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1 強身健腦 : 運動與大腦可塑性 張智宏副教授國立中央大學認知神經科學研究所 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 2 1

2 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 3 認知神經科學 (Cognitive Neuroscience) 認知心理學 (Cognitive Psychology) 人類如何處理訊息 感官知覺 注意力 記憶 動作控制 語言 決策能力 情感 社會互動 神經科學 (Neuroscience) 神經系統之結構與功能 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 4 認知神經科學相關領域 神經醫學復健醫學運動科學資訊科學電機工程 心理學經濟學社會學生物學犯罪學 哲學數學物理學倫理學 2

3 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 5 課程大綱 大腦結構與功能 大腦可塑性 運動改善認知能力與大腦功能 大腦結構與功能 Brain Structures and Functions 3

4 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 7 人類的大腦 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 8 大腦皮層分區 頂葉 額葉 枕葉 顳葉 4

5 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 9 大腦基本組成單位 : 神經元 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 10 大腦基本組成單位 : 神經元 5

6 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 11 突觸的化學訊號 髓鞘 (Myelin) 突觸 (Synapse) 離子通道 (Ion Channel) 神經傳導物 Neurotransmitter 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 12 電訊號會流失減弱 6

7 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 13 髓鞘可加速訊號傳導 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 14 神經活動 3D 模擬 7

8 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 15 大腦資訊 有至少 100,000,000,000 (1 千億 ) 個神經元 約有 ~10 15 (1 百兆 ~1 千兆 ) 個神經元連結 (synapses) 表面積約為 2500 平方公分 重約 公斤 ( 體重的 2%) 其運作需要全身 15% 的血液 20% 的氧氣 25% 的葡萄糖 每分鐘消耗 卡路里 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 16 休息狀態下的大腦使用狀況 氧氣代謝率 最大值 大腦血流量 最小值 8

9 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 17 腦中的血管網路 腦血管散布 電子顯微鏡下的腦血管 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 18 你珍惜自己 ( 和朋友 ) 的腦嗎? 依據交通安全規則一百廿條規定, 二輪腳踏車不得互載, 否則可處以新台幣三百元以上六百元以下罰鍰 9

10 認知神經科學研究工具 Research Tools in Cognitive Neuroscience 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 20 早期藉由腦部病變研究腦功能 10

11 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 21 現代研究腦結構與功能的工具 磁振造影腦電波 / 腦磁波 結構性 功能性 穿顱磁刺激 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 22 磁振造影 (MRI) Anatomical MRI DTI Functional MRI Magnetic Resonance Imaging 11

12 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 23 腦功能核磁共振造影 Functional Magnetic Resonance Imaging 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 24 腦功能核磁共振造影 未進行特定作業時 帶氧血紅素 去氧血紅素 高度活化時 12

13 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 25 腦電波儀 (EEG) & 腦磁波儀 (MEG) EEG & MEG 可以即時測量到腦殼上的微小電磁場變化 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 26 大腦皮層運動區 中央溝 13

14 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 27 運動神經系統的階層式架構 前運動區輔助運動區 小腦 基底核 主要運動區 腦幹 脊髓 訊號至肌肉 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 28 主要運動區 (Primary Motor Cortex) 14

15 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 29 主要運動區與動作結構之對應 地形圖式對應 Topographic organization 身體或空間中相鄰處, 在腦中處理的神經元也在相鄰處 感覺或控制越靈敏的區域, 相對應處理的腦區面積也越大 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 30 腦中的小人 (Sensory and Motor homunculus) 15

16 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 31 半身不遂 (Hemiplegia) 主要運動區的受損通常肇因於中大腦動脈 (middle cerebral artery) 出血 受損運動區對側之身體無法自主運動 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 32 Became quadriplegic on May 27, 1995 Christopher D'Olier Reeve (1952~2004) 16

17 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 33 腦 電感應 人類 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 34 腦機介面控制機器手臂 17

18 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 35 大腦可塑性 Brain Plasticity 18

19 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 37 大腦白質通路發展時程 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 38 大腦可塑性 腦神經系統之結構及功能因行為 環境或其他生理因素而改變的特性 ; 此特性終身皆存在 可發生於多種細胞 神經元 膠質細胞 微血管 改變程度隨年齡而有不同 正常發展與異常狀況下皆會發生 19

20 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 39 計程車司機之海馬迴體積與其駕駛年資相關 Mcguire et al. (2000) PNAS 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 40 感覺區重組 Two Months 20

21 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 41 幻肢疼痛 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 42 鏡像治療 21

22 運動改善認知能力與大腦功能 Exercise Enhances Cognitive Abilities and Brain Functions 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 44 22

23 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 45 海鞘 (Sea Squirts) 成體 幼蟲 會動的生物才需要腦 -ROLDOLFO LINAS, NEW YORK UNIVERSITY -DANIEL WOLPERT, CAMBRIDGE UNIVERSITY 23

24 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 47 舊石器時代的人類每天平均要走八到十六公里覓食 漁獵 採集社會 會跑才有得吃 比同儕跑得快 更會有效運用體力的, 會活得更幸福 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 % 台灣人 數千年 圖片來源 : 數十年 高血糖高血壓高血脂肥胖 24

