体育何以能够提升学业成绩——脑神经科学解释框架

乔玉成

(西安翻译学院 体育学院，陕西 西安 710105)

近30年来，我国学生体质健康水平持续下滑现象引起了政府与社会的高度关注，至今此难题仍悬而未决。分析其中原因，我们会发现这样一个逻辑:在现行升学体制下，尽管高中、大学招生制度屡屡倡导德智体美劳全面衡量，择优录取，然而在实际操作中却又总是难以避免唯分数取人。虽然许多学生、家长、教师和校长们认同参加体育锻炼可以提高学生的健康水平，但同时也认为存在占用学习时间、拖分数“后腿”的弊端。因此，在许多人眼里，学校体育与学业成绩有着一种不证自明的对立关系。否则，为什么会有那么多学生体育锻炼时间不达标，会有那么多家长以牺牲孩子的锻炼时间换取高分数，会有那么多的学校为了学生考出好的分数挤占体育课、少排体育课呢?其设定前提不就是“要想提高学生的学业成绩，就必须牺牲学生的体育锻炼时间”吗?而这一切为从根本上破解“要健康，还是要分数”的两难选择带来了更大困惑。其实，对于这个问题国内外研究早已有明确定论:参加体育锻炼不仅不会影响学习，相反能够提高学生的学业成绩，至少花在体育锻炼上的时间不会对学业成绩造成负面影响[1]，只是利益相关者仍然不了解、不相信或者不愿意相信这个结论而已。基于此，本文就近30年来国内外有关体育运动促进学业表现的脑神经机制研究进展进行评述，从脑神经科学角度对参加体育锻炼能让学生获得好的分数的缘由给出解释，以期为体育能提升学业成绩命题的合理性提供一种新的理论视角。

研究发现，学生的学业表现与脑的形态结构和功能密切相关，并由神经元之间突触联结的强度与结构的可塑性所介导。与学习记忆联系最为紧密的是中枢神经系统中的大脑皮层前额叶和海马齿状回，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；
海马齿状回与学习记忆密切相关，两者均在学业表现良好所需的认知能力(即学习、记忆和认知控制)方面发挥着关键作用[2]。研究表明，运动可以重塑大脑海马的结构与功能，改善情绪、增强记忆，对促进个体身心健康及认知功能具有重要意义[3]。

动物实验发现，跑轮和跑步运动对脑神经元发生、轴突生长，树突的复杂性、总长度和密度，突触和神经网络的可塑性，脑血管生成等有显著的促进作用，可诱导前额叶皮层结构、皮层下结构、神经胶质结构等进一步优化，并诱导脑源性神经营养因子(BDNF)和胰岛素样生长因子的释放，为认知功能的发展和调控奠定基础。

人体试验表明，儿童少年时期积极参与体育活动/运动能对海马、前额叶皮层等大脑区域的血管生成、神经发生和突触传递产生有益影响，同时可增加大脑多个功能区域的体积[4]。MRI(磁共振成像)研究显示，运动可引起儿童大脑形态结构(脑体积和重量、皮层厚度、不同脑区的沟回面积)发生变化，使海马体积、基底神经节、额叶和顶叶皮质增大，并与认知和学业成绩改善有关，其机制涉及细胞增殖/凋亡，树突分支/修剪，突触形成/消除，生长因子和髓鞘形成等[5]。对健康儿童的研究表明，有氧运动水平较高的儿童双侧海马体积更大，而随着海马体积的增加，其与空间记忆功能的相关性也有所提高[6]。此外，保持最佳的体育活动水平还可以刺激皮层以及皮层下神经发生、神经肌肉系统成熟，使原始反射和定型姿势减少，注意力改善，并对提高大脑协调过程以及执行控制、任务行为和学业成绩产生积极影响[7]。与久坐少动的孩子比，经常参加体育锻炼的孩子大脑白质更加完善，海马网络结构更复杂，新生神经元与现有神经元之间的联系更密切，两大脑半球之间交流更畅通，星形胶质细胞糖原储存更丰富，大脑和小脑整体功能更完善，进而为学习、记忆、思维创建一个更为高效的大脑。还有研究显示，一次30 min 的短时中等强度有氧运动即可增加儿童前额叶某些脑区(如双侧额上回、双侧额中回等)激活程度[8]。随机对照试验发现，高强度间歇训练可显著增加大脑的血流，进而为神经元提供更多的营养[9]；
有氧步行训练可显著提高脑组织最大氧气使用率，增强其执行功能[10]；
慢性运动可通过诱导神经发生、胶质生成、血管生成、脑循环和生长因子产生等途径促进认知功能，而急性运动可通过刺激迷走神经和肌梭，促进神经递质释放以及突触标记或捕获等途径改善注意力和记忆功能[11]。上述研究发现可在很大程度上解释为什么参加体育运动会对儿童少年的学业成绩产生积极影响。

