急性登階運動對學前兒童反應時間與事件關聯電位之影響

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(1)國立臺灣師範大學體育學系碩士學位論文. 急性登階運動對學前兒童反應時間與事件關聯電位之影響. 研究生：廖智千指導教授：洪聰敏. 中華民國一零一年八月中華民國臺北市.

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(3) 急性登階運動對學前兒童反應時間與事件關聯電位之影響 101 年 8 月研究生：廖智千指導教授：洪聰敏摘要兒童是國家未來的棟樑。近年來，身體活動對兒童大腦認知表現的影響引起廣泛的興趣。學齡前階段是兒童大腦神經認知功能發展之關鍵階段，然而過去研究鮮少探討急性運動對學前兒童大腦神經認知功能影響，因此本研究目的在於探討急性登階運動對學前兒童大腦認知功能的影響。本研究招募 20 位學前兒童，其中 10 位為實驗組，另 10 位控制組。實驗操弄為實驗組兒童進行 10 分鐘登階運動，控制組兒童則原地休息 10 分鐘。並收集兩組兒童實驗操弄前後執行 Flanker 作業時之反應時間與事件關聯電位。統計方法以 T 考驗檢測兩組兒童在反應時間、事件關聯電位 N100 與 P300 之潛伏時間與振幅之差異。結果發現，急性登階運動介入之後，實驗組兒童在需執行控制功能需求下之 P300 潛伏時間上短於控制組兒童。表示急性運動對於學前兒童在大腦神經認知功能方面有所影響。. 關鍵詞：學前兒童、急性運動、事件關聯電位. i.

(4) ii. The effect of acute step exercise on reaction time and Event-related potentials in preschool children August, 2012 Graduated student: Jhih-Cian Liao Advisor: Tsung-Min Hung Abstract Children will be the backbone of our country in the future. The interest in the effect of physical activity on children’s brain and cognition has grown in recent years. Preschool period is critical for children’s neuro-cognitive development. However, little is known about the effects of acute exercise on neuro-cognitive function during preschool age. As such, the purpose of this study was to investigate the effect of acute step exercise on preschool children’s neuro-cognition. Twenty preschool children participated and were divided into experimental group and control group (10 children each group). The experimental group completed 10 min of acute step exercise, whilst the control group took a 10 min rest. The reaction time and event-related potential during the Flanker test were recorded before and after the intervention. A series of T-test were employed on the reaction time, N100 latency, N100 amplitude, P300 latency, and P300 amplitude to examine the difference between the two groups. The result indicated that after acute exercise, the P300 latency of experimental group is shorter than that of control group. The findings support the notion that acute exercise has a positive impact on neuro-cognitive function of preschool children.. Keywords: Preschool children, Acute exercise, Event-Related Potenti ii.

(5) iii. 謝. 誌. 夏天了，還記得四年前的夏天，當我接到錄取台灣師大體育研究所的錄取通知時，心中的興奮之情與現在的離情依依有很大的差別。為什麼四年的時間會讓我有這麼大的改變呢？因為成長！還記得與洪聰敏老師第一次見面是在地下室的體適能中心教室，從那一刻開始，洪老師無論是在學術上、生活上或是待人處事上都給予我很多的指導，感謝老師在指導我時給我最大的信任與耐心，讓我有很大的學習空間，且當我遇到問題時，能在百忙之中抽空與我一起思考與討論解決之道。謝謝實驗室的另一位支柱黃崇儒老師，無論是在擔任我論文口委、讀書會報告、投稿修改，給予我相當適切與關鍵的建議，讓我能夠順利通過考驗。另外更要謝謝季力康老師，給予本研究很多寶貴的意見，讓我的論文能更具嚴謹與完整性。在此對三位老師致上真誠與無限的感謝。感謝師大運動心生理實驗室的所有成員，謝謝巧菱學姐、伶君學姊、馨尹學姊、嵐雅學姊對我的研究全力支持與幫忙，謝謝至寬、士竣、裔夫、采純、怡婷無論是在修課、作實驗或是發表時，總是情義相挺，讓我在實驗室的日子裡獲得許多寶貴與難忘的回憶。謝謝名揚、冠甫、泰廷、小雲、怡潔、侑蓉，不辭辛勞的跟著我舟車勞頓作實驗，讓整個研究能夠順利的完成。謝謝所有夥伴一路並肩奮鬥，讓我能在短短的時間當中，可以學習並成長許多。謝謝花師籃球隊教練林如瀚老師從大學時期到現在對我的照顧和指導，更要謝謝我的同窗好友國豪、志航與政基，在我忙於研究所學業時，總是不斷的與我聯繫和鼓勵，使我感受到滿滿的溫暖！最後，感謝我最親愛的家人，父親廖學熤先生與母親廖淑珍女士的栽培與鼓勵，是我面對一切最重要的動力來源，謝謝弟弟智民與妹妹郁芳，在我讀研究所的這段期間對家裡的照顧，讓我無後顧之憂的可以衝刺學業！再次謝謝四年來陪伴過我成長的所有人！廖智千謹誌 iii.

(6) iv. 目. 次. 中文摘要…………………………………..…………………….……………………………i 英文摘要……………………………………………………………..……………………….ii 謝誌………………………………………………………………………….………………iii 目次………………………………………………………………….…………...……………iv 圖次…………………………………………………………………………………..………vi 表次…………………………………………………………………................……….……vii. 第壹章. 緒論…...………………………………………………………………1. 第一節. 問題背景…………………………………….………………………………....1. 第二節. 研究目的…...…………………………………………………………………5. 第三節. 研究問題與假設……………………………………………………………….6. 第四節. 研究範圍與限制…...……………………………………………………….….6. 第五節. 名詞解釋…...………………………………………………………………..…7. 第貳章. 文獻探討…...…………………………………..……………………8. 第一節. 學前兒童認知與大腦神經發展之關係………………………………………8. 第二節. 學前兒童身體動作發展與認知發展之關係…………………………..……14. 第三節. 身體活動促進大腦神經認知功能之生、心理機轉….………………………18. 第四節. 急性運動對認知表現影響之相關研究…...………………..…..…………22. 第五節. 大腦認知功能與事件關聯電位之關係…...……………..…………..………24. 第六節. 文章總結…...…………………………………………………………………27. iv.

(7) v. 第参章. 研究方法與步驟…...…………………………..……………………29. 第一節. 研究架構…..………………………………………….……………………29. 第二節. 研究對象…………………………..……………………………………….30. 第三節. 研究工具….……………………………………………………………….30. 第四節. 實驗設計…...………………..…..……………………………………………31. 第五節. 實驗流程………………………………...……………..…………..………32. 第六節. 資料處理與統計分析…...……………………………………………………35. 第肆章. 結果與討論…...…………………………..……………………37. 第一節. 結果…..………………………………………….…………………………37. 第二節. 討論……….………………………..……………………………………….57. 第伍章. 結論與建議…...…………………………..……………………62. 第一節. 結論………..………………………………………….……………………62. 第二節. 建議………..……………………..……………………………………….63. 參考文獻. …...…………………………..……………………………………64. v.

(8) vi. 圖. 次. 圖 2-1. 大腦結構圖…………………………………………………………12. 圖 2-2. 神經元結構圖....……………………………………………………13. 圖 2-3. P300 範例圖………………………………………………………25. 圖 3-1. 研究架構圖....………………………………………………………29. 圖 3-2. 實驗設計圖…………………………………………………………32. 圖 3-3. 腦波收集流程圖……………………………………………………34. 圖 4-1 實驗組與控制組兒童於前測一致情況下之 ERP 圖………………50 圖 4-2 實驗組與控制組兒童於前測不一致情況下之 ERP 圖……………52 圖 4-3 實驗組與控制組兒童於後測一致情況下之 ERP 圖...……………54 圖 4-4 實驗組與控制組兒童於後測不一致情況下之 ERP 圖……………56. vi.

