身体锻炼与基本心理能力老化的因果探讨

高淑青毛志雄天津体育学院国家体育总局竞技运动心理与生理调控实验室（天津30038）北京体育大学运动人体科学学院（北京00084）

身体锻炼与基本心理能力老化的因果探讨

高淑青1毛志雄2
1天津体育学院国家体育总局竞技运动心理与生理调控实验室（天津300381）2北京体育大学运动人体科学学院（北京100084）

本研究通过两个子研究探讨身体锻炼与基本心理能力老化的因果关系。研究1对31位中老年人进行了间隔20周的交叉滞后相关研究，研究2对15位中老年人进行了为期20周的锻炼干预（对照组15人）。两个研究均发现身体锻炼对中老年人的数字运算能力、归纳推理能力、空间定向能力和词汇流畅能力产生积极作用，而未对语义理解能力产生影响。结果表明，有氧锻炼可以延缓中老年人基本心理能力的退行性变化，且这种延缓作用在流体认知能力方面表现更为明显。这提示，为了延缓基本心理能力的老化，除采取身体锻炼这种有效的手段外，还需结合其他方式，来全面、有效地延缓老化的发生。

身体锻炼；基本心理能力；老化；因果关系

1 引言

老龄化问题已成为社会各界关注的热点问题之一。随着衰老进程，老年人全身器官出现进行性衰退。作为脑功能的一个重要指标，认知功能也会出现衰退。而且，在全身性衰退中，最明显且对老年人影响最大的是认知功能[1]。

身体锻炼对延缓老年人认知老化方面的作用逐渐受到重视[2－6]。Taylor研究指出，在全世界范围内，每年约有320万人死于不活动，而改善老年人健康的重要措施就是锻炼促进[7]。这提示，身体锻炼作为一种干预手段或者是一种生活方式对于延缓中老年人认知老化具有重要作用。

但同时，也有很多研究并未发现身体锻炼对老年人认知功能的积极作用，如Oken等以135名65～85岁的健康老年人为研究参与者的研究发现，6个月的瑜伽和步行锻炼均未提高老年人的认知功能[8]。Kimura等的研究以119名65岁以上老年人为参与者，进行12周的力量锻炼（同时以健康教育课程组为对照），结果发现，力量训练并没有对老年人的转换任务产生影响[9]。Jedrziewski、Lee和Trojanowski分析了大量1999年以来发表的体育活动和认知健康的相关文献，包括案例对照研究、临床试验、元分析等，结果发现，个体参加体育活动，可能会降低由衰老而引起认知功能下降的风险，但是，迄今这还没有得到明确证实[10]。这提示，需要进一步分析上述结果不一致的原因，并严格控制变量，通过更加严密的研究设计来明确身体锻炼与中老年人认知功能的因果关系。

有关成年期认知发展的研究主要集中于基本认知能力和日常认知能力两大领域，其中，基本心理能力是构成个体所有日常活动的核心，对个体的日常认知活动起到基础性作用[11，12]，但身体锻炼与基本心理能力老化关系的相关研究较少，因此，研究二者的关系，尤其是对因果关系的探讨具有一定的基础性、紧迫性和必要性。那么，身体锻炼对基本心理能力老化是否有改善作用呢？这种改善作用对流体认知能力和晶体认知能力是否一致？鉴于此，本研究通过2个子研究来探讨身体锻炼与基本心理能力老化之间的因果关系，以期为促进中老年人健康老龄化提供必要理论依据和干预建议。

大样本横断调查发现身体锻炼对部分基本心理能力的老化产生积极作用，但对词汇流畅能力等未发生积极作用[13]。虽然前期研究竭力控制了无关变量的影响，但是作为横断研究设计，不可避免存在研究内部效度低的问题，因此，需要采用更加严格的研究设计来控制无关变量对研究结果的影响，即采用纵向研究设计以及短期干预设计来控制被试间差异的影响，进而考察身体锻炼对基本心理能力的影响，以便确定因果关系或者准因果关系。

