體操訓練對兒童視覺空間工作記憶表現影響之事件關聯電位研究

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(1)國立臺灣師範大學運動與休閒學院體育學系碩士學位論文. 體操訓練對兒童視覺空間工作記憶表現影響之事件關聯電位研究. 研究生：林志謙指導教授：洪聰敏. 中華民國 105 年 8 月中華民國臺北市.

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(4) 體操訓練對兒童視覺空間工作記憶表現影響之事件關聯電位研究 2016 年 8 月研究生：林志謙指導教授：洪聰敏摘要研究背景：學齡期兒童處於發展動作協調能力的最佳時期，給予兒童合理的運動經驗和刺激，尤其是大腦認知功能與身體協調能力的培養，對兒童日後動作學習及日常生活功能有其相當的重要性。而體操運動特別注重視覺空間與身體控制能力，對於協調能力方面亦是相當注重。因此，本研究探討體操運動對於兒童在視覺空間工作記憶作業是否有較佳的表現。目的：探討體操訓練對兒童視覺空間工作記憶表現的影響。方法：招募體操組 24 名及控制組 20 名，共 44 名 7 至 10 歲研究參與者。所有研究參與者均接受校內一般體育課程活動，僅體操組額外進行 8 週中低運動強度 (每週 2 次，每次 90 分鐘) 的體操運動訓練。運動介入前、後皆施測兒童動作評估量表二版、基本運動能力評估、視覺空間工作記憶作業並同步收錄腦波資料。結果：從事長期體操運動的兒童，能顯著提高 M-ABC-2 (拋接精準、身體平衡、整體表現)、基本運動能力 (4 公尺折返跑、坐姿體前彎、立定跳遠、20 公尺衝刺、曲臂懸掛) 與 VSWM 作業的反應正確率；在事件關聯電位部分，體操組相較於前測，後測在 VSWM 作業顯著有較大的 P3 振幅。值得一提的是，相較於體操組，控制組在 VSWM 作業後測顯著有較小的 pSW 振幅表現。討論：本研究結果顯示為期 8 週的體操訓練能夠提升孩童的動作能力及視覺空間相關的認知功能，說明體操可作為學齡兒童身體活動的選擇之一。. 關鍵詞：執行功能、體適能、動作適能、發展. iii.

(5) Effects of gymnastic Training on Visuo-Spatial Working Memory in children : An Event-Related Potential Study July 2015 Presenter: Chih-Chien Lin Advisor: Tsung-min Hung Abstract Background: The school-aged period is the critical moment to promote children’s motor coordination and cognitive function. An adequate amount of daily exercise may stimulate brain plasticity, and improve motor learning capacities and everyday life functioning in short and long term. Gymnastics exercise emphases on visual spatial function and body control, and capacity of coordination. Therefore, the purpose of the study was to investigate the effects of gymnastics on body movement ability and visuo-spatial working memory in children. Methods: Forty-four children were recruited and randomly assigned into either the experimental group or control group. Children in the experimental group underwent gymnastics training for eight weeks (two session a week, ninety minutes per session) and the control group didn’t engage in specific exercise training, Measures were taken before and after interventions, which included motor and physical fitness assessments, cognitive testing and concurrent EEG data collection. Results: gymnastic training group showed significantly enhanced motor and physical fitness, and higher accuracy rates and enhanced P3 amplitudes during visuo-spatial working memory test in the encoding and retrieval-process phases, compared with their pre-training performances. In addition, there was a trend that the control group revealed smaller pSW amplitude compared with the gymnastic training group group. Conclusion: the current study demonstrated that gymnastics may improve motor ability and cognitive aspect associated with visuo-spatial ability in school-aged children, which suggest that gymnastics could serve as an alternative of physical exercise in such group.. Keyword: executive function, fitness, motor fitness, development iv.

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(7) 目次. 口試委員與系主任簽字之論文通過簽名表..............................................................................i 論文授權書................................................................................................................................ii 中文摘要…………………………………………………………………………...………...iii 英文摘要....................................................................................................................................iv 謝誌.............................................................................................................................................v 目次............................................................................................................................................vi 表次……………………………………………………………………..…………...………viii 圖次…………………………………………………………………………………...……….ix. 第壹章緒論.........................................................................................................1 第一節. 前言...................................................................................................................1. 第二節. 問題背景...........................................................................................................1. 第三節. 研究目的...........................................................................................................6. 第四節. 操作性名詞定義解釋.......................................................................................6. 第五節. 研究範圍與限制…………………………………………………..…….......7. 第貳章文獻探討.................................................................................................9 第一節. 視覺空間工作記憶作業………………………………………………….....9. 第二節. 學齡兒童認知與大腦神經發展之關係.........................................................11. 第三節. 學齡兒童身體動作發展與認知發展之關係.................................................13. 第四節. 身體適能對認知表現影響之相關研究.........................................................17. 第五節. 身體活動促進大腦神經認知功能之生、心理機轉.......................................20 vi.

(8) 第六節. 大腦認知功能與事件關聯電位之關係………………………………..….26. 第七節. 文獻總結…………………………………………………………………...28. 第參章研究方法與步驟...................................................................................30 第一節. 研究架構.........................................................................................................30. 第二節. 研究參與者.....................................................................................................30. 第三節. 實驗步驟.........................................................................................................31. 第四節. 課程設計.........................................................................................................32. 第五節. 研究工具.........................................................................................................34. 第六節. 實驗流程.........................................................................................................37. 第七節. 資料處理與統計分析.....................................................................................41. 第肆章結果………...........................................................................................44 第一節. 參與者背景變項結果.....................................................................................44. 第二節. 行為資料結果.................................................................................................45. 第三節. 腦波資料結果………………………………………………………......….57. 第伍章討論………...........................................................................................64 第一節. 動作行為表現.................................................................................................64. 第二節. 事件關聯電位表現…………………………………………………....…..67. 第三節. 結論……………………………………………………………………...…69. 第四節. 建議………………………………………………………………………...70. 引用文獻.............................................................................................................71 vii.

(9) 表次. 表 3-6-1 實驗流程....................................................................................................................40 表 4-1-1 組別在參與者背景變項的平均數、標準差、t 值與 p 值…………………………...44 表 4-2-1 組別在 M-ABC-2 總分與分項能力分數的平均數、標準差………………………46 表 4-2-2 組別在各項基本運動能力與整體 Z 分數的平均數、標準差…………………..…50 表 4-2-3 組別在 VSWM 作業反應準確率及反應時間的平均數、標準差………………....55 表 4-3-1 組別在 P3 振幅和潛伏時間的平均數、標準差……………………………………58 表 4-3-2 組別在 pSW 振幅和潛伏時間的平均數、標準差………………………………….60. viii.