(9) vii. 表. 次. 表 2-1 嬰幼兒時期動作發展表.......…………………………………………15 表 4-1 前測兩組兒童在一致與不一致情況時反應時間、標準差與 t 值…37 表 4-2 後測兩組兒童在一致與不一致情況時反應時間、標準差與 t 值…38 表 4-3 前測兩組兒童在一致與不一致情況時於 F3、Fz、F4、P3、Pz、P4 之 N100 潛伏時間、標準差與 t 值...………………………………..39 表 4-4 後測兩組兒童在一致與不一致情況時於 F3、Fz、F4、P3、Pz、P4 之 N100 潛伏時間、標準差與 t 值...………………………………..40 表 4-5 前測兩組兒童在一致與不一致情況時於 F3、Fz、F4、P3、Pz、P4 之 P300 潛伏時間、標準差與 t 值...………………………………..41 表 4-6 後測兩組兒童在一致與不一致情況時於 F3、Fz、F4、P3、Pz、P4 之 P300 潛伏時間、標準差與 t 值...………………………………..42 表 4-7 前測兩組兒童在一致與不一致情況時於 F3、Fz、F4、P3、Pz、P4 之 N100 振幅、標準差與 t 值...………………………………..43 表 4-8 後測兩組兒童在一致與不一致情況時於 F3、Fz、F4、P3、Pz、P4 之 N100 振幅、標準差與 t 值...………………………………..45 表 4-9 前測兩組兒童在一致與不一致情況時於 F3、Fz、F4、P3、Pz、P4 之 P300 振幅、標準差與 t 值...………………………………..46 vii.

(10) viii. 表 4-10. 後測兩組兒童在一致與不一致情況時於 F3、Fz、F4、P3、Pz、P4 之 P300 振幅、標準差與 t 值...………………………………..47. viii.

(11) 1. 第壹章緒論本研究旨在探討急性登階運動對學前兒童反應時間與事件關聯電位之影響。本章內容依序為：第一節、問題背景；第二節、研究目的；第三節、研究問題與假設；第四節、研究範圍與限制；第五節、名詞解釋。. 第一節. 問題背景. 從過去到現今，人類之所以能夠創造出歷史與文明，是因為人類擁有比其他動物更高等的認知功能，有了這些認知能力，人類才能創造出例如語言、文字等各種可以用來表達情感與思想，並且更進一步的思考、計畫與解決問題來產生新知識。因此，認知功能的發展與健全，是人類邁向璀璨未來的重要基礎。身處於經濟與科技快速變遷的年代中，台灣的社會結構也已改變，除了邁向老化社會之外，少子化的現象也相當嚴重且受到重視的問題，現代男女除了晚婚之外，生育率也逐年下降，根據內政部的統計資料指出，我國出生率從民國 70 年的 23‰，到民國 97 年已下降到 8.6‰(內政部，2008)。從台灣出生率下降，但在經濟與國民教育水準卻比以前提升的情況來看，出生在現今的孩童除了物質生活不虞匱乏之外，更比過去的孩童擁有更多的關注與資源。因此現代的父母都相當重視孩子各方面的發展，尤其是將來與課業成績相關的認知能力，只要是對認知功能有幫助的，現今的父母親都會盡力的滿足自己的孩子，不希望自己的孩子輸在起跑點。影響孩童認知發展的因素相當眾多，其中包含了遺傳、環境、飲食等等。然而，現代兒童的生活環境中卻充滿了各種不利於其認知發展的因素，如在生活空間有限的環境下，大多數的活動都在室內空間進行，與過去的孩子可盡情在室外跑、跳的遊戲相較之 1.

(12) 2. 下，現代兒童的身體活動無形當中已減少許多。在飲食習慣方面，市面上充斥著許多高油脂、高醣的食物，如果沒有正確的教育，孩子們很難抗拒這些食物的吸引，攝取太多這類的食物，不僅容易導致肥胖等健康問題，更可能會對整體的發育造成不利的影響。此外，現代的家長在不希望自己的孩子輸在起跑點的期望之下，常常在孩子年紀很小時就將其送至各種才藝班學習各種才藝，尤其特別重視關於記憶的課程，例如一些速讀、特殊記憶法的學習，而往往忽略了身體活動的重要性。這樣的做法，可能讓原本健康的孩子，也會因為空間或是動作經驗的缺乏而導致身體平衡、手眼協調、空間概念、人際溝通、問題解決等的發育不全。大腦在出生前即開始發育，大腦容量在前幾年會快速發展到約成人的 80%，兒童期之後才慢慢穩定的增加到成人的水準(Sowell 等, 2003)。因此，學齡前階段是兒童大腦發展最快速的時期，發展重點在與知覺動作有關的大腦區域；雖然兒童期時大腦容量不再快速增加，但此時期大腦還是不斷的藉由像是灰質數量的減少與白質數量的增加、大腦血管新陳代謝效率化、突觸新生以及大腦神經髓鞘化等來發展各區域的功能，而此時期的發展重點則是與高階認知功能有關的前額區域( Giedd, 2004; Gogtay 等, 2004)。對於學前兒童來說，其最主要且基本的學習能力來自於感覺動作，學前兒童透過感覺器官與肢體肌肉的發展，逐漸的對環境與生活中的各種事物有了應付的能力，這就是智慧的基礎。因此學前兒童的動作發展的好壞，也會直接或間接的影響到認知的學習，有豐富的動作發展經驗的兒童，不僅僅能夠有好的外在動作表現，這些動作經驗更是能夠幫助往後在書寫、閱讀等學習；另一方面，現今兒童有許多是過動、注意力不集中、人際關係發展困難等等，這些都是屬於感覺動作能力發展障礙或落後的例子，這是因為缺乏動作經驗的基礎，所以對一些刺激無法做正確的反應，導致後續各階段的學習都受到影響。因此，無論是家長或從事教育相關人員，絕對不可忽視動作感覺能力的發展對學前兒童的重要性。在「刺激知覺」與「反應動作」的過程中，感覺與動作系統是不斷的相互影響，從感受到刺激的傳輸過程「解碼」、將刺激經由神經傳入大腦「輸入」到由大腦將訊息統整處理之後藉由神經傳遞形成外顯動作的「輸出」，這一連串的程序都讓大腦中的感覺與運動系統不斷的重組，進而在大腦內組成連結寬廣的神經網路。而這 2.

(13) 3. 個神經網路系統就是往後無論是動作或認知學習的重要籌碼。由此可知，如果希望兒童具備良好的表現行為，先要充分發展他的知覺-運動處理系統 (林寶貴、吳純純，1998)。由於兒童的認知發展與動作發展息息相關，且大腦的運作是一個相當複雜的系統，例如一個簡單的動作，就必須要有相當多神經訊息處理才能完成，更何況是精細動作，則動用到的神經數目就更加的難以估計了。而大腦雖複雜，但卻也是可塑性最高的人體器官，也就是說腦部刺激活動越多、練習次數越頻繁，將促使神經細胞越健康、神經與神經之間的連結越牢固、正確，進而提升神經訊息傳導的速度。由以上神經可塑性的探討可知，後天身體活動的刺激的數量以及品質，可說是影響兒童認知發展的重要依據之ㄧ。過去對於身體活動對大腦認知功能影響的研究大多集中在於老年族群。許多探討身體活動、身體適能和認知功能相關性的研究發現，日常生活身體活動量較高的人，老年在認知功能測驗上的得分往往也較好(Churchill, Galvez, Colcombe, Swain, Kramer, & Greenough, 2002)，Churchill 等人(2002)從過去的研究中發現，運動對大腦老化的作用關係，無論從神經樹突、突觸密度、神經傳導分子、神經影響分子、神經膠質細胞、和大腦微血管密度分析測量，經常運動的動物都比運動較少的動物，在神經元結構、大腦整體組織型態和功能維持上較為健康。由於對老年人的相關研究大多支持身體活動可減緩或預防認知功能老化的情形。從以上身體活動對老年認知功能老化有所助益，以及身體活動促進大腦神經認知功能的心生理機轉的探討，再加上兒童時期身體動作與認知發展之間的密切關係，可以合理的推論身體活動對學前兒童的大腦神經認知功能也會有所影響。近年來，有許多研究者將研究重心放在兒童族群中身體活動與認知之間關係的議題上，在 Sibley 與 Etnier (2003)的研究中發現，身體活動對孩童的認知表現，如：知覺技能、智力和學業成就等有著正面的影響。Davis 等人 (2007) 則是著重在探討 15 週不同強度的有氧身體活動課程對過重孩童在認知表現上的影響。研究結果發現，高劑量的身體活動對於兒童在認知執行能力有著顯著的正面影響，由這些研究的結果可以得知，長期性身體活動對於兒童的認知發展和表現可說是扮演重要的正面角色，讓我們無法忽視其影響力。除了長期性的身體活動之外，急性運動 (acute exercise) 是在探討個體在一次性身體活動後，因為心跳、內分泌等生理改變或能量消耗等對認知功 3.