2 研究1：身体锻炼和基本心理能力老化的关系：一项交叉滞后相关研究

2.1 研究目的与假设

交叉滞后相关设计（cross-lagged-panel correlation design）能在一定程度上考察变量之间的准因果关系，其理论假设是：因果影响具有时间的滞后性，只有经历了一定的过程，原因才能导致结果；如果变量A导致了变量B，那么时间点1上的变量A与时间点2上的变量B之间的关系，应该远大于时间点1上的变量B与时间点2上的变量A之间的关系。

本研究通过纵向追踪的方式，对参与者进行间隔20周的两次测量，通过对两次测量变量之间交叉滞后的关系程度的比较，探讨身体锻炼量与基本心理能力间的准因果关系。本研究假设：前测锻炼量与后测基本心理能力之间的相关程度高于后测锻炼量与前测基本心理能力之间的相关程度，即锻炼量与基本心理能力之间具有准因果关系，锻炼量是前因变量，基本心理能力是结果变量。

2.2 研究方法

2.2.1 研究参与者

来自天津市天塔合唱团、天津市奥林匹克体育中心和天津市天塔街社区的中老年参与者31人（男8人，女23人）自愿参与本研究。参与者年龄55～77岁，平均年龄63.39±6.31岁，视力或矫正视力正常，身体基本健康，受教育程度均为高中及以上，均已婚。

2.2.2 测验工具

（1）基本心理能力测验

包括数字运算能力、归纳推理能力、空间定向能力、语义理解能力和词汇流畅能力五项测试。前三项基本心理能力测试使用北京师范大学发展心理研究所编制的信息加工测验系统，后两项基本心理能力测试采用王大华（2003）使用的测验材料[14]。

（2）体育活动等级量表

以梁德清（1992）修订的《体育活动等级量表》（Physical Activity Rating Scale-3，PARS-3）为测量工具，来调查研究参与者的身体锻炼水平。

2.2.3 研究程序

参与者分别于2013年5月下旬和2013年10月中下旬进行两次基本心理能力测试。测试的具体程序如下：

研究采用个别施测的方式进行，每位参与者由一名经过培训的应用心理学专业本科生作为主试进行指导。参与者进入实验室后，主试介绍实验内容，获得知情同意，并填写基本信息登记表。

正式机测前参与者先进行练习，待明确指导语并熟练掌握操作后进行正式测试。

正式测试开始，参与者共完成五项基本心理能力测试，其中三项在计算机上完成测试，两项为言语测试。言语测试包括解词测验和词汇流畅性测验，机测包括数字运算能力测验、归纳推理能力测验和空间定向能力测验。一半参与者先进行言语测试，另一半参与者先进行机测。

测试结束，向参与者反馈结果，并赠送纪念品。

2.2.4 数据管理与分析

计算机测试数据由信息加工测验系统直接生成并管理，以Excel形式导出并保存数据。言语测试数据由6名经培训的应用心理学专业本科学生进行分析评分，最终由主试复查。结果均采用SPSS16.0软件包进行数据处理和分析。

2.3 研究结果

2.3.1 锻炼量与数字运算能力的交叉滞后相关分析

分别对前后测锻炼量、前后测数字运算能力、前测锻炼量与前测数字运算能力、后测锻炼量与后测数字运算能力、前测锻炼量与后测数字运算能力、后测锻炼量与前测数字运算能力之间进行皮尔逊积差相关分析，结果如图1所示。

图1 锻炼量与数字运算能力之间的交叉滞后相关系数

从图1可知，在两次测量中，锻炼量与数字运算能力之间的相关系数0.579和0.414均达到可靠水平（P＜0.05），且稳定相关系数0.798和0.799基本一致，同步相关系数0.579和0.414基本一致，满足交叉滞后分析的前提条件。同时，从图1中可见，锻炼量（前）与数字运算能力（后）之间相关系数（r=0.562）大于锻炼量（后）与数字运算能力（前）之间的相关系数（r= 0.493）。本研究对两个交叉滞后相关系数进行差异检验，使用的公式为：

结果发现，Z数字=4.82，P＜0.05，表明两个交叉滞后相关系数之间差异可靠。因此，可以说数字运算能力成绩受锻炼量影响，锻炼量是数字运算能力的前因变量。支持了本研究的假设。

