身体活动、体适能对儿童青少年认知能力和学业成绩的影响

谌晓安，王人卫，施祥荣，朱晓红

儿童青少年身体活动与健康促进一直是世界体育科学和公共卫生领域关注的热点之一。目前全球81%的青少年达不到日常身体活动推荐量（中高强度身体活动≥60 min／天）［1］。 我国学生体质健康报告［2］及《中国儿童青少年体育健身指数评估报告（2017）》［3］显示儿童青少年运动不足仍然突出，体质健康问题依然严峻。究其原因，升学压力日益增加，学校、家长及学生偏重于文化成绩［4］，而忽视身体活动和体质健康是其问题的关键所在。

笔者系统梳理身体活动、体适能对儿童青少年认知功能、学业成绩的影响，并探讨其可能机制，以期对全社会高度关注并选择最佳策略开展适于脑、促进脑发育的运动，同时为国家制定应对政策提供依据。

1 身体活动与青少年认知能力、学业成绩

身体活动（Physical Activity，PA）指任何由骨骼肌收缩引起的导致能量消耗的身体运动，包括职业性、交通性、日常生活身体活动及闲暇时体育锻炼［5］；认知能力（Cognitive Function，CF）指人脑加工、储存和提取信息的能力，包括知觉、记忆、注意、思维和想象等，是学业表现和成绩的基础［6］。儿童青少年PA／体育锻炼与其认知能力、学业成绩的关系一直是学界关注的焦点之一。

1.1 观察性研究

PA强身健体作用早被熟知，但直到1967年才运用于对儿童青少年认知能力和学业表现影响的研究［7］。 1995 年 Keays等［8］首次总结了过去 30年的研究，认为PA／体育锻炼对青少年认知能力和学业表现等有积极作用。但前期研究也存在研究数量少、理论体系不完善、研究手段单一、混杂因素控制欠佳等不足［9］。

近20年来，随着神经科学的飞速发展，体育科学、神经科学和心理学等学科交叉融合，研究呈爆炸式增长。越来越多证据表明，青少年PA／体育锻炼和认知存在积极关系，和学业成绩存在显著正相关。如Stevens等［10］发现学生的体育活动与数学和阅读成绩呈正相关。罗春燕等［11］分层随机抽取上海市高中、中等职业技术学校13 151名学生，发现严重缺乏PA者自感学习成绩差。张建昌等［12］研究表明小学生PA水平与学业成绩显著相关；PA对学业成绩产生直接效应，通过执行功能的中介作用产生间接效应。

儿童青少年PA水平是否与其后续教育及成人教育成就具有相关性呢？一项代表性的研究是Kari等进行的为期30年的纵向调查［13］。该研究中，1 723名12岁和2 445名15岁被跟踪调查到2010年（此时平均年龄40岁），自我报告体育活动（包括课余体育活动、体育俱乐部训练及体育比赛）。结果发现15岁时体育活动水平和12～15岁体育活动水平的提高与15岁时平均成绩和成年后教育成果呈正相关，并指出不管是体育课、体育组织还是体育竞赛，均与学业成绩正相关；表明青少年时期体育锻炼可预测义务基础教育阶段的学业及促进日后的教育成果。另一项长达10年的纵向研究则指出体育对小学生的学业成绩无消极影响。女孩参加更多的体育可能获得更好的学术成绩，对成绩不利影响的担忧可能不是限制体育课程的合理理由［14］。 Pfeifer等［15］认为童年和青年时期进行非专业体育活动可增加获得更高学历的可能性。

也有报道两者之间不相关甚至是负相关关系［16，17］。 可能是混杂因素未控制好、测量工具及效度差异、认知多维性及测量结果受诸多因素影响等［9］。 Donnelly 等［18］在一项关注标准化成就测试与体育活动和注意力／注意力的元分析中，纳入73项研究。结果表明身体健康、单次PA和PA干预有益儿童认知及正向预测学术成就。

