短时中等强度有氧运动影响女大学生执行功能的实验研究

杨 阳



短时中等强度有氧运动影响女大学生执行功能的实验研究

杨 阳

（上海师范大学体育学院，上海 200234）

通过探讨一次30min的短时中等强度有氧运动对执行功能Stroop和Go/No-Go这两种范式不同时间点测试的影响，以及干预后时间点的选取问题来进行分析和对比。使其得到最佳的有氧运动干预方案以及为执行功能的不同范式干预后时间点的问题进行完善，主要掌握运动干预后最有效时间点问题。选取上海三所大学普通专业的学生6名，体育专业的学生10名，分别为大一、大二、大三不等。探讨运动干预后最佳时间点问题，对比实验前测-后测执行功能各项子功能的变化差异。不同范式的前测、后测即刻以及后测20分钟后的正确率和反应时都有所不同。运动后反应时的提高更为明显，正确率在一定的条件下也有相应的提高，但提高的幅度不是很大。在体育统计学上，运动后即刻和运动后20分钟在Stroop任务和Go/No-Go任务中反应时都存在明显差异（P＜0.05和P＜0.01），而正确率却没有明显的上升。一次30min的短时中等强度有氧运动能改善和提高大学生的执行功能，但各种范式所提高的指标不同，测试的最佳时间点也有所不同。

执行功能；中等强度；有氧运动；女大学生

执行功能(executive function，简称EF)是指在进行复杂的认知任务时，协调处理各种认知过程，保证认知系统灵活、优化的实现特定目标，它具有一般控制机制的特点；它的本质就是协调和控制其它认知过程，而其根本目的则是产生协调有序的、目的性的行为（周晓琳，2004）。这些活动在生活中无处不在，当人们碰到困难与问题时都需要及时的解决与做出适当的决定，如：计划、推理、判断、执行并作出决定和预测等，快速有效的解决问题都会涉及到这些不同维度的执行功能。执行功能有障碍的人会产生一些异常情况，如：认知、情绪、社会功能等方面。通过研究可以发现执行功能障碍与孤独症、注意缺陷多动障碍、精神分裂症等多种精神疾病相关，也与额前叶损伤、帕金森病、痴呆等神经科疾病有关（Tomporowski PD, Davis CL, Miller PH,et al，2008；Elliott，2003）。纵观国内外，大部分的研究主要都集中在老年人认知障碍，探讨执行功能改善个体健康发展的有效途径。近几年，逐步对儿童的执行功能进行了相关的探讨。在此，就有研究学者发现，个体的执行功能是可以通过训练或干预提高的（Diamond A.,Barnett W.S., Thomas J.,&Munro,S. 2007；赵鑫,周仁来，2010）；在运动心理学领域这方面的研究也逐渐的增加，有研究显示：有氧运动对执行功能有提高作用（Dik,M.,Deeg,D. J.,Visser,M.,& Jonker,C. 2003；Dishman,R.K., Berthoud, H.R.,Booth,F.W.,Cotman,C.W.,Edgerton,V.R.,Fleshner,M.R.,etal. 2006；Hillman,C.H.,Erickson,K.I.,& Kramer,A.F. 2008），不同类型短时中等强度运动对执行功能整体及其各个子功能的影响具有差异性，有氧运动相较于灵敏运动和阻力运动更有利于促进小学生执行功能提高。大量的研究结果也证实短时中等强度有氧运动是一种有效的维护身心健康和预防疾病的方式（Ratey J.Spark，2008）。一般测量抑制功能的实验程序都采用Stroop任务、Go/No-go任务和Flanker任务等。这些实验任务均能提高执行功能中的抑制功能。而执行功能中的抑制功能是指个体的思想经过自身行为，主动的对一些占主导地位或对其优势反应进行调控和抑制，对一些有关信息进行分配，并阻止与抑制一些无关信息的侵入。但影响这些任务的变量有许多，通常情况下讨论最多的就是运动类型、运动强度、持续时间、性别、不同群体等因素。