(10) 圖次. 圖 3-1-1 研究架構....................................................................................................................30 圖 3-3-1 視覺空間工作記憶作業............................................................................................32 圖 3-6-1 腦波收集流程圖…………………………………………………………………....38 圖 4-2-1 Movement ABC-2 的各項能力與整體表現分數………………………………..…47 圖 4-2-2 基本運動的各項能力與整體表現 Z 分數…………………………………………51 圖 4-2-3 VSWM 的反應正確率與反應時間………………………………………………....56 圖 4-3-1 VSWM 的 3 秒情境及 6 秒情境在 FZ、CZ、PZ 的事件關聯電位表現……………..61. ix.

(11) 第壹章. 第一節. 緒論. 前言. 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。. 第二節. 問題背景. 「不能讓孩子輸在起跑點」是現今高競爭社會下每個家庭的心理，然而，大多數的家長將其解讀為：提供孩子充足的營養和知識的灌輸，卻鮮少有家長了解認知的發展與身體活動有密切的關係。近年來兒童因為升學的競爭力及社會環境的危險性增高，加上電視、電玩網路發達等等因素，造成身體活動的機會減少 (Lasheras, Aznar, Merino, & López, 2001; Tudor-Locke, Ainsworth, Adair, Du, & Popkin, 2003)，父母親也因工作繁忙及活動空間受到侷限，往往將身體活動這部分遺忘甚而忽略，導致很多孩子錯過了身體活動的黃金教育時期，而妨礙其身體的發育，造成孩童在日常生活功能表現受限，影響動作能力、協調性及心理的發展。加上飲食內容太過精緻，高脂、高糖食物和坐式生活 (sedentary lifestyle) 型態，容易引起肥胖，也可能對大腦有不利的影響 (Kalmijn et al., 1997; Knopman et al., 2001; Molteni, Barnard, Ying, Roberts, & Gomez-Pinilla, 2002)。從事規律運動已被證實在健康促進及疾病抵抗的層面上扮演著相當重要的角色 (Burnham, 1998)。過去文獻回顧或統合分析研究也發現透過規律運動參與能提升不同族群的認知功能 (Alesi et al., 2014; Niederer et al., 2011; Schmidt, Jäger, Egger, Roebers, & Conzelmann, 2015)。近年來從認知神經科學的角度，也證實了運動在認知及大腦層面產生正面的效益 (Chaddock‐Heyman, Hillman, Cohen, & Kramer, 2014; Hillman, Erickson, & 1.

(12) Kramer, 2008; Smith et al., 2010; Van der Fels et al., 2015)。過去從動物實驗中發現，運動可增加大腦微血管密度，促進大腦血流及氧氣吸收、細胞與神經生長因子 (nerve growth factor, NGF) 及腦源性神經營養因子 (brain-derived neurotrophic factor, BDNF) 的結合 (Black, Greenough, Anderson, & Isaacs, 1987)，強化神經細胞的增殖，增加基因表現與提昇海馬體的長期增益 (long-term potentiation) 作用 (Bolton, Pittman, & Lo, 2000)。在人體實驗中也發現，運動對於身體器官所造成的生理反應可進而調節大腦神經結構及功能 (Dishman et al., 2006)，且規律的運動可以改變大腦在認知及行為方面的功能 (Pereira et al., 2007)。兒童處於認知功能發展的重要階段，有著高度的神經可塑性，過去研究證實此階段是大腦對於外在環境刺激最敏感的時期，在外在環境刺激如健身運動能對其認知功能帶來顯著影響 (Khan & Hillman, 2014)。透過前額葉的髓鞘與神經突觸的增生進而提升認知處理速度 (Amso & Casey, 2006; Casey, Galvan, & Hare, 2005; Gogtay et al., 2004)。近期文獻回顧指出運動與兒童階段的認知功能發展有著密切關係 (Best, 2010; Tomporowski, Davis, Miller, & Naglieri, 2008)。顯示高有氧適能的兒童有較大的白質體積，胼胝體、放射冠、上縱束的截面表現出較高的神經纖維密度 (Chaddock-Heyman et al., 2014; Olesen, Nagy, Westerberg, & Klingberg, 2003; Tamnes, Fjell, Westlye, Ø stby, & Walhovd, 2012)。工作記憶 (working memory) 是執行控制中的重要功能 (Miller & Cohen, 2001)，它是大腦運作歷程中，對訊息暫時性的儲存與操作的能力，例如語言理解、學習及推理等 (Baddeley, 1992)。過去研究相關人員發現協調性較差的兒童，相較於口語工作記憶，在視覺空間工作記憶作業觀察到顯著較差的表現 (Alloway, 2007)，然而，透過運動的改善對於需要視覺空間處理的作業上效果最為明顯 (Shay & Roth, 1992)。有氧耐力運動已被證實能有效改善視覺空間工作記憶及視覺空間記憶力，增強有氧適能，同時也可以增加腦中血流量 (Seifert & Secher, 2011)。事實上，無論急性或長期運動介入，這些訓練模式可以有效提高各方面記憶表現。例如：Pesce, Crova, Cereatti, Casella, 與 Bellucci (2009) 發現相較於對照組，急性有氧運動介入帶來更好的記憶功能表現；在長期訓練對工作記憶方面，可提升青春期前兒童 (Kamijo et al., 2011)、高活動量老年人 2.

(13) (王駿濠，2010)、高活動量女性長者 (王駿濠、蔡佳良，2011) 的反應準確率、反應時間 (王駿濠、蔡佳良，2011; 王駿濠、蔡佳良、涂國誠、曾鈺婷、蔡馨栴，2010) 與作業表現 (Stroth, Hille, Spitzer, & Reinhardt, 2009)，但無法增加口語工作記憶和專心表現，原因可能是視覺空間工作記憶與言語工作記憶所需處理的訊息特性差異所致，這似乎支持了 Shay 與 Roth (1992) 的說法：運動對於需要視覺空間處理的作業上效果最為明顯。Tsai 等 (2014) 針對發展協調障礙兒童進行 16 週有氧運動訓練，結果發現顯著提升視覺空間工作記憶作業的反應準確率。透過增強有氧適能改善記憶功能的潛在神經機制可能是增強海馬迴神經突觸的可朔性與體積。突觸的可塑性和耐力運動訓練的調節作用有相關 (Erickson et al., 2009)。針對其他不同族群進行事件關聯電位研究包括：老年人 (王駿濠， 2010)、女大學生 (王駿濠等，2010)、女性長者 (王駿濠、蔡佳良，2011) 在視覺空間工作記憶的研究發現，運動組或較高身體活動量的參與者在事件關聯電位表現有較大的 P3 振幅 (王駿濠，2010; 王駿濠、蔡佳良，2011; 王駿濠等，2010) 與較短的 P3 潛時 (王駿濠、蔡佳良，2011)。儘管發展協調障礙兒童在視覺空間工作記憶顯現出缺陷，如上所述，這些問題與認知處理是可以透過運動訓練來補救。事實上，過去探討兒童協調性與相關認知功能大多以發展協調障礙 (DCD) 進行研究，且已被證實協調問題是大腦皮質控制處理不成熟所致，在視覺空間的行為與視知覺測驗最為明顯 (Wilson & McKenzie, 1998)。例如:在視覺空間工作記憶或視覺空間注意力作業情境下，無法將訊息適當地傳達到身體。在相關的注意力 (attention) 作業而言， Posner paradigm 的視覺空間注意力動作模式評估情境下，出現內因性視覺空間注意上有缺陷，錯誤反應發生率較高，反應時間較慢 (Wilson & Maruff, 1999; Wilson, Maruff, & McKenzie, 1997)；在相關的工作記憶 (working memory) 作業而言，發展協調障礙兒童在視覺空間區域表現出選擇性缺陷，這表示它們具有特定的訊息儲存與處理問題 (Alloway, 2007; Alloway & Archibald, 2008; Alloway, Rajendran, & Archibald, 2009; Alloway & Temple, 2007)。透過視覺空間工作記憶作業，發現發展協調障礙兒童在行為上有較長的反應時間與較低的反應準確率 (Tsai et al., 2013; Tsai, Chang, Hung, Tseng, & Chen, 2012)。近年來，許多學者利用事件關聯電位來測量人類在刺激行為下大腦皮質的反應， 3.

