脑的可塑性对教育的启示【运动与脑的可塑性研究进展及其教育启示】

摘要:脑的可塑性是指大脑结构和功能随着内外环境变化而不断修饰和重组的能力,它是一种终身的能力。

近年来一些研究发现运动影响大脑可塑性运动和脑的可塑性的关系日益受到关注,已成为多学科领域研究前沿和热点问题。

本文对二者间关系的研究进展进行了综述,研究表明:运动可以通过系统水平、细胞水平、分子水平等途径影响脑的可塑性运动对不同人生阶段脑的可塑性均存在积极效益。

这些研究成果提示:理解运动大脑可塑性研究成果,重视运动的积极作用;提供丰富且适宜的运动干预(教育)方案,提高方案的效果;注重“联合效应”,促进大脑的整合式发展。

关键词:运动;脑可塑性;教育;认知神经科学   中图分类号:G804 文献标识码:A 文章编号:1004―4590(2011)06―0061―04   1 前言   脑的可塑性是指大脑结构和功能随着内外环境变化而不断修饰和重组的能力,人类发展的生命全程,脑都具有可塑性

人类探索大脑活动的规律,全面认识大脑可塑性,正确理解脑的可塑性研究对教育的启示,并应用于教育实践,对于实现科学使用脑、保护脑,进而开发大脑具有重要的意义。

近年来一些研究发现运动影响大脑可塑性运动和脑的可塑性关系日益受到关注,成为多学科领域研究前沿和热点问题;本文拟对二者间关系的研究进展进行综述,并探讨该领域研究成果对教育的启示,为使用运动手段提高大脑健康发展提供理论和应用基础。

2 运动与脑的可塑性研究进展   2.1 运动对不同层次脑可塑性影响   人脑是自然界最复杂的系统,人脑结构与功能的高度复杂性,决定了对大脑可塑性问题研究的多层面性。

脑的可塑性是一个动态的过程,受经验和发育程序的交互作用影响,在宏观和微观上都表现出可塑性的特点,运动与脑可塑性研究可以从以下三个不同的层次分析:宏观系统水平的脑可塑性、细胞水平的脑可塑性和分子水平的脑可塑性

2.1.1 系统水平的脑可塑性   大脑的结构和功能组织在发育和经验作用下形成,而运动可改变系统水平的脑可塑性

首先,运动具有改变脑结构的能力。

Colcombe等使用磁共振技术扫描脑结构,发现在排除年龄、教育等相关因素后,有氧体适能能够减少老年人脑前额叶、颞叶及顶叶的灰质和白质体积的下降。

由于长期运动能提高有氧体适能,该研究间接揭示了运动对脑结构的影响

而纵向的干预研究则直接证明了运动会对脑结构可塑性产生影响,Colcombe等使用完全随机实验设计,通过磁共振技术扫描脑部结构,研究发现,与对照组比较,六个月有氧运动老年人的与前额叶、颞叶及顶叶的灰质和白质容量显著增加。

迄今为止,已发现运动大脑结构的影响,涉及的脑区还包括小脑、海马和背侧纹状体等。

其次,运动具有改变相关脑区激活水平的能力。

例如,Col-combe和Kramer等使用完全随机实验设计,采用功能磁共振技术方法检测老年人6个月的运动前后完成flanker task(一种测量认知功能的任务)时的脑区激活的特征,结果发现6个月的有氧运动能提高老年人的认知功能,其主要机制是通过降低前扣带回(the anterior cingulate cortex,ACC)激活水平,提高中前脑回(the middle frontal gyrus,MFG)和顶上小叶(the SU—perior parietal lobules,SPL)等相关的脑区激活水平。

Yanagisawa等采用功能近红外成像技术研究短时中等强度功率自行车运动对大学生志愿者认知功能(stroop任务测查)的影响及其神经机制,结果发现中等强度运动提高其认知功能,且伴随着左侧背外侧前额叶皮层(left DLPFC)激活水平增加。

