藝術(shù)體操訓(xùn)練對青少年腦結(jié)構(gòu)功能的影響分析

□ 王芷琪 王芷瑤 曹春梅（1.北京師范大學(xué)附屬實驗中學(xué) 北京 10003；.清華大學(xué)體育部 北京 100084）

藝術(shù)體操是在音樂的伴奏下，徒手或者持器械（如繩、圈、球、棒、帶等）進行表演的體育運動競技項目。其練習(xí)的主要內(nèi)容在很大程度上與人體的生理、心理特點相適應(yīng)，表現(xiàn)出動作的美感和藝術(shù)性。與其它運動項目相比，藝術(shù)體操尤其注重兒童青少年時期的訓(xùn)練，因為青少年時期的訓(xùn)練不僅為將來打下扎實的基礎(chǔ)，更主要的是藝術(shù)體操運動員成材較早。在藝術(shù)體操的訓(xùn)練過程中，身體靈活性和協(xié)調(diào)性、體能、氣質(zhì)等因素，都需要全面綜合地進行訓(xùn)練，而這些都與腦神經(jīng)發(fā)育有著密切的關(guān)系。

一直以來，作為常識，大腦網(wǎng)絡(luò)只有在發(fā)育的關(guān)鍵時期才可能發(fā)生變化，成年后的神經(jīng)細胞只會減少。然而過去十幾年的研究支持了大腦永久可塑性的觀點。因環(huán)境變化引起的輸入改變以及學(xué)習(xí)新技能的新奇經(jīng)歷現(xiàn)在被認(rèn)為是大腦功能和潛在神經(jīng)解剖回路的調(diào)節(jié)劑。理解由于環(huán)境變化和需求而導(dǎo)致的大腦結(jié)構(gòu)的規(guī)范性變化對于理解大腦的適應(yīng)能力至關(guān)重要。

大腦可塑性可以分為結(jié)構(gòu)可塑性和功能可塑性，而兩者又相互聯(lián)系、密不可分，經(jīng)過長期系統(tǒng)的運動訓(xùn)練可導(dǎo)致不同肌肉專門性或者不同的肌肉組合的運動技能增強。腦功能成像研究表明，長期訓(xùn)練者不僅和普通人之間存在差異，運動項目之間的差異也會造成大腦激活部位和激活程度的變化。

青少年正處在生長發(fā)育的重要時期，不良的生活習(xí)慣和生活方式有可能引起身體和心理等方面的問題，青少年時期開始進行藝術(shù)體操訓(xùn)練，不僅可以強健體魄，應(yīng)對緊張的學(xué)業(yè)，糾正某些發(fā)育不良的形體，重要的是可促進她們腦神經(jīng)的發(fā)育和塑型，在心理穩(wěn)定、身體平衡、器械技巧、速度激情、運動美感等方面得到全面提升。近年來有關(guān)運動與腦神經(jīng)重塑的研究熱度很高，但涉及藝術(shù)體操的研究相對匱乏，本文試就相近有關(guān)聯(lián)的研究文獻加以總結(jié)概述，或許對今后藝術(shù)體操的研究、運動員選材以及普及推廣有所幫助。

1、腦與平衡穩(wěn)定

平衡能力是藝術(shù)體操的重要表現(xiàn)之一，平衡能力的提高需要長期的訓(xùn)練。有研究顯示具有較強平衡性要求的旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練與前額皮質(zhì)、丘腦和杏仁核的體積增加有關(guān)，而初級運動皮層下的小腦和胼胝體的白質(zhì)在訓(xùn)練后變小了，此外，訓(xùn)練后的行為改善與海馬體和紋狀體等多個區(qū)域的分?jǐn)?shù)各向異性(FA)較高有關(guān)，而初級視覺皮質(zhì)和內(nèi)嗅皮質(zhì)的FA較低。在缺乏高代謝需求的情況下，挑戰(zhàn)平衡能力的全身運動似乎會引起大腦結(jié)構(gòu)和功能的明顯變化。一般來說，在任何類型的身體活動中，前庭輸入都是不可避免的。前庭系統(tǒng)評估自我運動，以快速調(diào)整眼睛和其他身體部位的平衡控制。平衡控制需要視覺、本體感覺以及與運動相關(guān)的多感覺線索的整合，這些線索最早發(fā)生在中央前庭處理的第一階段，即腦干的前庭核,前庭核和海馬體、前額葉和頂葉之間的通路提供了與記憶和空間功能相關(guān)的信息,表明前庭系統(tǒng)對更高的認(rèn)知功能有重要貢獻。