表观遗传学调控机制包括DNA 甲基化、组蛋白修饰、染色体重塑和非编码RNA 调控等。规律的体育运动在控制包括大脑可塑性在内的脑神经重组中起着至关重要的作用，并与学习、记忆的形成和存储有关[12]。目前，多项动物实验和人体试验已经初步揭示运动如何通过改变DNA 甲基化、组蛋白修饰和micro RNA(miRNA)变化调控与神经可塑性有关的基因表达以及认知表现的表观遗传机制，为研究体育运动与学业成绩的关系提供了新的理论和视角。

现有证据表明，体育锻炼/运动作为一种强大的表观遗传调制器，能够在表观遗传调控的各个阶段起作用，诱导大脑结构和功能发生变化，进而在解释运动改变大脑可塑性、认知能力和健康方面表现出巨大的优势[13]。

目前已经认识到，DNA 甲基化在长期记忆中起关键作用。身体活动/运动可减轻记忆抑制基因的抑制作用，促进与大脑可塑性和记忆整合有关的基因表达。研究发现，运动能够调控与突触可塑性有关的基因表达，使记忆更加巩固[14]。可以通过改变脑源性神经营养因子(BDNF)的DNA 甲基化模式，参与组蛋白乙酰化影响海马齿状回BDNF 基因的转录和表达，对调节突触可塑性和学习记忆具有重要作用；
还可以通过激活信号级联，重新编程大脑的甲基化模式，改变染色质构象和基因表达，调节认知功能所必需的基因转录，调控与突触可塑性有关的基因，进而影响信息的储存和记忆[15]；
也可以通过增加TET1 基因(TET1)、α-酮戊二酸(α-KG)和Fe 依赖的双加氧酶在海马表达，促进位于VEGFA 基因(血管内皮生长因子A)启动子的CpG 岛去甲基化[16]，调节基因表达谱，使大脑的可塑性进程受益。

组蛋白修饰是组蛋白中翻译后的化学变化，包括组蛋白甲基化/去甲基化，乙酰化/脱乙酰化和磷酸化，也是调节基因表达的重要机制。目前已经证明组蛋白乙酰化是长时记忆(LTM)的必要条件。研究发现，运动可以通过改变组蛋白乙酰化转移酶(HAT)/组蛋白去乙酰化酶(HDAC)活性的平衡来促进染色质的允许状态，使无数具有转录功能的基因转录激活，进而实现突触可塑性和记忆力的改善[15]。动物实验表明，运动可增加海马和额叶皮层的组蛋白乙酰化，从而改善行为任务中的记忆表现[17]。例如，动物进行4 周运动后，参与组蛋白乙酰化/脱乙酰化的酶活性显著增加，这已被证明是决定BDNF 表达增强的重要机制[18]。

miRNA 是小型单链RNA 分子，能够抑制靶基因的表达。在过去的10年中，miRNA 已被认为是大脑内众多生物过程的潜在调节剂，其范围包括细胞增殖、分化、凋亡、突触可塑性和记忆形成[19]。人类和动物实验证据表明，运动可改变几种miRNA 的血液水平，通过调节miR21 和miR-34a 的海马表达来减轻颅脑外伤和衰老对认知功能的有害影响，还有助于减轻与抑制神经发生和记忆形成有关的miR-124的增加[20]。

神经营养因子包括脑源性神经营养因子(BDNF)、胰岛素样生长因子(iIGF-1)、血管内皮生长因子(VEGF)等。在整个生命周期中，这些神经营养因子可通过刺激神经发生和血管生成调节神经元的结构和活性，并在促进突触可塑性方面起关键作用。研究表明，身体活动/运动作为一种刺激，可引起脑组织发生一系列化学级联反应，通过产生多种营养因子以及炎症过程，诱导神经发生、血管生成和突触形成[21]，增强脑组织可塑性变化，进而对认知功能产生积极影响。

