科技导报2022,40(10) www.kjdb.org 39 运动促进大脑健康：来自行为和脑科学 的证据 金鑫虹，丁宇翔，周成林 上海体育学院心理学院，上海200438 摘要从分子水平、细胞水平和器官水平机制（脑结构和功能）等方面总结了体育运动促进 大脑健康的可能神经机制：结合实证研究进一步揭示了运动促进儿童和青少年大脑发育及 延缓老年人认知衰退的行为和脑科学证据：建议应注重多学科交叉探讨运动促进大脑健康 潜在机制的因果关系、构律多模态预测模型，基干关键性机制，针对不同人群制定个性化的 最佳运动干预方案。未来可增加大样本纵向研究，为运动干预成为临床治疗相关疾病的辅 助手段提供科学依据和实践指导。 关键词大脑健康：儿童和青少年；老年人：运动干预 如何根讲大脑律康一古都是神经科学领域关 年经常参加体音锻炼的人数比例为55.9，老年人 注的重要问题。大量科学证据指出，体育运动不仅 经常参加体育锻炼人数比例为26.19%四。调查报道 可以促进骨路，肌肉生长，增强心肺功能，改善血液 指出，坚特体育锻炼是一项主观可控、显著影响国 循环系统、呼吸系统等机能，还是促进大脑健康的 民身心健康的保护性因素，但常常被忽略。 有效途径，包括改善大脑结构和大脑功能等四，且这 大脑及比功能可能受到多种因素的影响（例 种效益在不同年龄阶段人群中均有报道。同 压力、环境、体有运动、衰老等)，体现了大脑的可塑 时，长期进行体有运动有助于预防和改善肥胖、高 性特征。大脑可期性(brain plasticity)是指神经连 血压、糖尿病、心血管疾病等慢性疾病，并减轻神经 接系统在结构，功能和分子水平上发生变化的能 退行性疾病的影响。国家体育总局发布的2020年 力，包括促进大脑发育，改善因神经退行性疾病等 全民健身活动状况调查指出，中国居民经常参加体 病理变化的能力网。以往研究大多认为，儿童、青少 育锻炼人数百分比仅为37.2%，且呈现随年龄增长 年时期的大脑具有高度可塑性，是提高大脑健康的 参加体有锻炼的次数减少现象。其中，儿童和青少 黄金时期。近30年的脑科学研究发现，大黄终生 收悠日期.2022-03-17：终回日衡.2022-04-2 基金项日：国家自然科学基金项日(32071088】 作者简介：金痒虹.讲师，研究方向为运动认知，电子信箱：xinhongjin0103e126.com:周成林（通信作者）.教授，研究方向为运动认知与脑科 学.电千信简，cm600@126 引用格式：金座虹， 字周成林.运动促进大脑健康：来自行为和脑科学的证据科技导报，202.4010，：39-48d10398 78 (C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
科技导报2022，40（10） www.kjdb.org 运动促进大脑健康：来自行为和脑科学 的证据 金鑫虹，丁宇翔，周成林* 摘要 从分子水平、细胞水平和器官水平机制（脑结构和功能）等方面总结了体育运动促进 大脑健康的可能神经机制；结合实证研究进一步揭示了运动促进儿童和青少年大脑发育及 延缓老年人认知衰退的行为和脑科学证据；建议应注重多学科交叉探讨运动促进大脑健康 潜在机制的因果关系、构建多模态预测模型，基于关键性机制，针对不同人群制定个性化的 最佳运动干预方案。未来可增加大样本纵向研究，为运动干预成为临床治疗相关疾病的辅 助手段提供科学依据和实践指导。 关键词 大脑健康；儿童和青少年；老年人；运动干预 收稿日期：2022-03-17；修回日期：2022-04-26 基金项目：国家自然科学基金项目（32071088） 作者简介：金鑫虹，讲师，研究方向为运动认知，电子信箱：xinhongjin0103@126.com；周成林（通信作者），教授，研究方向为运动认知与脑科 学，电子信箱：chenglin_600@126.com 引用格式：金鑫虹, 丁宇翔, 周成林 . 运动促进大脑健康：来自行为和脑科学的证据[J]. 科技导报, 2022, 40(10): 39-48; doi: 10.3981/j. issn.1000-7857.2022.10.004 上海体育学院心理学院，上海 200438 如何促进大脑健康一直都是神经科学领域关 注的重要问题。大量科学证据指出，体育运动不仅 可以促进骨骼、肌肉生长，增强心肺功能，改善血液 循环系统、呼吸系统等机能，还是促进大脑健康的 有效途径，包括改善大脑结构和大脑功能等[1] ，且这 种效益在不同年龄阶段人群中均有报道[2-4] 。同 时，长期进行体育运动有助于预防和改善肥胖、高 血压、糖尿病、心血管疾病等慢性疾病，并减轻神经 退行性疾病的影响。国家体育总局发布的2020年 全民健身活动状况调查指出，中国居民经常参加体 育锻炼人数百分比仅为 37.2%，且呈现随年龄增长 参加体育锻炼的次数减少现象。其中，儿童和青少 年经常参加体育锻炼的人数比例为 55.9%，老年人 经常参加体育锻炼人数比例为26.1%[5] 。调查报道 指出，坚持体育锻炼是一项主观可控、显著影响国 民身心健康的保护性因素[6] ，但常常被忽略。 大脑及其功能可能受到多种因素的影响（例如 压力、环境、体育运动、衰老等），体现了大脑的可塑 性特征。大脑可塑性（brain plasticity）是指神经连 接系统在结构、功能和分子水平上发生变化的能 力，包括促进大脑发育、改善因神经退行性疾病等 病理变化的能力[7] 。以往研究大多认为，儿童、青少 年时期的大脑具有高度可塑性，是提高大脑健康的 黄金时期。近 30 年的脑科学研究发现，大脑终生 39