圖1

Rogge等對健康成年人進行長達12周、每周兩次的平衡訓(xùn)練研究，通過平衡測試和圖像分析大腦形態(tài)變化，只有平衡組在訓(xùn)練后平衡能力有顯著提高。與放松組相比，平衡組顳上皮層、視覺聯(lián)想皮層、后扣帶皮層、額上溝和中央前回的皮質(zhì)厚度增加。結(jié)果表明，平衡訓(xùn)練可引起與視覺和前庭自我運動知覺相關(guān)的腦區(qū)神經(jīng)可塑性。由于這些區(qū)域在空間定向和記憶方面的作用已被認(rèn)知，因此我們推測，在自我運動過程中刺激視覺前庭通路或許可以調(diào)節(jié)體育鍛煉對認(rèn)知的有益影響。

2、腦與運動協(xié)調(diào)

器械技巧是藝術(shù)體操主要表現(xiàn)形式，繩、圈、球、棒、帶各有特色，但共同的基本特點是都有旋轉(zhuǎn)、各種花式器械拋接，技巧要求很高，需要手腳、眼睛、耳朵、頭腦等等完美配合才能完成。其實高技巧的運動項目不僅此一項，比如各種球類項目的精準(zhǔn)度要求一樣很高，同樣會引起腦神經(jīng)的重塑。

采用靜息狀態(tài)功能核磁共振成像(MRI)評估職業(yè)高爾夫球手的腦功能連通性發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，職業(yè)高爾夫球手的左小腦與枕葉、顳葉、頂葉和兩個額葉的連接更為積極。揮桿擊打得分的標(biāo)準(zhǔn)差（SD）與沖擊角度的標(biāo)準(zhǔn)差（SD）呈正相關(guān)，職業(yè)高爾夫球手揮桿速度和揮桿角度的恒定與小腦和頂葉、額葉之間的功能連接(FC)有關(guān)。Di等采用基于體素的形態(tài)測量法(VBM)對腦灰質(zhì)濃度(GMC)進行測量，并通過低頻波動幅度(ALFF)和基于種子的功能連通性測量靜息腦功能，結(jié)果顯示職業(yè)羽毛球運動員組右側(cè)小腦和內(nèi)側(cè)小腦區(qū)GMC和ALFF值較高，同時也證明了運動員組的左頂葉ALFF更小，左頂葉和額葉之間的功能連接也發(fā)生了改變，這說明羽毛球?qū)I(yè)技能不僅與小腦灰質(zhì)密度增大的可塑性結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，還與額頂葉連接性的功能變化有關(guān)。運動的協(xié)調(diào)性與小腦的控制是分不開的，基于人工體素分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)秀籃球運動員在長期高強度運動學(xué)習(xí)后，小腦蚓部小葉VI的白質(zhì)（WM）體積顯著增大。這種結(jié)構(gòu)和功能的改變可能反映了各自運動訓(xùn)練和實踐的具體經(jīng)驗，包括高效率的視覺空間處理和手眼協(xié)調(diào)，以及精細的運動技能。

圖2 羽毛球運動員腦結(jié)構(gòu)的重塑（引自Di等）

3、腦與速度

跑、跳、翻滾是藝術(shù)體操的另一大特征，無論是徒手或是持器械都需要很強的爆發(fā)力。功能型核磁共振影像檢查（fMRI）顯示這種力量型運動與小腦前葉的活動增加和灰質(zhì)體積增大相關(guān)聯(lián)。Schlaffke等關(guān)于不同代謝特征（無氧和有氧）的觀察，對象包括柔道、空手道、自由搏擊等武術(shù)類運動員和鐵人三項、馬拉松、場地自行車等耐力型運動員，經(jīng)采用高分辨率結(jié)構(gòu)成像和基于體素的形態(tài)測量(VBM)發(fā)現(xiàn)，與不運動的人員相比，兩組運動員的補充運動區(qū)/背側(cè)運動前皮層(BA 6)的灰質(zhì)(GM)體積更高。此外，耐力型運動員內(nèi)側(cè)顳葉(MTL)的灰質(zhì)(GM)體積顯著增加，尤其是海馬和海馬旁回，而武術(shù)組未見到。Huang等收集了13位世界級體操運動員（WCGs）和14位非運動員腦部靜息狀態(tài)下功能核磁共振成像（R-fMRI）數(shù)據(jù)。采用組無關(guān)分量分析(ICA)將R-fMRI數(shù)據(jù)分解為空間無關(guān)分量和相關(guān)時間序列。確定了9個靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)（RSNs），統(tǒng)計分析表明，只有在外紋視覺網(wǎng)絡(luò)（EVN）中WCGs比對照組增加，其余網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通WCGs組全部降低。說明長期運動技能訓(xùn)練與WCGs大腦的效率提高有關(guān)，而在休息狀態(tài)下WCGs的大腦功能連接一般較弱。在運動控制上丘腦的作用不容忽視，在對世界級優(yōu)秀游泳運動員利用靜息狀態(tài)下功能核磁共振成像（rs-fMRI）圖像理論和基于種子的功能連接分析發(fā)現(xiàn)，在世界排名最高的優(yōu)秀游泳運動員中，丘腦與感覺運動網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系最為緊密(職業(yè)最佳排名：1-35)。值得注意的是，丘腦—感覺運動功能連接與游泳運動員的卓越表現(xiàn)高度相關(guān)，即在最佳世界排名中個人差異占41%。結(jié)果揭示了涉及丘腦—感覺運動功能回路的長期運動表現(xiàn)與神經(jīng)系統(tǒng)之間的關(guān)系。

