曹 美,仇 悅,張國禮

體育鍛煉對認知能力發(fā)展的作用：預(yù)防、補償還是增益

曹 美,仇 悅,張國禮

大量科學(xué)研究證明體育鍛煉能夠促進個體的認知發(fā)展。文章運用文獻資料法，重新審視體育鍛煉對個體認知能力發(fā)展的作用方式：預(yù)防、補償還是增益？首先，體育鍛煉能夠預(yù)防老年人的認知老化進程；其次，體育鍛煉對特殊人群認知發(fā)展起到補償作用；最后，體育鍛煉對兒童青少年的認知發(fā)展起到增益作用，但需要伴隨學(xué)習(xí)等條件。因此，未來研究應(yīng)該在明確體育鍛煉對認知能力發(fā)展作用方式的基礎(chǔ)上，關(guān)注體育鍛煉對認知發(fā)展的作用機制。

體育鍛煉；認知能力；預(yù)防；補償；增益

體育鍛煉，是指人們在內(nèi)因與外界環(huán)境相互作用下，有目的、有意識地利用閑暇時間、采用體育手段和方法，為謀求身心健康或達到其他某種目的而進行的身體活動[1]。目前，大量研究發(fā)現(xiàn)，體育鍛煉對個體的認知能力產(chǎn)生積極影響，具體表現(xiàn)為體育鍛煉對個體的執(zhí)行功能、注意力具有改善作用，并能夠提升學(xué)生的學(xué)業(yè)表現(xiàn)。

“四肢發(fā)達，頭腦簡單”在現(xiàn)實中經(jīng)常用來描述運動員的特點，尤其是進行長期體育鍛煉的專業(yè)運動員表現(xiàn)出注意集中性和穩(wěn)定性欠佳，思維不靈活，文化課成績不理想，自我監(jiān)控能力較弱等特點。一方面研究發(fā)現(xiàn)體育鍛煉有助于認知發(fā)展，另一方面從事體育訓(xùn)練的運動員的認知能力未必都強大，需要重新審視體育鍛煉與個體認知發(fā)展之間的關(guān)系，并思考體育鍛煉對認知發(fā)展的作用方式，是預(yù)防、補償還是增益？若是增益效應(yīng)，是否也需要一定的條件？體育鍛煉在一定程度上能夠促進認知發(fā)展，但是對不同的人群體育鍛煉對認知發(fā)展的作用方式是否一致，需要進一步明確。通過對近年來國內(nèi)外文獻的梳理，得出體育鍛煉對不同人群認知發(fā)展的作用方式不同的結(jié)論。

1 體育鍛煉對老年人認知發(fā)展的預(yù)防作用

所謂預(yù)防，就是體育鍛煉可以預(yù)防老年癡呆以及延緩老年人的認知衰退。有關(guān)體育鍛煉對老年人認知功能老化的橫向研究表明，體育鍛煉可以延緩認知功能衰退并達到預(yù)防老年癡呆的作用。Middleton等調(diào)查了9 344名老年女性在 10 歲、30歲、50歲左右以及晚年的身體活動情況。在控制了年齡、文化程度、婚姻狀況、糖尿病、高血壓、抑郁癥狀、吸煙、體重指數(shù)的作用后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在早期(10 歲左右)就參加身體鍛煉的女性, 在晚年可能會降低患認知損傷的風(fēng)險[2]。崔冬雪等研究結(jié)果表明，體育鍛煉具有延緩老年人認知功能的衰退和預(yù)防老年癡呆的作用。說明經(jīng)常參加體育鍛煉有利于延緩老年人認知功能的老化，達到預(yù)防老年癡呆的作用[3]。

