魏高峡：运动获益的大脑奥秘

　　主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第51期演讲于1月14日在北京举行。来自中国科学院心理研究所青年特聘研究员魏高峡出席，并以《运动获益的大脑奥秘》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　大家好，我是来自于中国科学院心理研究所的魏高峡，我们今天要深入到运动这个主题，要谈什么样的一个话题呢？我既是一名科研人员，也是一个妈妈，我的孩子今年10岁，他每天活动的时间大概是2~3个小时，有些家长可能会问这么长时间的体育活动会不会影响他的学习成绩？

　　有的家长可能会焦虑说孩子太过于热爱体育锻炼，会不会导致四肢发达、头脑简单？在学校的这样一个课程上，为什么要去设置体育课？政府为什么要鼓励老年人参加日常的体育锻炼活动？在医院医生为什么要给我们的抑郁患者开具运动处方？这些问题可能都会从我们今天的讲座当中找到答案。

　　人类为什么要运动呢？其实在远古时期，运动是最基本的一种生存本能，到了现在，我们不需要外出打猎而获得最基本的生存保障，但是躯体所本身拥有的这样一种运动能力，或者是说运动需求，却被自然而然地保留了下来，我们人类从运动当中到底能够获得什么？我的研究领域是运动认知神经科学，研究方向主要是探索人类的运动行为与大脑健康的关系。

　　今天我就要从脑科学的角度，带着大家来漫步于我们的脑科学的世界。

　　在1999年英国的一个实验室做了一个动物研究，他们把34只小鼠分到两个不同的是笼子里面，一个笼子里面是有一个转轮，另外一个笼子里面空空如也，在几周之后，让这些小鼠进行学习迷宫的一个实验，同时解剖它们的大脑，最后发现和这些对照的小鼠相比，在转笼里面有丰富环境刺激的这些小鼠，它们在水迷宫里面的这样一个工作记忆的表现更好。

　　此外它们脑内的海马齿状回的神经元得到了显著的增生，这样一个研究结果陆续被世界很多实验室的科学家们所重复。它们不仅在老年的大鼠当中发现了运动可以去促进我们脑内神经元的增生。此外在怀孕的母鼠身上，甚至这样一种效应也能够迭代到自己的子代身上。

　　关于人类随着脑成像的技术的进步，我们能够很好的去探查大脑结构或者是功能的改变。在2004年的时候，德国的一个实验室进行了一个三个月的干预研究，他们招募了一组被试自己的实验室，一组进行杂耍的练习，一组只是安静的保持日常的生活方式。最后他们进行三个月的干预研究之后，发现了杂耍练习的这组被试，他们的大脑里面与视觉和动觉相关的这些复杂信息加工的脑区的体积得到了显著的增加。

　　更有意思的是这个实验停止完之后，他们让这些被试再次回到自己的实验室，发现增生的这些脑区似乎又回到了之前，这样一个实验很好的去说明了我们的大脑是可塑的。

　　我们都知道人类经历了漫长的这样一个进化演变的过程，各种各样的身体活动直接促进了我们高度复杂化和智能化的大脑的产生。从我们的个体的发展上来看，早期的这种个体，他学习精细或者是粗大的这种运动技能，对于大脑的发育也有重要的作用。此外，老年人从事一些体育锻炼活动，对于我们的大脑似乎也有着非常重要的一些保护作用。运动行为和大脑健康到底有着什么样的一些关联呢？我们在回答这个问题之前，想要去明确运动到底是不是能够去改变我们的大脑结构或者是功能，两者之一其实均可。

　　我们在我们的研究领域里面分成三类运动类型，一类运动叫短期有氧运动，通常在我们的实验室让被试进行30分钟的这样一个蹬踏功率自行车，或者是说一个其他的跟中等强度有关系的练习，这样一个实验室的任务能够很好的去排除其他的一些生活变量，比如说饮食，比如说个体的一些特质或生活习惯，对自己对运动或者是我们结果的影响。