BDNF 是诱导的神经发生的重要神经营养蛋白之一，常被比喻为大脑的“肥料”，其主要作用是促进神经元的分化、再生、存活、生长，调节树突密度，维持能量稳态，并确保脑细胞之间化学信息的正确传递，在维持神经元(包括海马结构、基底前脑胆碱能神经元和蓝斑病的NE 能神经元)结构以及促进学习、记忆、推理和创造能力等方面起重要作用。有研究表明，运动诱导的BDNF 增加可能会促进神经元存活，增加细胞内钙水平，促进转录因子，并诱导mTOR 介导的miRNA 翻译以巩固记忆[11]。研究发现，运动有助于肌肉释放BDNF，促使循环血液中的BDNF 增加。肌肉来源的BDNF 可穿过血脑屏障(BBB)，促进海马BDNF 表达、神经再生和空间记忆能力，在调节突触前神经递质释放、诱发突触后电流、诱导神经元去极化等神经可塑性方面起关键作用[22]。

VEGF 是一种血管生成蛋白，由周围血管内皮细胞和脑细胞(包括星形胶质细胞、室管膜细胞和神经元干细胞)合成并释放。其主要功能是增强血管内皮细胞有丝分裂活性，影响血管内皮细胞增殖、存活和迁移，并具有神经营养和保护作用。运动会增加中枢和周围组织中VEGF 水平，并促进大脑神经发生和血管生成，还可能与BDNF 相互作用以调节突触可塑性[23]。动物实验发现，相对于非运动组小鼠，运动组小鼠的大脑皮层血管更加丰富，表明运动能够诱导小鼠大脑血管生成，提升单位时间内流经大脑的血液总量[24]，可以为脑细胞代谢提供充足的能量。

IGF-1 也是中枢神经系统神经元功能的关键调节剂，主要来源于肌肉、肝脏和大脑，其主要作用是促进肌肉发达、神经发生、神经元存活和分化、神经传递、LTP 增强效应以及增强包括BDNF 在内的其他神经营养因子的作用[25]。研究表明，运动中骨骼肌IGF-1 水平迅速上调，并在约5～10 min 达到峰值[26]。循环中的IGF-1 可以通过血脑屏障转运到大脑中，并引起大脑中的IGF-1 水平升高[27]。

我们知道，人类的大脑皮层具有高度的专门化功能定位，且其学习过程完全遵循大脑的活动规律，即始动调节、动力定型、镶嵌式活动、优势法则、保护性抑制等。研究表明，长时间用脑后若有10～20 min 的短暂休息，可能会优化与学习成绩相关的认知操作[28]。在学习活动中，语言与操作活动交叉进行，使看、听、读、写、做、背诵和讨论多种学习方式不断变换，或在课间穿插一些体育或文娱活动，可使各种脑力活动交替进行，使大脑不同区域的兴奋、抑制不断转换，得到轮换休息，对减轻或消除与大脑学习有关的中枢疲劳状态、提高脑的学习效率具有重要意义。

Wennberg 等[29]比较了不间断静坐和中断长时间静坐后有短暂步行对成年人自我报告的疲劳、认知、神经内分泌生物标志物和心脏代谢风险标志物的急性影响，结果显示，与久坐不动者相比，中断长时间静坐并有步行活动者疲劳程度更低。对青少年学生而言，上课前(例如在课间休息时间)参加体育活动与随后课程中的课堂任务行为之间存在正相关关系；
课前仅5 min 的中等强度运动即可对学生的课堂学习表现产生有益影响，进而使长达1 h 上课时间内的学习效率、注意力、认知控制行为得到显著提高[30]，同时还可改善儿童的记忆力和学习状态，其作用可持续长达60 min。一项荟萃分析结果表明，大多数形式的体育活动在上课之前就可显著减少受干扰学生的破坏性行为[31]，同时对改善课堂行为也有积极影响[32]，例如注意力、态度、专心程度、学习自律、拖延行为、冲动控制、执行任务行为、纪律问题等。因此，有人提出体育活动应该排在“数学等重要科目之前，而不是在上学日结束之前”[33]，而这种体育活动又被一些学者称为学习准备型体育课(Readiness PE)。另外，Carlson 等[34]发现，基于10 min 的课堂体育锻炼与课堂上更好的任务和专注行为呈正相关；
10～20 min 体育活动后进行数学测试，被试者的数学得分比久坐者更高[35]。由此可见，课前或基于课堂的体育活动对提高学生学习效率的作用不可小觑。

