适应体育运动干预对孤独症谱系障碍儿童视觉工作记忆的影响

朱 瑜， 许 翀， 万 芹， 郭立亚， Sean X.Cai

适应体育运动干预对孤独症谱系障碍儿童视觉工作记忆的影响

朱 瑜1，2， 许 翀3， 万 芹4， 郭立亚2， Sean X.Cai5

孤独症谱系障碍(ASD)儿童的一个关键缺陷在于工作记忆。因此，本研究的目的在于讨论ASD儿童经过适应体育(APE)运动干预后，工作记忆能力是否能得到改善。采用视觉工作记忆的电脑程序进行测试，采用实验前后的被试间设计，测试适应体育运动干预对ASD儿童视觉工作记忆能力的影响。研究结果显示：1)APE干预可以显著改善ASD个体视觉工作记忆任务表现和视觉工作记忆能力。研究结果证实APE运动干预的有效性。适应体育运功干预可作为对于低工作记忆能力的、存在发展障碍的ASD个体的补救干预措施。2)复杂球类技能运动干预可以改善ASD个体视觉工作记忆能力。3)未来的研究应根据不同群体的认知特征，针对适应体育的学科特征，发展更多有效的运动干预内容和干预方法，手段。

孤独症谱系障碍； 视觉工作记忆；适应体育

1 问题的提出

Kanner等人于1943年第一次提出了孤独症谱系障碍(Autism Spectrum Disorder，ASD)是一种个体广泛性发育障碍［38］。包括以下症状：1) 异常情绪，异常社会性发展、异常发展，同时存在交流障碍［17］；2)刻板兴趣和重复行为［5］。此外，相关研究证实，ASD的症状还涉及认知和执行能力方面的障碍［62］。作为一个认知功能／执行能力，工作记忆(Working Memory，WM)涉及多种认知能力，包括逻辑推理、问题解决等［24，34，41］。此外，WM能力还被认为是一项关键的认知功能，对社会性发展，行为和学业表现有重要意义［40］。研究发现，ASD个体在WM方面的缺陷，会使其在行为规范、认知灵活性、抽象思维、注意集中和保持方面存在障碍［33］。

工作记忆是一种对信息进行暂时加工和贮存的容量有限的记忆系统，在许多复杂的认知活动中，例如语言理解、学习、推理方面有重要作用。Baddeley［6，7］提出了工作记忆模型包括3个子系统：1）语音回路。主要用于储存和复述语音和身影信息。2）视觉空间模板。主要用于加工视觉和空间信息［31］。3）中央执行器，主要是一个注意控制系统，它对于技能有重要意义，例如，当外部或内部干扰呈现时，保持任务相关注意、处理能力和自我调节技能。中央执行器也参与处理认知任务，例如心算和问题解决。普遍认为，WM作为一个核心因素，在个体行为认知中具有不可替代的重要作用。多数研究报告了ASD群体在工作记忆方面的障碍。尽管对于“ASD儿童和典型发展儿童是否在工作记忆任务表现方面存在差异”这一问题仍然存在不一致的结果［40，73，19］， 但是，WM的可训练性和可塑性得到已有研究的证实，已有前期研究都证实适应性体育训练可以显著提高WM能力［27，57］。同时，另一些研究涉及了其他类型特殊群体的工作记忆与智能及推理关系的研究也证实了WM障碍可以通过训练得到改善。例如，Klingberg［43］等证实：注意缺陷多动障碍(attention def i cit hyperactivity disorder，ADHD)儿童的WM能力可以通过训练得到显著改善，而且这一改善效应可以推广到要求WM能力的未经过训练的任务上。研究还揭示，WM训练可以潜在地临床上用于改善ADHD症状。Loomes［49］等也证实了胎儿酒精谱系障碍(fetal alcohol spectrum disorder，FASD)群体在WM上的缺陷，以及可以通过训练改善FASD群体的工作记忆能力。后来的研究还提出，针对低WM能力个体，适应性WM 训练可以作为一种矫正干预措施［42］。

