体育锻炼对心理健康促进效应的脑机制研究主要考察了不同锻炼方式、不同锻炼强度对大脑结构和功能的影响。首先,锻炼对大脑结构影响的研究主要集中在灰质和白质两方面。研究证实,短时中等强度有氧锻炼可以促进儿童的执行功能,推测其脑机制涉及锻炼导致儿童双侧中央后回、双侧扣带回、左侧枕下回和左侧小脑灰质体积减少。相反,对太极拳、篮球、排球运动的研究均提示被试执行功能的改善及大脑灰质体积的增加,但是皮层厚度增加位置存在差异。此外,磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)研究发现,锻炼可以增加大脑白质体积,且胼胝体压部各向异性分数(fractional anisotropy,FA)值与锻炼年数、锻炼水平存在相关性。第二,锻炼对大脑功能影响主要是脑区激活和功能网络连接方面。一方面,中等强度有氧锻炼可以对儿童工作记忆的表现产生积极效应,能使儿童执行功能脑激活模式改变,具体表现在双侧顶上小叶、双侧额中回、双侧额上回和左侧海马被显著激活。同样的,中等强度有氧锻炼也可以提高大学生转换功能,且大学生完成More-oddshifting任务时脑激活模式增强,涉及脑区包括右脑额下回、右脑后顶叶回、右脑颞叶回、左脑边缘叶扣带回和视觉联合皮层区。另一方面,从大脑静息态功能连接角度考量,有研究发现太极拳锻炼可以使锻炼者右侧中央后回(post-central gyrus,Pos CG)的局部功能一致性显著增强,而左侧前扣带回(anteriorcingulatecortex,ACC)局部功能一致性则显著降低。太极拳锻炼通过优化静息状态下大脑局部功能一致性,改善锻炼者大脑功能。此外,对运动专家和新手的对比研究发现,运动专家的执行控制网络、凸显网络和默认网络相比于新手具有更强的功能连通性。目前国内研究存在的局限性在于1)缺少中年被试;2)鲜有无氧锻炼对大脑影响的探索;3)运动对大脑影响的研究尚未涉及皮层下神经核团。