(14) 4. 能的影響 (Tomporowski, 2003)。相關研究方面，Keita Kamijo 等人 (2009) 探討 12 位年輕成人與 12 位的老年人在介入急性有氧運動後對其認知表現的影響，結果發現，在中等的急性有氧運動介入之後，兩組參與者的反應時間皆有縮短的情形。但在事件關聯電位方面，急性有氧身體活動後，只有年輕人的 P300 振幅有所增加，因此該研究推論急性身體活動對認知功能的影響可能會因年齡的不同而有所差異。在兒童方面，Hillman 等人 (2009) 則是探討 20 分鐘、強度為 60%最大心跳率的踏車身體活動介入後，對 20 位 9 至 10 歲兒童在 Flanker 認知作業表現上的影響，結果發現，参與實驗的兒童在身體活動過後，在需要執行控制功能的作業情境中，反應正確率、腦波事件關聯電位 P300 振幅與學業測驗上皆有所提升。由過去的研究成果，可知急性身體活動有助於認知表現，而學前兒童之大腦神經相較於其他族群，為處於全面皆快速發展階段，且相對於各年齡層，學前兒童受到社會或學校課程等因素的影響較少，因此身體活動對於其認知表現的影響比較不會受到其他不相關因素的干擾，因此如能針對急性運動與其認知表現之間的關係加以探討與釐清，不僅可對急性運動對人類認知表現的影響是否因年齡的不同而有所差異之外，相信對於父母或教師而言，將來無論是在學前兒童身體活動安排或課程設計上，或許又可多一個有所依據的選擇。此外，急性運動可藉由對大腦神經認知運作之生理機制產生影響，進而提升認知表現，相較於長期性的運動而言，急性運動在效率的角度上有較大的優勢，因此，近來在探討運動對認知功能的相關研究中，急性運動對成人在認知功能上的效果已被廣泛的討論。然而，針對急性運動對兒童認知功能影響之相關研究相對而言就較為缺乏，且學齡前階段為兒童大腦無論在知覺動作或執行控制功能成熟的關鍵期，因此，本研究擬藉由一次性的登階運動介入，配合使用修訂版 Flanker 作業 (Eriksen & Eriksen, 1974; Hillman et al., 2006; Pontifex & Hillman, 2007) ，希望可以就急性運動對學前兒童大腦認知功能中與執行控制認知功能的影響這個議題有初步了解。從過去的相關研究可歸納出身體活動促進大腦認知功能的機制，其中包括：大腦神經結構之改變、大腦血流量之改變、大腦神經生長營養物質之分泌與合成、神經傳導物質之改變等。另外，急性身體活動主要是藉由大腦血流與神經傳導物質的變化來改變覺 4.

(15) 5. 醒水準進一步來對認知功能產生影響。雖然由上述無論是研究或機轉的探討可知，身體活動對人類的認知表現有所幫助，但過去的研究無論是長期或急性的身體活動介入，都是以老年人與成人族群為主，對於兒童的探討較為缺乏。而學前兒童時期實為大腦功能快速發展期間，且大腦對身體活動所產生的影響與變化在這個階段會比成人族群來的敏感且激烈。因此以學前兒童為對象，利用身體活動介入，探討身體活動對大腦神經認知功能的影響，對於身體活動與大腦認知功能兩者之間的關係可以更全面、深入的了解。此外，由於事件關聯電位 (ERP) 只計算反應時間中之中樞神經運作期，不計算周圍肌肉執行收縮動作時間，是測量認知訊息處理過程中，受動作成分汙染、影響最少的測量方法( Spirduso, Francis, & Macrae, 2005)，可說是研究觀察中樞訊息處理過程的時間變化與神經資源投入的絕佳測量方法選擇。在ERP成分當中，N100與刺激出現後大腦神經前期的知覺處理或注意力選擇有關；而P300則可作為大腦中樞在注意力、記憶與環境更新的指標 (Bharath et al., 2000; Coull, 1998; Gruzelier et al., 1999; Gruzelier, 2003; Jeon & Polich, 2003; Bramon et al., 2005)。此兩種ERP成分可代表大腦神經在前後期的刺激處理過程。而過去的研究也發現長期性身體活動介入對學前兒童N100與P300之振幅與潛伏時間皆有影響 (趙思盈，2008；Liao, Hung, Huang, & Hung, 2009) 。然而，過去研究並未探討急性運動介入對於學前兒童在反應時間與事件關聯電位的影響，無法了解急性運動對學前兒童大腦神經認知功能的影響為何？故本研究擬以學前兒童為對象，並介入一次性的身體活動課程，以反應時間與事件關聯電位N100與P300之振幅與潛伏時間為依變項，探討急性登階運動的介入後，對學前兒童在反應時間與事件關聯電位的影響。. 第二節. 研究目的. 基於前述之研究背景與動機，本研究旨在探討急性運動介入對學前兒童反應時間與事件關聯電位之影響。. 5.

(16) 6. 第三節. 研究問題與假設. 根據以上研究目的，本研究擬研討之中心問題為：一、急性運動介入對學前兒童在 Flanker 作業中時反應時間(RT)上是否有差異？二、急性運動介入對學前兒童在 Flanker 作業中一致性與非一致性刺激時事件關聯電位 (ERP)的振幅上是否有差異？三、急性運動介入對學前兒童在 Flanker 作業中一致性與非一致性刺激時事件關聯電位 (ERP)的潛伏時間上是否有差異？根據上述，本研究假設為：一、急性運動介入的學前兒童在 Flanker 作業中一致性與非一致性刺激時反應時間短於無急性運動介入的學前兒童。二、急性運動介入的學前兒童在 Flanker 作業中一致性與非一致性刺激時事件關聯電位 N100 及 P300 的潛伏時間短於無急性運動介入的學前兒童。三、急性運動介入的學前兒童在 Flanker 作業中一致性與非一致性刺激時事件關聯電位 N100 及 P300 的振幅大於無急性運動介入的學前兒童。. 第四節. 研究範圍與限制. 本研究是以 20 位幼稚園大班的學前兒童，經基本資料與家長同意後進行研究。前測階段分別收集反應時間與事件關聯電位腦波資料。前測結束後，所有兒童進行 10 分鐘之踏階身體活動介入，運動強度為最大心跳率 60%。在身體活動介入後，在心跳率回復至安靜心跳率的 10%內後，再進行後測收集反應時間與事件關聯電位腦波資料收集，並以統計方法，對於身體活動介入之後，對學前兒童的反應時間與事件關聯電位的影響進行分析。本研究限制為： 6.

(17) 7. 一、. 工具的限制：人腦作業和發展過程十分複雜，目前 ERP 研究工具尚未能窺見大. 腦全貌。二、. 樣本的限制：學前兒童指的是 3 至 6 歲之兒童，本研究的對象為 5 至 6 之兒童，. 推論到所有學前兒童的範圍有限。三、. 腦功能侧化假說：本研究皆為慣用右手之學前兒童，研究結論不一定適用於慣. 用右手的兒童。. 第五節一、. 名詞解釋. 學前兒童 (Preschooler). 個體從出生而逐漸成長，經完全獨立行走、跑、跳，乃至會以最簡單動作技能來應付生活所需的年齡開始，直至六足歲為止。一般是指三至六歲未就讀小學之孩童，本研究特指五至六歲就讀幼稚園孩童。二、. 急性身體活動 (acute exercise) 急性身體活動 (acute exercise) 為探討身體活動與認知議題的一種主要分類. (Tomporowski, 2003a, 2003b)。此議題旨在探討，個體接受短暫或一次性身體活動後所造成身體心跳、內分泌或溫度等生理上的改變與能量消耗，對認知功能或行為上的影響。四、. 腦波 (electroencephalography，EEG)。腦的活動、神經元的訊息傳遞會產生電流，以電極連結頭皮，我們可以測量到這些. 神經訊息傳遞所產生的後突觸電位 (post-synaptic potential)，以及大腦各部位活動之電位變化情形，腦波所反應的是中樞神經系統活動，與磁波、電腦斷層掃瞄、核磁共振造影（MRI）、以及正子幅射造影掃瞄（PET Scan）也是同被歸類於所謂的腦部影像技術，在測量大腦神經活動的技術中，腦波是屬於時間解析度較高的工具。五、. 事件關聯電位 (event-related potentials，ERP) 事件關聯電位是經由感覺、動作或認知事件時間關聯所引起的以毫秒 (ms)為單位 7.