有關(guān)體育鍛煉對老年人認知功能老化的縱向研究表明，體育鍛煉有助于改善認知功能、預(yù)防老年癡呆以及提高空間記憶能力。(1)長期體育鍛煉改善老年人認知功能。Langlois等最近的一項干預(yù)研究顯示，經(jīng)過3個月的有氧運動和力量訓(xùn)練運動，老年人的認知功能得到改善，即執(zhí)行功能、工作記憶和處理速度得到提高[4]。這提示長期有氧運動可以預(yù)防老年人的認知衰退。其次，Smiley-Oyen等以57名 65～79 歲的老年人為被試，將他們隨機分配到體育鍛煉組和控制組中，進行10個月的鍛煉干預(yù)即長時體育鍛煉，并發(fā)現(xiàn)在涉及執(zhí)行功能的沖突控制任(stroop，詞語—顏色沖突任務(wù))中，有氧鍛煉組的成績顯著高于控制組，即證實了長時體育鍛煉對于執(zhí)行功能的積極影響[5]；(2)長期體育鍛煉預(yù)防老年癡呆。Duzel等研究發(fā)現(xiàn)，長期的體育鍛煉對老年癡呆癥的認知能力有保護作用。在對老年癡呆癥患者進行長期的體育鍛煉干預(yù)下，可以提高大腦的可塑性[6]，從而延緩老年人的認知衰退；(3)長期體育鍛煉促進空間運動記憶及其生理機制。Erickson等發(fā)現(xiàn)對老年人進行長期體育鍛煉干預(yù)后，雙側(cè)海馬前區(qū)體積增大來間接提高老年人的空間運動記憶[7]?？臻g運動記憶的提高也間接證實了長期體育鍛煉可以預(yù)防老年人的認知衰退。

張連成等指出，長期鍛煉對延緩認知老化方面的作用逐漸受到重視，并且在腦科學(xué)研究方面也積累了一定的證據(jù)：(1)身體鍛煉通過對某些大腦結(jié)構(gòu)的重塑來影響認知老化，經(jīng)常參加體育鍛煉對于老年人維持大腦灰質(zhì)和白質(zhì)容量、白質(zhì)完整性等方面均表現(xiàn)出積極作用；(2)身體鍛煉可以促進與認知功能相關(guān)腦區(qū)的激活以及功能網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié)，以維持老年人的認知功能；(3)身體鍛煉還可以通過提高大腦神經(jīng)加工效率來影響腦功能，進而對延緩認知老化起到重要作用[8]。

2 體育鍛煉對特殊人群認知發(fā)展的補償作用

所謂補償，即體育鍛煉對于特殊人群的思維能力以及執(zhí)行功能的補給作用，使他們更好地適應(yīng)生活。體育鍛煉對于特殊人群認知發(fā)展具有補償作用。首先是體育鍛煉對于孤獨兒童和超重兒童認知的補償作用。劉軍提出體育游戲促進孤獨癥兒童語言的發(fā)展，體育游戲過程中根據(jù)孤獨癥兒童的興趣和愛好來創(chuàng)設(shè)各種問題情境，以此來增加交往性語言，發(fā)展其語言交往能力、思維能力及主動解決問題的能力。其次體育活動促進了孤獨癥兒童智力的發(fā)展，體育游戲為其提供了多種感官協(xié)調(diào)配合的最佳形式如聽聲音拼圖，能夠促使其大腦皮層與神經(jīng)系統(tǒng)的活躍從而促進其智力的發(fā)展；最后體育游戲也促進了孤獨癥兒童基本動作概念的形成與理解[9]，從而補償了孤獨癥兒童的認知能力。另外，體育鍛煉對超重兒童的認知發(fā)展也有補償作用，并存在生理學(xué)上的依據(jù)。Krafft等(2014)對43名8歲超重兒童進行8個月，每個上學(xué)日專門進行體育訓(xùn)練，結(jié)果表明大腦的中央前回、 后頂葉皮層等區(qū)域的激活水平下降， 而在大腦的前扣帶皮質(zhì)和額上回等區(qū)域的激活水平升高。這提示體育鍛煉對于超重兒童的認知發(fā)展具有補償作用[10]。殷恒嬋等(2014)將171名7～14歲的超重青少年分為每天20min運動干預(yù)組、40min運動干預(yù)組和對照組，干預(yù)進行了約13周。采用標準化的心理測試評估認知能力和學(xué)業(yè)表現(xiàn)，并通過功能性磁共振成像(fMRI)觀察青少年在做心理測試時的大腦活動所引發(fā)的血液動力指標。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干預(yù)組青少年的執(zhí)行功能和數(shù)學(xué)成績均有所提高，提示長期運動干預(yù)有助于提升超重青少年認知能力和學(xué)業(yè)表現(xiàn)[11]。