在WM训练的神经关联性方面，前期研究显示，改善的WM表现与神经元的变化有关，这种变化涉及从细胞内水平到皮质功能组织［13］，有研究证实WM的可塑性涉及前额叶皮质［60］。此外，Klingberg的研究还报告，经过5周的适应性WM训练后，被试的WM表现得到改善，并且这种训练效应普遍延伸至与WM、推理以及前额叶皮质活动相关的非训练任务上［65］。神经影像学方面的研究得出，成年个体在顶内区和前额叶皮质中的活动差异与WM能力差异有关［47，54，67，70，72］。WM能力更强的个体的一个潜在机制在于，额顶区的联结能力更强［22，23］。

孤独症群体的标准治疗方法包括：1) 行为训练和管理［53］；2)专门治疗，例如言语、职业治疗［61］；3)药物治疗［44］；4)社区支持和父母训练［66］。然而近来，适应体育(adapted physical education，APE)作为一种干预手段，其潜在的有益影响引起了关注。有研究证实；对ASD儿童的适应体育运动干预不仅可以改善体质和社会性发展［14，45］，还可以改善与WM相关的认知功能。前期研究也证实了复杂体育运动可以潜在地提高WM。一些运动项目，例如，剧烈有氧运动对于WM有积极影响［11，25，69］。此外，由于认知训练和体育运动之间可能潜在的联系，已有研究证实了体育运动对于认知的积极影响［15，31］。

作为一种需要协调配合的运动，球类运动对于个体认知发展的影响显著高于那些无须配合的简单运动。Budde通过研究提出［12］，需要配合的运动对于个体的注意集中表现有更显著的影响。复杂的配合协调运动项目更多地要求额叶皮质独立的认知处理，这就增强了前额叶神经功能。而无须配合的简单运动项目，则不需要前额叶神经环路。鉴于复杂而动态的运动环境，球类运动被认为是一种复杂动作技能［32］，在动态变换的运动场景中，例如，团队比赛中，成功的运动表现(例如在赛场上的注意转换、行动计划、推理和问题解决等认知过程)需要WM能力来处理大量赛场信息［21］，同时还要在高度时间压力和空间压力的赛场环境建立连接，最终做出行动决策，因此，复杂球类运动被视为一种有效的运动干预模式，本研究选择复杂球类运动作为适应体育运动干预实验。基于以上的已有理论和前期研究，本研究目的在于探讨适应体育的运动干预是否可以改善ASD儿童的视觉工作记忆能力。研究预期，适应体育运动干预后，ASD个体的认知能力能有显著改善。

2 研究方法

2.1 被试和ASD评估

在美国俄亥俄州阿克伦大学(The University of Akron，OH)的适应体育实验室(Adapted Physical Education Lab)招募36名孤独症谱系障碍儿童。招募标准如下：1)6～12岁被诊断为孤独症谱系障碍儿童；2)在研究进行期间没有进行药物或其他干预手段。在实验前获得被试家长签署的知情同意书。3)实验由阿克伦大学的适应体育教育实验室进行。所有实验程序经阿克伦大学伦理委员会批准，实验程序符合美国心理协会伦理准则。4)被试被随机分为两组：实验组与控制组。其中，3名ASD儿童因不能理解视觉工作记忆任务而删除实验数据，2名ASD儿童在实验过程中放弃实验。最后采集了31名被试的数据。实验组包括7名女童和10名男童(=11.2，SD=2.1)。控制组包括5名女童和9名男童(=11.8，SD=3.0)。两组被试在年龄上没有显著差异，对于视觉工作记忆任务的实验前测得分无显著差异(t=1.104，P=0.279＞0.05)，对于视觉工作记忆任务的实验前测反应时方面差异显著(t=2.746，P=0.010＜0.05，表2、图2)。

2.2 被试年龄、性别和IQ匹配

2组被试在年龄、性别、非言语智商测试方面匹配(表1）。鉴于视觉工作记忆任务的性质和已知ASD儿童在交流上可能存在的障碍，因此测试被试的非言语IQ。采用t检验测试2组被试的基线特征。结果显示，前测中两组被试在年龄和非言语IQ方面没有显著差异，随机分组无显著差异。

2.3 适应体育教育干预

以往的研究已显示，复杂和协作性的动作技能干预，例如，球类技能和水上运动，可以显著改善ASD儿童的执行功能，而执行功能涉及工作记忆［72］。本研究中，对实验组被试进行了20周的球类适应体育运动干预，每周3次，每次120 min，控制组没有进行适应体育干预。

