客观测量的学龄前儿童体力活动、静坐行为与执行功能的关系

常振亚,王树明

相关研究表明,儿童青少年的体力活动(physical activity,PA)与认知功能显著相关[1],且已在动物和老年群体的研究中发现了PA 和认知功能的关联机制[2]。执行功能被认为是人类认知活动的最高级过程,几乎体现了人的所有认知功能,且在儿童早期发展迅速[3]。然而当前关于儿童早期PA 与执行功能的关系,研究对象主要为成年人或学龄儿童,较少涉及学龄前儿童。在有限的以学龄前儿童为被试的研究中,主要揭示了结构化体力活动,如健美操[4]、足球游戏[5]、网球游戏[6]对执行功能有积极影响。这些不同项目对执行功能的促进作用存在差异,背后的原理可能是儿童的非结构化体力活动本身就存在较大差异。由此近些年也开始有学者揭示非结构化体力活动与执行功能的关联[7]。另外,伴随当今社会生活的日趋便利,静坐行为(sedentary behavior,SB)即清醒状态下能量消耗≤1.5 METs 的任何坐式或斜躺行为[8],受到学者日益关注。由此也产生了新的疑问,与PA 相对的SB 能否独立影响执行功能,抑或是与PA 共同作用于学龄前儿童的执行功能? 本研究从这一角度出发,系统探讨学龄前儿童PA、SB 与执行功能的关系,并在此基础上探究不同强度PA 和SB 相互替代部分时间后对执行功能的影响,进而为儿童早期开展体力活动健康促进工作提供实证支持。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究采用分层随机取样,从长沙市城区和娄底市某镇分别选取一所城市幼儿园和一所乡村幼儿园。班级选取随机取样,每个幼儿园随机选取一个中班和一个大班。共选取幼儿152 名。研究过程中由于数据的测量缺失和无效数据的剔除,最后剩余有效数据144 个(见表1)。

1.2 研究方法

1.2.1 问卷调查

使用学龄前儿童执行功能问卷(BRIEF-P)对幼儿的执行功能状况进行测评。该问卷由Gioia 等编制,包括抑制(inhibition),转换(shift),情感控制(emotional control),工作记忆/刷新(working memory/refresh),计划/组织(planning/organization)等5个维度,其中抑制和情绪控制相加为抑制自我控制(inhibitory self-control),转换和情绪控制相加为认知灵活性(cognitive flexibility),工作记忆和计划/组织相加为元认知(metacognition)[9]。北大六院王玉凤教授将其引入国内并进行了校验,重测信度为0.54～0.72,内部一致性系数为0.78～0.95,适用于中国文化背景[10]。

表1 研究对象基本情况Table 1 Basic information of the subjects

1.2.2 体力活动测量

使用ActiGraph GT3X-BT 三轴加速度计(Pensacola,FL,USA)测量儿童的体力活动和静坐行为。学龄前儿童在一周内连续7 天(5 个工作日和2个周末日)佩戴,期间除洗澡、游泳、睡觉外其他时间均要求佩戴。佩戴于右侧骼棘上部。

加速度计主要测评学龄前儿童以下几项指标:(1)静坐行为;(2)低强度体力活动(light physical activity,LPA);(3)中等强度体力活动(moderate physical activity,MPA);(4)高强度体力活动(vigorous physical activity,VPA)。在此基础上可以进一步计算出中高强度体力活动(moderate-to-vigorous physical activity,MVPA)和总体力活动(total of physical activity,TPA)等指标。

采用Butte Preschoolers VM (2013)[11]对学龄前儿童体力活动强度进行分级,该方法采用室内量热法、双标水法和心率监测等方法进行校验,体力活动分级可靠度高,具体情况见表2。

表2 ActiGraph GT3X-BT 体力活动测量参数设置Table 2 Physical Activity Measurement Parameter Setting List of GT3X-BT

1.2.3 数理统计

对于正态分布的连续变量,计算均值和标准差,并通过t 检验进行分析。对于非正态变量,计算中位数和四分位距,然后使用Mann-Whitney U 检验进行分析。使用Pearson 相关分析双变量相关性。使用多元回归分析探究不同强度PA、SB 对执行功能的影响。模型1 的控制变量为性别,年龄,城乡和监测时间。对于MPA,VPA 和MVPA,模型2根据模型1 中控制变量和SB 进行调整。对于SB,模型2 根据模型1 中控制变量和MVPA 进行调整。最后,采用等时替代分析(Isotemporal substitution analysis)来考察一种行为等时替代另一种行为部分时间(通常是30 min)后执行功能的变化[12]。

2 结果

2.1 研究的基本情况

男童SB 显著低于女童,但MPA、VPA、MVPA 和TPA 均显著高于女童;城市儿童抑制、转换和刷新得分均显著低于乡村儿童(见表3)。按照世界卫生组织发布的《5 岁以下儿童的体力活动、静坐行为和睡眠指南》[13]推荐量标准,学龄前儿童MVPA 达标率为59%,其中男童和女童MVPA 达标率依次为71.1%和45.6%,城市和乡村儿童MVPA 达标率依次为62.8%和54.5%。