(18) 8. 的腦波電位變化，並藉由測量某波段的尖峰振幅 (amplitude) 或潛伏時間 (latency)，以推測大腦訊息處理之過程 (Taylor & Baldeweg, 2002)。本研究所探討的事件關聯電位成份主要以 N100 與 P300 之振幅與潛伏時間為主要檢測指標。. 第貳章. 文獻探討. 本章文獻探討內容包括：第一節：學前兒童認知發展；第二節：學前兒童身體動作發展與認知發展之關係；第三節：身體活動促進大腦神經認知功能之生、心理機轉；第四節：急性身體活動影響認知功能之探討與相關研究；第五節：大腦認知功能與事件關聯電位之關係；第六節：本章總結。. 第一節. 學前兒童認知與大腦神經發展之關係. 認知發展為幼兒如何從簡單的思想活動逐漸複雜化，經過分化的過程，對內在和外在事物做更深入的領悟，而有更客觀、系統化的認知之歷程。在認知發展的歷程，心理精神結構是必備的要件，這些心理精神結構包含我們的神經系統以及感官組織(張子芳譯，1983)。幼兒的這些心理精神結構隨著身體各組織的發育成熟，便可逐漸的對環境中的訊息互動進而形成基本的認知學習。而在此過程當中，孩童必須充分利用周遭環境、學習事物，且不斷的調整自己，以適應周遭環境的變化，達到皮亞傑所謂的均衡化 (equilibration)適應狀態(黃慧真譯，1994)。因此不斷的同化(assimilation)和順化 (accommodation)，以建立個體經驗基模(schema)，由基本感知覺到高層次認知活動逐層、遞層累積，是兒童心智發展的主要特徵(李丹，1989)。根據皮亞傑(Piaget)的認知發展論，學前兒童的認知發展主要分為兩個階段，分別是(1)從出生至 2 歲的感覺動作期以及(2)2 歲至 6、7 歲的前運思期。在感覺動作期時，兒童會在這段期間建立往後知覺與智力發展之基礎，而這些基礎是藉由對世界的感覺經 8.

(19) 9. 驗與動作交互作用後，形成的感覺動作發展與認知次級結構所組成，由此可知，早期的感覺動作經驗是兒童的認知發展的開端與基礎。而前運思期所出現的語言功能、直覺思維和表象思維，這些影響日後認知學習的相關條件，也都和感覺動作的發展有關。 Ayres(1972)更進一步將感覺經驗和動作反應間之關係發展成為技能學習的基礎，腦幹神經藉由對觸覺、大腦前庭、聽覺、本體感覺、味覺和嗅覺等感覺輸入的整合，並經由大腦皮質的支援和處理後，個體將這些分工精細的大腦功能與學習結合，以達到閱讀、說話、寫字的目的。因此，兒童的認知發展，感覺統合經驗是其認知學習的根基(高麗芷， 1994)，而感覺統合經驗在兒童發展過程中最主要是藉由身體活動而獲得，因此兒童的認知發展與身體活動、動作經驗之間的密切關係，可說是認知學習過程中的一個重要特徵。除了認知發展的特徵之外，要真正了解如何幫助學前兒童建立穩固的認知學習基礎，還必須對孩童整體認知學習發展過程有所認識。根據高麗芷(1994)之主張，兒童的認知學習發展共可分為五階段：第一階段：感覺通路的建立「具備接受外界刺激的能力」是孩子學習的大前提，這種能力有賴視覺、聽覺、觸覺、前庭平衡覺、運動絕、嗅覺及味覺等感覺接收器的正常運作，此外，連繫這些感覺之神經通路的建立，才能促使兒童賦以感覺經驗以自身的意義。第二階段：感覺動作的發展嬰兒剛出生時，手腳無法隨意控制，三、四個月後，神經反射動作出現，肌肉張力逐漸形成，幼兒才慢慢具有自主活動的能力。而後，等感覺動作發展成熟後，孩子才能對外界的刺激做有意義、正確的反應，所以感覺動作是兒童認知學習不可或缺的要件。第三階段：身體形象的認識孩子透過感覺動作發展，雖可對外界的刺激作有意識的反應，但動作要更加靈活成熟，仍有賴孩子對自己身體形象的認識程度。對自己身體形象、手腳位置的認識，可幫助孩子做出協調的動作，此過程對其發展學習新的動作技能之能力有很大的影響，若發展不好，兒童可能行動笨拙、反應遲鈍，學不會許多動作。 9.

(20) 10. 第四階段：運動知覺的形成孩子經過前三階段之發展，獲得相當多的感覺動作經驗，累積儲存在腦部而形成運動知覺，透過此能力，孩子對週遭的事物，可以辨認、了解，也可以順利的與之互動，積極探險週遭的世界。第五階段：認知學習的產生隨著前面階段的順利完成，孩子約在四、五歲時，左右兩個大腦半球間的訊息交流頻繁，開始分劃各司其職。此階段之兒童，語言表達、判斷推理能力開始增強，也會運用思考。此外，由於動作發展較為成熟，自我控制能力增強，已經具備了接受更進一步認知學習及適應團體生活的能力。由以上的探討可知，學前兒童的認知是由身體動作活動所獲得的基本感知覺進而發展到高層次的認知處理，也就是說兒童利用身體動作對環境中的訊息或刺激加以接觸與統合後，對這些訊息產生意義，形成了學習的雛形。在影響兒童認知發展的眾多因素當中，大腦神經的發展與功能近年來被投注相當大的關注，由於大腦不只是引起各種動作行為的源頭，要有完善與健全的認知發展，大腦神經所扮演的功能更是不可忽視，由神經細胞構築成的大腦，經由腦產生思維，已成當今生物醫學的共識(韓濟生，1996)。大腦是體內最複雜的器官，也是最先開始發展的器官，大腦和神經系統更是引發所有思想、情感和行為的組織結構。在了解人的行為時，分別是利用心理、生理和社會三個主要因素來探討。發育中的兒童，由於年齡尚小，出現發展差異時，肇因於生理因素的成分會大於心理或社會因素的成分。而和認知發展最密切的生理因素便是大腦。因此幼兒良好的認知發展，關鍵在於健全的大腦神經發育，因為大腦神經除了是各種動作行為的指揮官以外，更是所有認知心理訊息的來源。人類的大腦結構如圖 2-1 所示，腦神經基本可分為大腦、間腦、腦幹與小腦。脊髓位於腦幹下方，脊瓍的主要功能是讓大量資訊在身體與大腦間進行轉換。在脊髓頂端是腦幹，為控制非自主功能，如呼吸與心律的所在。小腦位於大腦後方，可控制姿勢、身體方向和複雜的肌肉運動。大腦主要分成四個主葉，分別是額葉、顳葉、頂葉和枕葉， 10.

(21) 11. 各區域的結構和功能的關係大致如下：(沈淵瑤，2002) 一、額葉 1. 動作區與動作前區： (1)主司發動與調整動作。 (2)語言結構與通暢。 2. 前額區： (1)動作反應與行為結構。 (2)語言調整。 (3)問題解決、判斷。 (4)近期記憶。 (5)眼球自主性轉動。 3. 語言區：表達語言。 4. 近眼區：主司社會行為與人格特質。二、頂葉 1. 前葉部分：主司視覺認知及體位感覺。 2. 後葉部分： (1)主司閱讀及聽覺語言。 (2)空間判斷。 (3)計算性功能。 (4)主動性動作的發動。 (5)繪畫。 (6)短期聽覺記憶。三、枕葉 1. 主司視覺訊息的接收。 2. 對事物大小、形狀、深淺、明暗、顏色及動態等分析。 3. 閱讀能力。 11.

(22) 12. 四、顳葉 1. 聽覺區：主司聽覺訊息的接收與分析。 2. 視覺參觀區：對圖形及臉譜的認知。 3. 對聽覺語言及文字的認知。 4. 注意力的集中。 5. 對語言、空間事物的長期記憶。. 圖 2-1. 大腦結構圖. 大腦整個神經系統的聯繫是由神經元(neurons)所控制，神經元主要有三部份，如圖 2-2 所示，樹突(dentrites)是樹狀的結構，接收從其他神經元所傳來的訊息。細胞體(cell body)包括細胞核，控制神經元的功能。軸突(axon)是一條相當長的纖維，傳送電子脈衝，發送資訊到其他細胞。突觸(synapses)是一個神經元的終端鈕和下一個神經元的樹突之間的開放空間，當電子脈衝到達軸突末端時，化學神經傳導物質就從終端鈕釋放出來。神經傳導物質流過突觸到達樹突，此時他們會抑制或刺激鄰近的細胞反應。此過程即為整個神經系統中神經元傳遞訊息的方式。. 12.

