儿童青少年运动教育的全脑重塑作用：基于心理健康与心理能力发展的双重视角分析

郭燕，周珂，魏高峡

中共二十大报告中强调：培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人［1］。《〈体育与健康〉教学改革指导纲要（试行）》中也强调：“进一步深化体育教学改革，指导全国中小学体育教师科学、规范、高质量地上好体育课，更好地帮助学生在体育锻炼中‘享受乐趣、增强体质、健全人格、锤炼意志’，促进学生身心健康全面发展”［2］。这提示新时代教育改革势在必行，体育运动是实现立德树人教育目标的重要途径。

体育运动既包括一般性的身体活动、专业的竞技运动训练，也包括在学校组织的有目的、有计划、结构式的体育教学活动。人类的大脑具有高度可塑性，其发育受到遗传和环境因素交互作用的影响。脑影像学研究证据表明，体育活动作为重要的环境变量，能重塑人脑结构和功能［3］，对儿童青少年这一发育早期群体有着更为显著的影响。来自教育领域的神经认知科学研究成果也表明，体育教育的各个要素、内容和环境对学生大脑的发展具有更为独特的价值和意义［4］。本文基于脑科学研究成果的梳理和思考（如图1 所示），介绍了多样化的体育教育活动影响个体认知、情感和意志有关的大脑局部脑区和脑网络，并根据个体差异和教学过程的规律，提出了今后体育教学活动需要重点关注的内容，一方面能从环境角度进一步丰富神经科学中大脑可塑性的研究证据，另一方面有助于为体育教学提供新的视角，同时也为正在进行的体育与健康课程改革路径提供科学指导。

图1 运动促进心理能力发展与心理健康的全脑重塑

1 运动重塑大脑结构和功能

人类运动经验作用于大脑结构和功能的多个层面，对青少年儿童的大脑结构发育完善、功能成熟有显著影响［5-6］。发展神经科学的研究结果显示，在大脑发育的关键时期，丰富的早期生活经验（如体育、艺术、音乐、志愿服务及语言学习）是成人期大脑结构和功能变化的关键因素，这种影响甚至持续终生［7］。

1.1 改变大脑结构

体育运动作为一项重要的生活方式和学习经验，对儿童青少年群体的大脑结构发育有着重要的影响。在儿童群体，体育运动显著改善了大脑白质微观结构，提高了胼胝体的完整性［8］；同时增加了岛叶皮层、尾状体、双侧颞上回和双侧缘上回等多区域的白质体积［9］。在青少年群体，来自运动专家的脑影像学证据表明，长期的运动技能学习能够改变青少年时期大脑局部脑区等灰质体积、褶皱度、皮层厚度及皮层下结构组织［10-12］。比如，针对14 岁跳水运动员的大脑结构研究发现，专业的跳水运动显著增加了个体运动区和丘脑脑区的灰质密度［13-14］，增强了双侧丘脑和左侧苍白球的形变参数［15］，同时促进了左侧颞上沟、右侧眶额皮质、右侧海马旁回等脑区皮层厚度增加［16］。短道速滑运动增进了大脑左侧楔前叶、左侧顶叶、下叶和右侧额叶的皮层厚度［17］。此外，其他的运动技能学习也对大脑局部脑区产生了选择性影响。如足球颠球的动作学习可改变学生白质结构网络拓扑属性，增加额叶-纹状体环路的白质结构网络重塑［18］。专门的平衡训练增加视觉和前庭皮质区域的皮质厚度［19］，促进脑组织网络重组，以提高姿势控制的自动化和有效协调［20］。国内一项大样本的影像学研究发现，青少年的体育活动量与大脑皮层厚度显著负相关，这些脑区主要包括右侧脑岛短回、扣带回背侧、左侧中后扣带回/沟和楔状回，同时与左侧前枕沟皮层厚度显著正相关［12］。增加心肺功能的篮球运动则与大脑纹状体体积的增加有关［21］。因此，无论是侧重于技能学习的经验，还是强调心肺功能的体育锻炼活动，均可促进儿童青少年大脑结构的改变。同时，不同的运动项目给大脑结构带来的影响存在个体差异。最近的一个大样本研究揭示，与个人运动相比，团体运动与较薄的前额叶大脑皮层有关，显示出运动参与与大脑成熟之间的关联［22］。