4、腦與運動美感

音樂、舞蹈是藝術(shù)體操的基本要素，音樂家和舞蹈家的表現(xiàn)各不相同，而藝體則把二者有機的結(jié)合在一起。有研究對比舞蹈演員和沒有舞蹈經(jīng)驗的初學(xué)者靜狀態(tài)下的腦功能，結(jié)果顯示舞蹈演員的腦回皮質(zhì)的多個區(qū)域低頻波動幅度（ALFF）增加，且額下回和顳頂葉區(qū)域之間的功能連接也發(fā)生了改變。表明舞蹈演員的感覺運動區(qū)域的神經(jīng)活動增強，額顳葉和額頂葉連接功能發(fā)生改變，這可能反映了舞蹈相關(guān)的特定訓(xùn)練經(jīng)驗，包括高容量動作感知、注意力控制和運動調(diào)整等。Giacosa等則使用彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)測試了舞蹈演員和音樂家，同時進行了一系列行為測試。結(jié)果顯示，舞者在皮質(zhì)脊髓束、上縱束和胼胝體等白質(zhì)（WM）區(qū)域的擴散系數(shù)增加，纖維相干性降低。相比之下，音樂家在相似的區(qū)域顯示出更低的擴散率和更強的纖維一致性。更重要的是，擴散系數(shù)的測量與舞蹈和音樂任務(wù)的表現(xiàn)有關(guān)，這表明舞蹈和音樂訓(xùn)練對白質(zhì)（WM）結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相反的影響。這些發(fā)現(xiàn)通過強調(diào)不同類型的訓(xùn)練可以對大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的長期影響，擴展了我們對大腦可塑性的理解。

5、腦與完美結(jié)合

臺上一分鐘，臺下十年工，這句俗語也非常適合體育項目，專業(yè)選手所要求的非凡的運動技能需要長期的、密集的練習(xí)，從而形成兩項關(guān)鍵技能，一項是最高水平的運動表演能力，另一項則是排除干擾后的關(guān)注力。Milton等的研究也顯示運動新手和專業(yè)高手在準(zhǔn)備過程中大腦的活躍區(qū)域是不同的，長時間的廣泛實踐可以使專業(yè)選手開發(fā)出一種專注且高效的任務(wù)相關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組織，而新手則很難過濾掉不相關(guān)的信息。運動訓(xùn)練后最先出現(xiàn)的變化是腦部運動區(qū)網(wǎng)絡(luò)連接的增加，連續(xù)訓(xùn)練數(shù)周后腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化才逐漸形成，表明訓(xùn)練誘導(dǎo)的大腦功能與大腦結(jié)構(gòu)可塑性在系統(tǒng)水平上存在緊密的相關(guān)性。

6、小結(jié)

本文在綜合分析了藝術(shù)體操項目所需能力的基礎(chǔ)上，重點分析了相關(guān)能力及運動運動對大腦結(jié)構(gòu)及功能的可塑性影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，藝術(shù)體操不同能力特點與大腦不同區(qū)域結(jié)構(gòu)和功能有關(guān)，平衡能力主要體現(xiàn)在腦結(jié)構(gòu)方面，最佳能力的發(fā)揮則與神經(jīng)效率相關(guān)。該結(jié)果為青少年參與藝術(shù)體操訓(xùn)練提供了神經(jīng)生理方面理論依據(jù)，希望能對藝術(shù)體操的普及起到推進作用。