大课间体育活动对高中生大脑功能状态的影响

□ 张彤彤刘训（.山东理工大学体育学院 山东 淄博 55000；.长春大学体育教研部 吉林 长春 3004）

最近经常有报道称，高中生在临近考试期间要吸氧以保持头脑清醒，保证学习成绩。这种情况是脑长期慢性缺氧导致的严重后果。脑的慢性轻度缺氧可引发注意力不集中、记忆力下降等症状，这是由脑缺氧引发的大脑疲劳所致。脑力疲劳在临床医学上被视为一种缺乏动机与警觉的主观认识感觉，主要表现为脑昏沉，注意力不集中、思考困难等。学生的脑力疲劳是由持续的学习活动引发的大脑皮层兴奋与抑制、消耗与补偿遭到破坏所产生的自我保护性反应。脑力疲劳对处在学习关键期的高中生来说是需要引起高度重视的。有报道表示有氧运动可以有效改善大脑缺血缺氧的症状。但课间休息的十分钟对于有氧运动来说时间太短，所以本研究选择大课间体育活动作为锻炼时间进行研究。多项研究证实：脑电信号可以反映人的生理状态及大脑高级功能状态。所以本研究采用脑电分析技术研究大课间体育活动是否能有效改善处于学习紧张状态下学生的大脑功能状态、提高学生的学习效率。

1、对象与方法

1.1、研究对象

选取某高中学生26人为被试，平均年龄为16.71±1.12岁。

1.2、研究方法

（1）实验仪器。

北京日江电子技术公司生产的高级运动状态监控仪采集脑电信号。

（2）实验方法。

选用慢跑、跳绳、广播操（第九套）这3项经常作为大课间体育活动的运动项目作为实验因素对被试进行运动干预。跳绳的运动负荷控制为个体的65%-75%最大心率，慢跑的运动负荷控制为个体的55%-65%最大心率，广播操的运动负荷为个体的45%-55%的最大心率。早晨上课前先对被试进行脑电信息采集，然后在第二节课后再对被试进行脑电信息的采集，之后再进行不同运动项目的大课间体育活动，活动时间为20min，再进行脑电信息采集。为了对比运动与不运动大脑功能状态的差异，加入不运动组做为对照组。为了进行数据对比，本研究对脑缺血缺氧、疲劳状态两个指标赋值，正常记0分，轻度记1分，中度记2分，重度记3分。心率采用polar表遥测。

1.3、数据处理

使用SPSS21.0对所得数据采用单因素方差分析和多重比较两种方法进行统计处理。

2、结果

2.1、不同运动方式前后学生大脑功能状态的变化情况

表1 本研究被试不同运动方式后大脑功能状态变化情况一览表

统计结果显示，在各种不同的状态下大脑缺血缺氧差异非常显著（p＜0.01），疲劳状态差异也显著（p＜0.05），左右脑对称差异非常显著（p＜0.01），只有前后脑梯度差异不显著。为了检验不同状态的差异情况进一步进行了多重比较。（统计结果见表2）

表2 大脑功能状态的LSD统计结果

多重比较的结果显示：大脑在缺血缺氧方面，课前与课后差异非常显著（p＜0.01），课前与不运动差异显著（p＜0.05）；课后与三项运动后差异显著 （p＜0.05），三项运动后与不运动差异显著（p＜0.05）。大脑疲劳状态方面，课前与课后差异显著（p＜0.05），课前与不运动差异显著（p＜0.05），课后与三项运动后差异显著（p＜0.05），课后与不运动差异显著（p＜0.05），慢跑、跳绳后与不运动差异显著（p＜0.05），广播操运动后与不运动差异不显著。三项运动后大脑的缺血缺氧以及疲劳方面差异均不显著。左右脑对称方面，课前与课后差异非常显著（p＜0.01），课前与不运动差异显著（p＜0.05），课后与三项运动后差异显著（p＜0.05），课后与不运动差异临近显著；广播操运动后与不运动差异不显著，慢跑、跳绳后与不运动差异显著（p＜0.05）。前后脑梯度方面差异均不显著。