1.2 优化大脑功能

功能磁共振成像（缩写为fMRI）技术能更为精确地帮助人类探测到毫秒级的大脑功能活动。多个研究证据表明，无论是短时30 min 的有氧运动，还是长达数月的长时运动干预，均发现能显著改变大脑功能特征。这些功能活动一方面表现为任务活动相关的大脑激活水平的变化，另一方面表现为静息态局部功能活动或大脑功能网络活动模式的改变。

体育活动同样会影响儿童青少年的静息态脑网络。有研究发现，有氧适能水平与青春前期儿童认知控制网络的连接效率之间存在正向关联［25］，即那些拥有更好有氧适能的儿童，其大脑中负责认知控制的神经网络连接更加高效。一项8 个月的锻炼干预研究发现，课外体育活动明显改善了肥胖儿童的大脑静息态凸显网络、默认网络、执行控制网络和运动网络的大脑功能活动［26］。有研究者甚至在不同形式的体育活动中也发现了运动项目差异。比如，单人运动与有合作运动相比，右侧颞顶交界处和后内侧前额叶皮层在与竞争对手的互动中表现出更高的激活水平［27］。

2 体育运动的全脑教育作用

2.1 提升心理能力的脑机制

在诸多的心理能力中，认知功能是认知神经科学领域最为热门的研究主题。儿童青少年时期，认知功能发展速度最快，且具有极强的可塑性［28］。行为学研究发现，长期运动对儿童青少年执行功能、记忆能力［29］和学业成绩均有着显著的促进作用［6，30-31］。与此同时，大脑影像学研究还表明，这些认知促进作用的背后有着一致性的大脑结构和功能活动基础。运动提升认知功能的主要脑区主要集中在前额叶相关区域、海马、基底神经核团等［5,32-35］。

执行功能是大脑的核心认知功能之一，主要包括抑制、刷新和转换3 个子功能，其作用是帮助个体灵活且高效地完成认知活动，进行有效行为调控，产生目的性行为［36］。一项13～16 周有氧运动干预实验发现，肥胖儿童［年龄为（9.3±1）岁；BMI 为（26±4.6）kg/m2］参加体育活动的强度（低强度20min/d，高强度40min/d）与其执行功能的改善和数学成绩的提高相关；干预后观察到儿童执行认知任务时眶额叶、后顶叶皮层和前额叶皮层的神经活动增强［23］。前额叶的作用在另一项大样本横断面研究中被证实。Chaddock 团队研究发现，9～10 岁体质水平好的儿童通过前额叶-海马相互作用，表现出更强的执行控制能力和灵活转换能力［37］。其原因可能是经常参加身体锻炼的儿童脑容量较大，执行功能的处理速度更快，大脑的认知控制和记忆任务也更加出色，所以表现出较好的认知功能和突出的学业成绩［5］。体育运动对执行功能的影响除了运动强度因素以外，还有大脑认知参与度的大小，即认知需求较高的运动更能激活参与执行功能的大脑区域，增强生理唤醒，诱导更具体的认知激活，从而进一步增强即时记忆，促进额外刺激以改善执行功能［38-39］。

海马和大脑内侧颞叶是进行记忆的重要脑区。体育活动对这2 个脑区的影响已得到大量动物学实验和人类影像学研究的支持［35］。来自动物实验的证据表明，在分子水平上，有氧运动提高了影响海马等脑区突触可塑性的生长因子的水平［40-41］。尤其是脑源性神经营养因子（BDNF）和胰岛素样生长因子-1 的产生可以促进新血管和神经元的发育，并能将其整合到大脑相关区域现有的网络细胞中［42-43］，从而促进神经元的细胞增生、存活和分化，进而促进大脑的发育［44］，提高记忆表现。近期的一项证据发现，在运动诱导下，海马中的BDNF 表达调节增强，且与空间学习和记忆形成密切相关［33］，进一步证实了运动对海马结构有关的记忆表现的影响。此外，人类影像学研究发现，无论短时高强度体育运动，还是中等强度的有氧运动，都显著改善了与记忆密切相关的内侧颞叶的激活，促进认知功能的改善［35，45］。有研究者认为，体育运动后通过增强内侧颞叶及相关大脑网络的功能活动［35］，从而促进了情景记忆的时长，改善了情景记忆的效果［46］。