www.kidb.ora 到技导报2022.40(10》 具有可塑性，随着人们年龄的增长，具有良好可塑 脑源性神经营养因子(bnin- 性大脑的老年人可以提高认知储备和征缓赛老网 actor.BDNF)可促进神经元增殖，血管内皮生长因 值得注意的是，体有运动在促进儿童、青少年和老 子(vascular endothelial gowth factor,VEGF)可促 年人大脑可塑性方面起到了至关币要的作用，也得 进关键的血管生长，具有神经保护和神经营养功 到了大量研究的证实。但是，体育运动促进大脑健 能，胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor 康的潜在作用机制尚需进一步探讨。因此，本研究 IGF-1)则在运动诱导的血管生成过程中发挥重罗 从微观和宏观水平总结运动促进大脑健康的可能 作用.间。BDNF和IGF-1是运动促进学习和记Z 神经机制：在此基础上，结合前期行为和脑科学实 能力的关键因素，而IGF-可能是调节BDNF作用 证研究，进一步揭示和印证在人类大脑健康发展的 及促进运动诱导神经发生和血管生成的重要环 关键时期（儿童、青少年时期和老年期）运动促进大 节。在生长因子中，BDNF可能是通过促进神经 脑健康的证据，并就当前研究进展提出需进一步拓 发生、突触可塑性和细胞存活，改善与大脑皮层和 展的方向，为促进大众健康发展，科学指导运动锻 海马区相关认知能力的关键因子。这些新生成 炼提供理论和实践依据。 的神经元在神经通路上通过突触连接相互交流。 神经元之间较强的连接意味着信号传插的更有效， 1运动促进大脑健康的神经机制 表明锻炼不仅能提高大脑的结构水平，还能提高学 习和记忆等功能水平。虽然运动促讲BDNF水平 运动促进大脑健康的神经机制一直是体有科 增加已经得到了大量研究证据支持，但目前人体 学和神经科学领域探讨的热点话题。研究发现，规 脑中关于分子水平的研究数据较少，对体有运动诱 律性的体有运动可以改善脑血容量、血管反应 导营养因子产生的来源不明确，尚需进一步研究 性，突触/神经可塑性、神经发生和营养因子的调 证实。最近一项动物模型的研究发现，运动训练还 节四等，同时也可以改善大脑的结构和功能，影响 可以提高对大脑具有保护作用的抗炎因子水平，血 行为发有、降低疾病风险。这些结构和功能上的变 浆中可能存在对大脑有益的可转移抗炎因子，例如 化可以提高认知能力，并塑造学习能力更强、更高 簇集蛋白(clusterin)在训练产生的抗炎作用中起到 效的大脑。尽管当前动物模型和人类的研究多揭 了关键作。可见，体育运动能够增加大时中分 示体有运动有助干保持大脑健康但甘潜在机制仍 子水平的产生和突触可塑性相关蛋白的转译，最终 需进一步探讨。有研究指出体育运动可能针对大 改善神经可塑性。而不同的运动方式可以将相互 脑结构和功能的不同方面，在肆康和疾病阶段提高 作用的生长因子信号串联起来，例如有氧运动似平 神经可塑性，进而促进大脑健康巴。本文从神经营 选择性地上调中枢BDNF,而有氧运动和阻力运动 养因子等分子水平、突触可翔性和神经发生的细胞 均可上调中板和外周GF-网，从而产生刺激结松 水平，认知功能相关的大脑结构和功能水平3个方 变化，增强行为发展和刺激分子水平的效应，进而 面对可能机制进行探讨。 改善大脑排康。但讲一步研究不需要讲行格的 1.1分子水平机制 临床干预试验，以确定运动干预方案，如频率，强 体育运动在大脑诱发神经发生的同时会增加 度、类型和时间，与关键神经活动的协同作用机 已有神经元的联系，这可能是通过上调神经营养因 子和生长因子造成的，。通过动物模型实验发 1.2细胞水平机制 现，体育运动可诱导神经营养因子的级联反应，在 体育运动可以促进神经细胞之间新的连接和 突触发生，突触可塑性，学习和记忆过程中调节运 功能.提高神经可塑性。临床研究表明，通过一系 动产生的积极效益。而不同神经营养因子在运 列脑刺激练习可以诱发产生新的突触和神经回路 动促进大脑健康机制上均有不可或缺的作用，例如 体育运动还可以促进和加强机体的代偿功能 C)1994-2022 China Academic lou mal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