认知功能是指有助于感知、记忆、智力和行动的一组心理过程，即接受、加工、贮存和应用信息的效率过程。一般认为，良好的认知功能是具备更好学习能力的先决条件和取得良好学业成绩的基石，而学业成绩又常被认为是对认知功能和能力更加全面的考量。认知功能主要包括记忆力、注意力，视觉空间和执行功能，而更复杂的认知过程还包括思维(抽象、因果、创造性思维、计划)和语言功能。大量的研究表明，定期参加体育锻炼能够增强前额叶皮层(参与执行功能)和海马区(在记忆和学习中起关键作用)的认知功能，提高创造性思维、制定决策、集中精力和检索关键信息的能力[36]，对提高大脑的整体效率具有重要意义。另有研究表明，虽然仅靠运动不能使学生变得更聪明，但它可以使大脑处于学习的最佳状态；
一次10 min 的体育锻炼就足以提高学生的注意力和解决问题的能力[37]。荟萃分析发现，有氧运动与认知功能之间存在关联，与注意力、处理速度、执行力和记忆功能之间呈正相关，而且很明显[38]；
学生体育活动与认知表现的7 个指标(感知技能、智商、成就、口语测验、数学测验、发展水平、学术准备程度)之间呈显著正相关[39]。对一些群体，尤其是初中生(6～8年级，年龄11～13 岁)和更年轻的群体，似乎从体育活动中受益更明显。因此，体育活动引起的认知功能改变已被认为是一种改善学业成绩的重要机制[20]，也是增强儿童认知功能和学业发展的最简单、最重要的方法[40]。

执行功能主要指与前额叶相关联，有意识地控制行为、思想和情感的一系列自上而下的认知加工过程。作为一个集合概念，执行功能包含实现目标导向行为所要求的一系列认知能力，如注意控制、干扰抑制、认知灵活性、目标设定以及处理速度、流畅性等信息加工的具体方面。在认知功能范围内，执行功能从体育活动中受益最大，其对学习成绩的重要性也已得到充分证明[41]。研究表明，儿童少年有效的认知功能不仅需要足够的智商(IQ)，而且需要高水平的执行功能发展(例如动机、设定目标的能力和自我控制能力)，而这一切均可通过从事体育活动/运动来培育[42]。Meta 分析显示，体育活动对儿童的执行功能有显著的积极影响，包括注意力、记忆力、语言和学业成绩[43]。

抑制控制是高级认知功能的核心，主要涉及与注意力、行为和情绪控制相关的高级心理过程。它不仅是儿童认知发展和学习成绩的重要预测指标，也是成年后身心健康的重要标志。研究表明，大多数处于生长发育时期的儿童少年在学习过程中容易分心:上课注意力不集中，对学习对象缺乏兴趣，他们坐在椅子上四肢摆动、扭曲、敲击、躁动不安，或离开桌椅，或无精打采、凝视窗外，总是试图找到比学习对象更有趣的东西。这成为影响学业成绩的重要因素，而积极参加体育活动可以帮助他们克服学习过程中的分心。研究发现，定期参加体育活动可以提高学生在课堂上的注意力，减少注意力不集中和分心现象[44]，还可以引起唤醒并减少无聊[45]。

解决数学问题需要工作记忆和持续关注，而阅读理解不但需要工作记忆，还需要准确、流利的单词解码、语义记忆、词汇积累和推理能力。强有力的证据表明，体育活动与认知任务的耦合可促进认知功能的发展。急性或慢性运动可改善依赖海马体的长时记忆和联想记忆；
粗略和精细运动技能均与认知表现(例如空间工作记忆、语义记忆、持续注意力、反应时间/速度)之间存在显著的正相关关系[46]；
较高的基线运动技能与更好的空间工作记忆存在正相关关系[47]；
有氧运动能力较强的孩子在记忆测试中表现出更高的准确性[36]；
童年时期高水平的体育运动与对相关材料有效编码和检索过程的卓越能力有关，增加3～5 岁儿童的体育锻炼可以改善他们的工作记忆[28]。上述研究结论说明，体育运动是提升青少年学生认知能力的一剂“灵丹妙药”。

如上所述，参加体育活动可通过增加BDNF，增加海马体体积和增加大脑皮层血流量来激活大脑，这可能会刺激学习，提高认知能力和推理能力，进而正向影响学业成绩。但学习成绩的好坏不仅仅取决于认知的高低，还取决于许多其他心理因素，例如动机、自尊、情感、情绪状态、人格和社会因素，以及自我效能感、态度、行为能力、意图、结果预期、社会支持和自我概念等，而参加体育活动对这些心理因素均能产生有益影响。经典观点认为，自尊是学生动机、坚持性和学业成功的重要影响因素[48]，而高水平体育运动通常与更高的自尊有关，被认为是体育活动和学业成绩之间最强的中介[49]，并与学生的学业和职业理想之间存在因果关系[50]。还有研究表明，体育活动可以增强自尊，提高自我效能和社交能力，有助于建立良好的合作伙伴关系，对激发幸福感，减少焦虑和沮丧感，提供发泄和处理情绪的机会，以及压力应对和逆境中的坚持具有积极作用，而这些社会心理学因素对青少年取得学术成就至关重要[51]。Wang 等[52]使用2015年中国国家教育质量评估(CNAEQ)的数据，包括数学(CNAEQ-MA 2015)以及体育与健康(CNAEQ-PEH 2015)，探索了体育课程实施与学业成绩的关系。结果发现，体育课程的实施通过心肺健康、健康生活方式、数学兴趣和数学自信心与数学成绩有间接的正相关关系，并一起解释了数学成绩27.8%的方差。