(14) 藉此來評估認知功能。邱馨慧 (2008) 透過事件關聯電位探討發展協調障礙兒童在視覺空間注意力作業表現，發現誘發電位在 cue-P3 波波峰出現時間顯著地比正常兒童慢、 N2-RT 時間較長與 target-P3 波波峰在 OZ 皮質區之振幅比較小；在視覺空間工作記憶研究方面，發現發展協調障礙兒童分配較少的資源 (即：有較小的 P3 振幅)、反應選擇 (即；較小的 pSW 振幅)(Tsai et al., 2013; Tsai et al., 2012) 與檢索過程的神經處理 (即：較小的 P3 及 pSW 曲線面積)(Tsai et al., 2012)。然而，造成這些結果可能是由不同的大腦皮質認知處理階段之缺陷所引起。由此得知，發展協調障礙兒童在肢體動作產生障礙其原因為大腦皮質控制處理不成熟所致，無法將訊息適當的傳達到身體，並且在訊息儲存與處理過程產生問題，進而影響到身體動作能力。不過也從相關研究中得知，運動似乎能夠促進認知神經功能的表現。在發展的歷程中，孩童的大腦結構及認知功能成長的非常快速。因此，透過運動是否可以改善或提升孩童的大腦功能，也是現今重要且熱門的研究議題 (Chaddock, Pontifex, Hillman, & Kramer, 2011; Donnelly & Lambourne, 2011)。雖然有關身體適能與認知功能的研究已逐漸發展，過去研究多聚焦於有氧運動所產生的效益 (Colcombe et al., 2003; Colcombe et al., 2006; Colcombe et al., 2004; Kramer et al., 1999; Stroth et al., 2009)，有鑑於動物研究發現運動場域的環境豐富化 (environmental enrichment) 或包含多元成分的健身運動可能對認知功能有額外的提升效果 (Pang & Hannan, 2013)，許多研究開始探討不同健身運動類型對認知功能的影響。針對兒童的健身運動處方，近期文獻回顧更建議其內容應能同時提升體適能 (有氧適能、肌肉適能、爆發力) 與動作能力，原因為青春前期 (preadolescence) 為動作能力與認知功能發展的重要階段，此階段主掌動作協調的小腦與高階認知的前額葉 (尤其是背外側前額葉) 發展未趨成熟，具有較高的神經可塑性 (Myer et al., 2015)。過去認知發展相關研究亦指出高階認知功能受到體感動作發展的影響，小腦對於執行功能扮演重要的調節角色，小腦 -前額葉神經網絡與選擇性注意力、動作的學習與監控以及預期更是息息相關 (Bellebaum & Daum, 2007; Gogtay et al., 2004; Koziol, Budding, & Chidekel, 2012; Serrien, Ivry, & Swinnen, 2007)。過去研究也發現，透過動作技巧的學習是可以增加大腦皮質的厚度及突觸的接合 (Kleim, Lussnig, Schwarz, Comery, & Greenough, 1996)，以及增長小 4.

(15) 腦神經元突觸的數目 (Isaacs, Anderson, Alcantara, Black, & Greenough, 1992)。Pesce (2012) 建議健身運動的「量」(長度、頻率、強度、訓練週期) 固然重要，相關研究應投入更多注意力在健身運動的「質」(動作內容的複雜性與多元性，以及活動內容是否對認知功能產生刺激) 對認知功能的影響。體操運動是練習人體身體控制與協調能力相當好的運動，而穩定性動作技能的學習過程在人類的肢體基礎動作中亦相當重要 (黃瓊瑱、謝錦城，2010)。劉安鈞與林瑞興 (2012) 認為體操運動對於兒童感覺統合發展有相當大的幫助。透過視覺系統輸入的動作知覺訓練，配合刺激前庭系統的翻滾動作及平衡訓練，並以體操遊戲的方式配合發展協調障礙的介入策略，以簡單、有趣、好玩、正向回饋的方式來加強動作技能的學習，進而改善身體的協調能力 (黃瓊瑱、謝錦城，2010)。體操動作技術的基本能力大致包括：支撐、平衡、懸垂、跳撐、柔軟、控制、協調、敏捷、速度、力量等；它不但包含了滾翻、跑、跳、走、撐等動作，也包含肌力、耐力、爆發力、柔軟性、協調性、敏捷性與平衡性 (俞智贏，2007; 黃國明，2004)。其中動作有許多是利用特殊的前庭覺刺激來訓練，如滾翻、手翻、倒立、彈跳床上的跳躍與旋轉等，透過不同方位的變化訓練及強調穩定性動作技能的學習與其它運動的模式有很大的不同。在日常生活中，有許多活動都需要同時整合不同的感知覺而做出正確的判斷與反應，如跌倒時要如何反應來保護自己；而在體育運動中，更是需要訓練身體對不同狀況下所做出的判斷與反應。許齡方 (2014) 探討進行治療性運動介入，同時加入有氧運動強度及複雜性運動概念，探討對注意力缺陷過動症兒童的問題行為及工作記憶之成效，研究結論為有氧合併複雜性協調運動課程對於國小注意力缺陷過動症兒童帶來正面成效。綜上所述，近年來研究人員藉由不同類型運動來探討視覺空間工作記憶作業所誘發的神經成分的差異，雖然針對研究結果有某種程度的規範，但是似乎有不一致的形情產生。運動能夠提升兒童視覺空間工作記憶表現，而體操運動主要能夠訓練身體協調能力、反應速度與視覺空間感等，這些能力似乎兒童發展所需的能力相互呼應。然而，過去研究多聚焦於有氧運動所產生的效益 (Colcombe et al., 2003; Colcombe et al., 2006; Colcombe et al., 2004; Kramer et al., 1999; Stroth et al., 2009)；大多研究為橫斷式研究 (莊 5.

