急性高强度运动对经训练者个体认知功能的影响研究

王 巍，王晓磊，黄强年，金 洋，冯 煊，赵凤雏

前言

规律性运动能提供有效的健康收益，大量证据证明高水平的身体练习能效促进身体代谢机能[1]。同时，当在合适的运动强度、运动次数和运动时间下进行身体活动，还会出现额外收益。研究发现运动收益不仅是对身体健康，还对大脑功能和认知表现存在益处[2]。许多研究发现相比未进行训练的人群而言，接受合适训练的人出现更好的认知表现[3,4]，并且高身体素质水平对认知功能的影响更为显著[5,6]。除此以外，大量神经影像学和神经生理学研究支持了这一结果，认为运动以及有氧功能水平对大脑自主神经功能，脑容量，大脑神经网络以及神经可塑性的增长与个体感官和控制方面存在紧密的联系[7-10]。

大量系统的综述研究了急性运动和认知功能方面的关系，但是尽管研究数量非常多，但是尚没有一致的意见，不同研究分别认为运动对认知功能存在积极影响[11]，消极影响[12]甚至是不存在任何影响[13]。出现这些不同的结果可能是由于变量调节不一致的原因，而想要得出一致的结果需要在合理控制的变量变化范围内，运动与认知功能的关系确实存在许多不清楚的地方，而且外周因素也是个重要的方面，需要更多更系统的研究来探索运动与认知功能表现方面的关系。

最近有两个研究认为要想准确发现运动与认知功能之间的关系需要考虑以下几个方面，主要为运动强度、运动持续时间、运动类型、测试认知功能的方法、受试者的身体机能水平和实验研究设计[14]。目前高强度运动与认知相关干预试验相对较少，尤其是与中等强度运动对认知影响研究的数量相比。一般而言，中等强度运动对认知功能表现出积极的影响[15]；但是尚不明确高强度运动对认知功能产生何种影响。

相比于低强度和中等强度运动，高强度运动会造成中枢神经变化、外周代谢与体内神经递质紊乱[16,17]。主要变化变化包括：内环境稳态破坏[18]、外周疲劳产生速率呈非线性增长[19]、儿茶酚胺(包括肾上腺素与去甲肾上腺素)释放水平提高[20]。Gutin[21]的“倒U型假说”认为：运动强度越大，个体认知功能弱化程度更强，肾上腺素水平提高恰恰是导致这一结果的重要因素[21]，但一直未能有研究发现两者之间的具体关系。虽然有大量证据支持Gutin的这一假说，但并不是每次都能在运动员或者高水平运动者中发现这一结果[22,23]。经常用来解释实验结果多样性的一个主要问题是实验设计中未能合理控制受试者体能水平[24]。神经影像学结果为该解释提供了支撑，神经影像学研究表明更大的代谢负荷要求增加了大脑中关于运动方面大脑皮层的激活，但由于大脑中有限的资源容量，导致牺牲其他脑区的活动来激活更多关于运动方面的大脑皮层[25]。这一发现表明身体活动对认知功能的调节是通过身体活动诱导的大脑皮层激活水平决定的。同时如果个体拥有高水体的身体素质，那么他就可以在更高水平上合理分配花费在认知表现上的身体资源。

不同背景下的人员，如体育、军事院校与紧急救援部门等领域的个体，必须在高强度负荷运动期及之后快速反应并做出重要相关决策[26,27]，在这样的场合下如果个体能够维持较高水平的认知功能表现，那么能够更高效率的完成相关任务，因此需要提高关于高强度运动认知功能领域影响的理解，才能提出更好的建议，同时也要考虑已知的“倒U型假说”存在的不利影响。此外，当研究急性运动与认知关系之间存在的影响因素时，需要更强调研究中对相关影响因素的控制，通过该方式来关注研究内容，将有助于提供更多有关不同运动强度对特定人群认知功能领域影响的细节，本文旨在探索急性高强度运动对高水平训练人员认知功能表现的影响。