(23) 13. 圖 2-2. 神經元結構圖. 兒童期最重要的生理發展為中樞神經系統的成熟，而大腦神經的成熟主要有兩種方式：突觸形成及髓鞘化。在突觸生成的過程中，樹突和軸突長的更快，發出更多分枝，形成大量與鄰近神經元間的突觸。髓鞘化是髓鞘在神經元周圍形成。髓鞘令軸突與外界絕緣，並因此使軸突的神經傳送速度比神經電子脈衝及神經傳導物質的傳送速度快 3 倍以上(Bornstein & Arterberry,1999)。髓鞘化大多完成於前兒童期，使整個神經系統的刺激傳遞更有效率。隨著大腦各區域髓鞘化，兒童才慢慢的具備各種行為及認知能力，如當兒童髓鞘化完成及認知發展增加時，手和手指可以隨意的移動來畫畫和繪出簡單的圖形。而主司概念式思考、記憶及語言的大腦皮質也越趨精細，左大腦半球負責語言、說話及閱讀能力，右半腦則負責空間能力與視覺想像的技巧(郭靜晃、陳正乾譯，1998)。影響大腦成長的因素，腦部活動的多寡是除了遺傳因子之外的一個重要關鍵，學者認為，腦部刺激活動越多、練習次數越頻繁，將促使腦細胞越健康，神經元與神經元之間的連結更準確、更牢固，因而增加細胞之訊息傳遞效率(Cummins, Livesey, ＆ Evans, 1977; Hatfield, ＆ Hillman, 2001)。所以，幼兒大腦發展的階段，如果生長環境刺激貧乏，腦部感覺的營養被剝奪時，通常會引起各類腦功能失調，影響正確神經網路之建構發展，進而影響腦神經訊息傳遞效率與後續之認知發展(廖文武譯，1999)。 13.

(24) 14. 實證研究顯示，生長在環境刺激、活動豐富中的小孩，大腦發育狀況，以及各種認知功能測驗表現，都明顯優於環境刺激較少之小孩(Raine, Venables, Dalais, Mellingen, Reynolds, & Mednick, 2001)。這些探討說明，腦神經發展是先天與後天的結合，發展最初由基因定好神經發展藍圖，然後基本神經系統藉由經常活動刺激來磨練各個神經通路，經不斷的刺激反應，連結成複雜、正確的神經網路。而學前兒童既處於感覺動作發展期，身體活動為其主要生活學習內容。再者，大腦涉入動作與認知的神經迴路、組織區域如小腦、前額葉、背外側前額皮質等區，具高度重疊特性(Diamond, 2000; Frank, ＆ Peter, 1994) ，因此可藉由動作之成熟發展，進而促使這些區域之腦組織功能健全發展。由以上對於孩童大腦神經發展過程與身體活動之間關係的探討可知，孩童從豐富的身體活動中，培養好的動作發展與動作神經網路系統，將有助於將來在認知發展上的表現。. 第二節. 學前兒童身體動作發展與認知發展之關係. 學前兒童的動作發展主要分為嬰兒期、嬰幼兒期與幼兒期三個時期。在嬰兒期，其動作發展依循兩個原則：頭尾定律及遠近原則(蔡欣玲，1997)。嬰兒時期兒童的動作發展，是隨著年齡的增加，由反射動作漸漸發展成感覺動作的個別發展，在各個感覺動作發展成熟後，才能藉由整合各種感覺動作而形成協調的動作技能。隨著身體的成熟，兒童逐漸發展出控制自己身體的能力，甚至能運用身體各部份的控制協調來表現出更複雜的行動型態。在嬰兒時期，除了大肌肉動作的發展如坐和走之外，手指的細部運作技巧也大幅增加，此精密的小肌肉發展及手眼協調能力，如抓握及操作能力，使嬰兒可玩玩物，並幫助嬰兒了解現實世界的特性，進而讓嬰兒對行動、三度空間，和因果關係等基本的認知學習概念有所認識。個體進入嬰幼兒期後(約二至四歲)，其身體動作的發展速度變得較緩慢，嬰幼兒時期兒童的動作發展大致是由未分化的全身動作，而後逐漸分化至局部性的特殊性動作。嬰幼兒粗大動作的發展狀況代表腦神經與肢體動作之間協調性的提升，隨著身體與大腦 14.

(25) 15. 的成熟，嬰幼兒漸漸地可以察覺自己的身體，擁有自己的身體意象，且能控制自己身體的動作與協調性(陳淑琦，1998)。此時期動作能力的獲得與發展，不但對小孩的獨立與自主有正面效果，並且能夠在擴大孩童社會接觸面的人格發展上有所幫助。當孩子在同儕面前跑得快、跳得高，不僅代表他的身體健康，同時也強化其自我概念，有助於孩子與同儕間的互動。而精細動作的動作發展係以小肌肉為主，包含知覺與動作協調而成的技巧；這些技巧是以視覺和手部的協調動作居多，又稱為操作型技巧。嬰幼兒基本動作技能之發展，包含了：轉移(locomotor)、操控經驗(manipulative experience)以及平衡移動(stability movement)，而這三項能力是其他動作技能發展的基礎(游淑芬等， 2004)。 1. 轉位動作的發展：轉位之發展透過了循序漸進的發展歷程，包括走路、跑步、跳躍、單腳跳、奔馳、雙腳交互跳躍前進等。 2. 操控經驗的發展包括拿取、抓握、放置、丟擲、打擊、踢等動作。 3. 平衡移動的發展，包括：(1)動態平衡：係指移動時步態的平衡。(2)靜態平衡：指步態停止或站立時身體的平衡。(3)身體中軸平衡時身體的平衡。表 2-1 為嬰幼兒時期動作發展的整理。表 2-1 動作年齡兩歲. 嬰幼兒時期動作發展表粗大動作. 精細動作. 1. 會自己上下樓梯，但仍是雙腳 1. 重疊兩塊積木。在同一階，再上或下第二階。 2. 會一頁頁的翻圖畫書。 2. 會向前踢球。. 3. 會將杯子的水倒到另一個. 3. 會自己從椅子上爬下來。. 杯子。. 4. 開始會跑。. 4. 會開門，轉門鎖。. 5. 雙腳離地跳躍。三歲. 1. 會踩三輪車。. 1. 舉手過肩的投擲動作。. 2. 跑得很好。. 2. 模仿畫直線、平行線或交. 3. 雙腳交替上樓梯。. 叉線。 15.

(26) 16. 4. 大幅度的跳躍。. 3. 自己刷牙、洗臉。 4. 把東西放入窄頸瓶中。. 四歲. 1. 能跳過障礙物。. 1. 會使用剪刀。. 2. 雙腳交替下樓梯。. 2. 像大人般拿筆拿的很好。. 3. 單腳跳躍。. 3. 會扣釦子、穿襪子。. 4. 平穩地持球。資料來源： Bredekamp ＆ Copple (1997). 三至六歲的兒童稱為幼兒期兒童，此時期的兒童藉由持續的腦部成長、身體發展、粗細動作增進與感官系統成熟等建立的基礎之下，逐漸的可整合其生理、心理、社會、認知、心靈和社交發展成就。幼兒期的兒童由於動作技能發展快速，導致其花費在遊戲上的時間越來越多且所從事的遊戲的性質已由平行式遊戲逐漸發展成可以與玩伴之間有所互動的合作性遊戲，經由大量合作性遊戲的參與，孩子們喜歡新的事情且敢於嘗試，並且藉此發展他們的認知及技能。一般而言，到了幼兒期，由於粗大和精細動作都已經發展的很好了，因此協調的做各種身體動作對幼兒期的兒童來說不再只是單純的活動，而是一種對於探索環境與完成新任務的方法或技巧的發展。經由對學前兒童三個時期動作發展的介紹，可發現遊戲不論是和兒童的動作或認知發展都有絕對的關係，嬰兒在遊戲中的身體活動如手腳的蹬、移動，不但促進其動作發展，更是探索環境訊息的認知學習基礎。而幼兒時期遊戲中大量的跑、跳等大肌肉活動和使用剪刀剪東西等精細小肌肉活動，不但顯示遊戲可幫助兒童精細身體動作能力，更刺激兒童開始去思考如何單獨或與同伴共同解決問題與完成任務。可見遊戲對學前時期的兒童來說，不論是動作或認知發展上，都扮演不可或缺的角色。兒童的發展過程是循序漸進，由自我中心到與他人互動、由具體到抽象。Garvey (1977)指出，遊戲隨著兒童年齡成長而有下列四種基本的發展和改變趨向。 1. 生物的成熟：隨著年齡的成長、兒童身體與心理成長，使得兒童獲得新的遊戲 16.