3、分析

测试结果显示上课前学生大脑缺血缺氧以及疲劳的情况较少，说明经过一夜的休息，学生的大脑处于较好的工作状态，这也证明了睡眠对于缓解大脑疲劳是有效的。两节课后学生的大脑就处于疲劳状态，说明学生的学习负担非常重，对大脑的消耗非常大。这是因为脑是人体器官中需氧量最大的器官，占人体总耗氧量的20%-30%。但脑组织几乎没有储存营养物质的能力，所以必须依靠血液循环带来氧气以维持大脑的正常生理功能。因此脑组织对缺氧的反应最敏感、耐受力最低。学生是脑耗氧大户，繁重的学习任务、拥挤的学习空间、流通性很差的空气都加剧了脑缺氧。所以经常听到有学生说：“最近头晕、头疼、记忆力变差、睡眠不好、白天疲劳乏力”。这些很可能是过度用脑引起的大脑缺氧所致。很多报道都指出，适当的运动可以有效改善脑缺氧的症状。这与本研究的结果相一致。三种不同形式的大课间体育活动后大脑的缺血缺氧状况得到了明显的改善，而且与不运动差异也达到了显著性水平，说明运动这种积极性的休息方式对于改善大脑缺血缺氧是非常有效的。因为运动使体内新陈代谢加速，呼吸加深，心率加快，这样增加了循环系统运送氧气的能力，也加速了血液循环，所以有效的改善了大脑缺血缺氧症状。不运动对改善缺血缺氧症状作用不显著，可能是因为被动休息的情况下，由于没有刺激引起机体代谢水平的变化，所以对大脑状态的改善效果不明显。三种运动项目之间差异不显著是因为作为青少年的高中生，有氧运动的负荷在他们能够承受的范围内，虽然强度有所差别，但由于持续时间短，运动总负荷的差异并不是很大，所以差异不显著。可能运动时间延长差异会有所变化。

学生由于长时间持续的脑力劳动导致脑细胞产生大量代谢产物，例如自由基、乳酸等，这些有害物质会阻塞脑组织的代谢通道，导致血流不畅，这使脑内能量供应与消耗无法平衡，最终导致大脑不同区域的平衡关系遭到破坏，脑细胞活力下降。脑疲劳的产生，主要来自身、心两个方面。“身”的角度，高中生是学习任务最繁重的时期，长期过度用脑的同时睡眠不足，会导致大脑疲劳。“心”的角度，高中生处于青春期，心理波动比较剧烈，同时又面临巨大的升学压力，老师和家长过度的关心如果不能很好的理解，有时会转变成无形的压力，学生在紧张学习的同时心理无法得到放松，这会使大脑被迫加大工作强度，导致过度消耗，从而导致脑疲劳。有些人错误的认为不动是最好的休息方式，实验证明运动才是更积极更有效的休息方式，本研究显示运动强度越大消除疲劳的效果越好，广播操运动强度最小，消除疲劳效果与不运动差异不显著，慢跑与跳绳运动强度都在中等以上，消除疲劳效果与不运动差异都达到了显著性水平，说明短时有效的消除大脑疲劳的有氧运动强度越大效果越好。研究结果中的另一现象值得注意，就是不运动消除疲劳也达到显著效果。这可能是因为高中生脑力疲劳程度较浅，通过短时间调整可以有效恢复。

脑力疲劳出现后如果能够积极主动休息，可有效缓解。但从数据上看，休息的疲劳消除效果不如运动。体育运动可以说是为学生们紧张的学习提供了一个调节的机会，由于高中生多数时间都在教室中度过，所以他们对室外活动是非常渴望的，大课间体育活动满足了学生对操场、阳光的向往，也增加了同学之间相互交往的机会，起到了愉悦身心的作用。学生上课时处于静坐状态，这种身体姿态会导致肌肉疲劳，同时大脑需要不停的思考问题，这会导致脑力疲劳。体育活动既能活动四肢，改变久坐的身体姿势，又能转移学生的注意力，调节中枢神经系统的兴奋性，对身体疲劳和脑力疲劳都有缓解作用。

大脑的不同区域控制不同的信息加工活动，所以大脑的空间位置影响信息加工。本研究发现大脑疲劳后左右脑不对称的区域增多。这说明大脑疲劳以后，学生的认知能力会受到影响，所以学习效率会下降。运动对不同脑区的刺激不同，不同脑区相应的反应也不同，本研究中运动引起左右脑区不对称程度减低的原因可能是因为运动很多都是左右对称的动作，需要机体协调一致的完成，对两侧脑区都有不同程度的刺激，运动可以更好的使两侧脑区同步运行，所以不对称的区域显著减少。这只是一种推测，需要实验证实。有研究发现信息加工成绩好的儿童表现出了额低枕高的梯度分布，而成绩差组则出现了大量的逆转现象。梅磊等在记忆过程的脑电测试中证明了功率前后逆转的现象在记忆差组要多于记忆好组。但本研究中学习未引起前后脑梯度的变化可能是因为被试的年龄不同，其他的研究中被试都是12岁以下的儿童，大脑发育还没有完全，额脑是最后发展的具有最高层次的脑区，所以儿童表现出了大量的逆转。运动没有引起前后脑梯度变化可能是因为运动的量不够所致。

本研究结果显示，日常的学习活动就可以引起高中生大脑缺血缺氧，同时产生疲劳并引起左右脑不对称区域增多。不同强度大课间体育活动对缓解学生脑缺血缺氧、改善疲劳状态都有明显效果。大课间体育活动的运动强度越大，大脑疲劳恢复的效果越好。大课间体育活动可有效改善左右脑不对称。