　　还有一种运动类型是我们日常通常会要去涉及到的这种日常的体育锻炼活动。

　　此外除了这种形式以外，还有我们的运动员，他们是复杂运动的运动技能学习的一个专家群体，他们可能自小就从事各种各样的运动技能学习的活动，长时的这种运动技能学习对我们大脑的结构或者是功能是不是也有着一些影响？

　　在回答这些问题之后，我们更重要的是在不同的人群身上去探讨运动行为对于我们的大脑健康是不是有着很重要的一些促进作用？

　　关于体育锻炼是不是能够改变大脑呢？我们在实验室的研究里面招募了一些被试，我们想要去探查这些被试在30分钟的有氧运动之后，他们相关系的一些脑区是不是有一些功能活动的改变？我们发现30分钟的蹬踏自行车的练习，如果我们把强度控制在中等强度，那是因为之前很多研究证据都表明，相对于低强度和高强度相比，似乎中等强度的这样一个运动类型，它能让个体收获最大的一个认知效应。

　　所以我们让这些被试在蹬踏功率自行车的时候，去评估自己的用力的感觉或者是出汗的感觉，每隔两分钟评估一次，所以在30分钟他评估了15次自己的努力的状态和用力的感觉。

　　此外我们还让这些被试，我们还给他们携带了心率表去评估他们的心跳次数。一般来讲我们的个体的心率次数，如果是在他们的最大摄氧量的60%~80%，我们认为是一个中等强度。所以我们在这个实验过程当中，严格的控制了这些中等强度的这样一个活动频率和整个的运动类型。我们想去探讨30分钟的锻炼对于大脑功能的改变是不是显著的。

　　最后和我们的假设相一致的是，这些蹬踏功率自行车的个体，他们在大脑的额中回这样一个区域，脑部有显著的激活，这样一个现象其实可以提示我们，如果大脑能够通过30分钟的体育锻炼能够被充分激活的话，我们的学校的体育课程是否可以考虑把体育课安排在我们进校的第一节，这样大脑得到充分的激活，孩子们可以更好的去应对一些学业压力或者是说学业任务。

　　我们在做这个实验的过程当中，我们发现并不是每个人都能从相同的运动当中去获益的，我们会存在一些个体差异，这个时候我们就会想有的人体质水平好，有的人可能体质水平一般，这个时候体质它是否在这当中起到重要的一些调节作用，我们进行了第二个实验，我们招募这些个体，一组是体质水平好的，一组是一般的体质状态，最后我们发现和体质高的一些个体相比，体质一般的这些个体更容易从中等强度的这样一个运动当中去获益，他们的认知功能提升的程度会更快，他们在工作记忆的表现会更好。

　　与此同时，他们大脑和工作记忆有关系的一些脑区也出现了一些优化的特征。

　　所以这样一个研究去很好的提示我们，即便是半小时的体育活动，也能够改变我们的大脑功能，我们不妨要去看一下，日常的人他不仅仅是30分钟的有氧运动，可能很多人保持着一个体育锻炼的习惯，在我们的健身房我发现有越来越多的人开始热衷于力量练习，还有一些有氧锻炼或者是心肺功能的锻炼，我们想要去探讨的是有规律的这种体育锻炼的习惯，是不是能够去优化大脑的这种功能活动。

　　我们都知道在咱们国家太极拳是根植于中国传统文化的这样一种有氧锻炼的项目，在西方其实它被称为是动冥想，它是包含着有氧运动，冥想训练以及腹式呼吸训练在内的一种身心整合的调节方式。

　　所以我们的研究假设是如果我们想去探查这种整合的训练方式，对大脑的影响，我们就招募了一组被试，然后这组被试是锻炼了10年以上的有打拳经验的这些个体，另外一组是不参加任何体育锻炼活动的这些个体，我们发现和一般的这种普通的不参加体育活动的静坐的或者久坐的这些人群相比，咱们打拳的这些老年人，他们在额中回的专门化的程度得到了很显著的提高。