1 研究方法

根据系统综述与分析首选报告项目指南(the Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses, PRISMA)[28]。运用PICO(人群、干预、对比、结果)标准作为相关文献的筛查标准。主要包括：(1)受试者为受训练人员，评价标准为美国运动医学学会指南(American College of Sports Medicine)归类为“优秀”或“优越”的人群；(2)实验自变量为急性高强度运动，“急性”运动被定义为“一天内的运动表现”，高强度运动被定义为80%最大输出功率(Wmax)的运动或者受试者自感疲劳程度到达最大等级；(3)实验设计采用实验组与对照组设计；(4)因变量至少包括一项成熟的认知测试任务；(5)认知测试时间点为运动期间或运动后即刻。

1.1 信息来源

通过在线电子数据库检索，为避免数据库范围过小，在七个不同的数据库进行了检索，包括：Academic Search Complete, PsycARTICLES, PsycINFO, PubMed, Scopus, SPORTDiscus与Web of Science。同时根据特定测试确定认知测试任务，将其归类于一般认知任务(因变量)，两种最完善的神经心理学评估被用于确定并分类任务[30]，既往综述运用这些资源达到相同目的[31]，并提供不同领域的认知测试的定义与任务，划分每一个认知任务与完成时间，作为一个测量结果并统计数量。

2 结果

2.1 检索结果分析

经过系统检索以及非标准因素排除，总结并分析相关研究的受试者、运动干预与认知测试特征方面因素，符合本文“经训练者”标准的130名(男性89名、女性29名)受试者数据。受试者平均年龄23.3±3.8岁；身体机能水平方面，平均最大摄氧量峰值为57.5mL/km·min；受试者类型包括：跑步、铁人三项、足球、曲棍球、田径、击剑和橄榄球运动员；研究最常采用两种运动模式，主要为自行车(n=6)，其次是跑步(n=4)，高强度运动平均维持时间为5.6±3.0min。

2.2 急性高强度运动对认知功能表现的影响

高强度运动对训练组认知表现的影响的结果存在差异，此次分析的研究共评估了4个认知领域，反应时与信息处理同属“信息处理”类别，被认为是简单认知测试，而执行功能、注意力与记忆力属于复杂认知测试范畴。

认知测试任务执行时间是不同研究之间的主要方法差异之一。评估急性运动对认知功能的影响时，时间可选在运动期间或运动停止后。总的来说并没有明显证据表明认知功能的影响与时间有关，鉴于运动后与运动期间相对比的测量结果较少，目前尚不能建立关于认知测试时间与认知功能结果之间关系的明确结论。

2.2.1 简单认知功能

信息处理方面主要通过站立坐下测试(SRT)与联合性瑞文测试(CRT)评估反应时，额外一项研究采用追踪测试(PRT)，这些研究表明高强度运动对SRT测试中的速度与精度无影响，但是在高强度运动后，CRT任务完成速度提升。采用PRT测试则发现运动对认知功能存在一定的消极影响。共18个测量结果：11个是反应速度结果，7个是反应精度结果。总的说来，观察多数测量结果表明高强度运动对个体信息反应处理的速度与精度无影响。

2.2.2 复杂认知功能

执行功能方面，Labelle等人[42]采用斯特鲁普色词测试评估个体在运动过程中执行功能的速度与精度，结果表明高强度运动对执行功能无影响。与之相似，Whyte等人同样采用斯特鲁普色词测试，但只测量了运动前后的正确反应(视为精度)，这一研究的结果却表明高强度运动后执行功能表现出现降低的情况。Smith等人采用a Go/NoGo task测试以测量执行功能中的速度与两种决策精度(遗漏和决策错误)，三个方面结果均表明高强度运动期间，认知功能出现弱化，个体表现能力下降。

记忆力方面，Lo Bue-Estes等人采用了自主神经心理评估指标(ANAM)认知测试系统评估记忆力，ANAM的结果提供测量一段时间内的正确反应的数量得出的反应速率。主要评估运动后记忆力的四个领域(短时记忆、长时记忆、视觉空间处理、工作记忆)，此外在运动前同样评估了工作记忆。所有结果显示除了工作记忆外，其他记忆力方面不受高强度运动影响。