本研究中的球类技能干预拟采用结构化方式进行。前6周只进行简单和静态的球类练习，例如，和教师进行传接球练习，以及变换方向的练习。简单球类干预的目的在于发展基本球类技能，促进技能达到自动化阶段，从而改善被试预判能力和发展被试的认知技能。在接下来的14周，将采用复杂球类技能干预：要求被试进行球类运动时，在注意队友位置的同时，完成传球／击球、跳跃等技能。与简单球类运动干预相比，复杂球类运动干预要求被试有更多的认知参与，以及更高的视觉工作记忆负荷［72］。在适应体育教育干预组别，教师分别对被试进行教育干预，因此在所有干预环节，师生比率为1：1。

表1 实验组与对照组ASD被试基线特征一览表Table 1 The baseline characteristics of the experimental group and control group

2.4 实验材料和程序

鉴于ASD儿童的年龄特征和认知能力，本研究采用被

试熟悉的卡通动物图片作为实验材料(图1)。

图1 实验材料Figure 1 Experimental Materials

实验程序由E-prime 2.0软件编写和控制，并在一台屏幕大小为 17 英寸的液晶电脑上呈现，屏幕分辨率为1 024×768，刷新屏幕为90 Hz。被试舒服地坐在安静的行为实验室里的椅子上，两眼平视电脑显示器，眼睛距离显示器大约1 m，并且被试到电脑显示屏的水平和垂直视角都不超过5°。制作若干幅白色背景下的图形，其高度和宽度均为15 cm。以图1的图片作为实验刺激，实验刺激的8个可能呈现的位置均匀分布在以屏幕中心为圆心，以4.8 cm为半径的圆周上。被试眼睛与屏幕中心等高。研究采用单因素实验前后测被试间设计。工作记忆任务得分和反应时间为因变量。鉴于ASD被试的认知特征，本研究只采用低工作记忆负荷。

2.5 视觉工作记忆任务

在测试视觉工作记忆方面，本研究采用工作记忆测试常用的变化觉察任务范式［26，37］，在De近来的研究中［18］，采用变化觉察任务，测试高低两种工作记忆负荷下的注意特征。本研究的实验流程以上述已有研究为依据，测试低工作记忆负荷(2项)下，被试在变化觉察任务范式中的得分和反应时(图2)。低负荷工作记忆中，图片呈现数量为2，2幅白色背景下的卡通动物图形作为实验刺激，其高度和宽度均为15 cm，2幅图片中的X、Y坐标位置分别为以下4种坐标组合之一：1)(200，240)，(440，240)；2)(320，120)，(320，360)；3)(235，155)，(405，325)；4)(235，325)，(405，155)。

在每个trial中，首先出现指导语，被试阅读完指导语后按键。接着屏幕中央出现一个“+”持续400 ms提醒被试实验马上开始，然后立即呈现实验刺激材料，持续2 000 ms，实验刺激材料消失800 ms后出现探测刺激，探测刺激的呈现时间直至被试按键判断为止。此时被试的任务是尽可能快速按键判断探测刺激是否在先前的实验刺激图形中呈现过。

被试完成8次练习试次，屏幕会有提示语询问是否完全熟悉并理解任务规则，如被试按键回答“是”，则进入正式实验；如被试按键回答“否”，则再进行8次练习试次，8次练习试次后再出现提示语询问是否完全熟悉并理解任务规则，直至被试完全熟悉并理解任务，按键回答“是”后，则进入正式实验。计算机会自动记录被试的按键回答正误情况，以及被试每次按键反应时。采用SPSS 20.0进行数据分析。

图2 低工作记忆负荷条件下实验流程图。Figure 2 Experimental Design in Low Working Memory Load condition

表2 实验组与控制组前测VWM任务得分与按键反应时情况Table 2 VWM task score and Reaction time in Experimental group and Control group

2.6 实验前后测试

所有被试在实验前/后进行视觉工作记忆任务测试，每次测试大约10 min。适应体育运动训练干预前，所有被试完成视觉工作记忆的变化觉察任务测试，前测成绩得分和反应时作为被试的基线得分。该任务范式在先前已有的相关研究中均采用过［18，67，68］。20周的适应体育干预(球类运动)后，实验组和对照组的所有被试再次完成视觉工作记忆任务测试。

