运动改造大脑

大脑控制运动 运动改造大脑 赵敬国教授山东师范大学体育学院运动人体科学实验室 个体生存 种族延续是生命的第一需要 个体生存是种族延续的前提 种族延续是个体生存的目的 运动是人体生命存在的必需 运动是个体生存和种族延续的必要条件 人体的一切结构和功能都是为运动而产生的 运动是人类寻找食物和狩猎的必需 是趋利避害的行为方式 人类天生就要动 原始人的生活 狩猎与采集 为追逐猎物而奔波 超凡的耐力 每天行走8000 16000米 为猎杀猎物而速奔 非凡的爆发力 运动是人类进化来的本能 今天人类的基因是50万年进化的结果 我们今天的基因仍是为了寻找食物和狩猎活动而编码的 人类是既有耐力又有爆发力的动物 尤其是耐力 人类的肌纤维百分组成是 慢肌占44 58 快肌占42 56 运动是大脑的功能 从系统和发展的观点来看 人类的行为 behavior 是大脑功能活动的表现 是人为了适应社会环境而发展演化的外部活动 是维持个体 种系生存繁衍所作的全部反应 简言之 人的行为是大脑的功能 是内部生理 心理需要导致的外现活动 更是对环境变化的适应性反应 大脑是为运动而专设的 海鞘幼虫拥有一条简单的脊髓和300个神经元组成的 脑 海鞘幼虫必须在12个小时内找到一块礁石附着 否则会死去 海鞘幼虫一旦附着后就会吃掉自己的 脑 因为它不再运动了 脑没有用处了 运动是人体的行为之一 个体的行为经一定的需要与动机引发后 即循着一定的目标 表现出一连串的活动 导向目标的实现 人类的行为既受本能活动的支配 生物学 同时还受社会生活的制约和支配 社会学 思考型大脑是从运动技能的磨练中进化而来的 经过50万年的进化 人们逐渐适应了环境 为了长期生存下去 人们必须运用智慧寻找和储存食物 食物 体力活动和学习之间的关联性成为我们大脑回路系统中与生俱来的习性 随意运动的神经调控 人体运动的神经支配 人体的躯体运动是在神经支配下 以骨骼为杠杆 以关节为支点 以肌肉收缩为动力的杠杆运动 肌丝滑行理论的主要论点 肌肉的缩短和伸长是由于肌小节中粗细肌丝的相互滑行 肌丝本身的结构和长度不变 横桥摆动是肌丝滑行的动力 ATP是其直接能源 ATP再合成 神秘的大脑 1990年 美国生理学会指出 整合生理学将是未来生理学的主要内容 其中阐明人脑高级功能的研究将是对生理学家最后的挑战 大脑有1000亿个神经元组成 每个神经元接受其他10万个神经元的信息传入 脑内信息传递的媒介 神经递质 脑内神经递质分为四类 即生物原胺类 氨基酸类 肽类 其它类 生物原胺类包括 多巴胺 DA 去甲肾上腺素 NE 肾上腺素 E 5 羟色胺 5 HT 也称 血清素 氨基酸类包括 氨基丁酸 GABA 甘氨酸 谷氨酸 组胺 乙酰胆碱 Ach 肽类分为 内源性阿片肽 P物质 神经加压素 胆囊收缩素 CCK 生长抑素 血管加压素和缩宫素 神经肽y 其它神经递质分为 核苷酸类 花生酸碱 阿南德酰胺 其它类 一氧化氮 脑内重要的神经递质 大脑中约80 的信号是有两种神经递质传送的 两者相互平衡彼此之间的效应 谷氨酸盐类主要是刺激神经冲动 氨基丁酸 GABA 则抑制神经冲动 生物原胺类递质多巴胺 DA 去甲肾上腺素 NE 5 羟色胺 5 HT 也称 血清素 则是起到调节作用的神经递质 它们的根本作用是通过调节信息流 把神经化学物质微调至整体平衡 脑内重要的神经递质 血清素是一种抑制性神经递质 最早于血清中发现 在脑皮质层及神经突触内含量很高 血清素能增强记忆 保护神经免受 兴奋神经毒素 的损害 可控制坏的情绪 冲动 愤怒以及攻击行为 也称作为 大脑警察 失控的大脑会引发抑郁症 焦虑症 强迫症 