但目前对大学生短时中等强度有氧运动的研究相对较少。因此，本文根据前人的研究得知短时中等强度的有氧运动可以影响大学生的执行功能，寻求不同变量对改善人们不同方面的执行功能之间的差异。探讨短时中等强度的有氧运动对女大学生的执行功能影响的时间点问题。通过实验研究方法对运动后时间点的测量进行深入理解与分析，利用运动后最佳时间点的测量来提高执行功能，为运动有利于执行功能的促进发展提供宝贵的实验基础。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象为上海3所大学本科16名女大学生，通过网络、张贴告示的方式招募普通专业女生6名和体育专业10名（所有被试均为右利手，智力水平上没有显著性差异，被试无器质性脑病史，无精神、神经病史，心理健康状况正常（SCL-90 检查），（矫正）视力和色觉正常，生理状态也符合本次测试的实验强度，被试的身高、体重、800米、肺活量成绩上没有明显差异，年龄19-22岁。普通专业选取6名和体育专业选取10名女大学生作为实验的被试量。所有被试在参加测试之前均被告知测试目的，并承诺对个人信息及其测试结果给予反馈和严格保密。

1.2 研究方法

1.2.1文献资料法

通过图书馆和互联网检索手机的有关研究的文献资料和一些相关信息进行收集、比较、分析、整理、综合，从中提炼出重要资料和依据。

1.2.2实验法

对实验控制一定的变量条件，利用功率自行车、Stroop和Go/no-go编成软件实验仪器来进行研究的一种方法。探索自变量和因变量之间产生的关系和变化。

（1）实验工具

联想笔记本电脑一台，屏幕为15.1英寸（电脑中装有Stroop和Go/no-go操作系统和实验程序）；鼠标一个；遥测心率仪；秒表；功率自行车。

（2）实验任务

选取测量执行功能子功能的Stroop任务和Go/no-go任务分别对其指标进行进评价与分析。并对运动后即刻和运动20分钟后的不同时间点的结果对比总结。测试任务的顺序采取拉丁方实验设计。

（3）实验数据处理

数据处理采用SPSS19.0统计软件和Excel 2003对实验数据进行分析，实验结果的显著性水平定为0.05水平上。统计方法为各个值的数据结果用平均值±标准差（M±SD）分别对运动前测、后测即刻、运动后20分钟进行配合样本T检验，来确定运动前后测的各个正确率与反应时有无明显差异。通过对两种不同的任务分别进行运动前测、运动后即刻和运动后20分钟这三次测试结果的正确率和反应时的平均值进行对比分析，并对其进行详细的、逐一的T检验，来进行验证实验是否具有显著性差异。

（4）测量任务

Stroop任务是研究执行功能最为经典和被使用率最多的范式之一，也是研究执行功能中抑制功能的方式之一，通过色词的一致和色词的不一致来进行思考选出正确的内容并做出最快的反应，以此来控制和抑制思想和动作的行为。

测定执行功能的相关任务说明：采用E-prime软件编写，任务操作在Windows XP系统环境中运作，测定执行功能的任务有：Stroop和Go/no-goStroop任务(抑制功能）。

Event设计：色词按“红、绿、蓝、黄”四个字及其颜色的排列组合，共有16种情况。其中红、绿、蓝、黄色词一致的各有四个共16个Trials，色词不一致的各有四个共16个Trials。重复一次，共64个Trials。随机播放。

Trial: “色词“（2000）+“+”(ISI), ISI=(2，4，6，8，10s)TA=510s(32x2x7.875+3x2)=8’30”

按键：右手食指 -＞色词一致；右手中指 -＞色词不一致

Go/no-go任务（抑制功能）

Go/no-go任务模式则是研究认知过程中注意和抑制功能的一种方式，实验中与反应时和正确率有关。在完成任务的过程中，对Go与NOGO的两种情况进行判断和决定，使被试者在保证正确率的同时还要追求反应时间的快慢。根据实验内容的刺激来决定或抑制思维和行动，对这两种实验情况进行行为调控以及减缓抑制冲动。

X，Y两个字母交替出现，当相连字母不同时为GO目标，相连的两个字母相同时为NOGO目标，Go目标时要求对字母按键，字母顺序为伪随机。刺激呈现时间分别为600，700，800，900对应的刺激间隔为400，300，200，100。一个RUN共500个Trails，其中NOGO为40个Trails。每100个Trials休息24秒，共休息四次，休息结束前“+”号变为“＃”，“＃”呈现1秒，结束后任务开始。NOGO均为每个SCAN的开始。