3 研究结果与分析

在视觉工作记忆测试任务中，要求被试判断探测刺激是否与呈现刺激相匹配(图2、表2)。实验前测关注基线表现，实验后测测试适应体育干预潜在的改善效应。

3.1 视觉工作记忆任务得分前、后测协方差分析

研究采用单因素协方差分析，采用被试间设计，比较两组被试(运动干预组 vs. 控制组)实验前、后在视觉工作记忆(visual working memory，VWM)任务得分上的差异。在协方差分析中将VWM任务测试的得分作为协变量。协方差分析得出：F(1，29)=11.115，P=0.002＜0.01.分析结果显示：两组被试在VWM任务中的表现存在显著差异。可以得出：将VWM前测得分做协变量进行控制后，适应体育运动对于视觉工作记忆的干预效应显著(表3、图3)。

3.2 视觉工作记忆反应时前、后测反应时协方差分析

为了进一步探讨两组ASD儿童的VWM在适应体育干预前、后的差异，在接下来的分析中，采用单因素协方差分析，采用被试间设计，比较2组被试(运动干预组 vs. 控制组)实验前、后在视觉工作记忆(visual working memory，VWM)任务上按键反应时的差异。在协方差分析中将VWM任务测试的按键反应时作为协变量。协方差分析得出：F(1，29)=6.819，P=0.014＜0.05。分析结果显示：2组被试在实验后的按键反应时有显著差异。适应体育干预对于被试视觉工作记忆的反应时有显著改善(表4、图4)。

表3 视觉工作记忆任务得分前、后测协方差分析Table 3 Tests of Between-Subjects Effects (Dependent Variable：score of correct reaction rate in VWM task)

表4 视觉工作记忆任务反应时前后测协方差分析Table 4 Tests of Between-Subjects Effects (Dependent Variable：correct reaction time in VWM task)

图3 视觉工作记忆任务得分协方差分析Figure 3 Mean Score for improvement of VWM Task on Pre-test and Post-test

图4 视觉工作记忆任务反应时协方差分析Figure 4 Mean React Time (RT) for Improvement on Pre-test and Post-test

4 讨论

孤独症是一种神经发育障碍，表现为认知障碍。已有研究通常报告ASD儿童的智力水平比典型发展儿童的智力水平低。然而，有研究证实，ASD儿童与典型发展儿童的重要区别在于认知缺陷，而不在于总体智力。近来，有研究强调了执行功能的重要意义，认为执行功能(包括工作记忆障碍)是ASD儿童在社会障碍和重复行为方面存在问题的主要因素［48，50］。而且，有研究报告了ASD个体在提取整体视觉场景轮廓时存在一些视觉障碍［30，64］。

“ASD儿童在视空间工作记忆方面存在障碍”已被研究者证实［46，52，55，58，65］，另一方面，部分研究支持了WM干预／训练对于ASD儿童是有效的［8，39，71］。近来的研究也已经证实适应训练和拓展训练可以提高工作记忆能力，但是少有研究直接探讨是否适应体育训练能改善ASD儿童工作记忆能力。鉴于此，以上述研究为基础，本研究采用变化觉察任务测试ASD儿童的视觉工作记忆，实证了ASD儿童经过球类技能的适应体育运动干预对于其视觉工作记忆的影响。测试了ASD儿童经过20周球类技能干预后，适应体育干预对于其工作记忆能力的影响。与以往类似特殊群体的研究结果一致［56，59］，本研究证实了体育运动可以改善特殊ASD儿童的工作记忆能力。

本研究得出以下结论：1)与控制组相比，实验组个体经过适应体育教育和运动训练后，视觉工作记忆能力有显著提高。2)鉴于本研究的实验设计只涉及低工作记忆负荷条件(记忆项为2)，对于ASD儿童，这种WM能力在运动干预后的改善在低负荷视觉工组记忆条件下表现显著，但是在高工作记忆负荷(记忆项为4或4以上)的运动干预影响还有待进一步研究。3)复杂球类技能项目的干预效果显著，但适应体育运动干预对ASD儿童WM能力的改善是否存在运动项目差异还有待进一步研究。