此外，20～40 min 的中等强度身体活动能促进学生对知识的理解和掌握［47］，提高儿童青少年的学业成绩，其中对数学成绩提高最为明显［47］。Lopez-Vicente等研究发现，坚持体育运动9 个月的儿童右侧前额皮层激活显著高于未坚持运动的儿童；与低体质水平儿童相比，高体质水平儿童表现出额上回、颞叶区和外侧枕叶皮层的灰质厚度减少，同时数学成绩更加突出。此外还发现，儿童出色的算术能力与前额区和上额区的皮质灰质变薄有关［48］。

2.2 改善心理健康的脑机制

在儿童青少年的发展过程中，特别是青春期这个特殊发展阶段，个体大脑发生着剧烈变化，具体表现为影响调控和计划的大脑前额叶发展远远落后于情绪脑区的成熟程度，表现为常见的情绪失调现象，严重时可能发展为抑郁、焦虑等情绪症状，影响青少年的心理健康和社会性适应能力的发展。因此，情绪健康问题成为儿童青少年时期需要密切关注的主题。

目前，大多数实验研究证实，短时运动和长时运动的干预方式对负性情绪有显著的改善效果［49-50］。采用短时有氧运动的实验室范式进行研究发现，一次30 min 的中等强度（60%～70%最大心率）有氧运动可以显著降低抑郁患者的负性情绪感受（POM问卷中的抑郁、慌乱、疲劳和紧张感维度）［51］。长时运动的临床干预实验研究也观察到抑郁症患者的抑郁症状因参与体育锻炼而得到显著缓解，其中干预研究的对象不仅包括典型的老年抑郁患者［52］，还包括多个年龄段的成年被试［51-53］。因此，有元分析得出结论，身体锻炼的干预方式对于抑郁的改善效果量至少是中等程度［53］；在观察性研究中，无论全球地区、性别、年龄或随访期如何，习惯性和不断增加的中等至剧烈体力活动水平与成人抑郁事件和亚临床抑郁症状的发作呈负相关［54］。此外，体育锻炼对焦虑症的改善效果也得到了多项元分析的证实［55-57］。除了情绪障碍的治疗外，多个长时运动的干预研究还发现，体育锻炼还能显著改善心血管疾病［58］、硬化症［59］等多种躯体疾病患者的抑郁、焦虑、应激等负性情绪症状。

3.3.2 实验室贫血检查 呈现不同程度的贫血，以小细胞低色素性贫血常见，典型者表现为缺铁性贫血。本研究显示实验室检查为贫血表现占50例，大便潜血试验阳性19例，考虑钩虫性十二指肠炎综合征患者多以长期慢性贫血为主，对于从农村而来的特别是不明原因消化道出血、长期慢性贫血的患者检查时应高度警惕钩虫感染可能[8-10]。

越来越多的分子学证据表明，下丘脑-垂体-肾上腺轴的炎症增加和过度活跃是重度抑郁症中最一致的结果［60］。体育运动通过促进多种细胞源性神经营养因子及血管内皮和胰岛素样生长因子-1 等多种神经生长因子的含量增多，进而促进神经突触的生发、下丘脑-垂体-肾上腺轴活性、单胺类神经递质等，从而缓解抑郁症状［61］。研究发现，6 周的运动干预明显促进炎症细胞因子（TNF-α）水平和IL-6 水平，进而缓解了抑郁症状［62］，尤其是自愿运动可以保护或防止由于压力性应激引起的BDNF 蛋白表达的减少［63］。