1.2 随机对照试验

仅通过观察性研究来探索儿童青少年的PA与认知能力、学术成就的关系远远不够。多重混杂因素如受教育程度、社会经济地位、身体健康水平、父母参与等可能带来影响，如到底是PA多者其认知能力较强、学业成绩较好，还是认知能力较强、学业成绩较好者更愿意PA？强有力的因果推论受益于随机对照试验（Randomized Controlled Trial，RCT）。

目前多数研究认为PA对青少年（包括执行功能发育迟滞的特殊人群）的认知产生积极影响，且存在量-效关系，即其类型、强度、频率、持续时间等单独和／或交叉作用于认知功能和学业成绩［19，20］。Fedew等［21］元分析表明，有氧运动的影响最大。笔者侧重讨论急性和长期规律性有氧运动对儿童青少年认知能力和学业成绩的影响。

急性有氧运动的影响。17名大学生进行一次30分钟中等强度有氧运动后，行为抑制正确率提高，脑源性神经生长因子（Brain Derived Neurotrophic Factor，BDNF）增加，脑电成分Nogo-N2和Nogo-P3效应明显。提示急性中等强度有氧运动可有效促进大学生的抑制能力，其机制可能在于对抑制信号的快速识别和认知资源分配，及更多的外周BDNF循环量［22］。有研究认为运动强度与抑制功能呈倒U型曲线关系，即中等强度组均高于对照组和小、大强度组［23］。一项元分析认为，急性运动后10 min内损伤认知、11～20 min促进认知、20min后促进幅度逐渐变弱［24］。

长期规律性有氧运动的影响。Kamijo等［25］、Hillman［26］、Drollette［27］考察 9 个月课外 PA 干预对7～9岁儿童工作记忆表现的影响。结果表明，PA提高心肺功能的同时，对需要更大工作记忆需求的任务（Sternberg Task）产生更积极作用，促进儿童与有效冲突监测相关的潜在神经过程的有效性，提高认知能力。刘俊一［28］比较了不同有氧运动对大学生执行功能的影响，结果显示运动强度、频率和时间对执行功能提高的贡献分别为0.927、0.872、0.813；强度主效应存在性别差异，小强度高频率、中等强度中等频率有氧体育锻炼分别适用于女、男生，且以12周为单元周期。

学校是青少年学习运动技能、提高认知能力和学业成就的主要场所之一。近年来，以学校为基础（School-based）的PA干预研究显著增加，旨在建立学校环境下的PA与认知／学业成绩之间的关系，以及高质量的评估和设计校本体育活动。Watson等［29］对一系列与学业相关研究进行元分析，结果显示课堂体育教学促进了任务完成，降低了开小差行为，提高了学业成绩。一项针对547所弗吉尼亚小学的大规模研究表明，减少体育、艺术和音乐，或增加数学和阅读等时间，并不会提高学业成绩［30］。

上述研究表明PA／体育锻炼对儿童青少年的认知能力和学业成绩有或强或弱的积极影响，尤其无实验性数据说明增加学校里PA对学业不利。同时也提出了亟待进一步解决的问题：（1）有氧运动影响最大，是否存在选择性改善认知功能及其效度多大？如何设计出差异化运动方案？（2）力量练习、柔性练习、高强度间歇性练习等是否同样对认知及学业成就产生良好作用？（3）相对于单一的运动，综合性运动是否也能带来更大的益处？

2 体适能与青少年认知能力、学业成绩

体适能（Physical Fitness，PF）指在应付日常工作之余，身体又不会感到过度疲劳，还有余力去享受休闲及应付突发事件的能力［31］，包括健康相关、技能相关和代谢相关体适能。健康相关体适能是体质研究的重要内容，由心肺适能（Cardiorespiratory Fitness， CRF）、身体成分（Body Composition）、肌肉骨骼适能（Musculoskeletal Fitness）和柔韧性（Flexibility）组成。

