体育锻炼对认知能力发展的作用:预防、补偿还是增益
2017-11-27张国礼
曹 美,仇 悦,张国礼
体育锻炼对认知能力发展的作用:预防、补偿还是增益
曹 美,仇 悦,张国礼
大量科学研究证明体育锻炼能够促进个体的认知发展。文章运用文献资料法,重新审视体育锻炼对个体认知能力发展的作用方式:预防、补偿还是增益?首先,体育锻炼能够预防老年人的认知老化进程;其次,体育锻炼对特殊人群认知发展起到补偿作用;最后,体育锻炼对儿童青少年的认知发展起到增益作用,但需要伴随学习等条件。因此,未来研究应该在明确体育锻炼对认知能力发展作用方式的基础上,关注体育锻炼对认知发展的作用机制。
体育锻炼;认知能力;预防;补偿;增益
体育锻炼,是指人们在内因与外界环境相互作用下,有目的、有意识地利用闲暇时间、采用体育手段和方法,为谋求身心健康或达到其他某种目的而进行的身体活动[1]。目前,大量研究发现,体育锻炼对个体的认知能力产生积极影响,具体表现为体育锻炼对个体的执行功能、注意力具有改善作用,并能够提升学生的学业表现。
“四肢发达,头脑简单”在现实中经常用来描述运动员的特点,尤其是进行长期体育锻炼的专业运动员表现出注意集中性和稳定性欠佳,思维不灵活,文化课成绩不理想,自我监控能力较弱等特点。一方面研究发现体育锻炼有助于认知发展,另一方面从事体育训练的运动员的认知能力未必都强大,需要重新审视体育锻炼与个体认知发展之间的关系,并思考体育锻炼对认知发展的作用方式,是预防、补偿还是增益?若是增益效应,是否也需要一定的条件?体育锻炼在一定程度上能够促进认知发展,但是对不同的人群体育锻炼对认知发展的作用方式是否一致,需要进一步明确。通过对近年来国内外文献的梳理,得出体育锻炼对不同人群认知发展的作用方式不同的结论。
1 体育锻炼对老年人认知发展的预防作用
所谓预防,就是体育锻炼可以预防老年痴呆以及延缓老年人的认知衰退。有关体育锻炼对老年人认知功能老化的横向研究表明,体育锻炼可以延缓认知功能衰退并达到预防老年痴呆的作用。Middleton等调查了9 344名老年女性在 10 岁、30岁、50岁左右以及晚年的身体活动情况。在控制了年龄、文化程度、婚姻状况、糖尿病、高血压、抑郁症状、吸烟、体重指数的作用后,结果发现在早期(10 岁左右)就参加身体锻炼的女性, 在晚年可能会降低患认知损伤的风险[2]。崔冬雪等研究结果表明,体育锻炼具有延缓老年人认知功能的衰退和预防老年痴呆的作用。说明经常参加体育锻炼有利于延缓老年人认知功能的老化,达到预防老年痴呆的作用[3]。
有关体育锻炼对老年人认知功能老化的纵向研究表明,体育锻炼有助于改善认知功能、预防老年痴呆以及提高空间记忆能力。(1)长期体育锻炼改善老年人认知功能。Langlois等最近的一项干预研究显示,经过3个月的有氧运动和力量训练运动,老年人的认知功能得到改善,即执行功能、工作记忆和处理速度得到提高[4]。这提示长期有氧运动可以预防老年人的认知衰退。其次,Smiley-Oyen等以57名 65~79 岁的老年人为被试,将他们随机分配到体育锻炼组和控制组中,进行10个月的锻炼干预即长时体育锻炼,并发现在涉及执行功能的冲突控制任(stroop,词语—颜色冲突任务)中,有氧锻炼组的成绩显著高于控制组,即证实了长时体育锻炼对于执行功能的积极影响[5];(2)长期体育锻炼预防老年痴呆。Duzel等研究发现,长期的体育锻炼对老年痴呆症的认知能力有保护作用。在对老年痴呆症患者进行长期的体育锻炼干预下,可以提高大脑的可塑性[6],从而延缓老年人的认知衰退;(3)长期体育锻炼促进空间运动记忆及其生理机制。Erickson等发现对老年人进行长期体育锻炼干预后,双侧海马前区体积增大来间接提高老年人的空间运动记忆[7]。空间运动记忆的提高也间接证实了长期体育锻炼可以预防老年人的认知衰退。
