認知科學在運動上的應用

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認知科學在運動上的應用

陳琇卿 國立臺灣體育運動大學競技運動學系碩士班

摘要

運動員時常被說是「頭腦簡單，四肢發達」，但並非如此的，運動員 將大部分的時間都貢獻給了練習，以至於沒有多餘體力及空閒時間投入於 學科中，其實運動員的大腦很不一樣，有研究指出 運動員與非運動員在大 腦相關的知覺、反應、決策等認知歷程反應也有差異。 不管是運動員或是 孩童在日常生活中加入運動訓練，皆對於大腦的認知功能及發展有著成長、 進步的現象，因此可藉由此，間接的說明，運動確實對於學習表現或是各 項相關認知功能有著正向影響的。本文整理近年認知科學與運動 之相關研 究 ， 並 藉 由 其 探 討 運 動對 於 認 知 功能 的 益 處 以 及 認 知 科學 在 運 動 上 的應 用。 關鍵詞：運動員、認知神經科學、注意力

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壹、前言

「頭腦簡單，四肢發達」，時常聽到這句話來形容運動員，認為運動員 只會運動，而學科方面卻一蹋糊塗，其實這句話是很不公平的，身為運動 員的辛苦不是一般人認為的那樣，為了替自己爭取榮譽、為了替國家爭取 光榮，運動員時常七早八早就要開始進行訓練，一練就是一整天甚至到深 夜才能真正的休息，而通常練習完都已精疲力盡，沒有多餘的心力在學科 方面努力，就在這樣的惡性循環下，許多運動員就這樣放棄了自己的學科， 以至於導致給予大眾這種錯誤的既定印象。 但其實運動員的大腦很不一樣， 從發展的角度來看，人類從出生之後 會因學習的經驗或環境的影響，使得大腦結構進行神經纖維、突觸修剪的 歷程，因此出現的行為表現及大腦功能， 可能會因為長期處在不同學習及 訓 練 的 環 境 之 下 而 有 所 不 同 ( 張 武 業 、 梁 衍 明 、 王 駿 濠 ,2012) 。 Castelli, Hillman,Buck, & Erwin( 2007 )等學者的研究發現運動員與非運動員的個體 在大腦相關的知覺、反應、決策等認知歷程反應也有差異， 許多研究已證 實，平常生活比較不太活動的孩童，在 智力表現、認知功能、學術表現、 大腦結構與功能都會相對地較差( Castelli, Hillman, Buck, & Erwin, 2007; Chaddock,Erickson, Prakash, VanPatter et al., 2010; Hillman, Buck et al.,2009; Sibley & Etnier, 2003; Yu, Han, Cao, & Guo, 2010），有研究指出，把部分學 科的上課時間設計為運動參予之課程，除了不會影響孩童的成績表現之外， 反而會提高學習的效率以及課業表現（Sallis, 2010） 因此，根據以上研究指出，運動除了產生一般的生理層面變化之外， 現今有許多研究發現對於行為表現及大腦功能方面有著一定的幫助。本文 整理近年認知科學與運動之相關研究，並藉由其探討在射箭運動的應用。

貳、運動對於認知功能的益處

Draganski (2004)的研究中研究發現，運動訓練介入可以改變大腦的神 經結構，證明了大腦會因為訓練而引發塑性功能；研究者讓參與者們接受 為期三個月的球技雜耍訓練，並以腦造影技術觀察其大腦結構的改變。結 果發現，這些參與者除了訓練技能的提升之外，他們的大腦灰質量也隨之 變化。特別的發現是，結構改變的地方只有於視覺動作相關的腦區，顯示