(16) 嵐雅、黃崇儒、洪聰敏，2014)，在其不同的年齡或發展階段較無法觀察到連續行為發展情形；參與者方面，也針對協調性較差的特殊族群 (Tsai et al., 2013; Tsai et al., 2012; 邱馨慧，2008) 進行研究，例如：發展協調障礙 (DCD) 進行有氧運動對於認知功能的效益研究，對於一般典型發展族群及偏重體適能與動作技能之體操運動項目的研究卻較少著墨。故，本研究欲藉由簡單、有趣、好玩及正向回饋的體操動作訓練，透過視覺系統輸入的動作知覺並配合刺激前庭系統的翻滾動作及平衡訓練做為兒童的介入策略。並採用 Müller 與 Knight (2002) 所設計的視覺空間工作記憶作業做適度修改後，再配合事件關聯電位的收錄，藉以了解長期體操運動訓練對認知功能的效益。. 第三節. 研究目的. 一、體操運動訓練是否能提升兒童的動作能力。二、體操運動訓練是否能提升兒童的基本運動能力。三、體操運動訓練是否能提升兒童的視覺空間工作記憶。四、體操運動訓練是否能改變兒童在執行視覺空間工作記憶作業時，大腦訊息處理歷程。. 第四節. 操作性名詞定義解釋. 一、視覺空間工作記憶 (Visuo-Spatial Working Memory)：視覺空間工作記憶是工作記憶的分支之一，負責維持及操作空間及視覺訊息 (Baddeley & Hitch, 1974)，並且其主要作用皮質區為前額葉及頂葉皮質區 (Curtis, 2006)。二、大腦事件關聯電位 (Event related potential, ERP)(Perchet, Revol, Fourneret, Mauguière, & Garcia-Larrea, 2001)：神經元於神經傳導時所釋放之突觸後電位，它是經由認知、感覺或動作等事件而引起與時間有關聯的腦波電位變化。三、 P3 波：P3 波是事件相關電位中的一個具正極性的成份波，其出現的波鋒約在刺激 6.

(17) 後的 300ms 左右或以上 (可高達 900ms)(Linden, 2005)。P3 又可分 P3a 及 P3b，P3a 成份波會經由新奇的 (novel) 的刺激或事件所誘發，通常會誘發於額葉至海馬迴神經網絡 (Knight, 1996)；而 P3b 成份波則是會經由事件相關的刺激所誘發，經常誘發於顳-頂腦皮質接合處 (Knight, Scabini, Woods, & Clayworth, 1989)。四、 pSW 波：pSW 波是事件相關電位中的一個具正極性的慢波 (positive slow wave)，其出現的波鋒約在目標刺激出現後 700-820 左右的正慢波，通常誘發於頂葉皮質區 (Parietal)。過去研究證實其代表的指標包括：選擇與決策過程、反應編碼及評估準確性等。Garcı́a-Larrea 與 Cézanne-Bert (1998) 指出 P3 與 pSW 在功能之間容易連結，主要在於注意力執行功能及工作記憶控制等表現。五、體操運動：體操項目有地板、鞍馬、吊環、跳馬、雙槓、單槓、平衡木、高低槓及彈繃床。以肢體形式為主，大部分具有非週期性運動技術的本質 (曲世奎、周力行、陆保钟，1999)。本研究主要透過地板運動 (倒立、滾翻、支撐、柔軟、力量) 與彈繃床運動 (跳躍、平衡、旋轉) 等課程內容來提升身體控制能力 (陳彥宏，2006)。. 第五節. 研究範圍與限制. 一、研究範圍：因體操介入地域限制，招募宜蘭地區 28 名體操組兒童、台北地區 22 名控制組兒童，以 50 名國小學齡兒童，經基本資料篩選與家長同意後進行研究。前測階段分別收集體適能、動作能力與認知作業同時收錄事件關聯電位腦波資料。前測結束後，實驗組進行八週共 16 次的體操課程介入；控制組相較於平常生活習慣外並無額外的身體活動量。後測項目則與前測項目相同，並針對所得資料進行運動能力、認知行為表現與事件關聯電位進行事後分析比較。二、研究限制： (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：學齡兒童指的是 6 至 12 歲之兒童，本研究的對象為 7 至 10 之 7.

(18) 兒童，推論到所有學齡兒童的範圍有限。 (三) 腦功能側化假說：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左手的兒童。. 8.

(19) 第貳章. 第一節. 文獻探討. 視覺空間工作記憶作業. 工作記憶是一種較為高階的認知功能，其功能為暫時性的儲存以及操作訊息的能力，例如：計算能力、計畫、推理、學習及理解等 (Baddeley, 1992)。在功能性的分類之下，工作記憶主要是由前額葉皮質的中樞執行系統 (central executive system) 所負責，此系統可調節位於主要與次要視覺皮質及後頂葉皮質區的視覺空間畫板 (visuospatial sketchpad)，以及調節口語訊息處理的語音迴路 (phonological loop) 系統 (Baddeley, 1992)。相關研究已指出：運動對於相同費力 (effort) 程度但不同類型的工作記憶是會有不同的提升效果 (Stroth et al., 2009)。Chafee 與 Goldman-Rakic (1998) 使用單一神經元記錄發現猴子在執行空間延遲反應作業 (spatial delayed-response task) 時，會在儲存的階段活化頂葉皮質區。而 Miller 與 Desimone (1994) 則發現當空間刺激換成物件刺激時，則是活化顳葉皮質區。因此，似乎工作記憶依據不同特性的訊息而動員不同的皮質區做儲存。此外，在複述或提取 (retrieval) 階段亦會因訊息儲存的型態 (例如：視覺、空間或語言等) 不同而有所差異 (Jonides, Lacey, & Nee, 2005)。可見，有關工作記憶的研究須視刺激形式而針對不同的皮質區做探討。然而，對於作用的皮質區而言，似乎也會因不同的皮質區有不同的功能差異。舉例來說，Curtis (2006) 回顧了以人類與靈長類為研究對象並使用功能性核磁共振 (functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI) 的相關研究，他發現前額葉及後頂葉系統為空間工作記憶的主要作用皮質區，不過兩者卻是扮演著不同的訊息處理角色。後頂葉皮質區主要回溯 (retrospective code) 空間編碼；而前額葉為預期性的動作編碥 (prospective code)。一般而言，欲研究工作記憶通常是採用延遲反應 (delayed response) 或延遲配對 (delayed matching to sample) 作業 (Petrides, 1994)，而此作業需要參與者執行以下三階段的認知處理歷程：(一) 刺激呈現階段：對即將要儲存的刺激做編碼 (encode)、(二) 延遲階段：將刺激維持 (retention) 在記憶中、(三) 反應階段：將儲存的訊息提取 (retrieval) 9.