另外,运动还具有改变脑功能网络的能力。

Voss等研究老年人有氧体能、默认模式网络(default mode network,DMN)和执行功能(Task switching、Wisconsin card sorting task任务测查)的关系,结果发现,老年人有氧体适能水平与其执行功能和DMN功能联接积极相关,且DMN功能在有氧体适能水平与其执行功能关系中扮演中介变量。

Burdette等使用功能磁共振研究运动导致老年人海马变化,结果发现,四个月的运动干预后运动老年人海马的血流量增加,全脑网络联接分析发现海马功能联接性增加,具体表现为增加了海马与前扣带回的联接。

2.1.2 细胞水平的脑可塑性   神经发生是细胞水平的脑可塑性主要表现之一。

神经发生是指神经干细胞或神经祖细胞在诱导因素下产生的新神经元。

近年来越来越多的研究表明,成年中枢神经系统仍存在神经发生,海马齿状回部位终生保持生成新神经元的能力。

运动可增强海马齿状回神经干细胞或神经祖细胞的增殖、迁移、存活和分化,促进神经发生。

例如,Kronenberg等较系统的探讨了自主运动(自主跑轮)对神经发生的影响,结果发现,自主跑轮运动可促进青年和老年小鼠海马齿状回颗粒细胞下层神经发生。

Wu等研究主动运动(跑台训练)对成年小鼠神经发生的影响,结果发现,跑台运动促进成年小鼠马齿状回颗粒细胞下层神经干细胞的分化和新生细胞的生长。

突触可塑性也是细胞水平的脑可塑性主要表现之一。

突触可塑性具体表现为结构的可塑性和传递的可塑性

突触结构的可塑性突触形态的改变以及新的突触联系形成,突触传递可塑性突触的反复活动引起突触传递效率的增加(易化)或降低(抑制)。

研究发现运动可以通过改变突触结构参数、突触线粒体结构和数量以及突触数量等来引起突触结构的可塑性

例如,Briones等通过对康复训练后脑缺血大鼠齿状回突触学形态和与新陈代谢相关的超微结构变化的观察,发现运动训练使齿状回的分子内层和分子外层的突触数量和突触前末梢的线粒体数量明显增加,并在齿状回及其相邻的结构发现明显增多的颗粒细胞,表明运动训练能促进突触结构可塑性改变。

任姗姗等通过观察运动训练前后雄性老年大鼠突触可塑性变化,发现运动可以逆转脑老化小鼠突触体数量衰减和突触体膜流动性下降,说明适量运动可以促进脑老化过程中大脑认知功能突触可塑性代偿,延缓脑老化的发生。

同时运动训练还可以通过改善突触素、脑源性神经营养因子(brain―derived neurotrophic factor,BDNF)、N―甲基―D―天冬氨酸(NMDA)受体水平来引起突触传递的可塑性

例如,Yang等研究表明,运动增加了BDNF的表达,促进了突触功能可塑性

张莉等发现短期强化运动训练增加大鼠海马结构CAI区和齿状NMDA受体表达增加,改善突触传递的可塑性

2.1.3 分子水平的脑可塑性   运动对脑可塑性影响的机制还可以追溯到相关分子的表达。

运动对脑可塑性影响在分子水平与BDNF、胰岛素样生长因子―1(insulin―likegrowthfactorl,IGF―1)、血管内皮 生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、神经生长因子(nerve growth factor,NGF)和神经肽(neumpeptide)等有关,其中脑源性神经营养因子和胰岛素样生长因子―1是两种得到最多实验证实的分子。

Vaynman等研究发现,老年人和阿尔茨海默氏症患者脑源性神经营养因子水平下降,而运动能增加这种分子的产生和分泌;而减少大脑胰岛素样生长因子一1的水平,会直接影响运动海马神经发生、血管生成以及脑损伤康复的积极效果。

另外,运动还可以引起神经组织基因表达改变影响可塑性

甲基化是哺乳动物中最为重要的一种DNA修饰,是影响基因表达调控的重要机制之一,所以改变脑内DNA甲基化水平会影响可塑性的变化,最近有研究指出DNA甲基化可能参与了运动促进老龄大鼠学习记忆功能海马齿状回神经发生的调控。