2.3.2 锻炼量与归纳推理能力的交叉滞后相关分析

分别对前后测锻炼量、前后测归纳推理能力、前测锻炼量与前测归纳推理能力、后测锻炼量与后测归纳推理能力、前测锻炼量与后测归纳推理能力、后测锻炼量与前测归纳推理能力之间进行皮尔逊积差相关分析，结果如图2所示。

图2 锻炼量与归纳推理能力之间的交叉滞后相关系数

从图2可知，在两次测量中，锻炼量与归纳推理能力之间的相关系数0.628和0.605均达到可靠水平（P＜0.001），且稳定相关系数0.798和0.834基本一致，同步相关系数0.628和0.605基本一致，满足交叉滞后分析的前提条件。从图中可见，锻炼量（前）与归纳推理能力（后）之间相关系数（r=0.732）大于锻炼量（后）与归纳推理能力（前）之间的相关系数（r=0.488）。对两个交叉滞后相关系数进行差异检验，结果发现，Z推理= 22.36，P＜0.05，表明两个交叉滞后相关系数之间差异可靠。因此，可以说归纳推理能力成绩受锻炼量影响，锻炼量是归纳推理能力的前因变量。支持了本研究的假设。

2.3.3 锻炼量与空间定向能力的交叉滞后相关分析

分别对前后测锻炼量、前后测空间定向能力、前测锻炼量与前测空间定向能力、后测锻炼量与后测空间定向能力、前测锻炼量与后测空间定向能力、后测锻炼量与前测空间定向能力之间进行皮尔逊积差相关分析，结果如图3所示。

图3 锻炼量与空间定向能力之间的交叉滞后相关系数

从图3可知，在两次测量中，锻炼量与空间定向能力之间的相关系数－0.482和－0.492均达到可靠水平（P＜0.01），且稳定相关系数0.798和0.396均达到可靠水平，同步相关系数－0.482和－0.492基本一致，基本满足交叉滞后分析的前提条件。同时，从图中可见，锻炼量（前）与空间定向能力（后）之间关系程度（r=－0.509）大于锻炼量（后）与空间定向能力（前）之间的关系程度（r=－0.324）。进一步对两个交叉滞后相关系数进行差异检验，结果发现，Z空间=9.36，P＜0.05，表明两个交叉滞后相关系数之间差异可靠。因此，可以说空间定向能力成绩受锻炼量影响，锻炼量是空间定向能力的前因变量。支持了本研究的假设。

2.3.4 锻炼量与语义理解能力的交叉滞后相关分析

分别对前后测锻炼量、前后测语义理解能力、前测锻炼量与前测语义理解能力、后测锻炼量与后测语义理解能力、前测锻炼量与后测语义理解能力、后测锻炼量与前测语义理解能力之间进行皮尔逊积差相关分析，结果如图4所示。

图4 锻炼量与语义理解能力之间的交叉滞后相关系数

从图4可知，锻炼量（前）与语义理解能力（后）之间相关系数（r=0.249）与锻炼量（后）与语义理解能力（前）之间的相关系数（r=0.291）相近，均未达到可靠水平，因此，通过交叉滞后相关设计不能确定锻炼量与语义理解能力之间的因果关系，未能支持本研究的假设。

2.3.5 锻炼量与词汇流畅能力的交叉滞后相关分析

分别对前后测锻炼量、前后测词汇流畅能力、前测锻炼量与前测词汇流畅能力、后测锻炼量与后测词汇流畅能力、前测锻炼量与后测词汇流畅能力、后测锻炼量与前测词汇流畅能力之间进行皮尔逊积差相关分析，结果如图5所示。