(20) 並做出特定的反應 (Von Cramon & Bublak, 1997)。在執行作業的同時，亦能同步記錄腦波的活動，使其更能瞭解上述三階段的認知處理歷程的內在神經機轉，例如：Müller 與 Knight (2002) 曾使用非延遲 (non delayed) 與延遲配對 (delayed matching to sample) 作業，並將其改成空間刺激形式以測試參與者在執行此作業時，其行為表現與腦波的關聯性。執行視覺空間工作記憶情境時，內在認知歷程所誘發的成份波包含：早期視覺反應 N1 波 (Fu et al., 2008)、早期注意力及刺激辨識 N2 波 (Pritchard, Shappell, & Brandt, 1991; Suwazono, Machado, & Knight, 2000)、認知反應 P3 波 (Linden, 2005)、動作準備電位或預期波 (contingent negative variation, CNV)(Oelkers‐Ax et al., 2008; Ruchkin, Johnson, Grafman, Canoune, & Ritter, 1997) 與反應編碼 pSW 波 (positive slow wave)(Garcıá -Larrea & Cézanne-Bert, 1998)。這些認知神經表現對後續的外顯行為表徵均具有某種程度的影響。從不同的心理認知歷程來講，刺激後 300 毫秒至 800 毫秒的正極性特殊成份 P3 波 (或稱 P300)，目前已被廣泛地運用於心生理學研究中來探討有關認知的功能，並且此波亦被普遍地使用於臨床上有關神經及心理層面的疾病機轉 (Polich, 2004)。發展協調障礙兒童亦被檢測到有視覺空間工作記憶的問題，過往已有許多研究可循。研究人員發現發展協調障礙兒童有記憶功能上的缺陷，特別的是，相較於口語工作記憶，視覺空間工作記憶作業觀察到顯著較差的表現 (Alloway, 2007) 及選擇性障礙 (Alloway et al., 2009)。口語及視覺空間工作記憶皆有明顯受損現象 (Alloway & Temple, 2007)。Tsai 等 (2012) 研究發現，發展協調障礙兒童在視覺空間工作記憶有較長的反應時間與較低的反應準確率；事件關聯電位反應則發現有較小的 P3、pSW 振幅及曲線面積。過去研究亦指出，透過有氧運動訓練能顯現出較為卓越的表現，活化額葉和頂葉等重要且較高層次認知功能的區域，這表示兒童的有氧運動與大腦的認知控制能力有關聯性 (Chaddock, Voss, & Kramer, 2012)。. 10.

(21) 第二節. 學齡兒童認知與大腦神經發展之關係. 人類的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，各區域的結構和功能的關係大致如下：一、額葉 (一) 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。. (二) 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。. (三) 語言區：表達語言。 (四) 近眼區：主司社會行為與人格特質。二、頂葉 (一) 前葉部分：主司視覺認知及體位感覺。 (二) 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。 11.

(22) 5.. 繪畫。. 6.. 短期聽覺記憶。. 三、枕葉 (一) 主司視覺訊息的接收。 (二) 對事物大小、形狀、深淺、明暗、顏色及動態等分析。 (三) 閱讀能力。四、顳葉 (一) 聽覺區：主司聽覺訊息的接收與分析。 (二) 視覺參觀區：對圖形及臉譜的認知。 (三) 對聽覺語言及文字的認知。 (四) 注意力的集中。 (五) 對語言、空間事物的長期記憶。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，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。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, & Mash, 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 12.

(23) 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，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。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 et al., 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)，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。. 第三節. 學齡兒童身體動作發展與認知發展之關係. 兒童發展指個體在出生至青少年時期前，身體、心理、認知、情緒及行為，經由時間的改變而有進退或遲滯的現象產生，在兒童時期最為明顯 (Mann & Sabatino, 1985)。過去探討兒童發展的文獻不外乎從兒童身體、動作、語言、智力、情緒、社會行為與人格等發展領域著眼 (Mandich, Polatajko, & Rodger, 2003; O'Beirne, Larkin, & Cable, 1994; Schoemaker & Kalverboer, 1994)，各發展領域顯示出兒童時期為發展階段的關鍵期 13.

(24) (critical period)，此時期具有較高學習運動技能的可塑性 (Schmidt, 2004)。兒童動作廣泛來說包含兒童時期的動作能 (motor ability) 、動作學習 (motor learning)、動作控制 (motor control)、動作表現 (motor performance) 及動作技能 (motor skill) 等意涵。幼兒期是學習基本生活技能的敏感時期，兒童期是學習運動技能的關鍵時期，兒童階段動作的學習足以影響日後學業、動作及運動表現。而動作能力是指個體執行走、跑、跳、擲、接、平衡及各項動作行為的能力；動作學習是練習與經驗所增進動作能力的過程；動作控制是個體的行動、知覺、認知等系統在不同環境下，有無達成特定任務目標的歷程 (胡名霞，2006)；動作表現可藉由粗大動作 (gross motor skill) 與精細動作 (fine motor skill) 來表現，粗大動作係指大肌肉或大肌肉群所控制的動作，精細動作則指小肌肉或小肌肉群所控制的動作 (Payne, Isaacs, Payne, & Isaacs, 2002)；動作技能是指以最佳化的學習方式，運用頭頸、軀幹與四肢的主動動作能精準的達成明確目標執行動作的能力 (胡名霞，2006)，而整個動作的技能表現在動作的速度、精確性、穩定性、協調性上。兒童動作發展會受制於時間、環境、個體行為的影響，每個階段各有不同的發展。兒童的運動發展與早年動作的習得有關，兒童動作技巧發展可由學習不同的運動技能 (尤其是大肢體的動作) 而有動作發展的成長，兒童若能有充分練習的機會，發展會更加的快速。過去二十年，針對兒童階段的研究認為：隨著年齡增長，男生比女生動作能力進步且活動力強，但現今社會，兒童期階段男女生動作發展差異不大，進入青春期後，男女生的差距才日漸產生差異 (戴尉珊、林耀豐，2003)。但現今研究指出，兒童近年來因年齡增長而有動作協調能力直線下降的趨勢，其男女兒童的動作發展，也有不同能力的區別 (李曜全，2006)。發展的過程當中會因小時候的身體運動經驗而有發展不一的情形，有些兒童在日常生活中和同年層的小孩比較起來，動作的表現和協調性就是比較差，例如：扣鈕扣、繫鞋帶等生活自理活動；用剪刀剪東西、拿蠟筆畫畫… 等精細動作；丟接球、跳躍、走平衡木、騎單車…等肢體動作。這類小孩就是需花費很大的努力才能完成上述的某些動作，甚至無法完成，而別的小孩卻能很輕鬆的完成 (Fox & Lent, 1996)。而且這些動作笨拙的 14.