www.kjdb.org 科技导报2022，40（10） 具有可塑性[8] ，随着人们年龄的增长，具有良好可塑 性大脑的老年人可以提高认知储备和延缓衰老[9] 。 值得注意的是，体育运动在促进儿童、青少年和老 年人大脑可塑性方面起到了至关重要的作用，也得 到了大量研究的证实。但是，体育运动促进大脑健 康的潜在作用机制尚需进一步探讨。因此，本研究 从微观和宏观水平总结运动促进大脑健康的可能 神经机制；在此基础上，结合前期行为和脑科学实 证研究，进一步揭示和印证在人类大脑健康发展的 关键时期（儿童、青少年时期和老年期）运动促进大 脑健康的证据，并就当前研究进展提出需进一步拓 展的方向，为促进大众健康发展、科学指导运动锻 炼提供理论和实践依据。 1 运动促进大脑健康的神经机制 运动促进大脑健康的神经机制一直是体育科 学和神经科学领域探讨的热点话题。研究发现，规 律性的体育运动可以改善脑血容量[10] 、血管反应 性[11] 、突触/神经可塑性、神经发生和营养因子的调 节[12] 等，同时也可以改善大脑的结构和功能，影响 行为发育、降低疾病风险。这些结构和功能上的变 化可以提高认知能力，并塑造学习能力更强、更高 效的大脑。尽管当前动物模型和人类的研究多揭 示体育运动有助于保持大脑健康，但其潜在机制仍 需进一步探讨。有研究指出体育运动可能针对大 脑结构和功能的不同方面，在健康和疾病阶段提高 神经可塑性，进而促进大脑健康[2] 。本文从神经营 养因子等分子水平、突触可塑性和神经发生的细胞 水平、认知功能相关的大脑结构和功能水平3个方 面对可能机制进行探讨。 1.1 分子水平机制 体育运动在大脑诱发神经发生的同时会增加 已有神经元的联系，这可能是通过上调神经营养因 子和生长因子造成的[3, 13] 。通过动物模型实验发 现，体育运动可诱导神经营养因子的级联反应，在 突触发生、突触可塑性、学习和记忆过程中调节运 动产生的积极效益[14] 。而不同神经营养因子在运 动促进大脑健康机制上均有不可或缺的作用，例如 脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）可促进神经元增殖，血管内皮生长因 子（vascular endothelial growth factor, VEGF）可促 进关键的血管生长，具有神经保护和神经营养功 能，胰岛素样生长因子（insulin-like growth factors, IGF-1）则在运动诱导的血管生成过程中发挥重要 作用[7, 14] 。BDNF 和 IGF-1 是运动促进学习和记忆 能力的关键因素，而 IGF-1可能是调节 BDNF 作用 及促进运动诱导神经发生和血管生成的重要环 节[15] 。在生长因子中，BDNF 可能是通过促进神经 发生、突触可塑性和细胞存活，改善与大脑皮层和 海马区相关认知能力的关键因子[16] 。这些新生成 的神经元在神经通路上通过突触连接相互交流。 神经元之间较强的连接意味着信号传播的更有效， 表明锻炼不仅能提高大脑的结构水平，还能提高学 习和记忆等功能水平。虽然运动促进 BDNF 水平 增加已经得到了大量研究证据支持，但目前人体大 脑中关于分子水平的研究数据较少，对体育运动诱 导营养因子产生的来源不明确[16] ，尚需进一步研究 证实。最近一项动物模型的研究发现，运动训练还 可以提高对大脑具有保护作用的抗炎因子水平，血 浆中可能存在对大脑有益的可转移抗炎因子，例如 簇集蛋白（clusterin）在训练产生的抗炎作用中起到 了关键作用[17] 。可见，体育运动能够增加大脑中分 子水平的产生和突触可塑性相关蛋白的转译，最终 改善神经可塑性[2] 。而不同的运动方式可以将相互 作用的生长因子信号串联起来，例如有氧运动似乎 选择性地上调中枢 BDNF，而有氧运动和阻力运动 均可上调中枢和外周 IGF-1[15] ，从而产生刺激结构 变化、增强行为发展和刺激分子水平的效应，进而 改善大脑健康。但进一步研究还需要进行严格的 临床干预试验，以确定运动干预方案，如频率、强 度、类型和时间，与关键神经活动的协同作用机 制[2] 。 1.2 细胞水平机制 体育运动可以促进神经细胞之间新的连接和 功能，提高神经可塑性。临床研究表明，通过一系 列脑刺激练习可以诱发产生新的突触和神经回路， 体育运动还可以促进和加强机体的代偿功能[18] 。 40