體育鍛煉不僅可以補償孤獨癥兒童的認知發(fā)展，還可以對智障兒童和年輕的唐氏綜合癥患者的認知發(fā)展起到補償作用。(1)體育鍛煉對于智障學(xué)生認知發(fā)展的補償作用。陳莉等從特殊教育學(xué)校3～4年級在校智障學(xué)生中抽取能合作者123名，經(jīng)過半年兩項適應(yīng)體育運動項目的實驗干預(yù)，中度智障學(xué)生在適應(yīng)行為水平得到明顯的提高，這一結(jié)果與國內(nèi)外大多數(shù)研究結(jié)果是一致的[12]。(2)Chen等將10名患唐氏綜合癥的參與者分配到單一運動組，即中等強度的跑步機行走，共20 min，另外10人分配到對照組，看相同時間的視頻。結(jié)果表明，實驗組在運動前后，參與者的選擇反應(yīng)時沒有變化，但是注意轉(zhuǎn)移和抑制卻有顯著性差異。這表明單一的運動干預(yù)對患有唐氏綜合癥年輕人的執(zhí)行功能具有積極影響[13]。

3 體育鍛煉對兒童青少年認知發(fā)展的增益作用以及條件

3.1體育鍛煉對青少年認知發(fā)展增益作用

增益即錦上添花，體育鍛煉主要對正常兒童的認知發(fā)展具有增益作用，即通過體育鍛煉能夠促進認知發(fā)展。Mura等人(2015)指出大部分研究結(jié)果與傳統(tǒng)觀念恰恰相反，體育鍛煉非但對青少年的學(xué)業(yè)表現(xiàn)沒有負面影響，還能在一定程度上幫助青少年改善認知能力，提升學(xué)業(yè)表現(xiàn)[14]。

首先是短時體育鍛煉可以促進記憶。Pesce等的研究對52名11～12歲健康兒童分別進行了基線測試，并在集體游戲和循環(huán)訓(xùn)練一小時后測試了即時記憶和延時記憶。研究結(jié)果顯示，參加完循環(huán)訓(xùn)練后的延時記憶與基線測試相比有提高，而參加集體游戲后效果更佳，即時記憶和延時記憶與基線測試相比都有所提高[15]。

其次，在腦功能方面，長期體育鍛煉也有促進作用。Erickson將MRI成像技術(shù)應(yīng)用于體育鍛煉與青少年認知能力的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)長時體育鍛煉可能會改變大腦的某些與認知功能相關(guān)部位的形態(tài)和結(jié)構(gòu)[16]。Chaddock等通過隨機、對照實驗，被隨機分配到體育活動干預(yù)組的兒童比控制組的兒童表現(xiàn)出更大的腦容量和更優(yōu)的認知功能[17]。其次是體育鍛煉對大學(xué)生執(zhí)行功能的影響。王天宇等醫(yī)學(xué)研究表明，執(zhí)行功能與緩慢發(fā)展的大腦前額葉皮層(prefrontal cortex, 簡稱 PFC)密切相關(guān)[18]。因此建議研究者關(guān)注體育鍛煉對額葉皮層的影響。