　　而且更有意思的是我们发现打拳的经验越长，他们额中回的偏策划以及专门化的能力也就越高，这样一个研究结果给了我们后续研究也有很多的一个思考。

　　刚才除了这提到了两项体育活动，我们会经常接触到的，还有一种我们的冬奥会，我们的世界杯对吧？世界杯正在举行，然后在这样一个活动当中，我们不妨去思考这些足球运动员，从事专业运动技能学习的这些群体，他们的大脑和一般人会有不一样的地方吗？所以我们进行了这样一个横断面的实验研究，是以国家的运动员作为一个实验对象，然后去探查这种体能项目为主的体操项目，短道速滑项目以及以技能为主的这种比如说我们的跳水运动项目，在这种不同的项目当中，我们去看这种大脑表现的结构特征是不是会有一些差异。

　　最后我们发现了，其实我们的运动专家他都能表现出一些特异化的这种专门化的大脑结构特征，长期的运动技能学习，它能够改变我们局部脑区的这样一些皮层下的组织形态，以及去改变我们皮层上的这种皮层厚度，还有褶皱度等等这些结构指标。

　　刚才我介绍的这些都让我们很明确的一个问题，无论是什么样的一些活动，其实都能够对我们的大脑的功能或者是结构有非常显著的影响。现在我们要去带着大家去看一看，在不同年龄的人群身上，这样一个影响是否也仍然在存在，包括这种影响和我们的心理健康和大脑健康存在是一个什么样的关联？

　　我们都知道儿童青少年这样一个群体也是非常在发展当中的一个群体，我们是通过5年的时间，对192名中国儿童青少年，6~18岁的这些孩子进行了大脑的一个扫描，每隔1.25年这些孩子还接受第二次和第三次的扫描，同时我们对他们的身体活动的状况进行了一个量化的评估，最后我们发现身体活动量越大的孩子，他们在运动相关系的一些脑区，比如说中央后回和中央后沟，这些区域它的皮层的体积表现的会越大。

　　在这个实验当中，我们之前提到过体质这样一个概念，所以我们想着体质是不是也会有影响，在这样一个实验当中，我们对孩子的上肢力量，下肢力量和有氧耐力跑进行了一个很系统的评估工作。最后我们也和我们的假设发现了这样一个结果，我们孩子的体质水平同样能够去调控身体活动与大脑的发育之间的一个关联。这样一个研究应该是国内首个去探索身体活动与儿童青少年大脑健康之间关系的这样一个研究。

　　除了儿童的群体之外，其实我们也非常关注青少年，青少年是个体心理发展和大脑发展的一个关键期，这个时候个体的独立意识和自主意识是充分发展的，同样这个年龄也处在一个易感的一个年龄阶段，在大脑的表现上面，他们的与情绪相关系的这些脑区，比如说边缘系统，表现出快速发展的现象，但是与前额叶也就是说和我们的认知。调控相关系的一些脑区，比如说前额叶，它远远没有达到成熟的水平，所以我们的青少年往往会表现出来一些情绪失调的现象，容易导致抑郁或者是说焦虑。

　　屏幕之前的朋友，我想你们家中如果有孩子，要特别关注他们在青少年时期的一些情绪表现，我们的实验室会想，如果青少年这个时期容易出现一些情绪问题，我们的体育运动能够在其中起到了一个什么样的保护作用，所以我们同样进行了一些实验室的研究，我们招募被试到我们的实验室来，然后一组被试安静的看书，另外一组被试做中等强度的有氧锻炼。

　　我们发现和这种安静看书的孩子相比，这些30分钟有氧锻炼的这些孩子。他们的自尊有了很大的提高。自尊是心理学的一个概念，和我们平常所理解的自信心差不多是等同。除此以外，我们还发现这些孩子的负性情绪也是他们情绪困扰的分数得到了显著的一个下降。在脑成像的研究上，我们发现蹬踏功利自行车的这些孩子，他们运动完30分钟之后，与这些看书的孩子相比，他们在大脑的前额叶以及和杏仁核这两个脑区，它们的对话有了显著的提高，从脑成像的术语来说，它们的功能连接有了显著的增强。