张连成等指出,长期锻炼对延缓认知老化方面的作用逐渐受到重视,并且在脑科学研究方面也积累了一定的证据:(1)身体锻炼通过对某些大脑结构的重塑来影响认知老化,经常参加体育锻炼对于老年人维持大脑灰质和白质容量、白质完整性等方面均表现出积极作用;(2)身体锻炼可以促进与认知功能相关脑区的激活以及功能网络的联结,以维持老年人的认知功能;(3)身体锻炼还可以通过提高大脑神经加工效率来影响脑功能,进而对延缓认知老化起到重要作用[8]。
2 体育锻炼对特殊人群认知发展的补偿作用
所谓补偿,即体育锻炼对于特殊人群的思维能力以及执行功能的补给作用,使他们更好地适应生活。体育锻炼对于特殊人群认知发展具有补偿作用。首先是体育锻炼对于孤独儿童和超重儿童认知的补偿作用。刘军提出体育游戏促进孤独症儿童语言的发展,体育游戏过程中根据孤独症儿童的兴趣和爱好来创设各种问题情境,以此来增加交往性语言,发展其语言交往能力、思维能力及主动解决问题的能力。其次体育活动促进了孤独症儿童智力的发展,体育游戏为其提供了多种感官协调配合的最佳形式如听声音拼图,能够促使其大脑皮层与神经系统的活跃从而促进其智力的发展;最后体育游戏也促进了孤独症儿童基本动作概念的形成与理解[9],从而补偿了孤独症儿童的认知能力。另外,体育锻炼对超重儿童的认知发展也有补偿作用,并存在生理学上的依据。Krafft等(2014)对43名8岁超重儿童进行8个月,每个上学日专门进行体育训练,结果表明大脑的中央前回、 后顶叶皮层等区域的激活水平下降, 而在大脑的前扣带皮质和额上回等区域的激活水平升高。这提示体育锻炼对于超重儿童的认知发展具有补偿作用[10]。殷恒婵等(2014)将171名7~14岁的超重青少年分为每天20min运动干预组、40min运动干预组和对照组,干预进行了约13周。采用标准化的心理测试评估认知能力和学业表现,并通过功能性磁共振成像(fMRI)观察青少年在做心理测试时的大脑活动所引发的血液动力指标。结果发现,干预组青少年的执行功能和数学成绩均有所提高,提示长期运动干预有助于提升超重青少年认知能力和学业表现[11]。
体育锻炼不仅可以补偿孤独症儿童的认知发展,还可以对智障儿童和年轻的唐氏综合症患者的认知发展起到补偿作用。(1)体育锻炼对于智障学生认知发展的补偿作用。陈莉等从特殊教育学校3~4年级在校智障学生中抽取能合作者123名,经过半年两项适应体育运动项目的实验干预,中度智障学生在适应行为水平得到明显的提高,这一结果与国内外大多数研究结果是一致的[12]。(2)Chen等将10名患唐氏综合症的参与者分配到单一运动组,即中等强度的跑步机行走,共20 min,另外10人分配到对照组,看相同时间的视频。结果表明,实验组在运动前后,参与者的选择反应时没有变化,但是注意转移和抑制却有显著性差异。这表明单一的运动干预对患有唐氏综合症年轻人的执行功能具有积极影响[13]。
3 体育锻炼对儿童青少年认知发展的增益作用以及条件
3.1体育锻炼对青少年认知发展增益作用
增益即锦上添花,体育锻炼主要对正常儿童的认知发展具有增益作用,即通过体育锻炼能够促进认知发展。Mura等人(2015)指出大部分研究结果与传统观念恰恰相反,体育锻炼非但对青少年的学业表现没有负面影响,还能在一定程度上帮助青少年改善认知能力,提升学业表现[14]。