(25) 問題可能持續到青少年階段，甚至影響更久遠 (Blondis, Snow, Roizen, Opacich, & Accardo, 1993; Fox & Lent, 1996; Losse et al., 1991)。所以兒童在於身體協調性的好壞攸關於未來的發展，研究人員探討兒童與協調性之間的關係也是不遺餘力。Lopes, Stodden, Bianchi, Maia, 與 Rodrigues (2012) 針對 7175 名兒童 (年齡 6 至 14 歲) 進行動作協調性 (motor coordination) 與身體質量指數 (body mass index) 探討其相關性，研究結果發現動作協調性與身體質量指數之間呈現負相關，男女性在 11 歲時有最大的負相關情形，肥胖兒童與正常兒童相較之下，肥胖兒童有較差的動作協調性。過去研究探討兒童協調性與相關認知功能多以發展協調障礙 (DCD) 族群進行研究，其結果也指出，發展協調障礙兒童在視覺空間作業時，很明顯地在視覺感知會出現行為障礙 (Wilson & McKenzie, 1998)。神經心理學的研究運用許多不同的認知作業，視覺空間的作業更能了解發展協調障礙兒童的潛在神經病理學機制。例如，發展協調障礙兒童進行誘導箭頭指向線索的內隱性視覺空間注意力作業時，顯示在內隱/主動轉移視覺空間注意力時會產生障礙 (Tsai, 2009; Tsai, Pan, Cherng, Hsu, & Chiu, 2009; Wilson & Maruff, 1999)。透過大腦事件關聯電位的檢測結果，視覺空間注意力缺陷可能的生理機轉為較小的 P3 振幅和較長的 N2 潛時與反應時間。然而，與典型發展兒童相較之下發現發展協調障礙兒童在 CNV 成分有較少的活化情形 (Tsai, Pan, Chang, Wang, & Tseng, 2010)。在學校環境中透過 10 週的運動訓練後，在行為 M-ABC 得分、反應時間、抑制控制及事件關連電位 P3 潛時有顯著的改善 (Tsai, 2009; Tsai, Wang, & Tseng, 2012)。吳昇光與蔡輔仁 (2002) 首先針對國內 7-10 歲的學童進行發展協調障礙篩檢，發現 9-10 歲國小學童的發展協調障礙發生率高達 20.6％，較其他年齡層高出許多。蔡佳良、吳昇光與黃啟煌 (2005) 對高雄市 217 位 9-10 歲學童進行再測試，發現有 34.1%的學童是屬於發展協調障礙學童，與歐美日等國家比較高出許多，但這類學童身體動作能力並未隨著年齡增長而獲得改善。且令人擔憂的是，發展協調障礙學童的發生率有逐漸增加的趨勢 (蔡佳良、陳威穎、李曜全、吳昇光，2006)。目前國內探討發展協調障礙學童的相關文獻相當有限，站在教育的觀點，進一步了解如何增進發展協調障礙學童的身體能力有其必要性與重要性。依據過去文獻，欲增進兒童身體協調性是有跡可循的，Vandorpe 等 (2012) 進行動 15.

(26) 作協調穩定性、動作協調與系統性體育活動的關係之縱貫研究，共有 371 位兒童參與者 (6 至 9 歲)，完成前測後分別進行一年與三年運動的參與者研究，這項研究的結果表示兒童的運動協調能力是呈現高度穩定的狀態，完成三年體育課程的參與者，比一年運動及沒有運動的參與者有更好的動作協調能力。陳志偉 (2011) 為探討跳繩訓練對國小高年級學童動作協調能力之影響，以某國小六年級的兩班學童為研究對象，一班為實驗組，另一班為對照組，進行 12 週，每週 3 次，每次 30 分鐘的跳繩訓練，對照組則不施予任何運動訓練。結果顯示：一、實驗組在動作協調能力測驗成績優於前測成績 (p<.05)，對照組則無顯著差異；二、實驗組在接受 12 週跳繩訓練後，動作協調能力測驗成績優於對照組後測成績 (p<.05)。結論：跳繩訓練可改善學童動作協調能力。因此建議，可透過跳繩訓練加以提升學童的動作協調能力和動作技能學習的效率，進而奠定日後發展更高層次運動技能的基礎。然而，過去的研究當中，相較於協調性明顯較差的特殊族群 (DCD) 而言，典型發展兒童的協調性研究就明顯較少。目前國內對於發展協調障礙學童的治療，乃從復健醫療的方式介入，因此可以看到大部份是由物理治療師或是職能治療師利用補救教學的方式來進行動作失調訓練，或是經由治療師的觀察、評估與專業經驗提供學生動作困難的指導與練習策略，但是這些方式都是個別化訓練。就身為體育教育工作者必須思考的是，如何透過體育課程或是身體活動的介入，讓發展協調障礙學童能在一般教學環境中就可接受到動作協調的訓練，進而改善其肢體能力 (尤怡凱，2008)。蔡佳良等 (2005) 建議，可以採用「體育訓練」的方式或許能有效的改善發展協調障礙學童的動作表現，從多位學者的研究，例如陳香吟 (2006) 的足球運動、林祐修 (2007) 的瑜珈運動、楊姿娟 (2008) 的桌球訓練、薛銘文 (2007) 的足球教學與林豐姿 (2011) 的投籃訓練，結果發現也得到證實，體育活動確實能有效改善發展協調障礙學童的動作協調能力。針對此層面，已有不少研究指出，運動或身體活動對於認知功能提升的效益，會因認知面向 (Colcombe & Kramer, 2003; Hillman, Belopolsky, Snook, Kramer, & McAuley, 2004; Hillman, Buck, Themanson, Pontifex, & Castelli, 2009; Kramer et al., 1999; Stroth et al., 2009) 或運動特性 (Pontifex, Hillman, Fernhall, Thompson, & Valentini, 2009; 王駿濠、蔡佳良，2009) 的不同，而有所謂的選擇性效益。因此，這個概念暗示了從事此類研究似 16.

(27) 乎須仔細考量運動型態與認知面向的特性。值得一提的是，曾有研究指出，身體活動對於大腦結構及功能的益處，似乎要在涉及視覺空間的認知系統上，才可發揮較大的效益 (Shay & Roth, 1992; Stroth et al., 2009)，其中的內在神經機轉可能是運動訓練可以促進涉及視覺空間工作記憶的額葉和頂葉灰質突觸的相互連結，進而提升這些皮質區的動員效率 (Colcombe et al., 2004)。. 第四節. 身體適能對認知表現影響之相關研究. 過去研究表示，增強身體活動亦能提升認知功能 (Hillman et al., 2008; Hung, Tsai, Chen, Wang, & Chang, 2013; 王駿濠等，2010; 石恒星、洪聰敏，2006)，其改善認知功能的面向相當廣泛，針對不同的運動型態亦有其特殊性。本章節將從身體適能與動作適能分別探討其相關研究：一、身體適能相關研究身體適能係指身體足以應付生活中當下或可能出現的身體挑戰之能力，其可分為與身體健康有關的「健康相關體適能 (health-related physical fitness)」以及與運動能力有關之「技能相關體適能 (skill-related physical fitness)」(Buckworth, Dishman, & Bahrke, 2002)。其中競技體適能包含敏捷性、平衡感、協調性、瞬發力、反應時間及速度等，其主要目標為追求較佳的運動表現；而健康體適能部分，則包含身體組成、有氧耐力、肌力與肌耐力及柔軟度等，其主要目標則在追求足以應付日常生活各項活動的能力及維持良好的健康狀態 (Sharkey & Gaskill, 2007)。透過有氧運動來探討執行功能相關研究，Schmidt 等 (2015) 探討長期體育活動對小學兒童執行功能的影響。招募 181 位 10 至 12 歲兒童，隨機分配到高水平的體能活動並有高認知參與 (團隊遊戲組)；較高身體消耗但較低認知參與 (有氧運動組)；以及低體能消耗與低認知參與 (控制組)，進行 6 個星期的課程介入，並於課程前後進行執行功能 (抑制及轉換功能) 與有氧適能 (20 公尺折返跑) 的檢測。結果發現，團隊遊戲組與有氧運動組對於兒童有氧適能產生正向的影響，在執行功能 17.