脑内重要的神经递质 去甲肾上腺素 增强那些影响注意力 认知力 动机以及觉醒状态的信号 多巴胺 是影响学习能力 奖励系统 满足感 注意力和运动的神经递质 有时它在大脑的不同部位会起到截然相反的作用 脑内重要的神经递质 内啡肽是一种有身体和大脑产生的物质 就像天然的吗啡 当身体和大脑负荷过重时 就会释放出内啡肽阻止疼痛信号 内源性阿片样肽是脑内的吗啡肽 简称EOP 可止痛 致血压降低和心动过速 具有抑制呼吸的作用 通过对下丘脑调节激素分泌的控制来影响垂体激素的分泌 进而影响肾上腺 甲状腺 性腺等腺体的功能 在心理上产生欣快感 大脑的优质肥料 BDNF 脑源性神经营养因子 BDNF 是影响突触可塑性 学习以及记忆的一个重要分子 BDNF分布在中枢神经系统 周围神经系统 内分泌系统 骨和软骨组织等广泛区域内 但主要是在中枢神经系统内表达 其中海马和皮质的含量最高 BDNF是体内含量最多的神经营养因子可促进神经细胞生存 增加突触可塑性及神经发生 大脑的优质肥料 BDNF BDNF的作用方式 1 增加突触可塑性 进而影响长时程增强 后者是学习过程和记忆形成 第二级记忆 过程的基础 2 促进神经发生尤其是海马的神经发生 促进细胞生存的作用 主要体现在对各种神经元 尤其是对5 羟色胺 5 HT 和多巴胺 DA 能神经元的发育分化与生长再生具有维持和促进作用 大脑的优质肥料 BDNF 运动促进脑内BDNF水平提高 实验显示往皮氏培养皿内的神经细胞上撒些BDNF 细胞就会自发形成新的分支 学习需要相同的构造性成长 运动有助于大脑的学习 零点体育的机制之一 脑细胞新生和分化所需的因子 胰岛素样生长因子 insulin likegrowthfactors 简称IGFs 是一类多功能细胞增殖调控因子 在细胞的分化 增殖 个体的生长发育中具有重要的促进作用 胰岛素样生长因子 I IGF I 主要是由肝脏产生 其功能与生长激素类似 主要是调节机体生长以及组织重塑 血清IGF I以及大脑局部产生的IGF I能够为大脑提供营养支持 其中血清IGF I能够通过血脑屏障 脑细胞新生和分化所需的因子 血管内皮生长因子 vascularendothelialgrowthfactor 简称 VEGF 可在体内诱导血管新生 脑细胞新生和分化所需的因子 成纤维细胞生长因子 fibroblastgrowthfactor FGF 的作用是促进内皮细胞的游走和平滑肌细胞的增殖 不能使平滑肌细胞游走 能够促进新血管形成 修复损害的内皮细胞 能促进成纤维细胞有丝分裂 中胚层细胞的生长 还可刺激血管形成 大脑的重要结构 海马 海马 是被称作 海马区 的大脑边缘系统的一部分 大脑的重要结构 海马 海马区的机能是主管人类正接触或已接触时间不长的主要记忆 有点像是计算机的内存 将几周内或几个月内的记忆鲜明暂留 以便快速存取 长时程增强效应 长时程增强效应 long termpotentiation LTP 给突触前纤维一个短暂的高频刺激后 突触传递效率和强度增加几倍 且效果能保持数小时甚至几天的现象 突触可塑性 突触的可塑性是指突触的形态和功能可发生较为持久的改变的特性或现象 突触会随着自身活动的加强与减弱相应得到加强与减弱 突触可塑性主要包括短期突触可塑性 short termsynapticplasticity 与长期突触可塑性 long termsynapticplasticity 突触可塑性 短期突触可塑性主要包括易化 facilitation 抑制 depression 增强 potentiation 长期突触可塑性主要表现形式为 长时程增强 Long