目前，运动影响情绪的人脑机制研究才刚刚起步，其中锻炼效应的脑可塑性假说的提出为这一领域提供了积极的启示。前额叶和杏仁核是运动诱发情绪反应中应该重点关注的脑区。

在短时运动的脑机制研究方面，脑电图（EEG）研究发现，该运动形式在减少紧张-焦虑情绪反应的同时，显著增强了右侧额叶alpha-1 的活动，降低了前扣带回alpha-2 的活动［64］。一项近红外成像研究表明，15 min的有氧运动能显著降低负性情绪，同时伴随有腹侧前额叶的显著激活［65］。此外，功能磁共振成像（fMRI）研究也观察到30 min 的短时有氧锻炼能显著改善情绪，降低了与奖赏有关的皮层活动［66］。在长时运动的情绪干预脑机制研究方面，有研究者将有氧运动作为冥想训练的对照组，旨在探索冥想改变负性情绪的神经机制。该研究发现，8 周的有氧锻炼与冥想同样能够降低负性情绪反应，还增多了腹侧前额叶的活动［67］。

杏仁核在结构上与纹状体、额叶和颞叶相关，在对负面情绪刺激的情绪处理反应中起主要作用［68］。体育运动可抑制大脑中杏仁核的功能活动［69］，也可能会调节经过杏仁核与认知控制和边缘网络的功能相互作用［68］，共同降低压力、恐惧、焦虑等负性情绪。此外，近期一项单次有氧运动影像学研究表明，30 min 中等强度有氧运动显著降低力量个体负性情绪体验，增加了右侧杏仁核与右侧眶额皮质之间的功能连接活动，且这种功能连接的增强与抑郁情绪评分的降低显著相关。以上研究说明，有氧运动可能通过同时增强眶额叶对杏仁核的认知控制，或降低杏仁核自身的活动水平，减少负性情绪（如抑郁）的产生［68］。

除了情绪问题以外，儿童青少年时期还需要发展一定的心理韧性水平，应对学业压力和情绪发展的挑战。目前，由于心理韧性水平低，独自解决困难问题的能力差，儿童青少年容易出现问题行为和极端行为。因此，心理韧性的提升也是全社会所高度关注的问题。研究表明，体育运动有助于提升儿童青少年的意志品质，提高其面对困难的坚韧性、解决问题的能力和完成任务的专注度［70］。参与体育锻炼多的学生意志品质越坚强，困难承受度和智源集中度越高［71］。此外，高性能的运动障碍和激烈的对抗，有助于巩固运动员意志品质，优化其心理资源［72］。比如，耐久跑、足球、攀岩、短道速滑［73］、障碍性体育游戏均可提高学生的意志品质［74］。

近期一项脑成像研究发现，优秀短道速滑运动员意志品质得分显著高于普通人，并且运动员在左侧楔前叶、左侧顶下小叶和右侧额叶的皮层厚度更厚，且左侧顶下小叶皮质厚度和意志品质得分之间存在正相关，意志品质的独立性表现与左侧顶叶下部皮质厚度正相关［75］。必须注意的是，意志品质的发展受年龄［76］和性别［77］影响。此外，运动形式、运动类型（团队和个人）、运动经验等个人特质等因素在运动对意志品质的影响中可能起重要的调节作用［78］。

2.3 个体差异的影响

运动诱导的大脑可塑性受生理性别、年龄和体质水平的影响。由于女性的灰质体积更大，表现出更大的基线活动，因此，运动诱发的神经可塑性更大［11］。有研究发现，男性青少年运动量与右侧楔前回和颞下沟皮层厚度显著正相关，而女性青少年运动量与双侧后扣带回腹侧，右侧脑岛短回和外侧颞枕回及左侧扣带回/沟中后部、楔状回的皮层厚度显著负相关［12］。针对不同年龄的个体，运动对大脑活动的影响也存在差异。一项使用功能磁成像技术探察手脚同时运动对大脑运动活动的影响。结果表明，在完成运动任务时，年长受试者比青年受试者表现出更复杂的大脑功能活动［79］。