25 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 49 內帕維中央高中 (Naperville Central High School) 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 50 零時體育課計畫 (Zero Hour Physical Education) 25

26 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 51 零時體育課計畫增進了學業成績 1.6 閱讀能力成績進步幅度 非零時體育課組 零時體育課組 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 52 增加體育活動降低違反校規事件數量 累計留校察看天數 控制組林肯高中

27 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 53 PE4Life 計畫 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 54 什麼是控制良好的實驗? 服藥前服藥服藥後 發燒 咳嗽 流鼻水 症狀消失 27

28 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 55 什麼是控制良好的實驗? 服藥前服藥服藥後 實驗組 發燒 咳嗽 流鼻水 症狀消失 對照組 發燒 咳嗽 流鼻水 多休息喝水 症狀消失 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 56 老鼠與人的海馬迴 老鼠腦 人腦 海馬迴 (Hippocampus) 28

29 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 57 自願去跑步的老鼠 Bromodeoxyuridine (BrdU) 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 58 運動對於水迷宮表現的影響 Kempermann et al. (1999). Nature. 29

30 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 59 運動對於水迷宮表現的影響 Day 1 Day 5 Kempermann et al. (1999). Nature. 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 60 跑得越遠,BDNF 越多 30

31 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 61 運動能改善中央執行功能 旁側辨識作業 (Flanker test) 螢幕呈現 小小大小小 反應 按左鍵 大大小大大按右鍵 大大大大大按左鍵 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 62 運動改善抑制能力 (Source: Davranche et al., 2009) 31

32 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 63 體適能好的小朋友的基底核體積大於體適能不好的小朋友 Chaddock et al. (2010). Developmental Neuroscience. 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 64 從事有氧運動訓練的老人, 腦中的灰質與白質區域都比從事伸展運動者增加更多體積 藍色部份為灰質區域的增加, 黃色部份為白質區域的增加 Colcombe et al (2006) J of Gerontology. 32

33 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 65 為什麼運動對大腦有益? 促進神經傳導物質作用之平衡 血清素 (Serotonin) 情緒調控 正腎上腺素 (Norepinephrine) 記憶形成 注意力控制 多巴胺 (Dopamine) 獎賞與學習之連結 促進調節可塑性蛋白質與荷爾蒙的產生 腦衍生神經滋養因子 (BDNF) 神經與肌肉新生及分化 第一型類胰島素生長因子 (IGF-1) 血管內皮生長因子 (VFGF) 纖維母細胞生長因子 (FGF-2) 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 66 您的休閒活動是什麼? 沙發上的馬鈴薯 (Couch Potato) 33

34 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 67 一切都是基因害的啦 ~ 節約基因假說 舊石器時代人類過著有一餐沒一餐的日子 能吃時多吃 快速變胖 基因還沒跟上餐餐有得吃, 吃得好的日子 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 68 中等費力活動與費力活動 中等費力活動 : 持續從事 10 分鐘以上身體活動時, 還可以舒服的對話, 但無法唱歌, 這些活動會讓您覺得有點累, 呼吸比平常快一些, 流一些汗, 心跳快一些 費力活動 : 持續從事 10 分鐘以上身體活動時, 會讓你無法一面活動, 一面跟別人輕鬆說話, 這些活動會讓您的身體感覺很累, 呼吸比平常快很多, 流很多汗, 心跳加快很多 來源 : 衛生署國民健康局 台灣活動量調查問卷 34

35 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 69 代謝當量 (MET) 坐著休息一分鐘消耗的能量 (Metabolic Equivalent) 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 70 符合下列條件之一為身體活動量足夠 : 費力活動達到 3 天以上, 且每天至少進行費力身體活動時間 20 分鐘 中等費力活動或走路達到 5 天以上, 且每天至少活動 30 分鐘 費力活動 中等費力活動與走路天數加總達到 5 天以上, 且三項累計加總消耗能量達一週 600 代謝當量 (MET-minutes) 35

36 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 71 台灣人的活動量 台灣人高活動量比率僅有 24%, 遠低於國際平均的 43%, 但低活動量比率卻高達 38%, 是國際平均 17% 的兩倍之多 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 72 下課時間十分鐘 九十九年十一月二十六日下午一點二十六分攝於名間國小 36

37 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 73 有氧運動 以最大心跳率的百分之六十五到七十五, 持續三十分鐘以上的運動 消耗極多的氧 持續時間較長且運動量大的運動 最大心跳率理論值 : 220 年齡 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 74 最佳組合 體適能改善, 增進認知儲備 有氧運動 每次三十分鐘 每週至少三次 智能訓練 有氧運動後進行 技巧性運動 瑜珈 芭蕾 跆拳道 武術 強調人際互動與團隊合作的運動 雙人舞 籃球 排球 認知能力 記憶 注意力 37

38 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 75 運動改造大腦 學習壓力焦慮憂鬱注意力不足成癮荷爾蒙變化老化 約翰. 瑞提醫師艾瑞克. 海格曼 野人出版社 2013/11/1 正修科大教師教學知能研習 76 結語 為了讓人類擁有成功的生活, 神提供了兩種管道 : 教育與運動 它們不僅各司其職卻又並行互補 透過此兩者, 人類便能臻於完美 柏拉圖 38

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