短时有氧锻炼对认知控制功能影响的近红外脑光谱研究

蒋长好 王志鹏

摘要：采用近红外脑成像技术并结合行为任务，考察中等强度有氧锻炼对认知控制功能的影响及其大脑的血氧变化特征。方法：22名大学生被试通过功率自行车完成20 min的中等强度有氧锻炼，在锻炼前及锻炼后被试心率恢复到锻炼前水平时，分别完成认知控制任务。采用多通道近红外脑光谱成像系统记录被试大脑额区的血氧变化。结果：本研究行为结果发现，与基线状态相比，锻炼后，被试对认知任务中涉及认知控制的子成分的反应准确性提高，而对于不涉及认知控制的子成分则没有出现这一效应。这一结果提示短时有氧锻炼对于认知影响具有选择性，即有氧锻炼对于涉及认知控制的任务表现促进更大；近红外脑成像结果发现，与基线状态相比，20 min的中等强度有氧锻炼后，被试前额叶的含氧血红蛋白提高，而且被试在完成认知控制任务时前额叶的含氧血红蛋白提高更大，表明大脑额叶脑区激活更大。这一结果提示有氧锻炼后被试在对不断增长的任务需求反应中，大脑额区调制行动控制加工能力更强。结论：20 min的中等强度有氧锻炼对认知控制和脑功能有着积极影响，这一影响通过提高抑制任务表现和增强大脑额叶脑区激活而实现。

关键词： 有氧锻炼；近红外脑成像；认知控制功能；近红外脑光谱

中图分类号： G 804.8文章编号：1009783X（2016）04035604文献标志码： A

认知控制又称执行控制，是一种高级的认知功能，它是个体学习和智力活动的核心成分。已有研究发现，有氧锻炼在认知控制功能发展和维持中扮演着重要角色。例如Davis等[1]采用随机控制实验方法考察有氧锻炼干预对于身体超重儿童执行功能的表现影响。研究者将94位平均年龄9岁的身体超重儿童随机分配至高有氧锻炼组、低有氧锻炼组或控制组中，高低有氧锻炼组均参与为期15周、每周5 d的锻炼，其中高有氧锻炼组每天锻炼40 min，低有氧锻炼组每天锻炼20 min，控制组不参加锻炼干预。研究发现，与20 min的低有氧锻炼组和控制组相比，高有氧锻炼组的锻炼干预对于执行控制功能有着显著的积极影响。

除了上述的长期锻炼干预研究，一些研究者也考察了短时锻炼对认知控制功能的影响。一些研究发现，短时锻炼同样能够促进执行控制[24]。例如，陈爱国等选取30名大学生，使用功率自行车实施30 min的不同强度有氧运动，并采用flanker任务、2back任务和数字Moreodd shifting任务，分别测查被试基线、小强度短时有氧运动、中强度短时有氧运动和大强度短时有氧运动后执行功能的抑制、刷新和转换3个子功能的变化。结果发现，不同强度的短时有氧锻炼对执行功能产生选择性具有积极影响[3]。

但是也有研究发现一次性有氧锻炼不能促进一些认知控制功能。如有研究者考察了一次性锻炼与年龄对过重儿童作业转换能力的影响。该研究招募69位平均年龄为9.2岁的身体过重儿童，并将他们随机分派至锻炼组或控制组。锻炼组做3 min中等强度的快走锻炼，采用作业转换任务考察被试的认知功能，认知测验在锻炼前与锻炼后即刻完成。结果显示，年龄在整体转换成本分数上有显著影响，然而短时锻炼对测验的整体转换成本分数与错误率的影响并无差异[5]。可见，当前关于短时有氧锻炼对执行控制影响的研究结果存在较大的分歧，有必要做进一步探讨。

另一方面，既往研究对于有氧锻炼认知功效的脑神经机制探讨不多，有限的研究主要集中于脑电和功能磁共振研究上。脑电有空间精度不足的局限，功能磁共振有生态效度不足的局限，而近红外脑成像（near infrared spectroscopy，NIRS）技术空间分辨率优于脑电，时间分辨率优于磁共振，更重要的是其能在自然的运动情境下使用，研究的生态效度更高，因而更适合锻炼认知效益的研究[6]；故本研究采用近红外脑光谱成像技术考察锻炼对认知控制功能影响的脑神经机制。

本研究采用被试内设计，被试完成20 min中等强度的锻炼，以静息状态作为控制刺激。在锻炼期间和静息状态的前后20 min，采用Flanker认知任务测量，记录练习前、期间和恢复后的指标和认知任务所对应的脑区血氧变化，通过比较基线和20 min的一次性锻炼后的相关变量的变化值，考察一次性锻炼对脑区功能激活的影响。综合分析一次性有氧锻炼对学习和认知的影响。

1研究对象与方法

1.1研究对象

22名被试（男11人，女11人）参加本实验，被试平均年龄20.6岁，均为右利手，视力或矫正视力正常。所有被试均身体健康状况良好，无精神病或神经疾病、物质滥用历史。实验前，被试须填写知情同意书。