16 了訓練效果對大腦結構的調節有其特殊性，也就是在技能對應的相關腦區 才有產生效果。不過，在停止練習三個月之後，這些提升的灰質量又明顯 地下降一些，意味著這些效果是需要持續練習才能維持。由此研究可以得 知，透過訓練可以提升與訓練相關的外顯技能，待技能熟練之時亦可反映 在大腦的結構上。但訓練停止後，除了技能生疏之外大腦結構也相對地跟 著改變。 先前的研究已證實，運動對前額葉及海馬體皆有正向的益處，不過這 兩個腦區所調控的認知歷程是不同的；前額葉區被認為，主要負責策略性 及因地制宜的執行控制功能，包括選擇性注意力、反應抑制以及干預控制 功能( Miller & Cohen, 2001 )；而海馬體則與關聯性記憶較有關，主要為結 合過去經驗中各種表徵的能力，包括當下的人、事、時、地、物等訊息， 同時也涵蓋著空間及時間的訊息( Cohen et al., 1999 )。 Chaddock、Hillman(2011)的研究中採用了結合前額葉控制及海馬體記 憶歷程的認知作業，以測量受試者對事物感興趣的認知歷程，並瞭解運動 在這些歷程的效益。此實驗共分成兩種情境，在執行實驗前會先讓孩童記 下一系列的「臉－房子」配對。在情境一為非關聯性之情境，受試者會被 要求僅需記住「臉」或「房子」；在情境二為關聯性之情境，則需要記住特 定的「臉－房子」的配對關係。因此，在關聯性記憶的情境中會需要較多 執行控制歷程的參與。結果發現，高有氧適能孩童的記憶表現較好，特別 是在同時需要使用執行控制歷程及記憶歷程的情境下，更能展現出運動對 孩童記憶表現的效果。Kida、Oda、Matsumura (2005)等人為了瞭解棒球選 手在訓練或比賽環境之下，是否會發展出較佳的抑制控制功能，於是他們 將棒球選手、網球選手及非運動員在抑制控制相關的作業 (Go/Nogo task) 比較三組的表現。結果發現，棒球選手在需要反應抑制決策的情境下，表 現的較網球選手及非運動員佳。值得注意的是，棒球選手反應抑制決策的 表現又與技術水準成正相關，但這樣的發現卻在網球選手身上沒有觀察到， 顯示了反應抑制決策的能力對於棒球能力是相對敏感的，除此之外，若更 進一步來看，棒球選手發現這樣的優勢似乎又跟作業刺激出現的呈現方式 有關，也就是棒球訓練對認知表現的影響不單純僅在反應抑制決策這個功 能，更會調節其它認知成份，例如：刺激與反應的對應性 (stimulus-response compatibility) ( Nakamoto& Mori, 2008 )。在 Nakamoto 與 Mori 的研究發現， 僅有專為棒球運動的情境設計時，這些棒球選手才能表現出其優勢，而這

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樣的效果也可從腦電波的證據支持之：這些棒球選手的反應側化準備電位 (response-locked lateral readiness potential) 在為棒球特殊設計的情境下，會 出現的較其它種類的運動員快，然而在其它非棒球相關的情境下則沒有發 現這樣的效果，顯示了運動訓練對反應選擇層面的特殊性調節，因此研究 者們認為這可能是因為長期的棒球訓練環境，而增強了棒球運 動員的這方 面的刺激反應的神經迴路。 從以上研究發現，不管是運動員或是孩童加入運動訓練，皆對於大腦 的認知功能及發展有著成長、進步的現象，因此可藉由此，間接的說明， 運動確實對於學習表現或是各項相關認知功能有著正向影響的。