2.2 学龄前儿童体力活动、静坐行为与执行功能的相关性

不同强度PA 均与SB 呈负相关(r=-0.315～-0.533,P ＜0.01),不同强度PA 之间均呈正相关(r=0.259～0.969,P ＜0.01),不同强度PA 与执行功能部分维度得分之间均存在负相关(r=-0.177～-0.252,P ＜0.05),而SB 与执行功能各指标均无相关性(表4)。

表3 相关研究变量的基本情况(单位:min)Table 3 Basic situation of important variables in preschool children

表4 学龄前儿童体力活动、静坐行为与执行功能的相关性(r:相关系数)Table 4 Correlation between physical activity level,sedentary time and executive function of preschool children

2.3 学龄前儿童体力活动、静坐行为对学龄前儿童执行功能的影响

控制性别、年龄、城乡和佩戴时间等因素后,MPA(b=-0.296,P=0.004)、VPA(b=-0.513,P=0.004)和MVPA(b=-0.212,P=0.002)对执行功能得分依然保持负向的影响力,而SB(b=0.070,P=0.009)开始具有正向的影响力。在上述基础上,增加控制SB,仅MVPA(b=-0.062,P=0.048)和VPA(b=-0.126,P=0.046)对抑制功能依然具有显著的影响力,在执行功能其他维度上体力活动对执行功能的影响力不再显著,增加控制MVPA,SB 对执行功能的影响也不再显著(见表5)。另外,模型1 和模型2 两种条件下,学龄前儿童LPA与执行功能的关联均不显著[模型1 中bLPA=-0.069(95%CI:-0.139,0.002),P=0.055;模型2中bLPA=0.176(95% CI:-0.031,0.384),P=0.095],因此鉴于表格的精简性,本研究不再单独加以呈现。

2.4 不同强度体力活动及静坐行为的等时替代变化对执行功能的影响

MVPA 等时替代SB 30min/d 后,学龄前儿童抑制(b=-1.830,P=0.010)、刷新(b=-1.980,P=0.009)、抑制自我控制(b=-2.400,P=0.025)、元认知得分(b=-2.640,P=0.024)和执行功能总得分(b=-5.820,P=0.015)均显著下降,相反,抑制(b=1.830,P=0.010)、刷新(b=1.980,P=0.009)、抑制自我控制(b=2.400,P=0.025)、元认知得分(b=2.640,P=0.024)和执行功能总得分(b=5.820,P=0.015)均显著上升;MVPA 等时替代LPA 后,抑制功能得分(b=-1.860,P=0.048)显著下降,但在其他执行功能维度上得分变化没有显著性(见表6)。

表5 不同强度PA、SB 对学龄前儿童执行功能的影响Table 5 Effects of different PA intensity and SB on executive function of preschool children

表6 不同强度PA 及SB 30min/d 替代变化对执行功能的影响Table 6 Effect of different PA intensity and SB 30 min/d substitution changes on executive function

3 讨论

本研究运用近些年备受学者关注的“整体研究范式”——等时替代回归分析结合传统的相关分析和回归分析系统探讨了学龄前儿童体力活动、静坐行为与执行功能关系,主要有以下几个主要发现。

首先,MVPA 与学龄前儿童执行功能的紧密关联,其中VPA 相对于MPA 与学龄前儿童执行功能的关联更为紧密。研究表明,积极参与运动游戏[14]有利于改善学龄前儿童的执行功能。中等强度的体育锻炼可以改善学龄前儿童的执行功能,持续时间均在30 min 左右,干预时间基本都在8 周以上[4-6]。然而,最近也有研究表明,MPA 与学龄前儿童执行功能没有显著关联[7],这可能是由于体力活动强度分界值标准选用不同导致的,相关研究表明,不同体力活动强度分界值会显著影响学龄前儿童体力活动水平的测量[15],也有可能是因为执行功能使用的测评工具不同,该研究选用早期儿童执行功能测量工具包可能更多反映的是学龄前儿童计算机情景化操作背景下的儿童执行功能水平,而本研究选用的执行功能测试量表则更加注重儿童执行功能的日常生活表现,生态效度更佳[16]。尽管如此,本研究和该研究结果相近,均揭示了VPA 与学龄前儿童执行功能显著相关,同时这一结果与以往以非学龄前儿童群体为被试的研究结果也基本一致[17]。经幼儿园一线教师访谈发现,幼儿园教师在组织幼儿体育活动时出于安全考虑,往往不敢组织或者较少组织中高强度的体育活动[18]。因此,未来幼儿园需要努力尝试破解组织中高强度体力活动的现实“窘境”,在实践中进一步探究MPA 和VPA对学龄前儿童的执行功能的积极健康效益。另外,本研究表明,学龄前儿童MVPA 与执行功能的抑制功能维度关联最为密切,与以往研究的侧重点基本一致。以往相关研究通常只关注执行功能的某一维度与体力活动的关系,其中关注最多的是体力活动与抑制自我控制的关系[17,19],本研究进一步表明,抑制功能与学龄前儿童执行功能的紧密关联有可能导致了抑制自我控制这个执行功能二阶因子与学龄前儿童执行功能的紧密关联。