2.1 体适能整体水平对青少年认知能力和学业成绩的影响

Hillman［32］比较了 114 名高、低适能儿童完成侧抑制任务时的神经电差异，高适能儿童侧抑制任务完成好，也表现出更大的P3振幅。不一致条件实验也显示了相似结果。Pontifex等［33］研究显示，低适能者的反应准确性下降，对不兼容的刺激-反应条件的反应有选择性的、更大的缺陷，需要最大程度的认知控制；而高适能者表现更好。这些研究表明高适能儿童有更大的注意力资源分配，认知灵活性增强，准确性提高，提升其学业。

2.2 体适能构成要素对青少年认知能力和学业成绩的独立作用

在体适能构成要素中，心肺适能是最早、最受关注，常常独立或与其他要素一起被用来研究的要素。除在健康预测中具有重要意义外［34］，心肺功能也被认为是身体活动提高认知能力和学业成绩的重要中介。 Chaddock［35］、Keita 等［36］研究表明高心肺适能儿童表现出更准确的关系记忆任务及认知控制。控制肥胖、青春期发育和社会经济等混杂因素后，心肺功能与其学习成绩显著相关［37］。

随着超重／肥胖日益增多，对青少年的认知能力和学业影响越来越关注。Hjorth等［38］认为独立于身体活动、睡眠和饮食，正常体重儿童具有更高的认知能力。而静坐少动、超重、肥胖儿童青少年执行功能、注意、短时记忆、视觉空间技能等下降［39，40］，通常获得较低分数，受教育时间明显减少［41］。超重／肥胖是心脑血管疾病独立危险因子之一。15-18岁间心血管健康预示着18岁时认知能力及更高的后续教育［42］。

除了脂肪含量外，其分布、尤其是内脏脂肪（Visceral Fat，VF）对学业和认知功能更为重要。它独立于身体总脂肪量和一些潜在混杂因素（如年龄、青春期阶段和家庭收入等）。 Lauren［43］提出VF与肥胖儿童的认知能力有独立、选择性负相关的观点。他比较了55名8～9岁肥胖女童和正常体重女童的认知和学业成绩，协变量分析包括年龄、短时智力、社会经济地位、摄氧量、肥胖等。结果肥胖女童阅读和数学成绩显著降低；体脂率和腹部皮下脂肪组织与认知能力无关，但高VF者执行力更低；正常体重女童的VF与知识能力和认知效率正相关。 Kamijo 等［44］、Schwartz［45］研究与之一致，且认为女性VF对认知的潜在危害更为敏感。因此，通过PA干预体重改善青少年认知能力和学业尤为迫切。Huang［46］将肥胖儿童随机分配到夏令营干预组（6周夏令营+46周家庭干预）或标准干预组（每周1天，共6周）；干预包括体育锻炼和健康课程，分别测量基线、6周和52周的认知功能。结果表明有利于儿童的情绪控制、监控和视觉空间构建技能。Davis［47］的干预显示大运动量组提高了肥胖儿童的执行控制能力。饮食、有氧运动和教育联合的综合干预可显著提升单纯性肥胖青少年注意能力［48］。

不同的体适能要素对学业的影响程度不同。为期2年的追踪研究认为有氧耐力对学业成绩产生中等效应影响，而体重、肌肉力量、柔韧性和速度效应较小［49］。

2.3 体适能构成要素对青少年认知能力和学业成绩影响的联合作用

健康体适能要素对儿童青少年认知能力和学业成绩产生联合作用。一项5国联合研究［50］444名青少年进行了运动素质、肥胖和注意力测试。调整年龄、性别、家庭经济和母亲教育后，心肺适能与注意力呈正相关，身体质量指数和脂肪质量指数与注意力呈负相关。肌肉力量、速度-敏捷性与注意力无关。同时观察到综合效应，即健康和正常体重青少年的注意力最高，反之最低。研究认为心肺适能和肥胖都与注意力有关，但这些联系并不是独立的。

