身体活动对儿童认知能力的影响----基于神经电测量视角

丁仲元

“少年强则国强”。青少年体质健康是一个国家、民族可持续发展的基础。21世纪以来，青少年健康问题逐渐成为国家、社会、学校、家庭共同关注的问题之一。国家对青少年体质健康的重视程度越来越高，资金投入大幅增长，师资力量不断充实，场地设施明显改善，但青少年体质的整体水平却呈现出不断下滑的趋势，而体质健康水平的下滑又直接影响着儿童的学业成绩、智力和认知发展水平。因此，我们有必要重新认识身体活动与儿童认知之间的关系。

生物学专家采用新的评价手段，通过对脑功能[1](事件相关电位 [ERPs]；Pontifex et al., 2011) 和脑结构[2](磁共振成像[MRI]; Chaddock et al.,2010a,b)的研究，证明了身体活动对青春期前儿童大脑认知确有积极影响。其研究的方向主要集中在认知控制上。通过测量各种神经电的方法来检验运动和认知中的刺激反应关系、身体活动对执行功能的影响、不同类型运动与认知的瞬间变化、学业成绩以及外部有效的认知能力评估等之间的关系，证实长期身体运动对儿童的认知发展和学习成绩的进步具有很大的促进作用。

1 身体活动和认知关系的研究

活动的主体是身体，认知的主体是大脑，而人的一切活动与认知均由大脑主导控制，因此身体活动必然会对认知产生影响。认知控制一直是认知的一个必要的组成部分，而且认知控制关系到特定的脑区，故而研究不同类型身体活动和神经结构与潜在行为表现过程的关系，可以帮助人们从另一视角洞察儿童身体活动与认知之间的关系。早期实验室的工作研究了认知控制与身体活动之间的关系：Buck[3]等人验证有氧运动与冲突控制的关系。让一组7～12岁的孩子用纸和笔进行Stroop 颜色测试。这项任务涉及多方面的认知能力,包括选择性注意力、反应抑制、干扰控制和快速反应等。对于这一任务的完成情况，不管有多少抑制控制条件，经常进行身体活动的儿童在所有Stroop任务条件下都有较好的表现。因此，早期的实验研究表明身体活动与儿童的认知有关。

1.1 刺激环境的交互作用

对刺激环境交互作用的研究，重点是对身体活动和认知关系的潜在刺激过程尤其是神经电的测量，例如：ERP的P3(P300或P3b)。ERPs能够揭示出潜在的信息加工过程，为人们提供深入了解认知功能的机制的有效方法。另外，由于ERP具有较高的时间分辨率，这使得它可以为人们提供刺激编码和反应发生过程的信息。在观察刺激产生的ERP波形时P3是一个正向的成分，而研究者认为这代表了一次感觉信息记忆的调整[4]。刺激呈现时P3的波幅与注意的广度成比例 (Polich, 2007)[5]，较高P3波幅反映了注意力的增强。潜伏期是测量刺激分类速度或评价刺激时间的指标, 较短的潜伏期表明有较快的认知加工速度。因此，在目前情况下允许应用P3推断身体活动有益于人的注意、记忆和思维等认知功能的发展。

1.1.1Oddball范式研究一些实验室研究使用P3评估儿童身体活动和认知之间的关系。特别是Hillman et al. (2005)[6]用Oddball范式比较了体质强和体质弱儿童(平均9.6岁)的P3成分。实验中要求参与者对小概率刺激做出反应, Oddball会呈现一系列不需要做出反应的频繁非靶刺激。在这个任务中，随着靶刺激的不断清晰，结果显示P3成分也不断呈现。这反映了刺激环境对个体心智作用的调整，使其注意的广度不断增加。Hillman et al.(2005)的研究表明体质强的儿童相对于体质弱的儿童表现出较高的P3波幅和较短的P3潜伏期。这一发现说明刺激环境下体质强的儿童可以更快地做出注意反应并迅速进行信息的加工处理，即可以产生更快更准确的行为反应。这就说明，体质强的儿童其反应的灵敏度和精确度要更强。因此，身体活动可以通过增强儿童的体质间接地对儿童的认知发展水平产生影响。