众所周知，情绪低落以及负面情绪(焦虑、抑郁、羞耻、愤怒和绝望)会影响学习过程，进而影响学业成绩。参加体育活动可以促进心理健康和塑造良好情绪，减轻焦虑与沮丧，使学生表现出更少的情绪障碍。研究表明，仅通过一次步行，参与者就报告焦虑(社交技能焦虑)有所减轻[53]，使包括自我调节、合作、解决冲突、责任感和自主性在内的社交技能得到提升[54]。此外，参加体育活动还可通过提高教育抱负，改善学习投入，减轻压力，增加学习满意度，改善同伴关系，灌输领导、分享、团队合作和宽容的特质提高学业成绩。还有研究认为，体育锻炼可通过降低负面情绪、增强同学间的互动、促进同学的积极行为、增强自信心4 种渠道提升青少年学业表现[55]。

7.1 结论

尽管参加体育锻炼对提升学生学业成绩的影响机制在许多方面仍不十分清楚，但现有文献证据基本能够证实:体育运动可通过正向影响脑结构功能、脑组织表观遗传学调控、大脑皮层活动模式以及学习相关心理因素，达到提升学生认知能力和学业成绩的目的。从这个意义上来说，脑神经科学研究证据不仅为我们理解“体育能够提升学业成绩”命题的合理性奠定了坚实的基础，也可为“体教融合”政策的落地提供新的学理支撑。

7.2 启示

1)“体育锻炼能提升学业成绩”有着深厚的脑神经科学基础，随机对照试验也表明，参加体育锻炼能够提高学生的学业成绩，至少花在体育锻炼上的时间不会对学业成绩造成负面影响。接下来我们要做的工作是如何让广大的学生、家长、教师们做到知、信、行。在当前没有完全破除唯分数的升学体制下，如果能让学生、家长、教师、校长们明白“体育能够提升学业成绩”的道理；
相信每天参加一定时间的体育锻炼对获得好的分数有帮助，并付诸行动，困扰我们多年的“学生体质健康水平持续下滑”和“学校体育边缘化”等一系列问题就会迎刃而解。

2)尽管学界对当前我国高中、大学招生唯分数的做法进行过无数次的批判，但在现行招生录取体制下，唯分数论的选拔观念与唯分数取人的制度实践仍具有一定的合理性。不管将来学校招生制度如何改，不看分数高低就能上重点高中、一流大学在未来若干年内都很难实现。因此，能否考出好的分数成为能否上“重点”和“一流”的关键。于是乎，一切为分数让路，牺牲睡眠、娱乐和体育锻炼的时间成为常态，其结果必然导致学生的体质健康水平持续下滑。对此，顶层设计者提出要将体育纳入中考、高考并强制执行，以引起社会各界对青少年体质健康的重视。这种“以毒攻毒”的无奈之举其实是在搭应试教育的“顺风车”，究竟效果如何，笔者不敢妄加评论。笔者在这里质疑的是，难道说体育非要进入中考、高考才能引起学生、家长、学校的重视吗?好的分数真的需要以牺牲学生参与体育活动的时间和体质健康水平来换取吗?体育、健康和学业成绩之间真的水火不相容吗?体育与智育就不能同频共振吗?笔者认为，之所以出现上述问题，关键是学校体育没有找到自己的“卖点”，没有看到体育能够提升学业成绩的价值。只要让广大学生、家长、教师、校长们建立起参加体育锻炼能让学生在学业上取得更好成绩、体育能让学生的健康与学业成绩兼得的信念，确保青少年学生每天体育锻炼1 h 也就不再是什么难事。

3)现有研究表明学生的体育锻炼与认知能力和学业成绩存在着量效关系。但遗憾的是，目前的证据仍无法确定改善学业成绩所需的最理想体育锻炼剂量。同时，学生取得好成绩也需要有足够的学习时间作为保障。因此，体育锻炼与认知能力和学业表现的量效关系、体育锻炼时间与学科学习时间的理想匹配模式以及“8－1 > 8”(即每天抽出1 h 的学习时间进行体育锻炼，学习效果大于8 h 的单纯学业学习)是否为最佳方案等一系列科学问题仍有待进一步阐明。