termpotentiation 和长时程抑制 Long termdepression 这两者已被公认为是学习记忆活动的细胞水平的生物学基础 突触可塑性包括突触传递可塑性 突触发育可塑性 突触形态可塑性 神经可塑性 神经可塑性是指的由于经验原因引起的大脑的结构改变 神经可塑性是近期的发现 过去的科学家往往认为在婴儿关键期后 大脑结构往往不发生变化 大脑有神经元细胞和神经胶质细胞构成 这些细胞互相连接 通过加强或削弱这些连接 大脑的结构可以发生改变 神经新生 神经发生 neurogenesis 是包括从神经干细胞增殖并经历均衡和不均衡性分裂成为定向祖细胞 并逐渐向功能区域迁移 不断发生可塑性变化并与其他神经元建立突触联系从而产生神经功能的完整的过程 成体哺乳动物中枢神经系统的侧脑室的室管膜下区和海马齿状回的颗粒细胞下层终身拥有神经干细胞 能够不断地增殖分裂产生新的神经元 这个过程又被称为神经发生 Neurogenesis 神经新生 脑细胞真的又生长了 而且达到数千个 证据来自于一份不可思议的原始资料 癌症患者有时需要注射一种染色剂 他会出现在增值癌细胞里 便于跟踪癌细胞的扩散情况 观察那些捐献遗体的晚期癌症患者的大脑时 研究者发现他们的海马体也充满了染色标记 这证明神经元就像身体其他细胞一样 正在分裂和增值 neurogenesis 科学界正式认定这一发现为神经科学领域最大的发现之一 神经新生 新生的神经元是完全空白的干细胞 要经历一个发育过程才能形成神经细胞 在这个过程中 它们必须找到事情做才能生存下来 一个新生的细胞要经过28天才能加入到一个神经网络中 和已经存在的神经元应用使用 依赖可塑性 use dependentplasticity 认为突触在学习的刺激下会重新进行自我调整 如果我们不使用新生的神经元 我们就会失去它们 Useitorloseit 运动产生大量的神经元 而环境优化的刺激则有助于神经元的存活 心理是脑功能 人脑是结构最复杂 功能极其完善的物质 它是思维的器官 是心理 意识的物质本体 心理现象人皆有之 心理是大脑对客观现实的主观反应 心理现象又可分为两大类 即心理过程和人格 认知 情绪情感和意志 简称知 情 意 属于心理过程 人格也称个性 是指一个人区别于他人的 在不同环境中一贯表现出来的 相对稳定的影响人的外象和行为模式的心理特征的总和 包括 需要 动机 能力 气质 性格等 在一定意义上 人格不是独立存在的 而是通过心理过程表现出来的 心理是脑功能 心理异常 是在大脑生理生化功能障碍和人与客观现实关系失调的基础上产生的对客观现实的歪曲的反映 心理是脑功能 神经症又称神经官能症 是由大脑机能活动暂时性失调而引起的心理障碍或异常 其特征为持久的心理冲突 主要表现为心理活动能力减弱 如注意力不集中 记忆力减退 学习和工作效率降低等 情绪失调 表现为情绪波动 烦躁 焦急 抑郁等 睡眠障碍 如失眠 恶梦 早醒等 有疑病性强迫观念 有各种明显地躯体不适应感 有慢性疼痛 急性头疼 腰痛 但检查不出器质性病变 心理是脑功能 精神病指的是大脑机能活动发生紊乱 导致认识 情感 行为和意志等精神活动不同程度障碍的疾病的总称 致病因素有多方面 先天遗传 个性特征及体质因素 器质因素 社会性环境因素等 许多精神病人有妄想 幻觉 错觉 情感障碍 哭笑无常 自言自语 行为怪异 意志减退 绝大多数病人缺乏自知力 不承认自己有病 不主动寻求医生的帮助 情绪障碍其实有生物病因 那些被认为完全是心理问题的疾病或许可以用生物学来解释 某种情感问题是有生物学依据的 单胺假说认为 抑郁症可能是由于去甲肾上腺素 多巴胺 