1.1.2Flanker范式研究Hillman et al.(2009b)[7]使用改良后的Flanker范式测试了9～10岁的孩子。Flanker范式由排列一致和不一致的刺激组成，被试的任务是比较不一致刺激与一致刺激，实验要求被试调动大量认知控制来抑制由Flanking刺激产生的错误反应干扰。Hillman et al.(2009a)[8]研究表明，在Flanker范式下体质强的儿童比体质差的儿童表现出更精确的反应和较高的P3波幅。Hillman et al.的研究结果说明当儿童需要多种注意和认知控制的时候,身体活动与整个认知功能呈正相关。说明儿童在刺激评价过程中良好的健身运动与注意资源分配增加有关，良好的健身活动可以提高儿童的认知控制水平。

1.2 不同刺激条件下运动和认知的关系

Colcombe 和Kramer (2003)[9]最早对老年人的健身运动与认知的关系进行了研究，并且发现了二者之间普遍存在的关系，即选择性地影响和大量不成比例的任务需要较多的认知控制。对于儿童群体的研究晚于老年人，早期仅局限于具有认知功能障碍的儿童。这可能是因为儿童期的认知功能发展快速且不均衡。Pontifex(2011)等人对平均年龄为10岁的儿童进行观察，在做Flanker任务时通过测量儿童的刺激反应探求健身运动和认知之间的关系。实验要求儿童在多种条件下分配认知控制，这样的做法较大地提高了认知控制的要求和需要。具体来讲，是在不相容的刺激反应条件下，要求被试者按下一个与中枢目标方向相反的箭头的按键。 这一任务不同于定向的刺激反应，这需要更灵活的认知控制调整不相容的刺激反应条件。实验结果发现体质强的儿童能够忽略刺激-反应兼容性条件而维持他们反应的正确率，然而体质差的儿童的表现则是随着任务难度的增加反而精确度有所下降。

不论是Oddball还是Flanker范式，在实验中测量9～10岁体质强和体质差两组儿童的P3成分时，结果都显示在刺激环境下体质强的儿童比体质差的儿童表现出更高的P3波幅和更精确地反应速度。由于儿童的外在行为与内部ERP的P3成分表现一致，所以在结果中发现体质强的儿童整体表现出了较高的P3波幅。重要的是，体质强的儿童在不兼容条件下出现了更高的波幅，在兼容条件下出现的是较低的波幅；这一现象在体质差的儿童中没有观察到，他们整体表现出较低的波幅，没有对反应兼容条件的刺激做调整。而且，体质强的参与者具有较短的P3潜伏期，相对于体质差者表现出快速的认知加工速度[10](Pontifex et al., 2011)。这个结果表明体质强的儿童能够通过认知控制灵活地调节外在任务的执行情况,也能够根据任务难度的增大而不断调节并增加注意资源，明显表现出较强的注意分配能力。研究者还对体质强和体质差两组儿童执行功能的诸多方面进行了比较，结果发现爱活动儿童组的抑制控制明显强于不爱活动的儿童组。这就可以认为经常活动可能会使儿童有更多的机会学会控制他们的活动与行为。

2 身体活动对执行功能的影响

执行功能的研究最早源于神经心理学关于额叶受损病人的研究。Baddeley最早提出了工作记忆模型，；Denckla 和Reiss在此基础上认为执行功能是一种认知结构；Bufferfield等提出了认知理论模型；Zelazo则将执行功能看成一种功能，而不仅是一种认知结构。他认为将有助于问题解决的不同亚功能阶段有机结合起来。从国外学者对于执行功能认识的演变来看，执行功能担负着不少的高级认知功能。