(28) (轉換能力) 只發現團隊遊戲組有顯著的進步，所以認知參與在長期的體育活動設計是可以增進兒童執行功能的表現。Van der Niet 等 (2016) 探討體育活動課程對於兒童動作適能及執行功能的影響。招募 8 至 12 歲兒童並分為運動介入實驗組 (N=53) 與對照組 (N=52)，實驗組進行 22 週為期 30 分鐘的體育課程，於訓練前後進行有氧適能、速度敏捷、肌肉力量，以及執行功能 (干擾抑制、語意工作記憶、轉換、計畫) 的量測。結果發現，相較於對照組，實驗組有較佳的干擾抑制與工作記憶表現，顯示出有氧運動與體育課程能有效改善抑制及語意工作記憶能力。不僅如此，在有氧適能與肌肉適能方面，De Greeff 等 (2016) 探討有氧適能與肌肉適能對執行功能的影響，招募 12 所小學共 499 名小學 2、3 年級學童 (平均年齡 8.1 ± 0.7) 參與，並隨機分配到運動介入組 (N=249) 與控制組 (N=250)，實驗組進行每週 3 次，每次 20-30 分鐘，並持續 2 學年的體育課程。再介入前後皆進行多種動作能力檢測 (10 × 5 公尺折返跑、20 公尺衝刺、立定跳遠、仰臥起坐及握力) 與執行功能 (Stroop 試驗、數字廣度工作記憶、威斯康辛卡片分類) 檢測。結果發現，相較於控制組，在 10 × 5 公尺折返跑 (有氧適能、協調性) 有顯著的提升，在肌肉適能則有較小的顯著效果；在認知方面，並無發現有顯著差異。過去研究大多以長期的有氧運動介入來探討其效果，然而，亦可以透過不同於有氧運動的生理機轉，進而達到促進認知功能的目的 (Black, Isaacs, Anderson, Alcantara, & Greenough, 1990)。Alesi 等 (2014) 探討空手道運動對於兒童動作能力 (衝刺、協調能力、腿部爆發力) 與認知功能 (工作記憶、注意力、執行功能) 的關係。招募 30 名平均年齡 9 歲兒童，並分為空手道組 (N=19) 與久坐組 (N=20)，測驗內容包括動作能力 (20 公尺衝刺跑、敏捷能力與立定跳遠) 測驗、認知測驗 (視覺辨識：BVN 5-11)、反應時間、前後數字廣度記憶測驗、區塊敲擊測驗 (Corsi BlockTapping Test, CORSI) 與倫敦塔測驗。結果顯示，兩組有顯著差異 (p <.05)，空手道組表現出較佳的動作反應時間、雙腿爆發力與協調能力；在認知方面顯示出相較於久坐組，空手道組有較佳的工作記憶、視覺辨識與執行功能，顯示出空手道的技能性訓練對於動作能力與認知功能皆有正向幫助。不僅如此，Alesi 等 (2015) 探討六 18.

(29) 個月的足球訓練課程是否改善兒童動作能力與認知功能，動作能力測量協調性、速度敏捷、腿部爆發力；認知能力 (BVN 5-11) 測量視覺辨識時間、選擇性注意力。招募 9 至 10 歲兒童並分為足球實驗組 (N=24) 與久坐對照組 (N=22)，足球實驗組進行 75 分鐘課程，每週 2 次，為期 6 個月，並於課程前後進行檢測身體質量指數 (BMI)、20 公尺衝刺跑、敏捷與立定跳遠。結果顯示，足球課程能誘發衝刺爆發力、敏捷協調性、腿部爆發力與視覺辨識表現的進步。Hillman 等 (2014) 以評估 221 名 7 至 9 歲青春前期孩童經由身體活動介入的效果，其孩童以隨機分配方式至九個月課後體育課程訓練 (每天下課後接受 2 小時的娛樂設施課程) 的實驗組，或是不接受任何訓練的控制組，欲進一步觀察孩童在跑步機上的有氧適能、大腦神經電生理表現，以及反應行為的改變。該篇研究以 flanker 作業與轉換作業檢測抑制能力與認知彈性，結果顯示經由身體活動介入的孩童，認知功能的行為表現會有更大的改善，且提升反應正確率。值得一提在 ERP 部分，身體活動介入在不一致情境中呈現較大的 P3 振幅，以及更短的 P3 潛伏時間。另就轉換作業顯示，儘管兩組在同質與異質情境，後測均較前測時的表現要好，但身體活動介入組在異質情境時增益的效果更大。該研究進一步支持體適能與高階認知功能間的相互正向影響，尤其是在需要增加抑制能力、工作記憶力，以及認知彈性的作業任務。二、動作適能相關研究根據認知科學的相關研究，感覺動作與環境互相作用，對於高階認知功能的發展具有重要的影響性，運動技能學習的研究結果，亦能對提升體育的品質有相當貢獻 (劉有德，2011)。然而，過去也有相當多的文獻在探討身體活動、動作技能與認知功能的相關性 (Chu & Kita, 2011)。動作適能與體適能透過不同的途徑來影響認知功能的發展，但過往動作適能與技能表現常被忽略，事實上，定量參數 (強度、持續時間、頻率) 能穩定展現出體能成果，然而，質量參數 (練習類型、動作的複雜性) 卻能顯示出執行協調運動的控制能力 (Marchetti et al., 2015)。早期動物研究表示，從事複雜運動的幼鼠相較於有氧運動及不運動組，能增生更多的細胞突觸 (Black et al., 1990)。不僅如此， 19.

