項使用功能磁成像技術探察手腳同時運動對大腦運動活動的影響。結果表明，在完成運動任務時，年長受試者比青年受試者表現出更復雜的大腦功能活動［79］。

此外，不同體質健康水平的個體在體育運動中大腦的獲益也存在差異。行為學證據發現，體質健康水平高的兒童在大腦和認知方面表現出更大的益處。例如，體質水平較高的兒童在神經認知功能成分信息處理與控制、視覺空間工作記憶和注意力效率方面表現更好［80］。結構影像學研究發現，體質健康水平越高，海馬體的灰質體積越大［37，81］。任務態磁共振研究表現，體質水平對30 min 中等強度有氧運動后的執行功能表現起著顯著調節作用，體質水平不同的個體，其大腦激活模式在不同任務中存在差異［82］。另一項20 min 高強度間歇干預研究表明，10 min 急性有氧鍛煉后，2 種體質水平組在3 種不同測試水平下的反應時間均有減少，但體質健康水平高的年輕人反應時間縮短，且只有高體質水平組顯示出更小的切換成本和更大的P3振幅，而低體質水平的參與者在10 min 高強度間歇和20 min 中等強度連續運動中在認知靈活性和反應靈敏性均有所提高［83］。一項橫斷面研究發現，體質水平較低的青少年在編碼后來記住的單詞和忘記的單詞時，雙側海馬體和右側額上回的神經激活程度更高；體質水平較低的男性青少年在編碼新記憶時，腹內側前額葉皮層區域、后扣帶回和顳頂葉交界處和后扣帶皮層活動較低，表明海馬體與后扣帶回和顳頂葉交界處相的解耦受損［81］。需要注意的是，肥胖與體質水平密切相關。多個聚焦于肥胖個體的研究發現，BMI 水平越高，認知控制水平越低［5］。一項功能連接研究顯示，大腦功能活動與內臟脂肪組織（VAT）、BMI、全身脂肪百分比（WB%FAT）和無脂心肺功能（FF-V）顯著相關；此外，兒童靜息狀態功能連接網絡與BMI 和肥胖呈負相關，而與心肺健康（校正無脂肪質量）呈正相關［84］。

由此可見，體育運動對不同特征人群的大腦影響存在差異。有研究者提出，在考察身體活動與鍛煉效益的劑量關系時，需要全面考慮不同人群的特征，選擇合適的干預項目或模式［85］。

3 體育教育領域腦科學研究展望

教育是由個體精神、情感與意志主導的社會活動。其中，體育是最能激發出個體生命活力的手段與載體，是生命質量和文明素養的具象化表征。體育教育使得兒童青少年通過參與體育活動，達到享受樂趣、增強體質、健全人格、錘煉意志的目標。運動心理學領域這些腦科學的研究發現了運動這一重要環境變量對大腦認知、情感和意志功能的影響，探索了運動影響個體發展和學習的神經生物學機制，提示多樣化的運動行為對具有個體差異的學生具有關鍵性作用，這些作用對學校體育的高質量、科學化發展，對體育與健康課程改革的深入，以及對學生核心素養的發展具有重要的價值和意義。

3.1 強調體育活動的參與性，明確體育對兒童青少年全腦發展的意義

教育的根本目的是促進個體的身心交融，實現核心素養的發展［86］。在體育學習參與過程中，通過身體與學習環境交互影響，進而實現心智的發展，促進個體意義的發展。在此需要強調體育技能學習效果與體育參與的差異，后者更注重在人際互動和運動場景下，個體與環境各要素的交互影響和作用。當前，大量腦成像技術為教育領域認知神經科學研究提供了新的研究視角、范式與方法，體育活動參與和學生認知功能、情緒健康和意志品質的發展之間的緊密關聯性為發展學生的運動能力，優化健康行為和促進體育品德提供更多的依據和支撐。魏高峽研究團隊從長時和短時運動任務入手提出了前額葉機制假說，系統論證了前額葉是有氧運動促進人腦認知和情緒改善的關鍵腦機制；陳愛國團隊提出的“體育運動提升兒童青少年腦智的主要路徑，即運動負荷、動作技能、情景互動、心理狀態，為運動促進個體腦健康提供實踐借鑒［87］。這些研究均強調了在情境化教學中，體育活動為學生大腦健康和全面發展形成提供了天然的有利環境和場景，同時也突出了體育的全腦教育價值。