图5 锻炼量与词汇流畅能力之间的交叉滞后相关系数

从图5可知，锻炼量（前）与词汇流畅能力（前）之间的相关系数0.323，P=0.077，达到边缘可靠的水平，锻炼量（后）与词汇流畅能力（后）之间的相关系数0.360，P=0.047，达到可靠水平。稳定相关系数0.798和0.700基本一致，同步相关系数0.323和0.360基本一致，基本满足交叉滞后分析的前提条件。同时，从图中可见，锻炼量（前）与词汇流畅能力（后）之间相关系数（r=0.464）大于锻炼量（后）与词汇流畅能力（前）之间的相关系数（r=0.188）。对两个交叉滞后相关系数进行差异检验，结果发现，Z词汇=10.44，P＜0.05，表明两个交叉滞后相关系数之间差异可靠。因此，可以说词汇流畅能力成绩受锻炼量影响，锻炼量是词汇流畅能力的前因变量，支持了本研究的假设。

2.4 分析与讨论

本研究发现，前测锻炼量与后测基本心理能力（后测数字运算能力、归纳推理能力、空间定向能力和词汇流畅能力）之间的相关程度高于后测锻炼量与前测基本心理能力（前测数字运算能力、归纳推理能力、空间定向能力和词汇流畅能力）之间的相关程度，即锻炼量与基本心理能力之间具有准因果关系，锻炼量是前因变量，基本心理能力是结果变量。本研究中，通过交叉滞后相关设计未能明确语义理解能力和锻炼量之间的准因果关系。

与以往横断研究[13]不同的是，本研究证实，在控制了机体变量后，身体锻炼对词汇流畅能力具有积极影响。这表明，词汇流畅能力虽然在一定范围内会受到社会文化的影响，但是仍然属于流体认知能力[15]，而流体认知能力似乎更容易受到锻炼因素的影响，即随着锻炼量的增加，词汇流畅能力也会有所改善，这种改善可能与锻炼增强记忆力[16]、改善执行功能和加工速度[17]等有关。

综上，交叉滞后相关设计在某些方面优于普通的相关设计，并具有一定程度的动态性质，能够较好地处理误差和独特变异问题，具有较好的内部效度。但是，交叉滞后相关设计虽然比简单相关更充分地说明了因果关系，却仍不能完全证明因果关系，因此，还需要其他研究的补充和验证。因此，本研究设计了研究2，选取了一个非锻炼中老年群体进行了锻炼干预。

3 研究2：身体锻炼对基本心理能力老化的影响：一项短期干预研究

3.1 研究目的与假设

为进一步确定身体锻炼与基本心理能力之间的因果关系，本研究通过采取短期锻炼干预的形式，对参与者锻炼干预前后进行两次测量，来探讨锻炼干预对基本心理能力的积极影响。本研究假设：锻炼干预组较对照组的后测基本心理能力成绩高，即身体锻炼对基本心理能力老化起到延缓作用。

3.2 研究方法

3.2.1 研究参与者

将来自天津市天塔街社区的中老年非锻炼者30人分为两组，每组15人。其中一组为对照组，仍延续以往非锻炼状态，另一组为干预组，进行为期20周的锻炼干预。由于参与者的流失（干预组中由于家事和个人身体原因中途退出5人，另有1人未能在规定时间里参加第2次测试；对照组中有2位参与者中途参与了身体锻炼，2人未能在规定时间里参加第2次测试），最终参与二次测试的有效人数为20人，干预组9人（平均年龄64.89±5.49岁），对照组11人（平均年龄63.18±6.08岁）。参与者的视力或矫正视力正常，身体基本健康，受教育程度均为高中及以上，均为无烟酒或少烟酒，均已婚。

3.2.2 测验工具（1）基本心理能力测验。同研究1。（2）【锻炼阶段诊断量表】

本研究采用锻炼阶段诊断量表[18，19]来判断研究参与者是否为锻炼人群。

3.2.3 研究程序

2013年5月下旬对所有参与者进行初测。锻炼干预组进行为期近20周的锻炼干预，干预方式为每周5次，每次50分钟的佳木斯快乐舞步操。对照组仍延续以往非锻炼状态。10月中下旬对两组参与者进行第2次测试。