执行控制的神经电指标是认知控制的另外一个重要方面。为了总体目标行为，个体必须不断地监控他们目的和行为的一致性，以便保证受试者的表现和反应在随后的环境交互下会有正确和错误率出现。此时，行为控制系统成为通过ERP的成分获知错误相关负波的指标(error-related negativity，ERN; Gehring et al., 1993; or error negativity: Ne; Falkenstein et al., 1991)。从ERP平均反应表现观察，ERN是一个负向的波形。它通常是从认知任务的错误信息中提取得到的。ERN大多是在额中央记录，这一部分神经回路涉及行为控制。ERN也被认为与检测错误任务的表现有关，或更普遍地探测反应冲突，它经常通过犯错误引起(Botvinick[11]et al., 2001; Yeung[12]et al.,2004)。

研究表明身体活动与调整儿童行为控制过程有关。Hillman等人 (2009a) 指出在要求对任务做快速反应时，体质强的参与者相对于体质差的参与者表现出较低的ERN波幅。表明体质强的儿童相对于体质差的儿童在实验中表现出更高的反应精确度。冲突控制理论提出，反应冲突的出现可以评估ACC(前扣带皮质)，而且为其他脑区(比如背外侧前额叶皮质)提供信号。这种行为能够灵活调整认知控制来应对相应的环境变化(Botvinick et al., 2001; Carter and van Veen[13], 2007)。也就是说，这个理论认为随着ERN波幅的降低，在增加认知控制而减少冲突的同时，也相对减少了对ACC的激活。基于这一理论, Hillman等人的实验结果表明大多数体质强的儿童在执行任务时由于增加了认知控制，故而ERN波幅有所弱化，这将更利于提高反应的速度与精确度。

Pontifex[14]等人的一项跟踪调查研究(2011) 观察到体质强的儿童比体质弱儿童的ERN波幅小，暗示被试在反应过程中减少了环境作用冲突。该研究表明体质强的儿童能够灵活地根据监控过程的要求进行行为调节，在认知控制的基础上能够有效优化行为和任务环境之间的相互作用。大幅度的健身活动调整ERN条件也符合上述P3振幅的情况。进一步的研究发现了身体活动与认知控制环境之间的相互作用。ERPs显示，体质强的孩子对刺激分配了更多的注意资源 (P3振幅)，同时也减少了对行为监控资源的激活(ERN振幅)；体质弱的孩子对刺激环境则分配了较少的注意资源，并使用了额外的行为监控策略。然而在更多任务中，即要求加大冲突的情况下，体质弱的参与者在这种条件下对任务执行得更差；体质强的参与者则有能力灵活而有效地规范认知控制，致使他们能够分配更多的资源注意外界，并且减少对内部(对反应监控的ERN振幅)刺激的反应。

在对儿童的执行功能的研究者中，Diamon认为执行功能要到青春期才开始逐渐显现。但更多的研究表明执行功能的发展要更早一些。Khanum的一项对比研究显示，幼儿期动作发展较早者与发展较迟者相比，长大成人后会拥有更好的执行功能，大脑结构也有所不同。目前关于运动对于执行功能的影响的研究，大部分都是建立在身体活动对认知功能影响研究的基础上，而对于运动与执行功能进行直接研究的较少，对执行功能子功能的研究就更少了。在体育运动中，如果能够针对儿童身体素质发育的敏感期，提供相关的训练手段进行训练便可提高儿童的身体素质。另外，如若能够抓住儿童青少年的执行功能发展的敏感期合理运动，便可使执行功能得到快速发展，增进儿童的大脑健康，促进儿童认知功能的全面发展。

3 一次性运动对儿童认知的影响

越来越多的研究不仅关注缓慢运动参与的认知发展，而且还开始关注一次性运动的瞬时效应。一次性运动对于年轻人的认知任务能够提供有益的帮助。早期的研究使用数学测试发现了一次性运动和认知之间的关系。Gabbard and Barton[15](1979)让二年级的孩子先完成2分钟的数学计算测试(前测)，然后参与20、30、40和50分钟时间的一节体育课，之后再进行后测。结果发现50分钟体育课后数学成绩比测试前明显提高，然而前测结果和接下来其他持续测试(例如20,30,和40分钟运动)后的测试结果之间没有显著变化。Gabbard 与 Barton (1979)认为长时间的身体活动有利于增强认知活动的优良表现，而且不会妨碍认知的发展。