(27) 17. 能力與技能。 2. 精緻和複雜：遊戲會因而同技能的成熟加上經驗的豐富，愈加精緻和複雜，而且也可應用多種不同的概念。 3. 減少隨機化行為，增加行為的計畫與控制：兒童可以透過想像直接操弄環境或改變事實。 4. 加深個人的遊戲經驗：兒童透過日常生活的觀察和模仿，習得社會的因果關係，並將這些事件應用在日後遊戲的主題。 Rubin, Fein,與 Vendenberg (1983)觀察幼兒從出生至七歲，在認知發展層面有七種認知遊戲階段：知覺動作遊戲(sensorimotor play)、建構遊戲(constructive play)、初級假裝遊戲(first pretend play)、代替性假裝遊戲(substitude pretend play)、社會戲劇遊戲 (sociodramatic play)、規則的察覺(awareness of the rules)及規則遊戲。各遊戲階段分述如下： 1. 知覺動作遊戲：約在一歲之前，利用已知的基模探索外在的事物，藉此來了解物體的特性。 2. 建構遊戲：約從一至二歲，當嬰兒對物體的基模越來越精緻與複雜時，可利用玩物做簡單的建構，如玩拼圖等。此建構遊戲可持續到六歲，而且越來越複雜及具創意。 3. 初級假裝遊戲：約從十二至十四個月開始，幼兒開始利用模擬真實器具的玩具來假裝一些動作。隨著年齡的增長，使用假裝的玩物會越來越不受外型影響，取而代之的是玩物的功能。 4. 代替性假裝遊戲：約再二至三歲之間，幼兒會利用玩物來代替任何他們想要得到的東西。 5. 社會戲劇遊戲：上幼兒園時期，利用扮家家酒的遊戲，幼兒要融入所扮演的角色，使它能夠跳脫自我中心，漸漸了解別人的看法和想法。 6. 規則的察覺：六歲的幼兒不但可自我創造戲劇，還可描述戲劇規則，這種改變必須有更進一步的認知能力才能辦到，在此之後，兒童變開始發展具體的運思 17.

(28) 18. 能力。 7. 規則遊戲：在孩童上小學之後，有特定規則的複雜遊戲會取代假裝遊戲，這種堅持規則的遊戲對兒童日後的認知及社會發展有所助益。從以上的探討可知，學前兒童從出生到六歲的整個階段，由大腦與身體各器官不斷成熟所奠定的基礎之下，就動作發展而言，身體動作會隨著幼兒身體的成長而更具活動性，更有力，並且更具控制力、平衡能力，和大小肌肉的協調能力，因此能夠呈現出更精緻的動作技巧。這些動作技巧的發展，讓孩童可從參與簡單、獨自完成的遊戲進而發展到複雜、需與同伴一起完成的遊戲，在參與遊戲的過程當中，大量的身體活動，對於兒童的體能與動作協調的發展上有幫助；在認知發展方面，兒童藉由動作能力所能從事的各種身體活動對週遭環境的訊息或刺激有所認識進而產生意義，並逐漸形成了思考與解決問題等基本認知學習。對於學前兒童來說，身體動作發展可說是認知發展的基礎，而身體活動更是促進動作與認知發展兩者的重要關鍵。因此，從學前兒童動作與認知發展關係的角度出發，強調身體活動對學前兒童的認知發展有所助益是合理且值得探討的議題。. 第三節：身體活動促進大腦神經認知功能之生、心理機轉一、. 前扣帶迴的改變身體活動提升執行控制認知功能，特別是在前扣帶迴(ACC)之改變，有利用神經顯. 影(MRI)研究指出，經過有氧訓練之老人，能夠降低在前扣帶迴的活化，並且能夠降低外在行為的不一致性；同時，和抑制功能有關的區域，如前額葉背側和顳葉等，皆能在需要執行大量控制功能，有活化現象，推測受過有氧訓練之老人有效活化和注意有關的注意網路。另外，有氧訓練的老人在執行認知作業，錯誤關聯負向(error-related negativity error-related negativity, ERN)的振幅也會降低，ERN 振幅降低和較佳行為反應之整合有 18.

(29) 19. 關，由這些研究可歸納出身體活動的介入可以改善相關的認知作業表現。整體而言，相關的研究結果支持適當的身體活動可增加大腦由上而下(top-down)的控制，可以更有效的整合 ACC 的活化，進而提升執行控制表現。二、大腦血流量之改變身體活動通常有助於心臟的刺激，幫助血液輸送到大腦與全身，因此身體活動改善腦部的血液循環，是促進大腦認知功能的重要生理機轉之一（Colcombe, Kramer & Elavsky, 2004；Kramer, Colcombe, McAuley, & Webb, 2003）。而腦部的血液循環之改善，可以增進腦細胞的氧氣、營養素供應、和細胞殘骸的新陳代謝清除（羅美惠，1999），對維持大腦細胞生理環境之健康非常重要。Netz and Jacob(1994)討論有氧運動改善認知功能的各種機轉時，主張心血管功能的提升，可增加腦部的能量供給，增加腦活動量並促進細胞增生繁茂。此外，運動也可增加大腦微血管密度，提高大腦之氧氣吸收率，以及氧與營養物結合，產生能量的效率(Black, Greenough, Anderson, ＆ Isaacs, 1987)。 Black, Isaacs, & Anderson(1990)解剖經過運動訓練過後的老鼠腦組織發現，小腦皮質的微血管密度以及小腦皮質的氏細胞(Purkinje cell)突觸數目遠比不運動的老鼠增加許多，在腦功能分化上，小腦在運動與認知功能上，同時都扮演重要角色(Diamond, 2002)，因此運動造成這些神經組織的改變，對大腦認知功能自然有增強作用。而Radak(2001)等人測量經運動訓練後的老鼠大腦血管生化物質殘留量，證實身體活動在增加腦部血流，加速新陳代謝清除、淨化血管所堆積的生化物質，保持血管的血流穩定暢通方面有所效果。身體活動也證實能夠提升血中抗氧化酶(GSH-Px)的活性，降低大腦因氧化作用所造成的功能性損傷(Socci, Crandall, & Arendash, 1995)。Somani, Ravi,與Rybak (1995)發現經運動訓練後的老鼠小腦皮質區、腦幹區的GHS抗氧化物明顯增多，他們認為運動確實可以增加機體抗氧化能力，維持大腦的功能穩定。由以上的研究實例歸納可知，身體活動導致的大腦血流增加，對大腦功能的發展或維持確有許多正面效應。三、大腦神經生長營養物質之分泌與合成神經生長營養物質是腦神經活力和功能維持的重要媒介，也是大腦從事記憶、學習時的主要營養物質來源(Castren, Berninger, Leingartner, & Lindholm, 1998)。神經生長營 19.

(30) 20. 養物質的分泌多寡，可能直接關係著大腦神經細胞的生長存活、功能維持，和調適能力（Gomez-Pinilla, So, & Kesslak, 1998）。神經系統間的特異蛋白分子在神經細胞損傷時也可促進細胞之修復重建，這些特異蛋白分子通常被稱為神經營養因子(neurotrophic factors, NFs)、神經生長因子(Neural growth factors, NGF)、或神經細胞誘向(營養)因子 (neuronotrophic factors, NTFs)(韓濟生，1996)，大腦的發育、老化速度，可能都與這類 NTfs 的合成分泌有關(石恆星、洪聰敏，2006)。相關研究發現神經生長營養物質的分泌合成，和神經元樹突、突觸的分枝成長密度有關（Poo, 2001; Wang, Xie, Lu, 1995）。大腦神經的可塑性，主要分子機轉是大腦神經會因學習、身體活動、感官刺激等增加輸出輸入的活動，而分泌相關神經營養物質 BDNF(Wang, Xie, & Liu, 1995)。因此 BDNF 為大腦從事記憶、學習的主要營養物質來源(Castren, Berninger, Leingartner, & Lindholm, 1998)。Gomez-Pinilla 等人(1998)將健康的老鼠分為運動且活動型態較複雜需思考、運動但運動型態不需思考與不運動三組，結果發現，有運動的兩組老鼠，大腦某些區域如海馬迴的神經營養因子顯著增加，但運動型態較複雜的老鼠，卻能夠分泌更多的神經營養因子，由此實驗結果顯示出，具有學習刺激的身體活動是誘發 BDNF 分泌，及調節神經細胞功能維持與生長存活的重要因子(Gomez-Pinilla, Ying, Opazo, Roy, & Edgerton, 2001)。在人體研究上，身體活動對於刺激成人海馬迴神經細胞增生以及個體認知功能的改善也已被證實有顯著的效果(Van Praag, Kempermann, & Gage, 1999)。由上述的探討可知，運動既可增進大腦神經營養物質的分泌，且增加神經元結構的成長與彼此的連結，促進大腦功能運作，對於孩童在認知學習上，相信是有所助益的。四、神經傳導物質之改變運動可以誘發神經營養物質的釋放，刺激神經樹突的增生以及強化神經之連結。然而在神經訊息的傳遞過程當中，樹突與樹突之間，有個小小的空隙，稱為突觸縫 ( synaptic cleft )。當帶電的電脈衝到達樹突的尖端時，就會被轉換到神經傳導物質裡面，經由神經傳導物質的傳遞，將神經訊息繼續往下一個神經元傳遞。因此，神經傳遞物是神經之間電訊號傳遞中不可或缺的生化物質，大腦若不健康，腦中的神經傳遞物如正腎上腺素、乙醯膽鹼、多巴胺、和血清素的合成能力會降低，此種狀況容易引發大 20.