科技导报2022,40(10) www.kjdb.org 41 该研穷在讲一北证实体音运动促进突触可别性和 颞叶、外侧颗叶、岛叶和扣带回皮层，以及认知控制 神经发生的作用机制的同时，也为临床大脑损伤提 和默认模式网络，这可能是身心锻炼对大脑健康有 供了可行干预方案。值得注意的是，最近的研究提 益的基础。 出了乳酸在运动促进大脑健康中的潜在作用，提示 因此，运动促进大脑健康可体现在分子、细胞 大脑代谢可能是决定大脑功能的重要生理因素 和器官水平（大脑结构和功能）上，这一效益在动物 运动促进大脑健康的又一原因可能是代谢产物中 模型实验和人类研究中均得到了证实。然而，目自 提供的乳酸可以满足提高神经活动，调节脑血管系 对于上述神经机制的研究仍处于相关关系结果对 统和氧化还原状态。而这一机制也可为解释实验 于体育运动与上述潜在机制的因果关系尚需进 研究中不同运动强度，间做性和连续性运动，以及 步探时。同时，运动促进大脑健康的神经生物学机 急性和长期运动干预之间健康效益的差异提供了 制多源于啮齿类动物的有氧运动证据四，在人类机 可能机制：与乳酸代谢含量相关。 体中的证据仍需进一步研究。对于其他运动形式 13器官水平机制（脑结物和功能 如无氧运动和身心、锻炼促讲人类大脑效善的神经 神经影像学研究显示，与体有运动相关的大脑 生物学机制尚需今后的研究进行检 结构和功能连接也发生了变化，表明体有运动可以 提高大脑的结构性和功能性可塑性 一项关 2 运动促进儿童和青少年大脑健康 于啮齿类动物研究表明，自主性跑轮可以促进与认 知表现和学习有关的关键大脑区域（包括海马和前 的证据 领叶皮层)的潜在神经可朔性生川。参加有氧运动可 尽管上述神经机制多基于动物模型展开，但 以增加脑容量、白质和灰质体积。其中，灰质体 着认知神经科学的发展，越来越多研究从行为和脑 积的增加反映了神经元细胞体数量的增加，而白质 科学角度报道了体育运动促进大脑健康的证据， 区域则显示轴突的增加四。有氧运动还提高了神 其中，儿童、青少年时期是一生中大脑发有和认知 经元传导速度（与白质完整性有关），以及增加了反 发展的关键时期，也是大脑可塑性和认知功能增强 应振幅（与皮层灰质激活有关）。因此考察大脑结 的重要时期。儿童、青少年大脑发育的首要任务是 构和功能水平与行为表现的关系是检测大脑可塑 学习，运动促进大脑健康旨在促进学习效益和培养 性的有效组合，为建立新的神经回路和加强回路中 良好的行为习惯，以应对和适应新的角色和环境， 神经元之间的突触连接提供了必要的实践基础。 然而，当前全球儿童青少年健康状况令人堪优，例 同样地，Sexton等通过分析横向和纵向磁共 加招重成肥胖人数深年递增，以及青少年患病（加 振成像(magnetic resonance imaging,MRI)研究发 糖尿病、心血管疾病、脂肪肝等)呈现低龄化趁 现身体活动水平越高，老年人的白质体积越大、白 势随着年龄的增长反而呈现体育活动降低的撞 质病变体积或严重程度越低，表现出白质微结构的 势。这些疾病风险均会影响与儿童、青少年认 改善。即使患者开始出现认知能力下降现象，通 知功能相关的大脑健康机制，因此，基于当前现状 过体育运动进行干预也能改善这种衰退。例如阿 了解体育运动对儿帝吉少年大康的影响机制 尔茨海默病患者通过运动表现出了显著的认知改 对帮助和激励儿童青少年培养积极的生活方式，提 善m。随着研究的发展，除了有氧运动和抗阻运动 高生活质量，提高大脑发育具有重要意义 身心锻炼作为一种结合动作序列、呼吸控制、注意 大量研究发现，体有运动可提高儿童青少年的 力调节的多成分锻炼形式，逐渐成为现代人的运动 大脑细胞活性、改变大脑结构，从而改善认知功能 选择，通常包括太极拳气功和瑜伽等 项元 提高注意力等”。儿童青少年体有活动参与度 分析结果显示，身心锻炼调节了大脑结构、黄神经 与其体话能发展、学习表现和认知能力提升存在 活动和功能连接，主要在前额叶皮层、海马体内侧 相关关系四。认知能力的发展决定了学习效益 (C)1994-2022 China academic journal electronic publishing House.all rights reserved. http://www.cnki net
科技导报2022，40（10） www.kjdb.org 该研究在进一步证实体育运动促进突触可塑性和 神经发生的作用机制的同时，也为临床大脑损伤提 供了可行干预方案。值得注意的是，最近的研究提 出了乳酸在运动促进大脑健康中的潜在作用，提示 大脑代谢可能是决定大脑功能的重要生理因素。 运动促进大脑健康的又一原因可能是代谢产物中 提供的乳酸可以满足提高神经活动、调节脑血管系 统和氧化还原状态。而这一机制也可为解释实验 研究中不同运动强度、间歇性和连续性运动，以及 急性和长期运动干预之间健康效益的差异提供了 可能机制：与乳酸代谢含量相关[19] 。 1.3 器官水平机制（脑结构和功能） 神经影像学研究显示，与体育运动相关的大脑 结构和功能连接也发生了变化，表明体育运动可以 提高大脑的结构性和功能性可塑性[20-21] 。一项关 于啮齿类动物研究表明，自主性跑轮可以促进与认 知表现和学习有关的关键大脑区域（包括海马和前 额叶皮层）的潜在神经可塑性[1] 。参加有氧运动可 以增加脑容量、白质和灰质体积[20] 。其中，灰质体 积的增加反映了神经元细胞体数量的增加，而白质 区域则显示轴突的增加[22] 。有氧运动还提高了神 经元传导速度（与白质完整性有关），以及增加了反 应振幅（与皮层灰质激活有关）[7] 。因此考察大脑结 构和功能水平与行为表现的关系是检测大脑可塑 性的有效组合，为建立新的神经回路和加强回路中 神经元之间的突触连接提供了必要的实践基础。 