(30) Voelcker‐Rehage, Godde, 與 Staudinger (2010) 招募 72 名老年人參與者，參與動作適能與體適能對於執行功能與知覺速度認知功能研究。結果表示，動作適能與執行功能、知覺速度作業表現有顯著正向關係。 Niederer 等 (2011) 研究動作適能變化對於學齡前兒童 (平均年齡：5.2 歲) 記憶力與注意力的影響，探討動作能力與認知功能之關係於 9 個月時間的變化。評估內容包括體適能 (有氧耐力、敏捷、動態平衡) 與認知功能 (空間工作記憶與注意力)。研究結果顯示，動態平衡與工作記憶的進步有顯著相關 (r = .15，p = .04)。近年來，對於人類大腦中神經活動的研究實屬屢見不鮮，其中透過影像技術來探討典型發展兒童腦容量、認知能力與運動能力之關係。Pangelinan 等 (2011) 就以核磁共振 (MRI) 探討正常發育大腦狀況與動作表現的關係。以 172 名 6 至 13 歲兒童資料進行分析，進行前、後測驗並中間追蹤 2 年狀況，檢測認知狀況 (魏式智力、語言流暢度)、執行功能 (空間工作記憶) 與動作能力 (精細動作與動作靈敏)。結果顯示，年齡與性別上發現一般認知能力 (IQ)、皮層下大腦結構體積 (小腦和尾狀葉)、空間工作記憶與豆狀核之間有顯著的關係。與過去研究 (Barnea-Goraly et al., 2005; Paus et al., 1999) 有著相似的結果；在行為方面，一般認知功能也發現與動作能力與執行功能 (空間工作記憶) 有關係，表示認知功能與動作能力有其關聯性。. 第五節. 身體活動促進大腦神經認知功能之生、心理機轉. 在探討身體活動對於認知影響的研究，神經電生理測量相較於行為測量有較高的敏感度，能夠提供關於神經資源投入的多寡以及神經處理刺激的分布與時間方面的資訊。大量研究使用神經電生理系統在認知的研究上，包括事件關聯電位、功能性核磁共振造影、正子斷層造影 (Positron Emission Tomography, PET)、擴散張量磁振造影等工具來了解大腦的活動狀態，使得對於認知處理有了更深層的了解。兒童時期大腦透過灰質數量的減少與白質數量的增加 (Sowell, Thompson, Holmes, Jernigan, & Toga, 1999)、大腦血管新陳代謝效率化 (Chugani, Phelps, & Mazziotta, 1987)、 20.

(31) 突觸新生 (Huttenlocher & Dabholkar, 1997) 以及大腦神經髓鞘化 (Giedd et al., 1999) 等來發展各區域的功能。過去研究發現，這些現象最早發生於與知覺動作有關的區域，最晚發現的則是與高階認知功能有關的前額區域 (Giedd, 2004; Gogtay et al., 2004)。藉由上述所提及的各種現象的變化，不同區域的大腦神經認知功能會隨著年齡增加而逐漸的發展成熟，如此該區域的大腦神經認知功能才可有效地活化與使用。運動在大腦整體性的影響被認為從增加神經營養因子的水平，例如：腦神經滋養因子 (brain-derived neurotrophic factor, BDNF)、胰島素生長因子 (insulin-like growth factor, IGF) 與細胞的增殖與分化 (Vaynman & Gomez-Pinilla, 2005)。過去有相當多的動物實驗，透過活動量的操弄來研究腦部發展的情形，Black 等 (1990) 就發現相較於有氧運動訓練 (跑步機) 的大鼠，接受複雜動作技巧訓練的大鼠在小腦部位有較高的突觸密度。另外，Kesslak, So, Choi, Cotman, 與 Gomez-Pinilla (1998) 則發現相較於單純接受游泳訓練的大鼠，與接受游泳訓練同時增加認知訓練 (水迷宮) 的大鼠在海馬迴 (對空間訊息處理與學習扮演重要角色)(Silvers, Tokunaga, Berry, White, & Matthews, 2003) 與小腦有較高的纖維母細胞生長因子表現，且對細胞修復及血管新生扮演重要角色，表示可能有較佳的神經與血管新生，有利於神經細胞的代謝。近期動物研究，Wang, Guo, Myers, Heintz, 與 Holschneider (2015) 則發現相較於接受單純有氧運動訓練的大鼠，接受複雜有氧運動訓練 (需躲避障礙物與隨時針對環境進行調整) 的大鼠，在其運動中或安靜狀態時，前邊緣系統 (prelimbic system)，包含內側、背外側、背內側前額葉以及前扣帶迴，皆與執行功能及動作控制有關 (Narayanan, Horst, & Laubach, 2006)，有較高的活化 (以腦血流變化表示)，前邊緣系統與小腦、動作皮質以及感覺動作皮質的功能性連結 (functional connectivity) 亦有較高的表現。運動對於兒童神經生理的相關研究，Chang, Tsai, Chen, 與 Hung (2013) 發現規律的足球訓練,不論強度為何，都能增加兒童在執行反應抑制相關作業時的 P3 振幅並縮短 P3 潛時。同時，高體適能的孩童在大腦頂葉區 (parietal cortices) 呈現較短的 P3 潛伏時間，即顯示體適能與增進神經認知處理過程速度有關，由此可見，擁有較佳的動作協調能力或從事規律協調性運動，有助於兒童對於外在訊息刺激處理的提升進而促進認知表現。 21.

(32) 過去研究也表示，P3 潛時代表對於刺激訊息的評估或處理的速度，潛時愈短表示能較快針對訊息刺激做評估及分類 (Verleger, 1997)；P3 振幅代表對外在訊息刺激所投入的注意力資源，較大的 P3 振幅表示能將較多的注意力資源投入至當下的訊息處理歷程 (Polich, 2007)。然而，在高空間解析度的相關研究，Wassenberg 等 (2005) 就以大型的橫斷實驗，探討 5 至 6 歲兒童體適能與認知功能之間的關係，發現具體的認知能力與運動表現是正向的平行發展，也能從腦結構中發現，例如基底節、額葉皮層與多巴胺傳輸等生理變化。近年來，Chaddock‐Heyman 等 (2014) 也回顧體育運動、有氧適能與認知之間關係，結果發現，較高水平的身體活動與有氧適能發現有益大腦結構、認知功能。且與大腦基底節、海馬迴大小等有顯著正相關。針對身體活動促進大腦神經認知功能之生心理機轉分別以前扣帶迴的改變、大腦血流量的改變、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、身體活動所產生的身心健康對孩童發展的效益等來加以探討其中生理生化機轉：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) 的改變，過去利用核磁共振成像 (MRI) 研究指出，經過有氧訓練的老人，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時有活化現象，推測受過有氧訓練的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時，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、大腦血流量的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 et al., 22.

(33) 2004)。而腦部的血液循環的改善，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 與 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 et al., 1987)。Black 等 (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，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 Radák 等 (2001) 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 (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)。Rybak, Somani, 與 Ravi (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 (Castrén, Berninger, Leingärtner, & Lindholm, 1998)。神經生長營養物質的分泌多寡，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 (Gómez-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 (石恒星、洪聰敏，2006)。相關研 23.

(34) 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 et al., 1995)。因此 BDNF 為大腦從事記憶、學習的主要營養物質來源 (Castrén et al., 1998)。Gómez-Pinilla 等 (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 (Gómez‐ 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、和血清素等的合成能力會降低，此種狀況容易引發大腦常見的相關疾病，對個體的認知功能、日常生活影響甚鉅 (Spirduso, 1995)，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 24.

(35) 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，促進有機體的學習效率與認知功能 (Morgan, 1985)。Fordyce 與 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，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。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。Molteni 等 (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，強化心肺功能並改善身體心理健康 (Colcombe et al., 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、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 等 (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情緒、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。 25.

(36) 第六節. 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。而 Hatfield 與 Landers (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)。 P300 為參與者刺激呈現後 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 26.

(37) 刺激分類與刺激評估之速度指標 (潘孝桂，1999)。P300 潛伏時間為評估刺激或區辨速度的指標 (Kutas, McCarthy, & Donchin, 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 等 (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 (threestimulus 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 等 (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 27.