參、認知科學在運動上的應用

曾有研究使用腦電波發現，足球選手在執行體感作業時(somatosensory oddball paradigm)，其誘發的 N140 振幅較非運動員大，並且對下肢體感刺 激所誘發的 P300 振幅較大且潛伏時間較快，顯示了他們在刺激偵測時可以 提 高 注 意 力 以 促 進 表 現 ( Iwadate,Mori, Ashizuka, Takayose, & Ozawa, 2005 )。此外，更有研究發現桌球運動員在無效線索 (valid cue)誘發的 N1 振幅大於無效線索 (invalid cue)，但非運動員則在有效線索的情境下所誘發 的 N1 振幅相當於無效線索，顯示了運動訓練可能對早期注意力有調節的 效果 ( Hung, Spalding, Maria, &Hatfield, 2004 )。這些研究結果的內在機轉 可能是因為，像足球這類的開放性運動，其訓練課程富含了不同的注意力 的認知成份 ( 王駿濠等，2010 )，因此在經過長期訓練之後會提升了運動 選手的注意力表現。另一方面，亦有研究發現足球選手在進行較為廣泛及 狹窄的注意力轉換時，其所花費的轉換虧損 (switch cost) 會較非運動員小， 研究者認為這可能是因為足球運動選手，時常需要在球場上做不同面向的 注 意 力 轉 換 ， 而 產 生 的 訓 練 效 果 ( Pesce, Tessitore, Casella, Pirritano,& Capranica, 2007 )。 洪聰敏(2005)指出精準運動項目例如射擊、射箭和高爾夫球，若要有優 異的表現，需要有高度的注意力和穩定性，執行動作階段必須穩定、專注 且放鬆，情緒不能有太大的起伏和干擾。 為何注意力的存在如此重要？外在視覺訊息量遠超過人類大腦可以負 荷的範圍，注意力的關鍵作用在篩選重要訊息，進而讓這些重要訊息做更 進一步的處理。為了讓注意力能篩選訊息，表示注意力必定能與許多其他

18 認知能力相互合作，甚至能與重要外在訊息互動同時設定特定的標準來篩 選訊息(徐慈妤、洪蘭、曾志朗、阮啟弘,2013)。 注意力的功能在於捨棄與目標不相關的訊息，甚至是抑制目標處理干 擾 物 的 訊 號 。 趙 軒 甫 與 葉 怡 玉 （ 2003 ） 兩 位 教 授 利 用 負 向 促 發 作 業 （negativepriming task）來探討此議題，在實驗中受試者被要求對目標物做 出反應，但在目標物出現之前短暫呈現干擾物。過去的研究認為，選擇性 注意力會投注資源到目標訊息，對於干擾訊息會加以抑制，因此干擾物的 存在會延長對目標的反應。而負向促發的效果量會強烈受到干擾訊息強度 影響，同時也會受到目標物本身訊息強度的高低而有變化。干擾物的干擾 效果高時才會有負向促發效果（ Yeh & Chao, 2002 ），表示注意力並非一 直準備抑制干擾物，只有當干擾物的干擾效果強烈時，注意力才會耗費認 知資源去抑制強力的競爭訊息。過去，腦造影研究顯示前額葉的活化狀態 與抑制控制（inhibitory control）有極高的關聯性（ Aron,Fletcher, Bullmore, Sahakian, & Robibins, 2003; Li et al.,2008 ），包括在注意力腹側網絡中的 IFC，還有前輔助運動區（pre-supplementary motor area, preSMA），似乎顯 示注意力和抑制功能間有重要的互動。在上個段落中也提到腹側注意力網 絡容易受到刺激特性而影響表現，情緒性刺激也是影響注意力的重要因素 之一，而情緒性的訊息除了會影響注意力外，同時也會影響衝動控制的表 現，這三者之間的關係似乎像是坐落在三角形的三個端點，相互影響彼此 的運作。過去研究亦顯示正向情緒或者是負向情緒訊息出現時，會影響接 下來的衝動控制表現( Verbruggen & De Houwer,2007 )，同時隨著情緒性的 刺激程度不同，表現也會有顯著差異。

肆、結論與建議

經以上文獻探討總結，發現會運動的小孩不會變笨，反而能更為聰明， 藉由增加運動或身體活動能可以提升孩童之有氧能力，間接能為身體製作 了適合念書的場所，促進神經迴路、增進記憶力及特定運動項目也能對於 特定之腦區有所改變等等，許多對於認知發展是具有正面效益的。 目前已 有許多研究證實運動介入對認知功能有直接的發展關係， 希望在未來能持 續嘗試朝此方向和運動種類為開放式運動及閉鎖式運動是否有差別，做更 進一步的研究。

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