　　更有意思的是我们发现它的这种功能增强的这样一个程度，恰好能够和他们的负性情绪的变化的程度呈现显著的相关，也就是说孩子们的负性情绪降低了多少，大脑里面这两个脑区之间的连接就增强了多少？这样一个实验研究能够很好的让我们去揭示体育运动，去改善负性情绪的脑机制。其实在我们的实验当中还会去关注另外一个现象，刚才说到了认知，提到了情绪，在心理学当中有三大心理过程，一个是认知过程，一个是情绪过程，还有一个叫抑制过程。

　　表现出来的个体的特质，我们把它称为意志品质，在西方有一个词跟它概念非常相似，叫心理韧性，我们这样一个实验，我们想去探讨体育活动到底能不能提高孩子的意志品质，在多短的时间之内，孩子的意志品质能够得到快速的提高。

　　我们对小学一年级的孩子进行了一组实验研究，一组被试保持日常的生活方式和学习方式，另外一组被试我们让他们参加三个月的冰雪运动的练习，比如说包括滑雪、滑冰等等，冰雪运动的这种孩子在三个月之后参加我们的脑成像的扫描以及相关的一些意志品质的测试，最后我们发现他们的意志品质在三个月之后有了非常显著的提升，而且他们在自觉性、坚韧性等等这些不同的维度上的提升和异常显著。

　　我们不妨要去思考，在大脑里面是不是能发现和意志品质相关系的一些脑区呢？带着这个问题我们深入到了国家运动队，我们发现参加短道速滑的这些运动员，他们的意志品质肯定是显著的好。一般人的我们的行为结果的数据也很好地说明了这一点，对他们脑扫描的数据进行很深层层次的挖掘，我们就发现他的大脑先前叶这样一个脑区，他们的皮质的这样一个灰纸的厚度会显著的要过高于一般人。

　　更有意思的是增加了这些先前叶的皮层厚度，恰好能够去解释他的意志品质的分数，也就是说我们团队似乎在大脑的这样一个区域找到了运动，能够去提升意志品质的很关键的一个脑区。

　　谈完儿童青少年，还有一个很关键的年龄段叫成年初现期，这样一个概念它指的是18~30岁之间的这样一个年龄段的人群，这也是人格成熟和社会适应高度发展的一个年龄阶段。

　　在这样一个年龄阶段，身体活动是不是能够对他们产生很重要的一些影响？在2020年，我们对2万人的中国的大学生样本进行了一个横断面的研究，我们发现大学生过度的使用手机会带来严重的焦虑情况，也就是说大学生焦虑的最重要的一个来源之一竟然是手机的使用。

　　带着这个问题我们不妨要去思考，作为我们社会的一个个体，手机似乎是我们生活必不可少的一个工具，也成为我们了解世界和外界沟通的一种很重要的连接方式。我们是不是在手机使用的这样一个同时，去找到一定的保护因素，能够去影响到我们手机带来的这样一个负面情绪的影响。所以我们在这个里面发现了，个体如果是增加自己的心理韧性，如果需要参加一定量的身体活动，这两个重要的因素都能够显著的去缓解手机使用所带来的这样一个焦虑情绪。

　　更有意思的发现是这样一个模型竟然在不同的性别身上产生了差异。对于我们的女性大学生而言，他们哪怕是简单的散步，从事轻度的这样一个体育锻炼的活动，心理韧性都能够很好的去缓解手机带来的负面影响。但是对于我们的男性而言，他们的运动强度要达到中等或者是中等以上，他们的这样一个手机使用所带来的焦虑的情绪才能够得到很大的缓解。