综上所述,运动可对不同层面脑的可塑性产生积极影响,且不同层面脑可塑性研究各具重点,它们不但对增进人类理解运动与脑可塑性的关系具有各自的独特贡献,而且共同为进一步使用运动手段保护脑和开发脑提供了坚实的科学基础。

2.2 运动对不同人生阶段脑可塑性影响   在动物和人类毕生发展的进程中,脑都具有一定的可塑性,也就是说,大脑可塑性不仅在个体发展的早期有所发现,而且在个体发展的中、晚期也有所发现。

我们将运动对脑可塑性影响研究解构为三个阶段:发育期(大概为生命周期的前二十年)、成年期(生命周期的第二和第三个二十年)和老年期(生命周期的第三个二十年以后)。

2.2.1 发育期   运动对发育期的脑可塑性有积极影响,不存在所谓的“天花板效应”。

例如,Kim等研究了跑台训练对幼年SD大鼠神经发生的影响,结果发现中等强度和低强度的训练均可显著增强大鼠海马齿状回SGZ神经干细胞的增加。

Ra等研究了跑台和游泳训练对幼年SD大鼠海马齿状回SGZ神经发生的影响,结果表明跑台运动和游泳均促进了大鼠海马齿状回神经发生。

陈爱国研究选择五年级儿童为研究对象,使用Flank―er任务评价执行功能,利用心理测量技术和功能磁共振成像技术检测一次30分钟的中等强度有氧运动前后儿童执行功能及其脑激活模式的特征性变化,结果发现短时中等强度有氧运动诱发儿童执行功能脑激活模式的积极变化。

有一点更值得重视,运动对发育期脑可塑的积极影响也许会导致个体具有联系更紧密的大脑网络,当某个脑区受到损伤,其他的脑区能够进行更积极的代偿,从而表现出较少的认知功能障碍,即所谓的脑储备。

例如,Sergio等选择21天雄性Wistar幼年大鼠研究对象,实施39天跑台运动,然后过90天检测其癫痫的易感性,结果发现对其发育期的运动干预能改变成年期癫痫的易感性,改善期脑功能

Dik等对1241名62―68岁的老年人进行了一项基于人群的前瞻性研究,通过让他们回顾15―25岁的运动情况,结果发现发育期运动水平与老年人认知能力积极相关。

2.2.2 成年期   传统观点认为,一旦脑发育完全(在青春期结束时),其有经验所塑造或从创伤恢复的能力就大大受到限制了。

然而这种观点近年来被推翻了――“成年期可塑性”观点已得到越来越多的研究者认同。

运动对成年期大脑同样具有可塑性

例如,Wu等研究跑台训练对成年小鼠神经发生的影响,结果发现,跑台运动促进成年小鼠海马齿状回颗粒细胞下层神经干细胞的分化和新生细胞的生长,同时神经突触生长增强。

另外,运动对成年期脑可塑的积极影响同样会导致个体具有联系更紧密的大脑网络,表现出脑储备特征。

Chang等研究中年的运动水平与老年期认知功能和痴呆发病率的关系,结果发现,生命中期的运动水平可以保持老年期认知功能,以及减少或推迟老年期痴呆的发病风险。

2.2.3 老年期   长期以来,老年期研究延续的是传统的“衰退模型”,强调年老化所带来的脑的可塑性下降。

然而越来越多的研究表明,老年人脑的可塑性可以通过训练得以提高,甚至在一定程度上有所逆转,如引发脑容量、海马体积、神经发生等的变化。

运动对老年期大脑同样具有可塑性

如,Colcombe和Erickson等使用完全随机实验设计,通过磁共振技术扫描脑部结构,研究发现.与对照组比较,6个月有氧运动老年人的与认知功能相关脑区(前额叶、颞叶及顶叶)的灰质和白质容量显著增,从脑结构的变化的角度揭示了运动老年人可塑性影响

Eriekson等借助磁共振技术,探讨老年人体适能水平和海马体积的关系,发现老年人有氧体适能水平与老年人海马体积显著相关;Vall Praag等也从神经细胞可塑性层面揭示了,运动能提高老年大鼠的学习记忆能力和海马神经发生。