注意力方面使用处理任务评估精度测试(与ANAM相似的测试)和空间注意力测试进行评估，结果显示高强度运动对注意力速度与精度影响不明显。此外符号数字模式测试(SDMT)评估高强度间歇跑与跳跃运动后的正确反应(视为精度)表现出积极的结果，这些结果表明高强度运动对SDMT的速度与精度均无影响。

3 讨论

系统回顾相关已知的文献综述，主要是围绕高强度急性运动对训练者认知功能表现的影响。多数研究表明，具有较高训练水平的个人在经过高强度运动后，完成相关简单认知处理过程任务的速度与精度不受影响。相反，当涉及更复杂的认知功能时，结果会出现分歧。这些结果支持其他强调需要特定认知的整合结论时评估的任务类型的理论，例如运动对认知的影响取决于特定的认知领域[32,33]。

尽管认知功能任务时由大脑前额叶皮层进行控制的，对简单性质的任务来说，认知功能的评估、信息的处理只需要很少的资源，但面对较复杂任务，大脑前额叶皮层需要大幅度减少其他大脑区域的神经活动[34]。在信息处理的四项研究中，反应时是最常见的指标，含有包括速度与精度的17个主要测量结果。同时在关于运动与认知的研究中，反应时也是常用的测试，例如评估“倒U型假说”的实验，此外，在简单任务中，反应时也曾被认为是对急性运动的影响最敏感的测试指标[35]。最新的急性运动与认知功能之间的综合分析提出运动对反应时并无显著影响，但是运动强度的改变可能在一定程度上会导致反应时出现改变，然而，在已知的11个测量结果中，9个结果表明运动强度对反应时速率无影响。

Lambourne和Tomporowski等人[32]对信息处理任务影响的观察结果存在分歧，认为其并不符合“倒U型假说”。潜在原因可能是严格的筛查标准使他们研究中的对象与其他高训练水平人员存在区别。还有研究者提出心血管健康假说，主要认为高素质训练水平个体的心血管功能相对较高，当进行高强度运动后，相比于低水平个体能够更好的调节身体机能变化，因而对认知功能表现影响较小。

很大程度上信息处理任务的精度结果均暗示了对认知功能中的信息处理无影响，这一结果令人惊讶，因为在运动条件下，全身性的运动会导致外周和中枢神经疲劳，进而影响运动机能精度水平的降低。有解释认为是个体信息处理能力存在上限，或者认知测试任务的多样性导致了观察运动对其精度影响结果的失败，所以为了避免这种情况的产生，有必要采用简单与复杂认知功能测试任务共同应用于处理速度与精度，并且控制受试者集中于正确完成测试任务，而不是一味的追求完成速度。Mcmorris等人[20]发现剧烈运动情况下全身性神经运动技能精度的评估会出现较大范围的变化。运动中，随着疲劳增加，精度降低，原因倾向于神经生理学的机制变化而不是认知功能成分的减少，因此目前重要的挑战是探索降低整体表现的精确大脑区域这同样也是未来研究的重要任务。

复杂认知功能被认为是认知功能的中心部分，涉及多个功能，包括计划、时间安排、工作记忆、多任务处理、认知灵活性与抽象思维等[36]。这些功能主要依靠皮质层最高水平的前额叶皮层的激活[37]。与简单认知任务的评估相比，高强度运动对复杂认知处理的影响尚不明确。三项研究评估了注意力方面，但是只有一项研究评估了注意力的速度，所以结论尚不明确。记忆力方面结果与之类似，主要倾向于高强度运动对记忆力方面无影响。通过急性运动后的记忆力测试，研究者并未发现具有说服力的结果，课件记忆力方面并不是急性运动影响认知功能的敏感指标。正如上文阐述的不同形式运动对不同类型的记忆有不同的影响，因此研究者在评价该指标时，重点需要考虑测试得到记忆类型。个体在不同训练环境进行高强度运动后测试注意力与记忆力的结果却令人惊讶评估未知环境中是否具有恰当的决策能力很大程度上依赖于中枢神经系统的执行功能，因此，想要建立改善决策能力的合理策略，需要进一步关注高负荷体力活动对认知表现功能的影响。