　　所以这样一个研究也提示我们我们自己处在什么样的一个年龄段，我们的性别角色是什么，这些都可能会决定运动给我们带来的积极影响。除了这些大样本的横断面的研究，我们在实验室也会进行一定的干预研究，这样的一些实验的干预研究能很好的排除其他的变量的影响。

　　我们这样一个实验是以大学生作为对象，我们让这些大学生学习了8周的太极拳，另外一组大学生保持日常的生活方式，跟对照组相比，8周的太极拳的练习能够显著的去降低这些群体的负性情绪，包括焦虑和抑郁。

　　我要知道在座的很多朋友可能会熟悉正面或者是冥想练习，他们是现在非常主流的一种心理训练的方法，因为我们每个人身上的这种正面的特质都是不太一样的，有的人水平高，有的人水平低，我们想要探讨的是降低负性情绪的同时，个体的这种特质是不是起着很好的调节作用？

　　最后我们发现8周的这样一个练习，除了我刚才提到的情绪改善的效果以外，也能够很好的提高个体的这样一种觉察能力，对自己的一个接纳能力。这个实验做完之后的第十六周，我们把这些被试重新召回到了实验室，也就是说他们在练完8周的太极拳之后停止了练习，我们想去探查8周的太极拳练习，在后续的几个月当中，这种效益是不是仍然在存在。最后我们发现在干预实验结束之后的4个月，正面的这样太极拳所带来的这样一种正面提升的品质，还有内感受的这样的能力，内感受觉知的能力得到很显著的提升，但是我们之前发生了发现的这种情绪效应却消失了，这应该是一个非常有意思的现象。

　　除了这些个体以外，我们都知道成年人每天会特别是职场的人群会面临各种各样的一些压力，我们是不是能够去通过运动能缓解来这些情绪，或者是说带来的一些负面的影响。

　　我们和香港大学的团队进行合作，开展了一个国际合作的研究，在这样一个实验当中，我们招募了大样本的被试，每个被试一个群体大概是150人，我们分成三组，一组人是太极拳的练习，一组人是一般的普通的有氧运动，还有一组人是对照组，最后我们很有意思的发现，与有氧锻炼以及对照组相比，这些打太极拳的这些个体，他们并不是老年人，其实只是成人这样一个群体，发现他们的中心的这样一个肥胖度有了很大的降低，也就是说实际上我们太极拳能够起到很显著的减肥的效果。

　　除此以外，还发现跟一般的有氧锻炼相比，这些打拳的这些个体，他们的睡眠质量有了非常显著的一个提升。

　　在这样一个实验做完之后，我们仍然回到实验室来去探索对这些健康影响效应的背后的大脑出现了什么样的一些变化。我们发现三个月的体育锻炼的干预的这样一个活动，能够去改变我们大脑皮层下丘脑这样一个区域的一个低频的振幅。改变的这些振幅恰好能够去解释他们健康效应的一个获得。做完这些实验之后，我们不妨会做一些理论思考，所以我们认为体系锻炼大概是从生理和心理不同的层面作用于我们的中枢神经系统，而我们的前额叶和皮层下一些相关脑区的这种功能连接活动，可能会有效的去诠释运动带给我们这种情绪效应的改善的脑机制。

　　刚才谈论完很多不同的人群，现在我们在谈论我们的老年人，我们在家里头每个家庭可能都会涉及到老年人，每个人都有父母，我们每个人也会老去。所以其实在这样一个老年社会的时代，我们不妨也要去思考运动带给我们的效应到底是什么，我们是不是能够通过运动来提前的预防衰老？我们的实验室也是进行了一个横断面的研究，发现在脑子里面有个区域叫前扣带回，这样一个区域的局部功能的一致性，比如说这个区域的一个分化能力，恰好的能够去解释老年人参加运动以后给带来的这种认知功能的改善。

　　我们在这个实验当中涉及到的认知功能非常复杂，它在心理学里面被称为抑制控制功能，这种功能反映的是个体能够多大程度的在有干扰物的情况下，仍然专注于当前事务下的一个能力，这种能力其实对于我们老年人的信息加工是非常重要的。