(31) 21. 腦常見的相關疾病，對個體的認知功能、日常生活影響甚鉅（Spirduso, Francis, & MacRae, 2005），因此，運動藉由調節、促進大腦神經內分泌、神經傳遞物的合成，來增進相關目標神經細胞的功能維持，對個體的正面情緒與大腦認知功能運作產生正面影響（Nibuya, Nestler, & Duman, 1996），也是促進大腦認知功能的重要原因。 Chaouloff(1989)從相關研究分析運動與大腦單胺類化合物的關係，發現許多研究都支持，運動可以調節神經系統內，一些單胺類神經傳遞物質(catecholamines)，如正腎上腺素、多巴胺、腎上腺素(epinephrine)、和血清素的分泌，藉此改變動物或人的精神情緒狀態，促進有機體之學習動機與認知功能(Morgan,1984)。Fordyce and Farrar (1991) 以老鼠實證研究，結果發現 14 週的運動訓練，和老鼠海馬體的乙醯膽鹼分泌合成，以及老鼠的空間學習能力成正相關。由以上的探討可知，正值大腦發育階段的孩童，需要以運動來增進腦神經功能，合成足夠的神經傳遞物，產生具有學習動機的精神狀態，如此良性循環，孩童才能發展出健全的腦神經來策劃、組織日常身體活動與認知學習，因此多鼓勵孩童多做運動是有必要的。五、身體活動所產生的身心健康對孩童發展的效益身體活動除了透過上述對大腦生理、生化環境的直接改變，來促進大腦發育之外，由運動所提升的身心適能狀態、心智健康、以及較少的疾病感染，對於孩童發育中的大腦功能也有強化效果。缺乏身體活動的坐式生活型態，容易引發肥胖、新陳代謝相關疾病，不利於大腦發展。Moltein, Vaynman, ＆ Gomez-Pinilla (2004)將老鼠分成高脂飲食不運動組、高脂飲食運動組、和正常飲食運動組，比較兩個月後的生理健康以及大腦神經生理狀況，發現運動除可減輕體重外，也逆轉了高脂飲食所產生之大腦神經營養因子分泌失調、神經突觸、以及認知功能表現之損傷。規律的身體活動可降低坐式生活所引發的肥胖、高血脂血管病變、強化心肺功能，改善身體心理健康 (Colcombe , Kramer, ＆ Elavsky, 2004)。而從運動的心理作用層面分析，許多研究均支持運動有降低焦慮、抗憂鬱、降低壓力反應、提高正面情緒、促進自尊的心理效用 (Landers ＆ Arent, 2001)。探討運動與心智健康的關係時，Buckworth and Dishman (2002)認為，心理健康是預防許多身體、情緒相關神經病變的重要調節變項，經常運動所提升的正面心理情緒、放鬆 21.

(32) 22. 效果、壓力調解、自信心、較佳社交人際關係、與較好的睡眠狀態，對維持心智健康、大腦功能之正常運作非常重要。由以上身體活動所產生身心健康效益的探討可知，身體活動不止是在身體疾病的預防上有效果，在心智發展所產生的影響更是不可忽視。在孩童階段，不論是身體或心智發展對於未來各面向發展都相當的關鍵，讓孩子有機會參與及養成規律的運動習慣，相信對未來其身心健康的發展一定會有所幫助。. 第四節：急性運動對認知表現影響之相關研究 Tomporowski (2003) 所提出的急性運動 (acute exercise) 是在探討個體在一次性身體活動後，因為心跳、內分泌等生理改變或能量消耗等對認知功能的影響。相較於過去所注重的長期性身體活動介入研究，由於只要一次性的介入就可能幫助認知表現的提升，從效率的觀點來看，急性身體活動比長期性身體活動有優勢許多，也因此急性身體活動對認知的影響可說是逐漸的受到研究人員的矚目與投入。雖然已有一些文獻指出急性身體活動對成年人的認知表現有正向影響 (Tomporowski, 2003)，但對於兒童族群的探討相對的就較為缺乏。然而，從過去研究檢驗長期性身體活動對兒童在與注意力有關的認知表現有所提升的結果來看，對於急性身體活動可強化兒童的認知表現是可被期待的。在急性運動影響認知表現的機制方面，是由 Yerkes 與 Dodson (1908) 所提出的 Yerkes-Dodson 定律延伸而來，此定律指出身體活動所產生的覺醒水準程度與認知表現之間存在著倒 U 型的關係。對於這個關係，可以由身體活動造成大腦血流量與神經傳導物質的改變來解釋。大腦血流 (cerebral blood flow,CBF)中的葡萄糖、氧氣與一些活力物質都是受到身體活動的調節 (Ide & Secher, 2000)，在 60%最大攝氧量的情況之下，CBF 的流速是最快的，且此時的 CBF 與身體活動的強度呈倒 U 關係 (Moraine, 1993)。由此可知，大腦血流改變有可能急性運動對認知表現的影響的機制之一。此外，急性運動也會造成中樞神經系統中乙醯膽素、多巴胺、正腎上腺素、腎上腺素、垂體後葉荷爾蒙與腎上腺皮質素等神經傳導物質的改變 (MacRae, 1989; Poehlman et 22.

(33) 23. al., 1992; Radosevich et al., 1989; Rikli and Edwards, 1991 ;Spirduso, 1980)，這些神經傳導物質皆與認知功能的活化有關 (Gold and Zornetzer, 1983)，因此，急性身體活動也可能是透過改變不同大腦區域的神經傳導物質來對認知表現產生影響。在對於急性運動對青少年與兒童認知表現的相關研究方面，Buddle 等人 (2008) 以 115 位 13 至 15 歲的青少年為對象，探討 10 分鐘的協調性身體活動與一般身體活動課程對注意力作業表現的影響，結果發現，兩種不同形式的急性身體活動對於青少年的注意力表現都有所提升。表示急性身體活動對青少年的認知功能有正面的影響。 Ellemberg 與 St-Louis-Descheˆnes (2009) 以 7 與 10 歲的男童為對象，研究 30 分鐘的急性有氧身體活動對於不同年齡層兒童的簡單與複雜反應作業表現的影響。結果發現，經過有氧運動介入之後，各年齡層的兒童無論是在簡單或複雜反應作業的反應速度都優於無運動介入的兒童。由這個研究可以了解急性有氧運動對於發育中的兒童而言，無論是在知覺動作或是執行控制功能皆有所助益，然而此研究之依變項為外在的反應時間，研究結果無法推論急性運動對兒童大腦神經認知功能的影響。 Hillman 等人 (2009) 則是探討 20 分鐘、強度為 60%最大心跳率的踏車身體活動介入後，對 20 位 9 至 10 歲兒童在認知表現上的影響，結果發現，参與實驗的兒童在身體活動過後，在學業測驗、操作與執行控制功能相關的認知作業時的反應正確率、腦波事件關聯電位皆有所提升，這個研究證明了急性有氧運動對國小階段兒童的外在學業表現與大腦注意力認知功能都有所幫助，但由於此學前階段兒童在大腦發展上處於快速發展階段，急性運動對其大腦神經認知功能的影響與小學階段兒童可能會有所不同。雖然到目前為止，由於研究數量不足以及身體活動介入的差異，導致對於急性運動對兒童認知表現的影響這方面的議題尚無一致的看法，但由上述三篇研究的探討可知急性運動對於青少年與青少年前期兒童的認知表現是有所幫助的。由過去的研究成果，可知急性運動有助於認知表現，而學前兒童處於各方面皆快速發展階段，且相對於各年齡層，急性運動除了影響此階段主要的認知功能發展，如知覺動作能力之外，對於較為高階的認知能力如執行控制功能的影響也是值得探討。此外，學前兒童受到社會或學校課程等因素的影響較少，因此身體活動對於其認知表現的影響比較不會受到其他不相關因 23.