TA=602s=(298+3)=10’02”。

按键：Go 右手食指键

（5）实验程序

①首先，让被试者坐在一间安静、光线正常的房间里，坐在距离电脑大约30cm远的椅子上，在做实验之前先告知被试者，她们要完成这个关于执行功能的实验，实验大约需要30分钟，在做试验中必须注意力集中，在保证正确率的情况下，再对出现刺激的内容进行尽可能快的反应速度。对实验的操作进行讲解，告诉被试者要通过点击鼠标上的左右反应两键来完成对其实验任务的反应。之后休息几分钟，然后对其两种实验任务进行分别的练习，练习次数为1次，之后再休息1到2分钟，进行正式的实验前测。

②由于拉丁方原理，对于Stroop和Go/no-go这两种任务同时完成，需要对不同的被试者进行依次的交换顺序，有助于结果的准确性。

③在进行运动干预后测前，让被试进行5min的休息，然后对被试者进行安静时心率（在测量两种不同的任务时和测安静心率时被试者都为坐着测量）的测量，接下来帮被试者带上遥测心率仪进行运动时的监控，被试者以0kPM/min负荷逐渐递增的进行5min的热身运动，热身过程中被试着的心率控制在125次/分内。正式开始运动时，对被试者的负荷进行不断的增加，直到心率维持在125-130次/分内（根据不同的年龄，心率的维持数有所不同）持续30分钟连续的运动。

④实验的前测与后测需相隔一周左右的时间，更要注意女性生理方面的因素，由于月经生理周期也会影响实验结果的偏差。

⑤运动后对被试者进行即刻和运动后休息20分钟后这两种不同的时间点进行Stroop和Go/no-go任务的测试。

⑥在实验中对这两种不同的时间点的测试要分别进行，不能在同一时间内完成，同时也要符合上述②和④的要求，在（2）中前后侧的测量任务的顺序要保持一致。

⑦本次实验的前提是要保证被试者在测量任务前不能进行运动。

（6）对有氧运动过程中不同变量的设定

对于有氧运动执行功能中“变量效应”的研究，则是指有氧运动中所涉及的五要素（类型、强度、频率，运动时间、运动干预的时间）之间与执行功能存在相互作用的关系。假设“变量效应”在实验中中能很好的把握其五要素在运动干预时的作用和效果，就能采用一些高效率、准确的实验方案针对运动干预后执行功能的提高，使之结果存在价值和意义，为今后此领域的研究提供实验依据。

在如今的研究中，大部分主要采取功率自行车，跑步机活动、跑步和行走式的运动，也有少数的采用耐力性力量锻炼，不同的运动项目与不同的强度还有不同的人群所表现出的效果也是不同的。而对于有氧运动的设定相对来说，较为统一。

有氧运动的设定都是以美国运动医学会针对健康成年人的有氧运动强度的分级标准 （Williams&wilkins,2006）为依据。根据大部分文献资料中的相关研究结果，本文研究的实验所设定的有氧方案采用的是以功率自行车为运动练习手段，对运动的强度控制在短时中等强度，运动所设定的时间为30min（正式测试前5min的热身活动），有氧运动的负荷控制在最大心率的60%-65%，而最大心率=220-年龄所得的值。根据运动时心率的起伏对功率自行车的阻力大小进行适当的调整，达到相应的标准与运动强度。再对运动后即刻和20分钟后这两种不同时间点对被试者进行抑制功能的Stroop任务和Go/no-go任务的测试。对其产生的指标进行逐一分析。

1.2.3数理统计法

对实验的所做出来的结果和数据进行整理与具体的分析，数据处理采用SPSS21.0统计软件和Excel 2013对实验数据进行分析总结出相应的数据及统计处理，可供参考。

2 结果

2.1 Stroop任务结果分析

表1 抑制功能Stroop任务的T检验结果

人数 运动前 运动后即刻 P 正确率 16 0.969±0.02 0.964±0.03 0.609反应时 16 838.352±141.22 757.125±110.23 0.000**一致正确率 16 0.973±0.02 0.978±0.02 0.439一致反应时 16 797.041±138.69 718.136±111.91 0.000**不一致正确率 16 0.965±0.04 0.949±0.05 0.375 不一致反应时 16 878.7±155.17 798.1±117.35 0.006*