3.2.4 数据管理与分析

同研究1。

3.3 研究结果

3.3.1 两组干预前后在五项基本心理能力上的描述性统计

对干预组和对照组干预前后两次测试结果进行描述统计分析，结果如表1所示。

表1 两组别干预前、后在五项基本心理能力上得分的描述统计值（M±SD）

3.3.2 数字运算能力上的干预效果分析

在进行协方差分析之前需要进行预分析，以确定是否符合协方差分析的基本条件。预分析包括线性趋势的判断和检验各组总体斜率是否相等。

线性趋势的判断：以前测数字运算能力为协变量，后测数字运算能力为因变量绘制散点图，结果显示在两组中协变量和因变量均存在明显的直线趋势。

检验各组总体斜率是否相等：采用I型方差分析模型以组别为自变量，后测数字运算能力为因变量，前测数字运算能力为协变量进行预分析，结果如表2所示。

表2 组别和前测数字运算能力在后测数字运算能力上的交互作用

前测数字运算能力和组别的交互作用不可靠，F（1，16）=0.309，P＞0.05，两组的斜率可认为相同，符合协方差分析的条件。

正式分析：采用III型方差分析模型进行正式协方差分析，自变量为组别，因变量为后测数字运算能力，协变量为前测数字运算能力。正式协方差分析结果如表3所示。

表3 组别和前测数字运算能力在后测数字运算能力上的主效应检验

根据表3可知，前测数字运算能力的主效应可靠，F（1，17）=43.272，P＜0.001，在控制了前测数字运算能力得分的影响后，两组在后测数字运算能力的得分上存在可靠差异F（1，17）=7.162，P＜0.05，且干预组成绩明显高于对照组，这提示身体锻炼可以改善中老年人的数字运算能力，支持了本研究的假设。

3.3.3 归纳推理能力上的干预效果分析

预分析确定了可以采用协方差方法进行分析。

采用III型方差分析模型进行正式协方差分析，自变量为组别，因变量为后测归纳推理能力，协变量为前测归纳推理能力。正式协方差分析结果如表4所示。

表4 组别和前测归纳推理能力在后测归纳推理能力上的主效应检验

根据表4可知，前测归纳推理能力的主效应可靠，F（1，17）=36.756，P＜0.001，在控制了前测归纳推理能力得分的影响后，两组后测归纳推理能力成绩呈边缘可靠水平，F（1，17）=3.403，P=0.083，且干预组成绩高于对照组，这提示身体锻炼可以改善中老年人的归纳推理能力，基本支持了本研究的假设。

3.3.4 空间定向能力上的干预效果分析

20名有效参与者在心理旋转测验上的正确率均高于90%，因此可以认为其完成空间定向任务的反应时是有意义的。

预分析确定了可以采用协方差方法进行分析。

采用III型方差分析模型进行正式协方差分析，自变量为组别，因变量为后测空间定向任务上的反应时，协变量为前测空间定向任务上的反应时。正式协方差分析结果如表5所示。

表5 组别和前测空间定向能力在后测空间定向能力上的主效应检验

根据表5可知，前测空间定向能力的主效应可靠，F（1，17）=30.168，P＜0.001，在控制了前测空间定向能力的影响后，两组后测空间定向能力的反应时呈边缘可靠水平，F（1，17）=3.084，P=0.097，且干预组成绩高于对照组，这提示身体锻炼可以改善中老年人的空间定向能力，基本支持了本研究的假设。

3.3.5 语义理解能力上的干预效果分析

预分析确定了可以采用协方差方法进行分析。

采用III型方差分析模型，以组别为自变量，后测语义理解能力得分为因变量，前测语义理解能力得分为协变量进行正式协方差分析。正式协方差分析结果如表6所示。

表6 组别和前测语义理解能力在后测语义理解能力上的主效应检验

根据表6可知，前测语义理解能力的主效应可靠，F（1，17）=30.168，P＜0.001，在控制了前测语义理解能力的影响后，两组后测语义理解能力成绩无可靠差异，F（1，17）=2.281，P=0.149，即短期锻炼干预未能提高参与者的语义理解能力，未支持研究假设。