其次,SB 不能独立影响学龄前儿童执行功能,而是与体力活动共同发挥作用。学龄前儿童MVPA与执行功能得分负向关联,而SB 却与执行功能得分正向关联。那么MVPA 和SB 是独立地还是共同作用于学龄前儿童执行功能呢? 通常来说,每天的时间是固定的,MVPA 时间增加的同时,学龄前儿童的LPA、SB 或睡眠中必然有一部分或几部分的时间会下降。由此,我们割裂式的探究MVPA 或SB 与执行功能的关联并不适宜,从本文研究结果来看,一旦在MVPA 与执行功能的关联中纳入SB 或在SB与执行功能的关联中纳入MVPA,诸多关联效果均发生了改变,表明MVPA 和SB 可能存在较高的共线性,二者对执行功能的影响作用并不独立,需要进一步考查二者与执行功能的综合关联。近些年,将体力活动和静坐时间的使用视为独立成分的研究局限性在行为流行病学中也越来越受重视,然而目前为止将体力活动和静坐行为联系起来,考察这些行为的综合影响依然证据有限,主要是因为一旦同时考虑这些因素,分析数据建构模型时会出现多重共线性的问题,这使得研究人员无法同时将SB、LPA、MPA 和VPA 等作为常用回归模型中的解释变量[20]。2009 年,由Mekary 等人提出了一种新的研究范式——“等时替代分析”,该方法推动了体力活动健康效益研究“整体研究范式”的发展[21]。其基于多元线性回归模型,模型中包含了研究者所有感兴趣的时间使用组件以及总时间(所有时间使用组件的总和),每次除去一个用作解释变量,由于在被排除组件时间的减少,就相当于其余部分组件中花费的时间相等的增加。之后等时替代方法得到了广泛的关注,并且被逐步地运用于流行病学研究[22]。本研究即运用这一“整体研究范式”对学龄前儿童体力活动、静坐行为和执行功能之间的关联进行了考察,结果表明,体力活动和静坐行为不仅不独立而且所花费的时间还可能相互转换,进而会对执行功能产生不同的影响。

最后,促使SB 和LPA,尤其是SB 向MVPA 适度转化可以有效改善学龄前儿童的执行功能表现。世界卫生组织发布的《5 岁以下儿童的体力活动、静坐行为和睡眠指南》[13]强调要减少学龄前儿童的静坐行为,提高学龄前儿童的体力活动水平,本研究不仅强化了这一点,而且指出了这一观点在学龄前儿童执行功能上的特异性,为体力活动健康促进实践提供了方向和路径。具体来说,MVPA 等时替代SB 时,执行功能得分显著下降,相反,SB 等时替代MVPA 时,执行功能得分显著上升,然而MVPA 等时替代LPA 时,执行功能得分没有显著变化。启示我们要逐步改变“减少静坐=体力活动充足=认知健康效益提升”的错误认知,人们在学龄前儿童的健康促进工作中往往认为,只要减少幼儿的静坐行为,即提高了幼儿的体力活动水平,然后就促进了学龄前儿童的认知健康效益。殊不知SB 虽然减少了,有可能只是转化为LPA,加上一天的时间有限,不可能无限制地减少幼儿的静坐行为,这种简单的干预行为对于提升学龄前儿童的执行功能表现并无太大帮助。教育工作者应该在有限的时间内寻求合理的活动时机,适当提高MVPA 的比例,以更好地提升学龄前儿童的执行功能表现。需要注意的是,本研究虽然将等时替代分析应用于探究体力活动、静坐行为与执行功能的关联,但更有意义的组合方法有赖于更多活动类型的拆解与分析。例如,可以考虑将静坐行为细分为屏幕时间、电子游戏时间和学习时间等,不同类型的静坐行为可能与执行功能的关联不同。Ruiz 等认为屏幕时间、电子游戏时间和学习时间与儿童认知表现(言语,数字和推理)没有显著关联[23],而Syvaoja 等却报告,屏幕时间和学习成绩反向关联[24]。另外,本研究限于统计手段因素的制约,仅探讨了不同强度体力活动和静坐行为之间一对一等时替代以后对执行功能的影响情况,未来研究可以借助更加完善的统计手段探究一对多或多对一条件下执行功能的变化,例如可以同时将静坐行为减少10 min、低强度体力活动减少10 min,而中高强度体力活动相应增加20 min,在此条件下探究学龄前儿童体力活动、静坐行为对执行功能的影响。总之,体力活动、静坐行为与学龄前儿童执行功能之间的具体关联机制目前研究还十分有限,未来学者需要综合使用主客观工具在该领域进一步深入探究,以期更好地指导实践。

4 结论

加速度计客观监测的MVPA 与学龄前儿童的执行功能尤其是抑制功能关联紧密,促使SB 和LPA,尤其是SB 向MVPA 适度转化可以有效改善学龄前儿童的执行功能表现。