García 等［51］测试了 36 870 名智利 8 年级学生CRF、肌肉力量、体重、身高和腰围，结果发现高心肺适能和正常体重青少年更易取得语言和数学高分，反之较低。肥胖但有高心肺适能的青少年也较高。线性回归模型提示较高的体适能可作为中介变量部分或全部调节肥胖变量与学业成绩之间的联系，即可能减弱甚至抵消肥胖对青少年学业的不良影响。

3 身体活动、体适能影响青少年认知和学业成绩的机制

3.1 影响青少年认知的生物学机制

研究表明青少年的多种认知能力受益于PA或体适能，其可能机制可通过整合生理学的观点来解释，即中枢和外周因素共同作用的结果（见图1）。

图1 运动增强脑可塑性和改善记忆功能的生物学机制

3.1.1 中枢因素 大脑是中枢神经系统最高级部分，由皮质和白质组成。其中前额叶皮质控制着执行、思维、意向、情绪、工作记忆等认知功能；海马齿状回是学习和记忆至关重要的区域。白质为神经元提供营养、形成髓鞘、加快传导速度等。人生前20年是大脑生长发育的关键时期，大脑可不断修饰和重组其结构和功能（即大脑的可塑性）。来自医学影像学技术、脑电成像、脑磁成像技术等诸多证据对运动选择性地改变相关脑区结构、提高脑认知功能提供了实证。

脑结构的变化。动物实验常用来检测PA在神经元生命活动中的作用。运动时血流量增加，强有力刺激潜在的神经元发生、突触建立，增加了海马的突触可塑性，是运动改善其行为学能力的分子机制之一。且这种可塑性变化具有时间依赖性，停止运动后仍可延续［52，53］。人体实验最有力的证据是对前额叶皮质执行功能和海马区记忆力的改善［54］。 Chaddock 等［55］发现体适能较高的 9-10岁儿童有更大的双侧海马体积和记忆任务表现，海马体积在体适能与关系记忆间起介导作用。这一发现首次表明有氧运动可能与青春期前人类大脑的结构和功能有关。肥胖人群神经细胞修复功能下降，诱发脑白质病变，同时脑容量减少，轻微萎缩，认知功能下降［56］。

脑功能激活的改变。 陈爱国等［57］、Davis等［58］发现短时中等强度有氧运动和长期PA干预均能诱发儿童双侧额叶激活增加、后顶叶激活水平下降；Chaddock等［59］9个月 PA 干预后，儿童右前额叶皮质的fMRI活动减少，注意力和干扰控制任务改善。表明儿童身体活动可能增强前额皮质功能；Kamijo等［60］发现心肺适能高的儿童，大脑各区域间功能连接较高，脑功能网络层次为运动改善儿童脑功能提供了证据。

神经营养／生长因子的变化。运动诱导中枢和外周的神经营养／生长因子及其级联，它们指示下游的结构和功能变化。这些因子包括BDNF、胰岛素样生长因子（Insulin-like growth factor-1，IGF-1）、成纤维细胞生长因子（Fibroblast growth factor，FGF-2）、血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor， VEGF）、促红细胞生成素（Erythropoietin，EPO）等。BDNF是关键因子之一。它与原肌凝蛋白受体激酶β（Trkβ）结合后被内化到神经元中，并作为众多级联的对接位点，监管控制神经元，促进大脑发育［61］。PA过程中神经元活动整体增加可能是促进BDNF表达和突触相互作用和调节的潜在机制之一［62］。 Cotman 等［63］认为有氧运动诱导IGF-1和VEGF全身上调表达，循环IGF-1和VEGF穿过或作用于血脑屏障，调节大脑IGF-1、VEGF表达。