有趣的是，执行功能对运动的敏感性较其他认知领域的影响更为显著。体能训练与健身可极大影响老年人相关执行功能的弱化，表明执行功能是急性运动中认知功能变化的一个显著指标。既往研究表明在高强度运动期间，复杂任务较简单任务更易受运动影响[38,39]。这些观点极大程度是基于瞬时脑血流量理论，该理论假设高强度运动导致生理状态变化，暂时破坏大脑内稳态从而引起大脑资源再分配[40]。基于这一理论，用于运动的神经资源等同于认知处理所必要的资源，但维持高强度运动需要消耗大量神经资源，并且会要求持续激活运动与感觉区域，所以基本代谢资源(如氧气、葡萄糖等)在大脑其他区域供给就会减少[41,42]。神经资源再分配导致大脑在短时内抑制与运动表现相关的非必要脑区，例如大脑前额皮质层和其他参与调控高级认知功能的区域，最终结果导致认知能力表现降低，损害执行功能，记忆力和注意力等实际方面的功能。

过去的研究与最近Schapschroer等人的研究结果出现分歧，Schapschroer等人认为高强度运动对一般性运动或者专项性运动会产生积极的影响。但是该研究只调查了高强度运动对一般认知表现的影响，而本文中所研究的文章均已涵盖这一研究。两篇综述之间的差异可能是源于研究方法的区别，得出的一般结论包括一般性运动与专项性运动的认知测试，并且研究对象是该专项性运动中的高水平运动员。高水平运动员在各方面均优于常人，尤其是心血管系统和骨骼肌系统，由于长期进行专业训练[43-45]，所以在运动方面占据优势，“专业表现方式”证明了运动员在进行专项运动后认知功能测试任务表现相对较好。因此存在一定局限性，需要更严谨的考虑各因数之间的相互关系[46]。

未来的研究需要重点注意高强度运动中采用的运动形式，在实际生活中存在许多不同形式的高强度运动。Lambourne等人[32]评估了自行车与跑步机运动对认知功能表现的差异。自行车运动可产生相对更积极的影响，而跑台运动则产生消极影响。主要原因可能是跑步运动需要调动更多肌群，产生更多能量代谢，感觉传入中枢神经影响大脑皮质层激活并极大程度的降低信息传递，进而降低认知功能处理的效率。这同样也表明实验设计也需要更为合理，同时对于专业人群不能涉及其他专业的运动类型，在实验设计环节需要考虑应用目标人群适应或者需要的运动模式。

过去的这些研究中，高强度运动平均持续时间为5.6min。高强度运动并不能长时间维持，但许多运动需要在长时间高强度中间歇性爆发。经颅磁刺激研究表明约6min的短时高强度运动主要导致外周疲劳，而超过30min的长时高强度运动则导致更多的中枢疲劳[46]。长时高强度运动引起的中枢疲劳对认知功能造成长期影响，可作为下一步研究方向。

4 结论

在此之前，未有关于高强度运动对认知功能影响的明确共识。这可能是由于评估高强度运动期间及之后的认知表现的工具存在局限性。但体育或者军事背景又恰恰需要高训练水平人员在高强度运动下保持认知功能表现，避免因为认知水平下降导致任务失败，因此，高强度运动对认知的影响研究是重要的，尤其对于复杂认知功能需要深入细致的研究。当前结果表明，高强度运动后，身体素质较高个体的简单认知功能并未受明显影响，但复杂认知受到何种影响尚不明确。由于多种因素影响急性运动与认知功能之间的关系，需要明确定义运动强度、受试人员的身体机能水平与以及认知相关研究方面。