首先是短时体育锻炼可以促进记忆。Pesce等的研究对52名11~12岁健康儿童分别进行了基线测试,并在集体游戏和循环训练一小时后测试了即时记忆和延时记忆。研究结果显示,参加完循环训练后的延时记忆与基线测试相比有提高,而参加集体游戏后效果更佳,即时记忆和延时记忆与基线测试相比都有所提高[15]。
其次,在脑功能方面,长期体育锻炼也有促进作用。Erickson将MRI成像技术应用于体育锻炼与青少年认知能力的相关研究,发现长时体育锻炼可能会改变大脑的某些与认知功能相关部位的形态和结构[16]。Chaddock等通过随机、对照实验,被随机分配到体育活动干预组的儿童比控制组的儿童表现出更大的脑容量和更优的认知功能[17]。其次是体育锻炼对大学生执行功能的影响。王天宇等医学研究表明,执行功能与缓慢发展的大脑前额叶皮层(prefrontal cortex, 简称 PFC)密切相关[18]。因此建议研究者关注体育锻炼对额叶皮层的影响。
总之,体育锻炼可以促进儿童青少年的认知发展,Soga等采用两个实验来探讨急性中等强度的运动对青少年执行功能的影响,结果表明,中等强度的体育锻炼对青少年执行功能的影响具有选择性的促进作用[19]。刘俊一研究发现,长时体育锻炼可以促进大学生执行功能。实验组通过8周中等强度有氧体育锻炼干预,以n-back测试任务反应时和正确率作为执行功能的指标。结果表明,实验组经过 8 周有氧体育锻炼后行为学表现明显优于对照组,并在生理层面上获得相应证据,大学生双侧额叶中回、左顶上叶、左额上回脑区激活水平增加,在进行 n-back 任务时能够注视关键信息以至于做出正确的判断[20]。另外,殷恒婵等人采用两种不同的运动干预方案对326名小学生进行为期20周的干预即长时体育锻炼。结果发现,两种运动方案均能够改善小学生的执行功能,且随干预时间增加,效果更为显著。并且体育锻炼促进认知发展也通过研究综述得到了支持。Esteban等对20篇文献进行分析,发现11篇(50%)发现体育锻炼和认知发展正相关,这提示体育锻炼促进认知发展得到很多了研究的支持[21]。Moreno 等的研究表明,在控制了潜在变量(年龄、性别、身体质量指数、父辈教育水平、脂肪重量、有氧适能)后,发现在日常生活条件下,青少年注意能力测试的成绩与长时间中等或高强度身体活动(MVPA)呈现显著的正相关(P<.05)[22]。
3.2体育锻炼对认知发展增益作用的条件
既然体育锻炼对正常儿童青少年的认知发展具有增益作用,存在的问题是体育锻炼单方面促进了认知发展,还是体育锻炼结合知识学习一起促进了认知发展,即体育锻炼促进认知发展的增益作用是否有条件,是否不能忽视学习的作用,答案应该是肯定的。结合学习的体育锻炼,才能体现体育锻炼对认知发展的增益作用。
Best让两组儿童分别进行静态的电子游戏和需要结合运动的电子游戏,其后比较两组儿童的执行功能。结果发现需要结合运动的电子游戏组儿童表现出更高的执行功能,说明手脑并用的游戏有助于提升儿童的执行功能[23]。这也说明了学习加上运动的效果更好,这也为体育锻炼促进认知发展提供了依据。Budde等人研究发现一组10min(短时体育锻炼)既锻炼身体又锻炼头脑的协调性练习有助于提升儿童青少年的专注力和注意力[24]。这提示也许体育锻炼加学习才是有效促进认知发展的关键,既锻炼认知能力又锻炼身体的运动形式可能比纯粹的体育锻炼更有利于提升青少年的认知能力。