血清素这三种神经递质的不足而造成的 运动改造大脑 大脑不是瓷器而是橡皮泥 用进废退不仅适用于肌肉 同样适用于大脑 Useitorloseit 缺乏运动将损坏我们的大脑 环境的缺失会使大脑萎缩 梦想 计划和创造的能力恰好源自大脑中负责支配运动的那部分区域 思考是有进化产生的内化运动 人类在进化时 从生理技能发展出许多抽象能力 预测 排序 评估 计划 复述 观察自我 判断 纠错 转变策略以及记忆 我们今天的大脑回路和古代祖先没有什么两样 思考是有进化产生的内化运动 小脑能够协调运动 证据表明 连接人类小脑和前额叶皮层的神经要比猴子的更粗 这种运动中枢神经对思维 注意力 情感 甚至社交技能同等重要 前额叶皮层既组织心理活动 也组织生理活动 前额叶皮层就是大脑中的老板 CEO 海马体有点像绘图师 担任中转站的角色 把信息片段捆扎连接形成记忆蓝图 没有前额叶的监督 海马体就不会积极参与 海马体 实验证实 海马体是大脑中极易受到退行性疾病影响但又是学习必需的区域 海马体也是对运动最为敏感的区域 海马体区域终生拥有干细胞 运动改造大脑 学习是前额叶皮层指导 调动许多区域共同参与的过程 大脑必须意识到进入的刺激 随后把它放到工作记忆里 同时给予情感上的重现 并把它和过去的经历相关联 再把整个信息与海马体联系起来 前额叶皮层分析并确定信息顺序 然后把每件事联系在一起 前额叶皮层与小脑及基底核共同合作 保证信息往返的节奏 确保这些功能正常发挥 运动改造大脑 提高海马体的可塑性可以巩固这条信息链中的一个关键环节 但通过学习可以在整个大脑中产生更浓密 更健康 连接更顺畅的神经元 我们建立的神经网络越多 储存的记忆和经历越丰富 那么学习起来越容易 这些就是形成日益复杂的思维能力的基础 运动改造大脑 运动能够改善情绪 调节与优化大脑功能 运动可以创造一个有助于学习的环境 从而有助于改善我们的心理状态 运动能够减轻并预防一系列的认知障碍 帕金森氏病 阿尔茨海默病 焦虑症 恐惧症 抑郁症 注意力缺陷障碍 成瘾行为等 运动能够治疗儿童及成年人的自闭症障碍以及各类学习问题 运动提高了神经递质的水平 使大脑中的神经递质和其他化学物质之间达到平衡 保持大脑功能的平衡可以改变你的生活 运动改造大脑 在治疗轻度和中度抑郁与无助感方面 运动的效果和抗抑郁药一样好 玩耍和运动有助于儿童的情绪发展 有助于改善孩子的成绩和考试分数 能让他们的认知获得最优的发展 运动提高了理解力 增强了注意力和兴致 减少了几分紧张不安 让人更富有激情和活力 运动让我们的大脑做好准备 提高了大脑记录和处理新信息的潜能 运动改造大脑 运动优化大脑的作用发生在运动后 德国研究人员发现 人们运动后学习词汇的速度比运动前提高了20 学习速度和BDNF水平有直接的关系 BDNF为突触提供工具以接受 处理 关联 记住信息 并把它放入到背景中加以理解 一旦运动结束 血液几乎立刻回流 这时如果有需要敏锐思维和复杂分析的事情 就正是注意力集中的最佳时刻 运动带来的有益效果至少能持续6周 一次运动的后作用可持续1 1 5小时 运动改造大脑的中介变量 中介变量是指运动影响脑功能的产生机制 是自变量对因变量产生影响的中介 是自变量对因变量产生影响的实质性的 内在的原因 运动改造大脑的中介变量 BDNF是思想 情感和运动之间至关重要的生物学纽带 BDNF是促进神经元相互连接和生长的肥料 对神经可塑性和神经新生至关重要 还可抵御细胞死亡的自然进程 2000年诺贝尔奖得主的重大发现是 不断重复激活或者练习 会让突触自发肿胀 建立更强的联系 这一细胞适应机制称为突触可塑性 海马体是大脑中与学习和记忆有关的区域 