同样地，Sexton 等[23] 通过分析横向和纵向磁共 振成像（magnetic resonance imaging，MRI）研究发 现身体活动水平越高，老年人的白质体积越大、白 质病变体积或严重程度越低，表现出白质微结构的 改善[24] 。即使患者开始出现认知能力下降现象，通 过体育运动进行干预也能改善这种衰退。例如阿 尔茨海默病患者通过运动表现出了显著的认知改 善[7] 。随着研究的发展，除了有氧运动和抗阻运动， 身心锻炼作为一种结合动作序列、呼吸控制、注意 力调节的多成分锻炼形式，逐渐成为现代人的运动 选择[25] ，通常包括太极拳、气功和瑜伽等。一项元 分析结果显示，身心锻炼调节了大脑结构、脑神经 活动和功能连接，主要在前额叶皮层、海马体/内侧 颞叶、外侧颞叶、岛叶和扣带回皮层，以及认知控制 和默认模式网络，这可能是身心锻炼对大脑健康有 益的基础[26] 。 因此，运动促进大脑健康可体现在分子、细胞 和器官水平（大脑结构和功能）上，这一效益在动物 模型实验和人类研究中均得到了证实。然而，目前 对于上述神经机制的研究仍处于相关关系结果，对 于体育运动与上述潜在机制的因果关系尚需进一 步探讨。同时，运动促进大脑健康的神经生物学机 制多源于啮齿类动物的有氧运动证据[1] ，在人类机 体中的证据仍需进一步研究。对于其他运动形式， 如无氧运动和身心锻炼，促进人类大脑效益的神经 生物学机制尚需今后的研究进行检测。 2 运动促进儿童和青少年大脑健康 的证据 尽管上述神经机制多基于动物模型展开，但随 着认知神经科学的发展，越来越多研究从行为和脑 科学角度报道了体育运动促进大脑健康的证据。 其中，儿童、青少年时期是一生中大脑发育和认知 发展的关键时期，也是大脑可塑性和认知功能增强 的重要时期。儿童、青少年大脑发育的首要任务是 学习，运动促进大脑健康旨在促进学习效益和培养 良好的行为习惯，以应对和适应新的角色和环境。 然而，当前全球儿童青少年健康状况令人堪忧，例 如超重或肥胖人数逐年递增，以及青少年患病（如 糖尿病、心血管疾病、脂肪肝等）呈现低龄化趋 势[27] ，随着年龄的增长反而呈现体育活动降低的趋 势[28-29] 。这些疾病风险均会影响与儿童、青少年认 知功能相关的大脑健康机制，因此，基于当前现状， 了解体育运动对儿童青少年大脑健康的影响机制， 对帮助和激励儿童青少年培养积极的生活方式，提 高生活质量，提高大脑发育具有重要意义。 大量研究发现，体育运动可提高儿童青少年的 大脑细胞活性、改变大脑结构，从而改善认知功能， 提高注意力等[30-31] 。儿童青少年体育活动参与度 与其体适能发展、学习表现和认知能力提升存在正 相关关系[32-34] 。认知能力的发展决定了学习效益， 41
42 www.kidb.ora 到技导报2022.40(10) 本课题组经过长期实证研究，发现了体有运动促进 电指标上效应更明显。可见，经常参加体有运动 儿章和青少年学习效益的行为和脑科学证据。 可有效提高对不良行为习惯（如网废等）的抑制，讲 2.1记忆能力 而降低不良行为习惯的发生 学龄儿童体育锻炼与学业成绩之间存在显著 项研究通过对比肥胖青少年与正常体重青 的正相关关系。其中，记忆能力是提高学习效益 少年认知能力发现肥胖青少年在基本认知功能和 的首要能力，主要体现在工作记忆和长时记忆2个 高阶认知功能(Flanker任务)上较正常体重青少年 方面。通过上述神经机制探过可知，体育运动可以 表现均较差。一次20min中等强度的有氧运过 增强海马神经发生和与BDF相关的记忆能力网 就可有效提高超重青少年的反应抑制能力与干 可能是运动促进记忆能力的重要神经机制。 一师 抑制能力：随后进行的一项长期运动干预研究进 脑电研究发现身体活动水平越高、工作记忆绩效越 步探讨了运动和饮食组合对超重儿童青少年认 好，具体表现为在记忆编码阶段，身体活动水平高 知功能的影响。其中运动干预组每天开展2 的被试行为反应时更短，准确率更高，同时大脑神 早上和晚上)运动，每次运动持续120mim:包括 经活动水平上调用了更多的认知资源，体现在 18min热身活动、84min低至中等强度锻炼、心率 pha能量更大N1振幅更大；同时，较高的身体活动 在110-130bpm(bea pe minute),以及l8min放 水平可以避免遗忘中前摄抑制的影响，进而提高 松。运动干预6山周，共连续干预4周，同时配合饮 记忆能力。另一项行为研究发现.中强度急性有 食计划，而对照组则维持正常的学习生活。结果发 氧运动干预后，青少年陈述性记忆编码阶段加工效 观，运动与健康饮食结合可有效提高执行功能，体 率提高.而对程序性记忆的效盗则在巩固阶段更加 重变化可能是运动干预提高执行功能的调节变 明显圆。尽管有研究发现运动也可以促进成年人 量。这一研究提示，以往研究多仅探讨体有运动 的记忆能力两，但目前关于运动对不同年龄阶段效 干预（急性或长期）对某一认知功能的影响，关于运 益的差异如何，待别是关于记忆能力的纵向研究 动干预结合饮食或认知训练方案的效果是否更优 仍需进一步探讨。