神经心理学方面，动作与认知发展之间的紧密联系由小脑的协调来进行调整。小脑的协调调整对于复杂协调动作有重要意义。前额叶皮质则对于认知执行功能(executive function，EF)至关重要。执行功能包括几个高级认知过程，例如工作记忆。复杂动作技能、执行功能和工作记忆三者联系紧密，可以预期复杂动作技能干预可以改善个体工作记忆。与预期相一致［42］，本研究揭示，即使工作记忆被认为是恒定的，但是适应体育运动训练可以改善工作记忆能力。适应体育运动干预可作为对于低工作记忆能力的、存在发展障碍的ASD个体的补救干预措施。邻近领域的研究已揭示了动作发展和认知发展的密切相关性［20］，剧烈体育运动会改善工作记忆的执行控制能力。球类运动技能被认为是复杂运动技能，因为球类技能是在动态复杂的运动场景中习得。因此可以认为，球类动作技能适应干预可以有效改善ASD个体的工作记忆能力。

本研究还存在以下局限性，需要在后续进行深入研究：1)研究只涉及了低工作记忆负荷，研究结果得到的改善效应也只是在低工作记忆条件下的改善(记忆项为2)，而高工作记忆负荷，即视觉工作记忆负荷能力的最大记忆项目，一般认为是4［4，16，51］或6个记忆项［35，36］。本研究没有探讨高负荷VWM条件下球类运动干预的效果。2)此外，关于适应体育教育／运动干预，仍有一系列问题有待研究，例如，动作干预对于工作记忆能力干预效应的稳定性、干预的普遍性和干预的长期性问题。本研究迈出了第一步：证实适应体育运动对于ASD儿童工作记忆能力的积极干预效应。未来的研究仍需针对不同群体的认知特征，探究促进个体认知发展的专门体育教育运动干预方法(例如针对典型发展儿童群体和特殊儿童群体)。最后，还应发展更多有效的具体运动干预内容和干预的方法手段。

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Effects of Adapted Physical Exercise Intervention on Visual Working Memory in Children with Autism Spectrum Disorder

ZHU Yu1，2，XU Chong3，WAN Qin4，GUO Li-ya2，Sean X.Cai5

A key area of weakness in children with autism spectrum disorders (ASD) is working memory (WM)，therefore，the purpose of this research was to discuss whether the visual working memory (VWM) of children with autism spectrum disorder (ASD) can be improved after adapted physical education intervention. In the present study，we used a computer working memory test and evaluated the influence of adapted physical exercise intervention with Pre- and Posttest betweensubjects design. The result showed that 1) the Adapted PE. Intervention significantly improved performance on a VWM task. The results demonstrated that performance of children with ASD on VWM tasks can be effectively improved by adapted physical exercise intervention. The result in the research suggest that APE could be as a remediating in intervention for individuals for whom low WM capacity and developmental challenge are limiting factor for ASD individuals. 2) It has emphasized that complex ball skill intervention could improve VWM capacity of individuals with ASD. 3) In the future research，based on cognitive characteristics among different population，more effective APE intervention contents and methods need to be developed.

autism spectrum disorder；visual working memory；adapted physical education

G804.8

A

1002-9826（2017）03-0055-08

10. 16470/j. csst. 201703009

2016-01-27；

2017-04-09

重庆市体育局体育科研项目专项资金资助(B201618)；重庆市民族宗教事务委员会少数民族传统体育研究项目(2015-160)。

朱瑜，女，副教授，在读博士研究生，主要研究方向为体育教育与认知发展，E-mail：zhuyu@swu.edu.cn。

1.西南大学 教育学部，重庆 400715；2.西南大学 体育学院 国家体育总局体质评价与运动机能监控重点实验室，重庆 400715；3.重庆电子工程职业学院 马克思主义与通识教育学院，重庆 401331； 4.上海应用技术大学 体育教育部，上海 201418；5.阿克伦大学 体育科学与健康学院，美国，俄亥俄州 44325

1.Southwest University，Chongqing 400715，China；2.Key Lab of Physical fitness evaluation and Motor Functional Monitoring， Southwest University，Chongqing 400715，China；3.Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China；4.Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China；5.University of Akron， OH，44325 USA.