注：*P<0.05 ，**P<0.01 。

从表1可以看出，测试16名被试者的正确率和反应时，在运动前和运动后即刻中，正确率都没有呈现有显著性差异，而反应时和一致反应时前后测对比上有十分显著的差异，表现为运动后即刻反应时缩短。

表2 抑制功能Stroop任务的T检验结果

人数 运动前 运动后20分钟 P正确率 10 0.978±0.022 0.967±0.019 0.314反应时 10 860.615±103.66 789.657±96.384 0.030* 一致正确率 10 0.988±0.016 0.981±0.0217 0.343一致反应时 10 798.969±101.237 741.898±100.225 0.091 不一致正确率 10 0.969±0.039 0.953±0.027 0.366不一致反应时 10 920.689±120.076 839.053±100.382 0.040*

注：*P<0.05 ，**P<0.01 。

从表2可以看出，运动后20分钟的反应时和不一致反应时较运动前差异显著，且短于运动前。

表3 抑制功能Stroop任务的T检验结果

人数 运动后即刻 运动后20分钟 P正确率 10 0.964±0.033 0.967±0.019 0.717反应时 10 760.7±85.096 789.657±96.384 0.063一致正确率 10 0.985±0.022 0.981±0.022 0.591一致反应时 10 711.16±88.028 741.9±100.225 0.130不一致正确率 10 0.944±0.059 0.953±0.027 0.550不一致反应时 10 812.963±91.5 839.053±100.382 0.092

注：*P<0.05 ，**P<0.01 。

从表3可以看出，运动后20分钟与运动后即刻相比，运动后20分钟后的正确率和反应时都不如运动后即刻的好，且运动后20分钟处于相对下降趋势，都没有显著性差异。

2.2 Go/no-go任务结果分析

表4 抑制功能Go/no-go任务的T检验结果

人数 运动前 运动后即刻 P正确率 16 0.918±0.41 0.932±0.022 0.102反应时 16 314.017±44.06 291.848±41.39 0.018*

注：*P<0.05 ，**P<0.01 。

从表4可以看出，运动后即刻的反应时显著快于运动前的反应时。而运动后即刻的正确率比运动前的正确率也有所提高，但无显著性差异。

表5 抑制功能Go/no-go任务的T检验结果

人数 运动前 运动后20分钟 P正确率 10 0.915±0.038 0.94±0.024 0.093反应时 10 331.293±42.505 287.354±37.368 0.003*

注：*P<0.05 ，**P<0.01 。

从表5可以看出，运动后20分钟的正确率要比运动前的正确率要高，而运动后20分钟的反应时也要比运动前的反应时快，且差异显著。

表6 抑制功能Go/no-go任务的T检验结果

人数 运动后即刻 运动后20分钟 P正确率 10 0.931±0.015 0.94±0.024 0.226反应时 10 297.151±48.627 287.354±37.368 0.242

注：*P<0.05 ，**P<0.01 。

从表6中可以看出，运动后20分钟要比运动后即刻的正确率高，而运动后20分钟的反应时也要比运动后即刻的快，两者都有所提高，但差异不显著。

3 分析与讨论

3.1 短时中等强度有氧运动后Stroop任务对执行功能的影响

本次实验任务之一的Stroop效应与 Sibley 等研究（Sibley,B.A.,Etnier,J.L.,& Le Masurier,G.C., 2006)的实验任务相同，对其运动后抑制功能的研究都发现了，中等强度短时有氧运动能显著提高大学生抑制功能。Stroop任务尤其体现在抑制功能的反应时上存在着显著性的差异。运动后即刻的反应时和一致反应时都有明显的上升趋势，而运动后20分钟后的反应时和不一致反应时也在进行相应的提高。抑制功能中的反应时在运动后得到了充分的提升。但运动后即刻与运动后20分钟后的反应时却没有得到一个显著的差异，但反应时和不一致反应时都接近于显著差异。说明运动后20分钟对执行功能中抑制功能的反应时的提高相对于运动后即刻来说显得更为有效。

Stroop的任务与陈爱国等研究（陈爱国,殷恒婵,颜军,杨钰，2010）的其他三种任务结果有所不同，产生其原因可能是不同任务的干预手段对不同强度的的短时有氧运动的执行功能产生选择性的影响。