3.1.2 外周因素 外周重要介导因子有肌肉因子（myokines）、肝脏因子（hepatokines）和脂肪细胞因子（adipokines）等。 如组织蛋白酶 β（cathepsinβ，CTSB）、β - 羟基丁酸酯（BHA）、IGF-1、白细胞介素-10（IL-10）等，沟通不同器官进行相互对话（crosstalk），调节机体功能。这是通过整合生理学的观点解释运动促进健康的最新理论［64］。肥胖儿童有更高的促炎细胞因子，破坏神经回路，脑处理速度降低和执行功能受损；缺乏有效认知控制导致脂肪增加，又对认知控制继续产生负向影响［65，66］。

通过包括身体活动在内的健康行为，延长开发和功能激活特定的脑区域非常重要。但其生物学机制尚有待进一步挖掘。近年来表观遗传调节控制研究提供了新的理论和视角［67］。

3.2 影响青少年学业的综合机制

早期研究基于倒U型激励理论。20世纪70年代，Flynn［68］认为9～11岁儿童最低和最高强度自行车运动时数学表现最差，中等强度时最佳。这是第一次捕捉运动强度对学业影响的重要研究。

除了PA和体适能的直接影响，还存在中介变量和调节变量。20世纪90年代开始，研究人员呼吁纳入可能的变量。如一项有氧健身研究中，男孩和女孩没有显示出一致的结果［69］。儿童青少年身体健康、经济状况等对其产生影响［70，71］。 综合研究成果，PA可能直接影响青少年的学业，也可能通过体适能、健康、心理-社会等中介变量及年龄、性别、受教育程度、社会地位等调节变量发挥作用。

图2 身体活动／锻炼、体适能影响青少年学业的综合机制

4 目前研究不足及未来展望

研究证明身体活动、体适能对儿童青少年认知能力和学业发挥积极作用，也提出了多种可能机制。但仍需做更深入的研究探讨。

（1）增加研究对象的多样化和普遍性。多数现有研究建立在健康儿童，那么特殊儿童譬如自闭症、注意力缺陷多动障碍症和其他异常儿童是否也会产生同样的积极效应及其差异？

（2）使用更高质量的方法和更严格的设计。生态效度（ecological validity）是研究设计的重要组成部分，受观察点、实验环境等因素影响。目前横断面调查缺乏对混杂变量的检验；纵向研究缺乏队列排列来判定一些因素与结局之间因果关联及程度，随机对照实验质量控制不足等。如Singh等［72］对10项观察／纵向研究和4项干预研究的回顾中发现只有两项在方法质量上较好。

（3）身体活动的量-效关系一直是核心问题。其他人口统计学变量如性别、遗传、动机、个性特征、摄食、营养及发育期是否也参与调控及其程度多大有待进一步研究。

（4）身体活动、学业和现实任务的转化运用策略。由于与学习存在时间竞争，如何实现三者有效转化？如学校体育是儿童青少年“三位一体”教育体系中重要环节。如何采用合理、有效的学校体育获取更好的锻炼效应？如何更好地将PA整合到学校中？此时也要考虑一些嵌套问题（nesting issues）包括学生对体育干预的依从性，教师如何营造课堂气氛，提供差异化身体活动等。这些都提示还需要更多研究将实验室发现转化为学校环境的策略。美国专家们［73］呼吁学校采取全面措施来提高孩子们的PA水平，包括课间休息、课堂PA、课前和课后活动，以及将PA与学术课程整合起来，创造健康的学校环境；荷兰内梅亨大学医学中心的研究人员［74］发现学习后进行体育活动可以改善机体记忆力及记忆痕迹，但前提是体育活动在特定的时间窗口（学习后4h）里进行，或者学习后并不立刻进行体育活动。

综上所述，促进身体活动及体适能改善的融合可促进儿童青少年的认知和脑健康；反之则不利于儿童青少年身体健康、认知和学业成绩。全社会应高度关注并优化开展适于脑、促进脑发育的运动，促进儿童青少年身心健康和学业成绩，实现“2030健康中国”战略目标。