经证实BDNF存在于该区域 运动提高了神经递质的水平 血清素 去甲肾上腺素 多巴胺 运动改造大脑的中介变量 运动能为大脑制造替换零件 诱发神经新生 运动诱发海马体区产生神经新生 新生的神经元是完全空白的干细胞 要经历一个发育过程才能形成新的神经细胞 在这个过程中 他们必须找到事情做才能生存下来 运动改造大脑的中介变量 一个新生的细胞要经过28天才能加入到一个神经网络中 如果我们不使用新生的神经元 我们就会失去它们 运动产生大量的神经元 而环境优化的刺激则有助于神经元的存活 体育可为大脑提供了学习所需的最佳工具 而课堂上的学习刺激又促使那些新生的神经细胞连接到网络中 运动改造大脑的中介变量 运动提高了BDNF IGF 1 FGF 2 VEGF的水平 这些因子促进了神经新生 促进了干细胞的分化与存活 运动改造大脑的中介变量 有氧运动和复杂活动对我们的大脑产生各自的有益影响 它们之间作用互补 有氧运动能增强神经递质 建立新的血管来输送生长因子 促使新细胞的生成 通过强化与拓展神经网络 复杂的活动让所有这些元素都投入使用 活动越复杂 突触的联系也就越复杂 运动完善了你的思维模式以提高警觉力 注意力和驱动力 前额叶皮层会吸纳身体技能产生的心理力量 并在其他情况下发挥作用 美国芝加哥内帕维尔203学区体育课的启迪 零点体育课 一种通过运动提高学生意识状态 为一天学习做好准备的新型体育课 该课程因被安排在第一节文化课之前而得名 后改为 学习准备型体育课 学生配戴心率表 每天上跑道跑1600米 心率保持在80 90 HRmax 运动给身体提供了某种独一无二的刺激 而这种刺激为大脑创建了一种环境 这种环境使大脑能够做好准备 愿意并且有能力去学习 美国芝加哥内帕维尔203学区体育课的启迪 上半学期结束时 参与零点体育课的学生的阅读和理解能力提高了17 喜欢睡觉以及那些参加标准体育课的学生们的阅读和理解能力提高了10 7 美国芝加哥内帕维尔203学区体育课的启迪 内帕维尔203学区体育教育的精髓在于 他传授的是健身之道而不是运动项目 其基本原理是 如果可以通过体育课指导孩子们如何监测和保持自身健康和强健体能 那么体育课将令他们受益终身 而且他们还很有可能更幸福长寿 体育课真正传授的是一种生活方式 美国芝加哥内帕维尔203学区体育课的启迪 这种以健身为基础的方式对学生学习方面产生了巨大的影响 这种体育课让这个地区1 9万名学生成为全美体质最强健的孩子 更令人惊讶乃至震惊的是 这个项目使那里的学生进入全美最聪明的孩子行列 他们在TIMSS数学测试中获得第六名 而在科学测试中获得第一名 美国芝加哥内帕维尔203学区体育课的启迪 尽全力跑比跑得快更重要 新体育教育 给学生打分的依据是其努力程度 而不是技能 速度快和身体健康之间并没有任何必然的关系 健身非竞技运动 fitness not sports 美国芝加哥内帕维尔203学区体育课的启迪 调查研究显示 生活水平高的学生学习和考试成绩也高 而低收入家庭的学生中 体能好的孩子学习和考试成绩高于体能差的学生 虽然父母可能无法立刻改善他们的经济状况 但鼓励孩子保持健康体能的生活方式可以让他们有机会获得好的成绩 美国芝加哥内帕维尔203学区体育课的启迪 体育活动对记忆力 注意力和课堂行为都有积极的影响 体育课旨在传授学生理念 经验以及健身的重要性 体育老师的责任在于 让学生知道保持健康所必备的所有知识 锻炼本身并不有趣 它只是一种行为 所以能让孩子们了解它 而且告诉他们其中的益处 那才是一次彻底的革命 美国芝加哥内帕维尔203学区体育课的启迪 在体适能与学习之间相关性的研究中显示 BMI和有氧适能与学习间的关系突出 