此外，不同体质健康水平的个体在体育运动中大脑的获益也存在差异。行为学证据发现，体质健康水平高的儿童在大脑和认知方面表现出更大的益处。例如，体质水平较高的儿童在神经认知功能成分信息处理与控制、视觉空间工作记忆和注意力效率方面表现更好［80］。结构影像学研究发现，体质健康水平越高，海马体的灰质体积越大［37，81］。任务态磁共振研究表现，体质水平对30 min 中等强度有氧运动后的执行功能表现起着显著调节作用，体质水平不同的个体，其大脑激活模式在不同任务中存在差异［82］。另一项20 min 高强度间歇干预研究表明，10 min 急性有氧锻炼后，2 种体质水平组在3 种不同测试水平下的反应时间均有减少，但体质健康水平高的年轻人反应时间缩短，且只有高体质水平组显示出更小的切换成本和更大的P3振幅，而低体质水平的参与者在10 min 高强度间歇和20 min 中等强度连续运动中在认知灵活性和反应灵敏性均有所提高［83］。一项横断面研究发现，体质水平较低的青少年在编码后来记住的单词和忘记的单词时，双侧海马体和右侧额上回的神经激活程度更高；体质水平较低的男性青少年在编码新记忆时，腹内侧前额叶皮层区域、后扣带回和颞顶叶交界处和后扣带皮层活动较低，表明海马体与后扣带回和颞顶叶交界处相的解耦受损［81］。需要注意的是，肥胖与体质水平密切相关。多个聚焦于肥胖个体的研究发现，BMI 水平越高，认知控制水平越低［5］。一项功能连接研究显示，大脑功能活动与内脏脂肪组织（VAT）、BMI、全身脂肪百分比（WB%FAT）和无脂心肺功能（FF-V）显著相关；此外，儿童静息状态功能连接网络与BMI 和肥胖呈负相关，而与心肺健康（校正无脂肪质量）呈正相关［84］。

由此可见，体育运动对不同特征人群的大脑影响存在差异。有研究者提出，在考察身体活动与锻炼效益的剂量关系时，需要全面考虑不同人群的特征，选择合适的干预项目或模式［85］。

3 体育教育领域脑科学研究展望

教育是由个体精神、情感与意志主导的社会活动。其中，体育是最能激发出个体生命活力的手段与载体，是生命质量和文明素养的具象化表征。体育教育使得儿童青少年通过参与体育活动，达到享受乐趣、增强体质、健全人格、锤炼意志的目标。运动心理学领域这些脑科学的研究发现了运动这一重要环境变量对大脑认知、情感和意志功能的影响，探索了运动影响个体发展和学习的神经生物学机制，提示多样化的运动行为对具有个体差异的学生具有关键性作用，这些作用对学校体育的高质量、科学化发展，对体育与健康课程改革的深入，以及对学生核心素养的发展具有重要的价值和意义。

3.1 强调体育活动的参与性，明确体育对儿童青少年全脑发展的意义

教育的根本目的是促进个体的身心交融，实现核心素养的发展［86］。在体育学习参与过程中，通过身体与学习环境交互影响，进而实现心智的发展，促进个体意义的发展。在此需要强调体育技能学习效果与体育参与的差异，后者更注重在人际互动和运动场景下，个体与环境各要素的交互影响和作用。当前，大量脑成像技术为教育领域认知神经科学研究提供了新的研究视角、范式与方法，体育活动参与和学生认知功能、情绪健康和意志品质的发展之间的紧密关联性为发展学生的运动能力，优化健康行为和促进体育品德提供更多的依据和支撑。魏高峡研究团队从长时和短时运动任务入手提出了前额叶机制假说，系统论证了前额叶是有氧运动促进人脑认知和情绪改善的关键脑机制；陈爱国团队提出的“体育运动提升儿童青少年脑智的主要路径，即运动负荷、动作技能、情景互动、心理状态，为运动促进个体脑健康提供实践借鉴［87］。这些研究均强调了在情境化教学中，体育活动为学生大脑健康和全面发展形成提供了天然的有利环境和场景，同时也突出了体育的全脑教育价值。