也有人(McNaughten and Gabbard[16]1993)在6年级孩子中研究了一次性运动，实验中让被试绕篮球场外围步行，心率保持在120～145次/分之间，运动时间持续20、30和40分钟，而且是按照正常的体育课进行安排，即在一天的三个不同时间段，分别是早8:00、上午11:50和下午2:20。每一阶段运动结束后立即让参与者进行90秒的数学计算测试。结果显示6年级儿童在30和40分钟运动后的测试得分显著高于上午11：50和下午2：20进行20分钟运动的儿童的得分，而没有观察到与上午8点运动儿童得分的明显差异。这是因为他们没有比较运动中的表现和前测结果(基线)，故而不清楚20分钟的运动是否会影响认知功能。但是，这些研究足以表明一次性有氧运动能够影响认知功能，并能在一定时间内提高大脑的兴奋性，缩短反应时间、增加人体投向刺激的精力。即一次性有氧运动对儿童青少年的认知功能具有积极的影响作用。但太短时间的运动不能使机体兴奋性得到充分的激发，不能充分提高认知能力。

目前也有人在运用脑电(EEG)和ERP研究一次运动，从而揭示了一次运动对大脑与认知存在的潜在的积极影响。虽然早期已经在成年人群中进行了这样的研究(Dustman[18]et al., 1990)，但 Schneider et al. (2009)还是第一个将这一方法应用于儿童的研究。Schneider[17]et al. (2009) 曾经探索过一次性的有氧运动能否影响脑电活动的变化。青春期前儿童(9—10岁)进行15分钟的有氧运动，在运动后立刻记录休息前的EEG。脑电成像分析表明儿童楔前叶区的α活动有所增加，而随着有氧运动的进行，大脑的左颞区β活动减少。负责记忆和语言方面的大脑区域β波活动减少，可能带来认知功能的改进，从而有效改变加工能力。EEG随运动的这种变化反映了神经的可塑性，这可能是认知与学业成绩关系的基础。

还有研究认为一次性运动对认知控制过程有影响，这是学业成绩的基础。Hillman等人(2009b) 在改进的Flanker范式下使用 P3成分研究急性运动对认知控制的影响作用，他们让青春期前的儿童(M=9.5岁)完成一项任务(此处应该说明什么任务),每天不同阶段的有氧运动之后是20分钟静坐休息(M=125bpm) ，然后观察不一致的Flanker条件被试的表现，这就要求儿童要具备或者应用更多的认知控制。结果显示在运动后坐下休息时，反应精确度更高而且P3振幅增加。这就表明当任务条件要求较多的抑制控制时，儿童可能投入更多的注意资源(通过大量P3振幅反应),进而引发运动后的任务表现更加精确。

Stroth[19]et al. (2009)使用ERPs测试了一次性有氧运动对13～14岁孩子认知控制的影响作用。被试执行改进过的Flanker/Go-NoGo任务，即以个体60%最大心率进行有氧运动，20分钟后，与他们安静时的基础状态比较。研究结果显示经过一次性的有氧运动过后被试的P3振幅没有发生变化(Stroth et al., 2009)。实验研究的另一个重要发现是P3在中枢外侧头皮部分的电极叠加。许多探索运动与认知二者关系的ERP研究已经观察到P3成分的变化，认为运动刺激在认知科学方面具有一定的有益影响。