1.2实验过程

被试半卧式躺在功率车上，固定好头部后，先测定2 min基准值、心率，然后受试者以中等强度进行20 min运动，最后进行3 min的恢复，恢复时采取静止不动状态，保持3 min。在锻炼前及锻炼后被试心率恢复到锻炼前水平时，分别完成认知控制任务。采用多通道近红外脑光谱成像系统记录被试大脑额区的血氧变化。通过比较基线和锻炼后的额区血氧变化特征和认知控制任务的行为表现，考察短时中等强度有氧锻炼对儿童认知控制功能和脑功能的影响。flanker任务流程如图1所示。

1.3NIRS测量

检测在光线和声音减弱的房间进行。被试坐在舒适的凳子上，室内环境安静。被试被要求尽量保持身体和头部不动。光极对称地放置在双侧额区，额极测量HB改变在44个测量点、6×30 cm区域范围内。按照EEG1020系统安放光极，最低探测点放置于Fp1Fp2位置。以0.1 s的时间分辨率计算近红外光的吸收。

关于fNIRS的指标，本实验可同时得到氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，oxyHb）和脱氧血红蛋白（deoxyhemoglobin，deoxyHb）等数据。

已有研究表明，deoxyHb可能反映的是静脉血氧化和流量而不是局部脑血流特征，oxyHb是局部脑血流的最好指标[7]；故本研究采用oxyHb作为考察指标。

1.4统计学方法

关于行为数据，对每个被试每个子条件的平均反应时和错误率进行2（测量时间：前测、后测）×2（一致性：一致、不一致）的重复测量方差分析；故本研究对fNIRS的oxyHb信号均值进行2（测量时间：前测、后测）×2（一致性：一致、不一致）×2（脑区：左、右）的重复测量方差分析。采用IBM SPSS Statictic 22.0统计软件进行分析，P值采用GreenhouseGeisser法校正，设定0.05为显著性水平。

2结果

2.1行为结果

按照2（测量时间：前测、后测）× 2（一致性：一致、不一致）的实验设计，对每个子条件计算平均反应时和错误率。对每个被试每个子条件进行反应极端值（平均值±3个标准差以外的数据）的剔除，共剔除了1.2%的数据。随后，对平均反应时进行2×2的重复测量方差分析。方差分析的结果显示：测量时间的主效应显著，F（1，21）= 6.80，P<0.05，锻炼后被试的反应时显著快于锻炼前（179 ms vs 189 ms）；一致性的主效应显著，F（1，21）=63.53，P<0.001，被试对一致试次和不一致试次的反应时存在差异（173 ms vs 195 ms）。重要的是，测量时间与一致性的交互作用显著，F（1，21）=4.73，P<0.05，说明冲突控制受到锻炼干预的影响。进一步简单效应分析的结果显示，对于一致试次，被试的前后测反应时差异不显著（P=0.074）；对于不一致试次，被试的前后测反应时差异显著，F（1，21）=8.35，P<0.01。这说明一次性有氧锻炼干预明显提高了被试的冲突控制能力。

对错误率进行同样的方差分析。结果显示，测量时间的主效应显著，F（1，21）=12.37，P<0.005，锻炼后被试的错误率显著低于锻炼前（27% vs 24%）；一致性的主效应显著，F（1，21）=145.42，P<0.001，被试对一致试次和不一致试次的反应错误率存在差异（17% vs 35%）。重要的是，测量时间与一致性的交互作用显著，F（1，21）=12.28，P<0.005，说明冲突控制受到锻炼干预的影响。进一步简单效应分析的结果显示：对于一致试次，被试的前后测反应时差异不显著（P=0.29）；对于不一致试次，被试的前后测反应时差异显著，F（1，21）=20.01，P<0.001。

2.2NIRS结果

对NIRS原始数据进行预处理，将频率小于0.04 Hz和大于0.7 Hz的成分滤除。预处理之后，计算了左右脑区不同实验条件下的含氧血红蛋白（oxyHb）信号均值；因为相比脱氧血红蛋白和总血红蛋白信号，含氧血红蛋白信号更能反映大脑神经激活水平的变化。2×2×2的重复测量方差分析结果显示：测量时间的主效应显著，F（1，21）=5.83，P<0.05；一致性的主效应显著，F（1，21）=67.05，P<0.001；脑区之间的差异不显著F（1，21）=2.26，P>0.05。重要的是，测量时间、一致性和脑区之间的交互作用显著，F（1，21）= 7.71，P<0.05，说明锻炼干预对冲突控制的影响受到左右脑区的调制。进一步的简单效应分析结果显示：对于一致试次，被试左脑区的前后测oxyHb信号值差异不显著（P=0.148）；对于不一致试次，被试左脑区的前后测oxyHb信号值差异显著，F（1，21）=8.36，P<0.01。对右脑区的分析也得到类似结果。这说明一次性有氧锻炼干预有助于提高被试大脑额区的激活状态。