虽然目前的影像学研究能初步揭示体育运动对认知和情绪相关脑区的影响，但在参与过程中对学生思维、想象、品格等方面的机制探讨还较少。体育情境下的教学活动及师生互动这种交往学习如何促进儿童青少年脑智发展还有待于进一步探索。此外，体育知识获取便捷、内容丰富，但学生整合应用能力、创新实践能力提高较慢，体育课堂教学发生的媒介和大脑之间关系的研究还不够精细［88］，体育多学科知识应用需要多脑互动的本质和脑间同步机制的研究需要进一步深化，脑科学与体育教学场景的深度融合还需要进一步加强。更重要的是，运动学习增强学生心理韧性的行为学研究虽已达成共识，但从脑科学角度进行机制探索的研究还不多，运动学习中天然创造的挫折情境和目标定位如何帮助参与运动的个体增进心理韧性，提高心理品质，尚需进行科学的实验任务设计，厘清场景要素和个体要素在其中的作用机制。不可忽视的是，体育对学业成绩的影响研究主要在复杂逻辑思维的数学、语文等方面，在以创新活动作为主要培养目标的科学类、多学科综合类科目的研究较少，体育参与如何通过特定要素和内容促进与儿童青少年创新性思维和能力有关的大脑结构和功能的发展，有待进一步的证实。

3.2 重视运动项目的核心心理特征，阐释不同运动项目对儿童青少年全面发展的价值

学校体育以服务学生全面发展、增强综合素质为目标，坚持健康第一的教育理念，推动青少年文化学习和体育锻炼协调发展。学界越来越关注用脑科学研究手段探索体育活动对学生全面发展的作用，其中对体育运动改善身心健康和认知功能的成果已较为丰富，并证明能显著影响情景记忆的时长，知觉速度的快慢及执行功能的操作表现。不同运动项目对学生体育素养的发展作用不同。Lopez-Vicente 等通过fMRI研究发现，团体运动在促进大脑成熟、认知功能和身心健康方面优于个人运动［48］。魏高峡等提出持续性的运动项目如滑雪、攀岩、耐力项目、障碍跑能够增加个体意志品质，尤其是中、高强度运动量能促进学生面对困难时坚持完成任务的决心和行为。封闭技能尤其是序列动作技能（如：武术套路、太极拳、体操、体育舞蹈、花样滑冰等）能够重塑大脑的功能和形态［89］，并得到相关脑科学研究的证实，且对美育的锻炼效果明显。在“五育融合”背景下，体育领域的脑科学研究所涵盖的研究内容和项目，大多限于实验室任务，缺乏生态学场景下不同运动项目之间在某一心理能力提升的比较研究。对于集体项目与个人项目、粗大技能与精细技能、简单技能与复杂技能及多样化运动项目对学生全面发展产生的作用的差异，从脑科学的角度进行实证研究的较少。

3.3 基于大脑发展的个体差异，优化儿童青少年体育教学内容和效果评价

新一轮体育与健康的课程改革，强调在核心素养的引领下，通过情境化和结构化的体育学习，让不同性别、不同年龄和不同体育学习基础的学生实现运动能力、健康行为和体育品德的提升，而运动认知神经科学的研究成果为体育与健康课程改革的推进找到了新的切入点。当前研究表明，运动诱导的大脑可塑性受生理、性别、年龄和体质水平的影响，女性运动诱发的神经可塑性更大［11］。不同年龄的个体，运动对大脑活动的影响也存在差异，在完成运动任务时，年长受试者比青年受试者表现出更复杂的大脑功能活动［79］。此外，不同体质健康水平的个体在体育运动中大脑的获益也存在差异。体质健康水平高的儿童在大脑和认知方面表现出更大的益处。因此，未来行为和脑成像相结合的体育教育研究还需要高度重视教学过程中的个体差异现象，进一步挖掘体育教学活动中个体差异存在的脑科学证据，寻找个体差异的大脑发展因素对体育教学活动影响的一般性规律。针对不同教学对象，开展分组教学和个性化可供选择的教学活动，充分尊重每个儿童青少年在发展时期的发展需求，提供优化的体育教学方案组合。此外，也需要在体育效果评价中采用分级模式制定教学评价参考标准和提升标准，让儿童青少年真正在体育学习中享受乐趣，健康成长。