另外也有研究者指出体育锻炼的强度大小也会对认知发展的增益与否产生影响。有研究证实体育锻炼促进认知发展的另外一个条件是,适量体育运动可以促进认知发展。美国神经科学家贾斯廷·罗德还提出了运动成瘾的危害。因为他在研究中发现,那些运动成瘾、运动量特别大的老鼠,大脑反应比运动量正常的老鼠迟钝。由此罗德指出,运动虽然对大脑有益,但也应该适可而止。大强度运动可通过多种途径对大脑机能造成损害。运动时能源物质ATP的耗竭,可能是中枢神经功能下降的主要原因[25]。 这说明适量的体育锻炼也是促进认知发展的重要因素,运动过量反而不利于认知发展。
4 总结与展望
近年来,体育锻炼对于个体认知发展的促进作用得到越来越多的重视,并且体育锻炼对于不同的锻炼人群的认知发展有不同的作用方式。首先,对于老年人而言,体育锻炼能够预防老年痴呆以及减缓老年人的认知老化进程;其次,对于特殊人群而言,体育锻炼对特殊人群认知发展起到补偿作用,使他们更好地适应生活;最后,对于正常的儿童青少年而言,适量的体育锻炼对儿童青少年的认知发展起到增益作用,但是需要伴随学习。体育锻炼对于不同人群产生不同的作用方式的原因在于,老年人主要面临的是认知老化过程,而体育锻炼可以延缓老年人的认知衰退过程,预防老年痴呆;特殊人群的认知功能存在一定的问题,而体育锻炼可以补偿他们的认知缺陷,使得他们在一定程度上可以弥补认知功能的缺陷;儿童青少年的认知发展相对而言比较健全,体育锻炼可以起到锦上添花的作用,即体育锻炼促进认知功能更快更好地发展。
这提示我们,需要充分利用体育锻炼促进认知发展的作用方式使得体育锻炼对认知发展的作用最大化:对于老年人而言,可以设计出不同的体育锻炼方式来预防老年痴呆等认知老化进程,如太极拳;针对特殊儿童,可以通过具体的体育锻炼方式来对他们的认知功能起到补偿作用,例如对于智力落后的儿童,可以采用体育锻炼的训练来补偿他们的认知发展[29];对于正常青少年而言,可以通过不同的需要来选择不同的体育锻炼方式,例如对于注意力不集中的学生,可以设计出提高注意稳定性的体育锻炼,例如跳绳、返跑、台阶试验、健身拳或者乒乓球[30-31]。因此,重新审视体育锻炼的预防,补偿,增益的作用方式,意识到根本的不同才能有针对性的设计不同方式的体育锻炼,使得体育锻炼对认知发展的作用最大化。
未来研究应关注体育锻炼对于认知发展的作用方式的脑机制,首先,运动改造大脑,体育锻炼对于不同人群的作用方式需要更多的脑科学证据,对于老年的的老年痴呆以及延缓认知衰退的功能,对于特殊儿童的认知功能的补偿以及对于正常儿童青少年认知功能的锦上添花需要更多的脑科学证据来证实体育锻炼的效应。其次,未来研究还应关注体育锻炼对认知发展的作用机制。即体育锻炼单方面直接促进认知发展,还是与其他心理社会性变量交互引起认知发展。体育锻炼的作用机制还需要进一步进行挖掘,“调节作用”与“中介作用”需要更多研究的证明。
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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
中央高校基本科研业务费专项资金资助(编号:2015YB005,2016ZX018)。
曹 美(1990-),女,在读硕士研究生,研究方向为锻炼心理学。
北京体育大学 运动人体科学学院,北京 100084
G804
A
1008-2808(2017)05-0087-05