(34) 24. 素的干擾，因此如能針對急性運動與其認知表現之間的關係加以探討與釐清，不僅可對急性運動對人類認知表現的影響是否因年齡的不同而有所差異之外，相信對於父母或教師而言，將來無論是在學前兒童身體活動安排或課程設計上，或許又可多一個有所依據的選擇。. 第五節大腦認知功能與事件關聯電位之關係在健身運動心理學的研究取向上，過去大多著重在運用社會認知取向和認知行為取向，來探討身體活動和個體情緒與心智健康之間的關係。但對於身體活動與個體心智情緒生理間的機制卻是長期的遭到忽視與不足。在 Hatfield 和 Landers(1983,1987)主張融合心生理在競技和健身運動心理學研究後，運用腦波測量工具來了解身體活動與大腦情緒與認知功能之作用關係，彌補了健身運動心理學過去對身體活動如何轉變大腦功能機制的忽視及不足。過去研究身體活動與大腦認知表現的研究大多以簡單或選擇反應時間認知測驗來檢驗其中的關聯性，但受到反應時間受到周圍肌肉執行收縮動作時間的影響，無法區分出運動對大腦認知反應功能的真正影響作用。事件關聯電位 (event related potential,ERP)是經由內在事件(例如：時間點估計)或外在事件(例如：視覺、聽覺及體感覺)所誘發(evoked)的腦電位波形變化，可用來探討大腦處理認知過程的狀況 (Cacioppo & Tassinary,1990)。由於 ERP 只計算反應時間中之中樞神經運作期，不計算周圍肌肉執行收縮動作時間，因此是觀察中樞訊息處理過程的時間變化與神經資源投入的絕佳測量方法選擇。事件關聯電位(ERP)是腦波時間面分析的主要方式(洪聰敏，1998)。ERP 資料的判讀是經由測量時間面某波段的最大振幅(amplitude)或潛伏時間(latency)來推測大腦在訊息處理過程中各階段的功能表現。研究人員為突破反應時間在訊息處理研究上的限制，運用心生理學(psychophysiology)的研究方法，將事件關聯電位應用在運動心理學領域 24.

(35) 25. 中(Zani & Rossi, 1991)，除可知接直攻腦部活動及客觀量化資料外，並可從時間面的觀點，探討訊息傳導路徑的機轉，同時經由 ERP 成分(component)分析，提供腦部基本電位的變化情形，以作為個體中樞神經運作期之認知階段功能表現的參考(洪聰敏， 1998)。以下為本研究所採用 ERP 成分中 P300 之說明。如圖 2-3 所示。. 圖 2-3. P300 範例圖. (μν：百萬分之ㄧ伏特；ms：千分之ㄧ秒) 而 P300 為受試者刺激呈現後 300-700 毫秒間，在頂葉所出現的最大正極波峰。P300 被認為是在認知處理過程中最具代表的指標，可做為大腦認知功能判斷的參考，是個體對刺激分類與刺激評估之速度指標(潘孝桂，2000)。P300 潛伏時間為評估刺激或區辨速度的指標(Kutas,McCarthy, & Dochin, 1977)；P300 振幅則是大腦投入注意力資源數量或工作記憶資源環境更新的比例，也就是說當一訊息出現時，大腦一方面要對訊息做出反應，另一方面則需根據對個體所從事任務的意義大小，對現有環境進行不同程度的修正，以調整應付未來的策略。由於 P300 與大腦中樞認知行為之緊密關係，並容易受老化的影響，老化會造成潛伏時間的增加以及振幅減少，因此一直是此類研究的相關探測指標。 Hillman, Belopolsky, Snook, Kramer,與 McAuley (2004)，以橫斷式研究的方式探討高、中、低身體活動老人與年輕人之間在執行 flanker 認知作業時 P300 的差異，結果發現，在與年輕人比較之下，高、中身體活動老人的 P300 振幅有增加，而低身體活動的老人則有減少的情況且 P300 潛伏時間方面由短至長的順序分別為：年輕人、高身體活動老 25.

(36) 26. 人、中身體活動老人與低身體活動老人。由此研究的結果可知，身體活動可能促進老年人在和注意力與記憶有關認知功能的處理速度。 Pontifex, Hillman,與 Polich (2009)利用雙重(oddball task)以及三重(three-stimulus oddball task)刺激區辨認知作業來檢驗高、低身體適能的年輕人和老年人的 P300，結果指出，無論是年輕人或老人，身體適能高的 P300 振幅皆大於身體適能低的組別，表示身體適能的增加能夠改善或延緩隨著老化而衰退的認知功能。 P300 除了應用在探討老年人大腦認知功能老化之外，近年來已有利用 P300 來探討兒童身體活動與大腦認知功能關係之研究。陳玟瑾(2007)以高身體活動能力和低身體活動能力的學前男童比較其 ERP 中 P300 的差異，發現高身體活動能力的男童比低身體活動男童有較短的 P300 潛伏時間與較大的 P300 振幅，顯示參與較多身體活動的個體，能夠較有效率的佈署其注意力來源並處理和任務相關的事件。 Hillman, Buck, Themanson, Pontifex,與 Castelli (2009)將 38 位青少年時期的參與者分為高、低有氧適能兩組，並利用 Flanker 認知作業來探討有氧適能的不同在認知功能上的表現。研究結果指出，高有氧適能組的 P300 振幅大於低有氧適能組，表示較佳有氧適能的青少年可能透過有效的分配注意力來源與降低反應選擇時的衝突來增加其認知表現。由以上的研究可知，身體活動對於認知表現無論是在老年人、成人或兒童都可能有所助益，但由於這些研究都是屬於橫斷式研究，對於身體活動與大腦神經認知功能得因果關係無法正確的建立。針對這個限制，必須以縱貫式研究來加以突破，以下為過去利用事件關聯電位與長期、急性運動介入的方式探討身體活動與大腦認知功能表現關係的研究探討。趙思瑩(2008)將 76 名平均年齡 5.5 歲的學前兒童分為實驗組與控制組，實驗組以五個月的足球身體活動課程介入，研究結果為實驗組 P300 的振幅大於控制組；而控制組的 P300 潛伏時間卻顯著短於實驗組。由此可知，長期性運動介入對學前兒童的大腦神經認知功能的影響還無一定的結論。 26.

(37) 27. Hillman, Snook,與 Jerome (2003)以急性腳踏車運動的介入來探討對 20 位大學生認知功能的影響，結果指出，經過運動介入之後，參與者的 P300 振幅有增加，且潛伏時間也有縮短的情形。由研究結果可知，一次性運動的介入對於參與者的認知分類與處理皆有所幫助。過去橫斷式研究多證實高身體活動的老人在 ERP 的成份反應，和不活動的老人相比，潛伏時間較短且振幅較大，表示身體活動可能對於老人的認知老化的減緩有效果存在。而由身體活動介入對兒童大腦認知功能研究的結果來看，雖然由身體活動對兒童大腦神經所造成的發展改變尚未完全釐清，但由於兒童期是屬於大腦神經快速的發展階段，因此還是有學者們提出規律的身體活動，相較於成人會在兒童的大腦功能帶來更全面的改變( Hillman, Castelli, & Buck, 2005 )。. 第六節：本章總結兒童早期的認知和動作發展可說是息息相關，兒童藉由肢體動作對環境的探索、知覺，再利用各種知覺的統合而形成基礎的認知學習。兒童階段的學習主要以身體活動為主，而大量動作活動的結果，將會導致大腦感知運動控制系統不斷的重組，以使感覺系統和運動系統共同作用，透過感覺統合發展出基本學習能力如記憶、模仿等(龐麗娟、李輝，1995)。相對的，幼兒時期若缺乏身體活動機會，不僅會影響到兒童動作的品質、肌力及耐力，更會因為回饋的不足，缺乏成功經驗，導致兒童行動力下降，注意力不足及缺少學習潛能，進而危及兒童的正常發展。因此，兒童的身體活動、動作發展之經驗與大腦認知發展乃息息相關。大腦的神經系統除了是所有動作的指揮官之外，還是所有認知的來源。這也是造成人類和其他動物不同之處。腦部的發展在三歲前完成 75%，六歲前完成 90%，主要是由於神經系統在初生時髓鞘化尚未完成，由於髓鞘化對於神經傳導速度有相當大的影響，因此在前兒童期所完成的大部分髓鞘化，在使整個神經系統傳遞效率化方面，可說是扮 27.