对成年人群的研究表明，一次性运动有助于提高与认知有关的指标P3。Hillman et al.(2003)进行了相关的实验研究，实验安排20个青年(M=20.5岁)在跑步机上运动，从稍微累到很累,用Borg的RPE感觉等级量表评价，相当于进行一次30分钟以最大心率的83.5%强度水平的运动。然后给受试者戴上脑电仪，一旦他们的心率回到安静水平的10%以内就开始进行改良后的Flanker任务。每隔一天让受试者静坐同样长的时间，两种状态下减少被试的练习效应。结果显示：被试者在两个Flanker任务条件下运动后的P3振幅较大。表明被试者在刺激环境中的外部事件上普遍增加了更多的注意资源；而在不一致试验期间P3潜伏期相对较短。表明当任务要求更高的认知控制时，被试的认知过程速度加快(Hillman et al., 2003)。这个实验结果表明：通过增加有效的刺激环境，一次性运动确实能够提高认知。Kamijo[20]et al., (2004)测试了不同强度的运动对P3振幅的影响,让22～33岁的青年在功率自行车上做低强度(RPE=7～9)、中等强度(RPE=12～14)和高强度(心理疲劳)运动,控制条件是静坐休息。在每一个休息期被试要执行一个Go-NoGo任务。每一阶段被试者平均运动18分钟。研究结果表明中等强度条件的运动过后P3的振幅增高。Kamijo[21]et al. 于2007年又一次测试了被试者在一次20分钟自行车运动后的P3成分，运动强度与前一次实验相同但又有所不同。具体分为：最低强度(RPE=11)、中等强度(RPE=13)和最高强度(RPE=15)。在改进过的Flanker范式下查看ERPs，实验结果和之前 (Hillman[22]et al.)的研究一样。也就是说，中等强度运动下的被试的P3振幅比休息状态时要高，而且无论运动强度怎样，P3潜伏期在不一致实验条件下是缩短的。此外，低运动强度过后P3的振幅也会适当增加，然而高强度条件的运动之后，P3的振幅影响不明显。从这些发现可以得出：运动的强度与认知的关系可能呈倒U型，中等强度运动对认知的积极影响最大。

一次性运动对儿童的影响会受到其本身的年龄、锻炼时间、运动形式和认知任务的要求等条件的限制。然而，已有的文献对这些关系的研究仍然比较少，对于儿童的详细研究仍无定论。对于成年人，学者们对一次性运动的运动强度、持续时间、认知特性以及一次性运动的认知任务执行和被试的身体状况对认知的影响也有不同理解，但这些发现为下一步对儿童认知的深入研究奠定了基础，将来会更好地确定一次性运动与认知的关系。从总体上看,以上研究验证了一次性运动有利于儿童和成年人认知功能的提高。

4 小结

自1975年Spirduso等学者开始致力于探究身体活动与认知表现关系以来，该领域开始转向对不同年龄人群和不同健康水平人群的研究。近几年来则更加侧重研究儿童的体质与学习成绩之间的关系。众多的研究发现，体质强的儿童有较强的能力灵活地调整个体的行为，也就是说体质强的儿童的反应速度和精确度及其认知控制和执行控制能力要更强一些。传统观念认为，身体活动会影响到学生的学习成绩，甚至影响到学生的认知和智力发展水平，因此在实践领域，很多人极力排斥把时间浪费在多余的课外活动上，近几年的研究进一步证明这种观点是错误的。没有身体活动参与的学习其学习效率和学习水平是非常低的，甚至这种单纯的学习会影响到儿童的思维、记忆、注意等认知发展水平，进而影响到儿童的智力发展水平。

因此，笔者的研究有力地驳斥了“运动影响成绩”的错误观念，为身体活动有益于儿童认知和智力发展水平提供了科学依据。笔者从神经电测量的研究成果中梳理总结了儿童身体活动与认知功能之间的关系，以期能为进一步探讨身体活动对执行功能及认知影响的研究提供理论依据。[0]由于研究者对身体活动与执行功能的关系关注时间相对较短，在执行功能的定义及认知控制等研究方面认识较为浅显。未来的研究还需要进一步理清这一方面复杂的关系，主要包括认知控制过程的分析以及执行功能的测量等。通过神经电的测量，识别受长期不同的身体活动影响下刺激和反应发生之间特殊的信息加工过程。后续研究中需要将神经电、脑功能成像技术与行为学的一些测量方法结合起来，以便更深入地研究身体活动与执行功能的关系。将来，对于身体活动参与认知方面的影响，身体活动与学习成绩之间的关系的研究将会更加深入，也将会成为心理学和体育学研究的重要课题。

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