3.3.6 词汇流畅能力上的干预效果分析

预分析确定了可以采用协方差方法进行分析。

以组别为自变量，后测词汇流畅能力为因变量，前测词汇流畅能力为协变量，采用III型方差分析模型进行正式协方差分析。正式协方差分析结果如表7所示。

表7 组别和前测词汇流畅能力在后测词汇流畅能力上的主效应检验

上表显示，前测词汇流畅能力的主效应可靠，F（1，17）=41.408，P＜0.001，在控制了前测词汇流畅能力的影响后，组别的主效应可靠，F（1，17）=7.045，P=0.017，且锻炼干预组的成绩高于对照组，支持了本研究的假设。

3.4 分析与讨论

本研究考虑到参与者个人意愿，未对参与者进行组别的随机分配，从表1描述统计结果可以看到，干预组参与者的前测成绩似乎大于对照组参与者，对此本研究采用协方差的统计方法，考察控制了前测成绩后，锻炼干预对后测成绩的影响。结果发现，在排除前测基本心理能力的影响后，锻炼干预组较对照组在后测数字运算能力、归纳推理能力、空间定向能力、词汇流畅能力上的得分更高。

本研究结果同时显示，锻炼干预并未对语义理解能力起到明显的改善作用，表明作为晶体认知能力的语义理解能力主要与个体的社会文化经验有关，在老化过程中并不敏感[12]，因此，语义理解能力可能对锻炼干预也不敏感，导致干预组与对照组在成绩上并未显示可靠差异。

4 总分析与讨论

综合两个子研究的结果，发现在逐渐消除个体因素对基本心理能力老化的影响后，身体锻炼对基本心理能力中的流体认知能力具有明显的促进作用，而对晶体认知能力，如语义理解能力，则影响不大。这表明，身体锻炼对基本心理能力的影响是有选择性的[20，21]。

本研究选取的是55岁以上的中老年参与者，这个群体从事的锻炼项目主要有健身操、太极拳、广场舞和走步等，属于有氧锻炼的形式，因此，本研究认为有氧锻炼是延缓中老年人基本心理能力老化的重要锻炼方式。这与前人的研究结果是一致的[16，20，22]。

综上，本研究验证了身体锻炼延缓基本心理能力老化的假设，但由于本研究的参与人数偏少，干预时间偏短，可能会影响研究的外部效度，未来研究应该增加参与者人数，并延长干预时间，使研究结果更具说服力。另外，本研究主要采用行为学的指标探讨了身体锻炼与基本心理能力间的因果关系，未来要结合神经影像学（fMRI）等技术来全面、深入探讨这种因果关系的大脑机制。

5 研究结论

有氧锻炼对中老年人的基本心理能力具有积极的作用，可以延缓中老年人基本心理能力的退行性变化，且这种延缓作用在流体认知能力方面表现更为明显。这提示，为了延缓基本心理能力的老化，除采取身体锻炼这种有效的手段外，还需结合其他方式，如认知训练等，来全面、有效地延缓老化的发生。

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The Causal Relationship between Physical Exercises and Aging of Primary Mental Abilities

Gao Shuqing1，Mao Zhixiong2
1 Key Laboratory of Competitive Sport Psychological and Physiological Regulation，General Administration of Sport of China，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China 2 Sport Science College of Beijing Sport University，Beijing 100084，China Corresponding Author：Gao Shuqing，Email：gaoshuqing2600@163.com

To explore the causal relationship between physical exercises and aging of primary mental abili⁃ties in two studies.In the study 1，thirty-one middle-aged or elderly people participated in a cross lagged corre⁃lation study at an interval of 20 weeks.In the study 2，15 middle-aged or elderly people were given a 20-week exercises intervention，with a control group of 15 people.Both studies found out the positive effect of physical ex⁃ercises on number crunching ability，inductive reasoning ability，spatial orientation ability and lexical fluency，but no effect on verbal comprehension ability.The results indicated that aerobics exercises can delay the aging of middle-aged and old people’s primary mental abilities，especially the fluid cognitive ability.This suggested that in order to delay the aging of basic mental abilities，it is necessary to combine physical exercises with other means.

physical exercises，primary mental abilities，aging，causal effect

2015.09.10

天津市高等学校创新团队培养计划资助；天津市体育局攻关项目课题（编号：GW201602）

高淑青，Email：gaoshuqing2600@163.com