值得肯定的是，儿童和青少年大 尚需进一步研究，同时，今后的研究还可进一步探 脑正处于快速发有时期，其记忆能力的训练和发展 究其他调节变量在运动效益中的作用。 是提高学习效益的重要途径。 研究发现，体有运动对其他认知能力（如注意 22抑制能力 力)的影响可能会受到不同运动方式的调节。本课 儿童，青少年抑制能力的提高是体有运动促进 题组考察了开放性锻炼和闭锁性锻炼对注意网络 认知功能的又一重要体现。 一事件相关电位 功能的影向，结果发现，开放性和闭锁性锻炼均可可 (event-potentials,ERP)研究考察了30mim 提高注意的执行控制网络功能，而开放性锻炼的促 中等强度（个人60%-69%最大心率）急性有氧运动 进作用更明显，但两种运动对注意的警觉与定向 对被试抑制能力的影响及血液中BDNF含量变化 络功能不存在促进效。值得注意的是，运动对 而N2和P3是ERP成分中常反映抑制控制的指标， 大脑静康效治环体现在成觉运动的交互过程中，长 结果发现，与阅读对照组相比，急性有氧运动可有 期舞蹈训练经验可有效提高大脑神经活动与外界 效提高对抑制信号的正确率，增加血液中BDNF含 刺激的同步性响应，提高对外界刺激的感知能力和 量：被试信号觉察的早期阶段(N2成分)诱发的平 功作技能表迎 均波峰更小，但P3成分（晚期加工）平均波幅更 2.3神经影像学证据 大调。另有研穷报道经常参加体运动不可以提 上述行为和脑科学研究均证实，体育运动可以 高大学生不良行为习惯的抑制能力。研究发现，经 促进儿童青少年大脑健康发展，提高认知功能。但 常运动组在抑制控制GNog0任务中的反应更快， 目前关于体育运动促进儿童青少年大脑可塑性的 抑制成功率更高，且在代表抑制能力的No-P3脑 潜在机制仍需进一步探讨。随者认知神经科学技 C)1994-2022 China Academic nal Electronic Publishing Hous All rights reserved www.cnki.ne
www.kjdb.org 科技导报2022，40（10） 本课题组经过长期实证研究，发现了体育运动促进 儿童和青少年学习效益的行为和脑科学证据。 2.1 记忆能力 学龄儿童体育锻炼与学业成绩之间存在显著 的正相关关系[35] 。其中，记忆能力是提高学习效益 的首要能力，主要体现在工作记忆和长时记忆2个 方面。通过上述神经机制探讨可知，体育运动可以 增强海马神经发生和与 BDNF 相关的记忆能力[36] ， 可能是运动促进记忆能力的重要神经机制。一项 脑电研究发现身体活动水平越高、工作记忆绩效越 好，具体表现为在记忆编码阶段，身体活动水平高 的被试行为反应时更短、准确率更高，同时大脑神 经活动水平上调用了更多的认知资源，体现在 al⁃ pha能量更大、N1振幅更大；同时，较高的身体活动 水平可以避免遗忘中前摄抑制的影响[37] ，进而提高 记忆能力。另一项行为研究发现，中等强度急性有 氧运动干预后，青少年陈述性记忆编码阶段加工效 率提高，而对程序性记忆的效益则在巩固阶段更加 明显[38] 。尽管有研究发现运动也可以促进成年人 的记忆能力[39] ，但目前关于运动对不同年龄阶段效 益的差异如何，特别是关于记忆能力的纵向研究， 仍需进一步探讨。值得肯定的是，儿童和青少年大 脑正处于快速发育时期，其记忆能力的训练和发展 是提高学习效益的重要途径。 2.2 抑制能力 儿童、青少年抑制能力的提高是体育运动促进 认知功能的又一重要体现。一项事件相关电位 （event-related potentials, ERP）研究考察了 30 min 中等强度（个人60%~69%最大心率）急性有氧运动 对被试抑制能力的影响及血液中BDNF含量变化。 而N2和P3是ERP成分中常反映抑制控制的指标， 结果发现，与阅读对照组相比，急性有氧运动可有 效提高对抑制信号的正确率，增加血液中BDNF含 量；被试信号觉察的早期阶段（N2 成分）诱发的平 均波峰更小，但 P3 成分（晚期加工）平均波幅更 大[40] 。另有研究报道，经常参加体育运动还可以提 高大学生不良行为习惯的抑制能力。研究发现，经 常运动组在抑制控制 Go/Nogo任务中的反应更快， 抑制成功率更高，且在代表抑制能力的Nogo-P3脑 电指标上效应更明显[41] 。可见，经常参加体育运动 可有效提高对不良行为习惯（如网瘾等）的抑制，进 而降低不良行为习惯的发生。 一项研究通过对比肥胖青少年与正常体重青 少年认知能力发现肥胖青少年在基本认知功能和 高阶认知功能（Flanker任务）上较正常体重青少年 表现均较差[42] 。一次 20 min 中等强度的有氧运动 就可有效提高超重青少年的反应抑制能力与干扰 抑制能力[43] ；随后进行的一项长期运动干预研究进 一步探讨了运动和饮食组合对超重儿童青少年认 知功能的影响。