雖然目前的影像學研究能初步揭示體育運動對認知和情緒相關腦區的影響，但在參與過程中對學生思維、想象、品格等方面的機制探討還較少。體育情境下的教學活動及師生互動這種交往學習如何促進兒童青少年腦智發展還有待于進一步探索。此外，體育知識獲取便捷、內容豐富，但學生整合應用能力、創新實踐能力提高較慢，體育課堂教學發生的媒介和大腦之間關系的研究還不夠精細［88］，體育多學科知識應用需要多腦互動的本質和腦間同步機制的研究需要進一步深化，腦科學與體育教學場景的深度融合還需要進一步加強。更重要的是，運動學習增強學生心理韌性的行為學研究雖已達成共識，但從腦科學角度進行機制探索的研究還不多，運動學習中天然創造的挫折情境和目標定位如何幫助參與運動的個體增進心理韌性，提高心理品質，尚需進行科學的實驗任務設計，厘清場景要素和個體要素在其中的作用機制。不可忽視的是，體育對學業成績的影響研究主要在復雜邏輯思維的數學、語文等方面，在以創新活動作為主要培養目標的科學類、多學科綜合類科目的研究較少，體育參與如何通過特定要素和內容促進與兒童青少年創新性思維和能力有關的大腦結構和功能的發展，有待進一步的證實。

3.2 重視運動項目的核心心理特征，闡釋不同運動項目對兒童青少年全面發展的價值

學校體育以服務學生全面發展、增強綜合素質為目標，堅持健康第一的教育理念，推動青少年文化學習和體育鍛煉協調發展。學界越來越關注用腦科學研究手段探索體育活動對學生全面發展的作用，其中對體育運動改善身心健康和認知功能的成果已較為豐富，并證明能顯著影響情景記憶的時長，知覺速度的快慢及執行功能的操作表現。不同運動項目對學生體育素養的發展作用不同。Lopez-Vicente 等通過fMRI研究發現，團體運動在促進大腦成熟、認知功能和身心健康方面優于個人運動［48］。魏高峽等提出持續性的運動項目如滑雪、攀巖、耐力項目、障礙跑能夠增加個體意志品質，尤其是中、高強度運動量能促進學生面對困難時堅持完成任務的決心和行為。封閉技能尤其是序列動作技能（如：武術套路、太極拳、體操、體育舞蹈、花樣滑冰等）能夠重塑大腦的功能和形態［89］，并得到相關腦科學研究的證實，且對美育的鍛煉效果明顯。在“五育融合”背景下，體育領域的腦科學研究所涵蓋的研究內容和項目，大多限于實驗室任務，缺乏生態學場景下不同運動項目之間在某一心理能力提升的比較研究。對于集體項目與個人項目、粗大技能與精細技能、簡單技能與復雜技能及多樣化運動項目對學生全面發展產生的作用的差異，從腦科學的角度進行實證研究的較少。

3.3 基于大腦發展的個體差異，優化兒童青少年體育教學內容和效果評價

新一輪體育與健康的課程改革，強調在核心素養的引領下，通過情境化和結構化的體育學習，讓不同性別、不同年齡和不同體育學習基礎的學生實現運動能力、健康行為和體育品德的提升，而運動認知神經科學的研究成果為體育與健康課程改革的推進找到了新的切入點。當前研究表明，運動誘導的大腦可塑性受生理、性別、年齡和體質水平的影響，女性運動誘發的神經可塑性更大［11］。不同年齡的個體，運動對大腦活動的影響也存在差異，在完成運動任務時，年長受試者比青年受試者表現出更復雜的大腦功能活動［79］。此外，不同體質健康水平的個體在體育運動中大腦的獲益也存在差異。體質健康水平高的兒童在大腦和認知方面表現出更大的益處。因此，未來行為和腦成像相結合的體育教育研究還需要高度重視教學過程中的個體差異現象，進一步挖掘體育教學活動中個體差異存在的腦科學證據，尋找個體差異的大腦發展因素對體育教學活動影響的一般性規律。針對不同教學對象，開展分組教學和個性化可供選擇的教學活動，充分尊重每個兒童青少年在發展時期的發展需求，提供優化的體育教學方案組合。此外，也需要在體育效果評價中采用分級模式制定教學評價參考標準和提升標準，讓兒童青少年真正在體育學習中享受樂趣，健康成長。