综上所述,运动对人生各阶段(发育、成年和老年)脑的可塑性都有积极影响,这提示我们什么时候开始参加运动都不迟,都会取得积极的效果;更重要的是人生早期运动对脑的可塑性影响会起到脑储备的作用,增加后期脑应对衰退和损伤的韧性。

3 运动与脑可塑性研究的教育启示   近几十年来运动与脑的可塑性研究进展证实,运动大脑具有终生的近乎全能的可塑性运动能积极改善大脑可塑性,促进人身心健康发展。

真正限制人类获得身心健康的最主要因素,是对这种可塑性及其应用方式的缺乏认识,如果能使全社会认识并高度关注建立适于脑、促进脑的运动教育,则对提高人类的生活质量有着重要的作用和价值。

3.1 理解运动大脑可塑性研究成果。

重视运动的积极作用   长期以来,人们的头脑中形成了一些错误的概念如“四肢发达、头脑简单”,“孩子参加运动影响学习”等错误的概念。

而近年来的研究却得出相反的结论,例如,魏高峡等对北京奥运会金牌选手等12名中国跳水健将进行研究,发现优秀跳水运动员在双侧丘脑和左侧运动前区上的灰质密度显著高于普通人,属于“四肢发达,头脑复杂”。

近期的研究也发现与学业成绩有关的认知、注意控制、情绪功能都具有特定的中枢神经基础,而运动能够改善这些特定神经基础,实际的情况是“运动促进孩子的学业成绩提高”。

另外,运动大脑可塑性研究表明:运动对个体发展的生命全程大脑都具有一定的可塑性大脑具有终身的可塑性运动能够对各年龄阶段大脑可塑性产生积极效应,这为终身体育提供了神经科学基础。

因此,教育者应该不断学习最新的运动与脑可塑性研究成果,正确、全面理解运动对脑可塑性的积极作用,并将其和教育实践紧密联系起来。

3.2 提供丰富且适宜的运动干预(教育)方案,提高方案效果   大脑正是由于受到运动影响产生可塑性变化,因此运动对于大脑可塑性方面起着十分重要的作用,就运动本身而言,对大脑可塑性影响可能是积极的,也可能是消极的,主要由运动干预方案各构成要素决定,即运动干预方案与脑可塑性的“剂量效应”,所谓剂量效应是指有氧运动各构成要素(类型、强度、频率、每次时间、干预总时间等)单独和交互作用与脑可塑性的关系。

例如,研究显示,简单运动方式如跑笼仅可促进脑血管生成,而复杂技巧训练如转棒和杂技(acrobatiet ask)可增加脑皮层突触数量;持续7天的小强度跑台运动可明显诱导幼龄大鼠海马齿状回神经发生,而大强度持续运动7天则未诱导海马神经发生。

因此,教育者要积极创设和提供提供丰富且适宜的运动干预(教育)方案,辅以教育教学方法的改革,提高方案的针对性和实效性。

3.3 注重“联合效应”,促进大脑的整合式发展   影响大脑可塑性的因素除运动外,还有很多,如丰富环境、认知训练等,研究显示将大鼠置于丰富环境中饲养,大鼠不仅皮质较厚,突触密集、树突增生,而且能更快地找到食物。

而以专注与自觉(mindfulness)为主要内容的认知训练则能通过降低前额叶的过度活动并提高海马神经活动,显著改善抑郁症患者的负性想法。

由于以上各因素都会对脑可塑性起作用,近期研究者已经开始探索“联合效应”,如,Fabel等关于运动与丰富环境对海马神经发生研究结果表明,运动与丰富环境对海马神经发生的影响有叠加作用,显著好于单个因素的效应;具体机制可能是运动促使神经干细胞形成新神经元,并不断迁移到齿状回区域,而丰富的环境则促使这些新生神经元很快融入神经回路并获得功能意义,从而得以保留。

研究清楚的揭示了影响大脑可塑性的多因素的联合效益,提示我们,应全面了解影响大脑可塑性的因素,注重运动干预与其他影响因素联合作用,促进大脑的整合式发展。

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