其中，运动干预组每天开展 2 次 （早上和晚上）运动，每次运动持续 120 min：包括 18 min 热身活动、84 min 低至中等强度锻炼、心率 在 110~130 bpm（beat per minute），以及 18 min 放 松。运动干预6 d/周，共连续干预4周，同时配合饮 食计划，而对照组则维持正常的学习生活。结果发 现，运动与健康饮食结合可有效提高执行功能，体 重变化可能是运动干预提高执行功能的调节变 量[44] 。这一研究提示，以往研究多仅探讨体育运动 干预（急性或长期）对某一认知功能的影响，关于运 动干预结合饮食或认知训练方案的效果是否更优 尚需进一步研究，同时，今后的研究还可进一步探 究其他调节变量在运动效益中的作用。 研究发现，体育运动对其他认知能力（如注意 力）的影响可能会受到不同运动方式的调节。本课 题组考察了开放性锻炼和闭锁性锻炼对注意网络 功能的影响，结果发现，开放性和闭锁性锻炼均可 提高注意的执行控制网络功能，而开放性锻炼的促 进作用更明显，但两种运动对注意的警觉与定向网 络功能不存在促进效益[45] 。值得注意的是，运动对 大脑健康效益还体现在感觉运动的交互过程中，长 期舞蹈训练经验可有效提高大脑神经活动与外界 刺激的同步性响应，提高对外界刺激的感知能力和 动作技能表现。 2.3 神经影像学证据 上述行为和脑科学研究均证实，体育运动可以 促进儿童青少年大脑健康发展，提高认知功能。但 目前关于体育运动促进儿童青少年大脑可塑性的 潜在机制仍需进一步探讨。随着认知神经科学技 42
科技导报2022,40(10) www.kjdb.org 43 术的发展，越来越多的研究采用MRI技术来评估体 海可体体积每年将券缩12.文此体积的成少 育运动对儿童青少年大脑结构和功能的影响。 可能导致记亿力和执行功能的下降。近年来 项洗取吉春期男性被试的研究发现，右氧话能程府 认知功能衰退和神经退行性疾病（例如中风和痴呆 越高，对动作行为至关重要的白质通路（即皮质脊 症等)的患病率正在逐渐增加。多项研究表明体育 髓束)中的各向异性值(fractional anisotropy,.FA)越 运动对延缓认知能力衰退有重要作用，为健康老化 低。较高的有氧适能可体现在不同的皮层，皮层 和神经退行性疾病患者提供了潜在的治疗可能 下和白质结构连通性上。当比较不同学习结果的 性。神经退行性敏感的大脑区域包括海马区、颞 大脑活动时，尽管任务表现相同，低体能青少年的 区和额叶区，体育运动对其具有保护作用，很有 海马体积明显比高体能青少年活跃m,这一结果提 必要进一步探究运动促进大脑健康效益在多大程 示，锻炼可能会影响大脑编码新记忆的方式，而身 度上可以延缓老年人认知衰退。 体状况较差的青少年可能需要利用更多的大脑资 体有运动作为一种改善认知和促进大脑健康 源来学习新知识。此外，长期参与高策略技能训 的干预策略在帮助老年人认知老化，避免和缓解认 练可提高连接背侧和腹侧通路脑区的双侧皮质脊 知功能损伤方面具有较大潜力例。 一项元分析研 精束、左侧上纵束、左侧下纵束和双侧额忧下束的 究结果提示，高水平的体力活动可隆低38%非商 FA,从而增强大脑背侧和腹侧通路上的白质纤维 保症患者老年人认知能力下降的风险，而中低水平 束结构完整性。因此长期运动锻炼可能通过大 体力活动则与35%的风险降低相关。长期锻炼 脑结构和连接性功能的改变来政善认知功能。 也被证明可以改善老年人大脑连通性和执行控制 《中国儿童青少年身体活动指南》建议每天累 力，但不同的运动锻炼形式可能存在不同以。持 积至少60min的中高强度身体活动，一周至少3d, 续1年的低至中等强度有氧运动与默认网络和前 符合中国儿童青少年的生长发育需要四。但目前 领执行网络之间的连通性改善有关，其中默认网经 关于体有运动与大脑健康的剂量-效应关系尚需 的功能障碍被认为是正常认知能力下降和阿尔茨 进一步研究检验。为了更好地控制潜在的变量 每默病的生物标志物。此外，在执行控制树经 影响，今后的研究需要控制更多与儿章青少年认知 中，研究同样发现有氧运动可提高左右前额叶皮质 能力相关的基线参考，并设置多种认知任务，以进 之间的连通性。由此可见，体育运动不仅可提高 一步明确体育运动、大脑机制与认知能力的对应关 与任务相关的大脑激活程度，还有利于大脑网络连 系。有趣的是，越来越多研究开始关注不同运动类 接性，这些网络对认知功能的改善起到了重要作 型（如抗阻运动、身心运动）促进儿童青少年大脑健 用。 康的效益，未来也可以从剂量效应角度为儿童 Greendale等采用纵向研究的方法，考察了身 青少年制定个性化的体育锻炼方案。 体活动水平与不同认知能力（处理速度、语言情 记忆和工作记忆能力)的关系。发现，当使用人员 3体育运动促进老年人大脑健康 流失和练习作为协变量时，身体活动与较高的语言 情境记忆和处理速府相关：然而，当模利调整了人 如何延缓认知衰退是运动认知神经科学专家 口统计学特征，更年期症状、激素、糖尿病和高血压 关注的另一重要课题。随着年龄的增长，大脑不可 变量后，身体活动与认知能力却不存在显著相关 避免会出现一定程度的衰老，与年龄相关的认知 而另一项元分析结果显示，体有运动与大脑健康利 碍在很大程度上反映了大脑菱缩情况，导致涉及高 认知之间仅存在较小至中等的效应量。表明身 级认知过程的关键大脑区域灰质减少网，进而影响 体活动和认知能力的关系，特别是老年人，可能受 处理智力或需要记忆和执行功能参与的任务速 到其他变量的干扰，两者之间的因果关系需今后研 度4。有研究发现，大约从50岁开始，老年人的 究进一步探讨。 (C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