更好的体能等于更好的注意力 运动改造大脑 的作者对传统体育课的评价是 体育课并没有特别的教育意义 体育课并不是真正的运动课 那些胆怯 笨拙 身材肥胖的孩子原本可能是运动的最大受益者 却被冷落在一旁的看台上 见习 美国芝加哥内帕维尔203学区体育课的启迪 学生在体育课上跑1600米 实际上是在为学习其他课程作更充分的准备 运动提高了理解力 增强了注意力和兴致 减少了几分紧张不安 让人更富有激情和活力 运动让我们的大脑做好准备 提高了大脑记录和处理新信息的潜能 影响学生学业成绩至关重要的因素是学校对健康体能的重视 身体越健康 就能更有效地学习和工作 美国芝加哥内帕维尔203学区体育课的启迪 心率表是唯一的必需设备 是所有的起点 现代文明生活简直是跟人体的本能作对 祖先的生活特征 剧烈运动数天再休息数天 人们过着饥一顿饱一顿的日子 我们今天的能量消耗比祖先少了38 我们的祖先为了果腹 平均每天必须走8000 16000米 运动是良药 递质的缺乏或失衡 神经网络的减少 脑细胞的减少可能是许多心理精神疾病的病因 运动的魅力在于 他同时从两个方向 上下 出发解决抑郁症这个问题 注意力神经递质遵循 倒U型模式 过多过少都是不利的 运动则是最好的配方 健康生活三大法宝 节食 老鼠实验显示 热量摄入减少30 寿命延长40 运动 贵在坚持 对优化大脑的功能来说 运动是唯一最有效的工具 保持活跃思维 不断学习 不断社交 运动改造大脑的调节变量 调节变量是指能够影响运动脑功能相互关系强弱和方向的变量 即自变量和因变量之间关系的方向 正或负 和强弱 可以是定性的 如性别 种族 学校类型等 也可以是定量的 如年龄 受教育年限 刺激次数等 运动改造大脑的调节变量主要包括 运动任务本身的影响 受试者个体特性的影响 不同的评估指标所产生的影响 运动任务 有氧运动和复杂活动对我们的大脑产生各自的有益影响 它们之间互补 遵循我们祖先的惯例 每天行走和慢跑 每周长跑几次 时不时地进行追逐猎物似的急速奔跑 瑜伽 太极拳 力量训练让大脑充实年轻活力 运动强度 低强度 55 65 HRmax中等强度 65 75 高强度 75 90 从轻度开始养成习惯 中等强度运动让大脑更强健 高强度运动大幅提高生长激素浓度 运动量 少量运动有好处 运动越多则效果更加 最大运动量应该是每周6天进行45分钟至1小时某种形式的有氧运动 建议至少在6个月内 每周进行6天有氧运动 随后再增加间歇训练 运动时应该消耗掉的能量 体重 0 45 8 Kcal 日本学者Hatano1993年提出每人每天至少消耗300Kcal作为保证健康的阈值 以一般人走30步可消耗1Kcal左右来计算 10000步即等于300Kcal 故提出 日行万步 的口号每步耗能 1000 30 33 3cal 千万记住 运动是我们与生俱来的本能 我们的头脑和身体就是为此而设计的 它们生来爱运动 大脑也遵循用进废退的法则 我们体育教师创造了这些脑细胞 而其他教师负责让它们更丰满 自愿的而不是强迫的运动才会有这般神奇的效能 一场全球性的运动 如果说20年前 美国军医肯尼斯 库珀博士的 有氧运动 理念让我们认识到运动促进身体健康的话 那么而今瑞迪的 运动改造大脑 的新科学理念使我们认识到运动可以健身更可以健脑 概述 一次运动 BDNF 有利于突触建立和递质释放 有利于学习长期的运动 BDNF IGF 1 VEGF FGF 2 细胞新生 学习或社交 神经网络 健脑 强脑 益智 什么是最佳的健脑运动计划呢 都希望能给你一个强健大脑的理想运动模式和运动量 可是科学家也刚开始探索这类问题 还没有人完成这样的研究