3讨论

本研究行为学数据表明，与一致任务相比，冲突任务反应时明显增加，正确率明显下降，随着任务难度的增加，被试者反应时增加、准确率下降。这一结果与已有的行为学数据结果相一致，表明完成被试复杂任务需要消耗更多的认知资源。关于锻炼对认知控制影响的行为结果显示，与基线状态相比，20 min的中等强度有氧锻炼后，被试对认知任务中涉及认知控制的子成分（即不一致试次）的反应准确性提高，而对于不涉及认知控制的子成分（即一致试次）则没有出现这一效应。这一结果提示，短时有氧锻炼对于认知影响具有选择性，即有氧锻炼对于涉及认知控制的任务表现促进效应更大。

近红外脑成像结果显示，与基线状态相比，20 min的中等强度有氧锻炼后，被试前额叶的oxyHb提高，而且被试在完成认知控制任务时前额叶的oxyHb提高更大。oxyHb水平增加反映了大脑皮层神经元细胞激活而引发的局部脑血流增加，表明大脑额叶脑区激活更强。按照神经细胞耦合原理，局部脑氧合增加提示大脑需要募集更多的神经资源[8]。本研究中，在冲突任务条件下，需要募集更多的神经资源，以应对当前的冲突情境。这一结果也进一步印证了已有的研究假设：采用NIRS技术得到的运动中的oxyHb信号，可以作为判断个体在执行任务过程中的大脑加工活动监控的一个检测指标[9]。

本研究NIRS测量覆盖的区域主要是前额叶区，这一区域涉及自上而下的注意控制，本研究发现中等强度有氧锻炼后，被试前额叶的激活增加，表明这一锻炼可以改善大脑额区功能，因而被试在完成复杂的认知调控任务时，大脑调制行动控制加工的能力更强，任务表现更好。

上述结果与已有的脑成像研究结果相类似，例如，陈爱国等选择10岁儿童为研究对象，使用flanker任务评价认知控制功能，研究者综合利用体育测量技术、心理测量技术和功能磁共振成像技术，检测一次30 min的短时中等强度有氧运动前、后儿童认知控制功能及脑激活模式的特征性变化。结果发现，短时中等强度有氧运动对儿童认知控制功能产生积极的改善效应，短时中等强度有氧运动能使儿童认知控制功能脑激活模式发生变化，具体表现为儿童认知控制功能脑激活模式中的双侧额上回、双侧额中回、双侧顶上小叶和左侧顶下小叶激活程度增加，左侧前扣带回激活减弱。提示一次30 min的短时中等强度有氧运动能改善儿童的认知控制功能[10]。本研究采用近红外光谱成像技术，就这一设备的空间分辨率而言，不及核磁成像技术；但是同样发现前额叶脑区的激活，表明这一脑区在认知控制任务完成中扮演重要角色。

然而本研究结果仍与部分已有结果相冲突，例如，一项研究让35名年龄在13～14岁的学生分别完成有氧运动或静坐休息，采用flanker和Go Nogo 2种认知控制任务考察短时有氧锻炼对执行控制功能的影响及其与大脑神经电活动的关联。研究结果表明，短时有氧锻炼对被试的脑电P3振幅没有产生影响，提示这一研究中锻炼的脑认知效应并不明显。上述的研究结果的差异可能与选取的被试年龄特征、作业任务的性质和有氧锻炼负荷、测量的时间点等研究变量的控制差异有关[11]。进一步的研究应控制相关变量，以精确厘清一次性有氧锻炼和认知控制功能之间的关系。

4结论

综上所述，有氧锻炼干预对认知控制和脑功能有着积极影响，这一影响通过提高抑制任务表现和增强大脑额叶脑区激活而实现。此结果对未来干预处方的设计有一定的启发意义。

参考文献：

[1]DAVIS C L，TOMPOROWSKI P D，MCDOWELL J E，et al.Exercise improves executive function and achievement and alters brain activation in overweight children：A randomized，controlled trial[J].Health Psychol，2011，30（1）：91.

[2]HILLMAN C H，PONTIFEX M B，RAINE L B，et al.The effect of acute treadmill walking on cognitive control and academic achievement in preadolescent children[J].Neuroscience，2009，159（3）：1044.

[3]陈爱国，殷恒婵，颜军，等.不同强度短时有氧运动对执行功能的影响[J].心理学报，2011，43（9）：1055.

[4]SCUDDER M R，DROLLETTE E S，PONTIFEX M B，et al.Neuroelectric indices of goal maintenance following a single bout of physical activity[J].Biol Psychol，2012，89（2）：528.

[5]TOMPOROWSKI P D，DAVIS C L，MILLER P H，et al.Exercise and children's intelligence，cognition，and academic Achievement[J].EDUC PSYCHOL REV，2008，20（2）：111.

[6]蒋长好.近红外光谱技术在运动脑功能研究中的应用[J].生物物理学报，2010，26（11）：983.

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[10]陈爱国，殷恒婵，王君，等.短时中等强度有氧运动改善儿童执行功能的磁共振成像研究[J].体育科学，2011，31（10）：35.

[11]STROTH S，KUBESCH S，DIETERLE K，et al.Physical fitness，but not acute exercise modulates eventrelated potential indices for executive control in healthy adolescents[J].Brain Res，2009（1269）：114.