科技导报2022，40（10） www.kjdb.org 术的发展，越来越多的研究采用MRI技术来评估体 育运动对儿童青少年大脑结构和功能的影响。一 项选取青春期男性被试的研究发现，有氧适能程度 越高，对动作行为至关重要的白质通路（即皮质脊 髓束）中的各向异性值（fractional anisotropy, FA）越 低[46] 。较高的有氧适能可体现在不同的皮层、皮层 下和白质结构连通性上。当比较不同学习结果的 大脑活动时，尽管任务表现相同，低体能青少年的 海马体积明显比高体能青少年活跃[47] ，这一结果提 示，锻炼可能会影响大脑编码新记忆的方式，而身 体状况较差的青少年可能需要利用更多的大脑资 源来学习新知识[48] 。此外，长期参与高策略技能训 练可提高连接背侧和腹侧通路脑区的双侧皮质脊 髓束、左侧上纵束、左侧下纵束和双侧额枕下束的 FA，从而增强大脑背侧和腹侧通路上的白质纤维 束结构完整性[49] 。因此长期运动锻炼可能通过大 脑结构和连接性功能的改变来改善认知功能。 《中国儿童青少年身体活动指南》建议每天累 积至少60 min的中高强度身体活动，一周至少3 d， 符合中国儿童青少年的生长发育需要[30] 。但目前 关于体育运动与大脑健康的剂量-效应关系尚需 进一步研究检验[50] 。为了更好地控制潜在的变量 影响，今后的研究需要控制更多与儿童青少年认知 能力相关的基线参考，并设置多种认知任务，以进 一步明确体育运动、大脑机制与认知能力的对应关 系。有趣的是，越来越多研究开始关注不同运动类 型（如抗阻运动、身心运动）促进儿童青少年大脑健 康的效益[51-52] ，未来也可以从剂量效应角度为儿童 青少年制定个性化的体育锻炼方案。 3 体育运动促进老年人大脑健康 如何延缓认知衰退是运动认知神经科学专家 关注的另一重要课题。随着年龄的增长，大脑不可 避免会出现一定程度的衰老，与年龄相关的认知障 碍在很大程度上反映了大脑萎缩情况，导致涉及高 级认知过程的关键大脑区域灰质减少[53] ，进而影响 处理智力或需要记忆和执行功能参与的任务速 度[54-56] 。有研究发现，大约从 50 岁开始，老年人的 海马体体积每年将萎缩 1%~2%，这些体积的减少 可能导致记忆力和执行功能的下降[57-58] 。近年来， 认知功能衰退和神经退行性疾病（例如中风和痴呆 症等）的患病率正在逐渐增加。多项研究表明体育 运动对延缓认知能力衰退有重要作用，为健康老化 和神经退行性疾病患者提供了潜在的治疗可能 性[3] 。神经退行性敏感的大脑区域包括海马区、颞 区和额叶区，体育运动对其具有保护作用[24] ，很有 必要进一步探究运动促进大脑健康效益在多大程 度上可以延缓老年人认知衰退。 体育运动作为一种改善认知和促进大脑健康 的干预策略在帮助老年人认知老化，避免和缓解认 知功能损伤方面具有较大潜力[59] 。一项元分析研 究结果提示，高水平的体力活动可降低 38% 非痴 呆症患者老年人认知能力下降的风险，而中低水平 体力活动则与 35% 的风险降低相关[60] 。长期锻炼 也被证明可以改善老年人大脑连通性和执行控制 力，但不同的运动锻炼形式可能存在不同[12, 61] 。持 续 1 年的低至中等强度有氧运动与默认网络和前 额执行网络之间的连通性改善有关，其中默认网络 的功能障碍被认为是正常认知能力下降和阿尔茨 海默病的生物标志物[62-63] 。此外，在执行控制网络 中，研究同样发现有氧运动可提高左右前额叶皮质 之间的连通性[17] 。由此可见，体育运动不仅可提高 与任务相关的大脑激活程度，还有利于大脑网络连 接性，这些网络对认知功能的改善起到了重要作 用。 Greendale等[64] 采用纵向研究的方法，考察了身 体活动水平与不同认知能力（处理速度、语言情景 记忆和工作记忆能力）的关系。发现，当使用人员 流失和练习作为协变量时，身体活动与较高的语言 情境记忆和处理速度相关；然而，当模型调整了人 口统计学特征、更年期症状、激素、糖尿病和高血压 变量后，身体活动与认知能力却不存在显著相关。 而另一项元分析结果显示，体育运动与大脑健康和 认知之间仅存在较小至中等的效应量[65] 。表明身 体活动和认知能力的关系，特别是老年人，可能受 到其他变量的干扰，两者之间的因果关系需今后研 究进一步探讨。 43