總之，體育鍛煉可以促進兒童青少年的認知發(fā)展，Soga等采用兩個實驗來探討急性中等強度的運動對青少年執(zhí)行功能的影響，結(jié)果表明，中等強度的體育鍛煉對青少年執(zhí)行功能的影響具有選擇性的促進作用[19]。劉俊一研究發(fā)現(xiàn)，長時體育鍛煉可以促進大學(xué)生執(zhí)行功能。實驗組通過8周中等強度有氧體育鍛煉干預(yù)，以n-back測試任務(wù)反應(yīng)時和正確率作為執(zhí)行功能的指標。結(jié)果表明，實驗組經(jīng)過 8 周有氧體育鍛煉后行為學(xué)表現(xiàn)明顯優(yōu)于對照組，并在生理層面上獲得相應(yīng)證據(jù)，大學(xué)生雙側(cè)額葉中回、左頂上葉、左額上回腦區(qū)激活水平增加，在進行 n-back 任務(wù)時能夠注視關(guān)鍵信息以至于做出正確的判斷[20]。另外，殷恒嬋等人采用兩種不同的運動干預(yù)方案對326名小學(xué)生進行為期20周的干預(yù)即長時體育鍛煉。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種運動方案均能夠改善小學(xué)生的執(zhí)行功能，且隨干預(yù)時間增加，效果更為顯著。并且體育鍛煉促進認知發(fā)展也通過研究綜述得到了支持。Esteban等對20篇文獻進行分析，發(fā)現(xiàn)11篇(50%)發(fā)現(xiàn)體育鍛煉和認知發(fā)展正相關(guān)，這提示體育鍛煉促進認知發(fā)展得到很多了研究的支持[21]。Moreno 等的研究表明，在控制了潛在變量(年齡、性別、身體質(zhì)量指數(shù)、父輩教育水平、脂肪重量、有氧適能)后，發(fā)現(xiàn)在日常生活條件下，青少年注意能力測試的成績與長時間中等或高強度身體活動(MVPA)呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)(P<.05)[22]。

3.2體育鍛煉對認知發(fā)展增益作用的條件

既然體育鍛煉對正常兒童青少年的認知發(fā)展具有增益作用，存在的問題是體育鍛煉單方面促進了認知發(fā)展，還是體育鍛煉結(jié)合知識學(xué)習(xí)一起促進了認知發(fā)展，即體育鍛煉促進認知發(fā)展的增益作用是否有條件，是否不能忽視學(xué)習(xí)的作用，答案應(yīng)該是肯定的。結(jié)合學(xué)習(xí)的體育鍛煉，才能體現(xiàn)體育鍛煉對認知發(fā)展的增益作用。

Best讓兩組兒童分別進行靜態(tài)的電子游戲和需要結(jié)合運動的電子游戲，其后比較兩組兒童的執(zhí)行功能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)需要結(jié)合運動的電子游戲組兒童表現(xiàn)出更高的執(zhí)行功能，說明手腦并用的游戲有助于提升兒童的執(zhí)行功能[23]。這也說明了學(xué)習(xí)加上運動的效果更好，這也為體育鍛煉促進認知發(fā)展提供了依據(jù)。Budde等人研究發(fā)現(xiàn)一組10min(短時體育鍛煉)既鍛煉身體又鍛煉頭腦的協(xié)調(diào)性練習(xí)有助于提升兒童青少年的專注力和注意力[24]。這提示也許體育鍛煉加學(xué)習(xí)才是有效促進認知發(fā)展的關(guān)鍵，既鍛煉認知能力又鍛煉身體的運動形式可能比純粹的體育鍛煉更有利于提升青少年的認知能力。

另外也有研究者指出體育鍛煉的強度大小也會對認知發(fā)展的增益與否產(chǎn)生影響。有研究證實體育鍛煉促進認知發(fā)展的另外一個條件是，適量體育運動可以促進認知發(fā)展。美國神經(jīng)科學(xué)家賈斯廷·羅德還提出了運動成癮的危害。因為他在研究中發(fā)現(xiàn)，那些運動成癮、運動量特別大的老鼠，大腦反應(yīng)比運動量正常的老鼠遲鈍。由此羅德指出，運動雖然對大腦有益，但也應(yīng)該適可而止。大強度運動可通過多種途徑對大腦機能造成損害。運動時能源物質(zhì)ATP的耗竭，可能是中樞神經(jīng)功能下降的主要原因[25]。 這說明適量的體育鍛煉也是促進認知發(fā)展的重要因素，運動過量反而不利于認知發(fā)展。