3.2 短时中等强度有氧运动后Go/no-go任务对执行功能的影响

在Go/no-go任务中，实验结果说明运功能提高大学生的抑制能力。对于运动后一定的抑制任务，可以通过运动过程来减少外界对其自身的干扰，从而使运动能更好的提高大学生的抑制能力，不受外在因素的影响，从而更加的专注于学习和锻炼中。而在Go/no-go任务中我们又能发现，运动后能提高抑制功能中的反应时。无论是运动后即刻还是运动后20分钟这两个不同的时间点都有所提高，且P值都有显著性的差异。但运动后即刻与运动后20分钟的反应时却没有显著性差异，对于哪个时间点提高的更快没有存在显著性差异。这与实验的参与人数有一定的影响。但从数值上来看，运动后20分钟的正确率和反应时与运动后即刻相对都有小幅度的提高。如今，对于运动后执行功能的提高，研究学者发现关于短时有氧运动影响执行功能的原因有两种假说出现：（1）唤醒水平假说，是指短时的有氧运动对个体的唤醒水平能有所提高，运动后新陈代谢也不断的增加，从而使个体的执行功能提高(Kamijo,K.,et al.,2004;Hillman,C.H.,et al., 2009)。（2）儿茶酚胺类递质假说，指短时的有氧运动也会使脑内的内分泌神经水平逐渐增加，使其脑内的儿茶酚胺类递质产生变化来促进执行功能(Chmura,J.,Nazar,K.,&Kaciuba-Uscilko,H.(1994).Winter,B.,Breitenstein,C.,Mooren,F.C.,Voelker,K.,Fobker,M.,Lechtermann,A.,et al., 2007)。这些都是一些专家单方面的认识，仍然具有一定的科学性和说服性，但这个观点是否完全正确，这些都有待于之后对其进行系统、全面、客观的分析与验证。对执行功能中存在的各种不同的子功能之间以及各种机制的包含于被包含的关系能得到充分的解释和定论。

3.3 研究不足

（1）在预实验中，没有控制好相关变量，而导致结果有所不同。对于运动后不同时间点的测量只有运动后即刻和运动后20分钟这两种，并没有考虑到更多的可能性，也由于预实验中被试的样本量太小，可能会对结果产生一定的偏差。（2）没有充分考虑到因体能水平、训练年限及不同运动专项对普通专业女大学生和体育专业女大学生之间存在的差异。这些相关因素都会导致实验结果的不同，对其产生一定的影响。（3）预实验的结果和正式试验的结果有所偏差，对于时间点的问题也没有很明显的结论，这个跟被试者的样本量有关，可以扩大样本量来更仔细的观察其中的细微之处。

4 结论

4.1 短时中等强度的有氧运动可以通过Stroop和Go/no-go任务来提高女大学生的执行功能中的抑制功能。

4.2 在Stroop任务中，运动前与运动后即刻反应时和一致反应时对比都有显著性提高，运动后即刻反应时缩短。运动后20分钟的反应时和不一致反应时较运动前差异显著，且短于运动前。运动后20分钟后的正确率和反应时都不如运动后即刻的好。

4.3 在Go/no-go任务中，运动后即刻的反应时显著快于运动前的反应时。运动后20分钟的正确率要比运动前的正确率要高，反应时要快，且差异显著。而运动后20分钟要比运动后即刻的正确率高，反应时快，两者都有所提高，但差异不显著。

由此可见，短时有氧运动可以帮助女大学生提高抑制功能，且运动后Stroop和Go/no-go这两种不同的范式都能提高抑制功能中的反应时，且提高十分明显。通过这个实验我们可以提高大学生学习中的反应能力，帮助大学生学习、运动能力的提高有着重要的意义。不同的范式的选择会对执行功能产生不同的积极影响，且会随着不同的时间测量点的变化而改变其结果。本次的研究结果再次证明了中等强度的有氧运动是一种良好运动干预手段，能改善和提高个体的执行功能中的抑制功能。此实验也为运动干预对执行功能影响的研究起着重要的实验基础。

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Experimental Research on the Influence of Short-term Moderate Intensity Aerobic Exercise on the College Female Students' Executive Function

YANG Yang

（Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China）

杨阳（1989—），硕士，研究方向：运动训练与教学理论。