　　最后我们这样一个横断面的研究，也发现了体育运动的这些老年人，他们在执行控制功能上的表现远远的要优于这种久坐的人群，而且在脑内前扣带回的区域也很好的解释了这一现象。我们都知道大脑它不仅仅是一个脑区在活动，往往一个心理功能的获得或者说维持，它是很多大脑功能的协同作用。

　　所以我们在认知神经科学领域里面，我们把大脑分成了12个不同的网络，我们想去探查网络内部以及网络和网络之间他们发生了什么样的一些联系或者是变化。在我们的运动领域，我们去探讨运动是不是能够去改变网络本身的这样一些特征。

　　最后我们发现一些经常我们提及的问题，他们都承担着非常重要的人类意识的产生以及认知功能，发现这些网络都有不同程度的变化，而且这些我们参加我们实验的这些个体所发生的这些脑子上的变化，恰好的与他们行为学的变化也呈现非常显著的一个相关的关系。

　　其实这样一个研究是在2012年获得的，在2013年《人民日报》曾对这样一个研究进行过一个广泛的报道，他们的题目是长期太极拳训练能够去增强大脑的控制功能，去呼吁大家能更好的去弘扬咱们国家的传统的文化。

　　从本身已经有的把身心调节技术这样一个角度去出发，完全能够去获得很大的一个心理效应。刚才我谈及的都是一些健康人群，我们有时候也会生病对吧？我们在不妨在思考运动能不能给我们疾病人群带来影响，他能不能够去治病是吧？在医院里面运动是不是可以作为一个运动处方？实际上这个答案是肯定的，我们的团队进行了一些精神分裂症和塑形障碍患者的一些研究，在精神分裂症这样的群体身上，我们发现运动能够改善这些精神分裂症患者的阳性症状，阴性症状以及他们并发的一些抑郁症状。

　　除此以外，我们还和我们的呼吸科来合作，我们去探讨了慢阻肺的这种病人，他能不能从运动当中去受益，最后我们发现参加完8周的这样一传统功法的练习，传统功法在这里面包括太极拳和健身气功，比如说八段锦，我们把这些关键的一些技术工作整合在一起，探查这些传统功法对于个体慢阻肺的患者，他的肺通气能力的影响，最后我们发现他们的临床症状在锻炼完之后得到了显著的降低，而且我们发现在大脑的一个叫额下回的这样一个区域，他们的度的中心度也显著的下降，这两个指标之间而且呈现出来了非常显著的相关，也就是说在临床上这种临床症状的非通气功能的一种改善，在脑子里面能够想到相应的一些认知的神经表征。

　　所以我们从刚才的这些研究证就可以得到这样一些结论。我们的体育锻炼不仅能够去促进我们的大脑的认知功能，而且可以改变和情绪相关系的这些脑区，所以运动它可能是我们大脑保持健康的一个非常重要的途径，也是大脑发展的一个重要途径。

　　这些研究其实从我们理论上来讲，它是打破了之前已经存在的身心割裂的二元论的思想，同时去实证认知心理学里面的具身认知理论，为我们的今后的教育，还有我们的医疗其实提供了非常重要的一些科学启示。我们再回忆刚才我们在第一张片子里面出现了三个问题，对吧？

　　我们的孩子参与体育锻炼活动，能够优化他们的大脑认知功能，提高学业水平。老年人通过运动来延缓他们认知功能带来的下降，甚至是在我们临床患者当中从事运动，也能够降低他们一些负性情绪的困扰，所以运动应该是我们大脑最好的一种投资方式。如果说学习就像长跑，人生其实就像一场马拉松，让我们自己来挖掘自己的一种运动潜能，让我们自己要去享受这样一种运动乐趣，让我们大家都能够赢在人生的终点。

　　谢谢大家！

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责任编辑：梁斌 SF055