4 總結(jié)與展望

近年來，體育鍛煉對于個體認知發(fā)展的促進作用得到越來越多的重視，并且體育鍛煉對于不同的鍛煉人群的認知發(fā)展有不同的作用方式。首先，對于老年人而言，體育鍛煉能夠預(yù)防老年癡呆以及減緩老年人的認知老化進程；其次，對于特殊人群而言，體育鍛煉對特殊人群認知發(fā)展起到補償作用，使他們更好地適應(yīng)生活；最后，對于正常的兒童青少年而言，適量的體育鍛煉對兒童青少年的認知發(fā)展起到增益作用，但是需要伴隨學(xué)習(xí)。體育鍛煉對于不同人群產(chǎn)生不同的作用方式的原因在于，老年人主要面臨的是認知老化過程，而體育鍛煉可以延緩老年人的認知衰退過程，預(yù)防老年癡呆；特殊人群的認知功能存在一定的問題，而體育鍛煉可以補償他們的認知缺陷，使得他們在一定程度上可以彌補認知功能的缺陷；兒童青少年的認知發(fā)展相對而言比較健全，體育鍛煉可以起到錦上添花的作用，即體育鍛煉促進認知功能更快更好地發(fā)展。

這提示我們，需要充分利用體育鍛煉促進認知發(fā)展的作用方式使得體育鍛煉對認知發(fā)展的作用最大化：對于老年人而言，可以設(shè)計出不同的體育鍛煉方式來預(yù)防老年癡呆等認知老化進程，如太極拳；針對特殊兒童，可以通過具體的體育鍛煉方式來對他們的認知功能起到補償作用，例如對于智力落后的兒童，可以采用體育鍛煉的訓(xùn)練來補償他們的認知發(fā)展[29]；對于正常青少年而言，可以通過不同的需要來選擇不同的體育鍛煉方式，例如對于注意力不集中的學(xué)生，可以設(shè)計出提高注意穩(wěn)定性的體育鍛煉，例如跳繩、返跑、臺階試驗、健身拳或者乒乓球[30-31]。因此，重新審視體育鍛煉的預(yù)防，補償，增益的作用方式，意識到根本的不同才能有針對性的設(shè)計不同方式的體育鍛煉，使得體育鍛煉對認知發(fā)展的作用最大化。

未來研究應(yīng)關(guān)注體育鍛煉對于認知發(fā)展的作用方式的腦機制，首先，運動改造大腦，體育鍛煉對于不同人群的作用方式需要更多的腦科學(xué)證據(jù)，對于老年的的老年癡呆以及延緩認知衰退的功能，對于特殊兒童的認知功能的補償以及對于正常兒童青少年認知功能的錦上添花需要更多的腦科學(xué)證據(jù)來證實體育鍛煉的效應(yīng)。其次，未來研究還應(yīng)關(guān)注體育鍛煉對認知發(fā)展的作用機制。即體育鍛煉單方面直接促進認知發(fā)展，還是與其他心理社會性變量交互引起認知發(fā)展。體育鍛煉的作用機制還需要進一步進行挖掘，“調(diào)節(jié)作用”與“中介作用”需要更多研究的證明。

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TheEffectofPhysicalExerciseonCognitiveAbilityDevelopment:Prevention,CompensationorGain

CAO Mei, QIU Yue, ZHANG Guo-li

“developed limbs，simple minded”in reality is often used to describe the athletes， but a lot of scientific researches has shown that physical exercise can promote the individual′s cognitive development，those two opinions obviously appeared inconsistent。Therefore，the role of physical exercise on the development of individual cognitive ability need to be re-examined ：prevention，compensation or gain？First of all，physical exercise can prevent the elderly cognitive aging process；secondly，physical exercise can compensate on the cognitive development of special populations；finally, physical exercise on adolescents and children′s cognitive development to gain of function，but we need to consider the learning conditions。Therefore，future research should be clear in physical exercise based on cognitive ability development mode of action, mechanism of action on physical exercise on cognitive development.

Physical exercise；Cognitive ability；Prevention；Compensation；Gain

2017-06-15;

2017-07-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(編號：2015YB005，2016ZX018)。

曹 美(1990-)，女，在讀碩士研究生，研究方向為鍛煉心理學(xué)。

北京體育大學(xué) 運動人體科學(xué)學(xué)院，北京 100084

G804

A

1008-2808(2017)05-0087-05