中等強度有氧運動對大學生認知控制能力的影響及時程效益

朱風書 周成林 陸穎之 王東石

1 上海體育學院（上海200438）

2 揚州大學體育學院

隨著運動健身的普及和認知心理學的發(fā)展， 很多學者開始積極探討有氧運動對認知功能的影響。 綜合目前的研究成果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的研究結果并不一致。雖然大部分研究都支持有氧運動有助于促進鍛煉者的認知功能，Davranche 等[1]的研究發(fā)現(xiàn)，有氧運動后鍛煉者選擇反應時提高；神經影像學研究中，Hillman 等[2]發(fā)現(xiàn)，相對于靜息條件，20 分鐘的中等強度運動能夠顯著增加修改后Flanker 任務的P3 波幅，縮短P3 潛伏期以及減小ERN 的波幅，也支持了運動可以促進鍛煉者的認知功能。 然而，也有部分研究持反對意見，Collardeau[3]發(fā)現(xiàn)，在進行長時間有氧運動后，優(yōu)秀跑步運動員的簡單反應時并沒有發(fā)生顯著變化； 同樣的結果也出現(xiàn)在McMorris[4]的研究中，其發(fā)現(xiàn)，對于非運動員群體，有氧運動量的增加也并未改變鍛煉者的認知功能。 為了探討以上研究無法得到一致結果的原因，Colombes 和Kramer[5]進行了一項元分析研究，結果發(fā)現(xiàn)主要存在兩個原因：首先，有氧運動時間和強度的差異都會對認知功能的改善程度造成影響。 其中20～60 分鐘中等強度有氧運動對改善鍛煉者的認知功能最為有效， 這一結果也得到近期大量研究的證實[6]；其次，有氧運動選擇性地優(yōu)先促進了鍛煉者的認知功能。也就是說，有氧運動并不是對所有的認知功能均起到促進作用， 而是具有選擇性地提高了認知功能的某些方面， 例如對于基礎性認知功能（簡單反應時和選擇選擇時等），中等強度有氧運動大多都起到積極作用， 但對于認知控制這一類的高級認知功能， 有氧運動的影響仍存在一些不確定的因素。

認知控制作為認知功能的核心成分， 已被研究者們就有氧運動對其的影響進行了大量研究。 認知控制是一種依據(jù)規(guī)則、目的或意圖執(zhí)行行為的能力，主要包括反應執(zhí)行和反應抑制兩部分[7]。 在諸多的評價工具中，信號停止任務（Stop signal task）是能夠同時對反應執(zhí)行和反應抑制能力做出最直接行為評價的工具，在認知控制的相關研究中得到廣泛使用。同時，在前人對于有氧運動對認知控制鍛煉效益的研究中， 雙任務加工范式得到了大量運用。與完成單一任務相比，在雙任務范式下， 鍛煉者的完成情況呈現(xiàn)出下降的趨勢。 例如，被試在進行有氧運動鍛煉時，其辨別反應時變長[8]；在Flanker 任務中，相比靜息組，運動組的正確率更低[9]。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是，在雙任務工作環(huán)境中，運動過程需要占用一部分注意資源， 因而引起鍛煉者注意資源分配不平衡，進而降低其抵抗干擾的能力[10]。 那么，認知控制能力在雙任務工作中的表現(xiàn)有什么特點？中等強度有氧運動是否會促進鍛煉者的認知控制表現(xiàn)？本研究首先欲探討在雙任務環(huán)境下，中等強度有氧運動能否提升鍛煉者的認知控制能力。

另一方面， 單次有氧運動所產生的認知效益是暫時性的，鑒于這一特點，學者開始探討諸如這種效益在何時出現(xiàn)、又將維持多長時間等時程特征。而目前這類研究結果非常有限。 早期研究者以解決數(shù)學問題時的速度與準確率為指標， 發(fā)現(xiàn)鍛煉者的認知功能在運動結束后15 分鐘內都保持較高水平[11]。 另一項研究表明，在進行10 分鐘中等強度自行車運動后，鍛煉者在運動結束后8 分鐘內的認知任務成績有了明顯提升， 但隨后又逐漸回到鍛煉前狀態(tài)[12]。 那么，既然中等強度有氧運動對認知功能的效益有著時程上的差異， 那么作為認知功能的重要成分——認知控制能力， 中等強度有氧運動對其的時程效益又有何特點？因此，本研究還通過跟蹤中等強度有氧運動停止時到停止后50 分鐘內的認知控制能力變化， 探討有氧運動對認知控制能力產生效益的時間進程特征。

綜上所述， 本研究在雙任務工作環(huán)境下通過信號停止任務， 探討中等強度有氧運動對大學生認知控制能力的影響，并進一步追蹤這種鍛煉效益的時程特點，為有氧運動促進認知控制能力提供科學方法和理論支撐。

1 對象與方法

1.1 研究對象

揚州某高校招募并篩選30 名本科生（男生15 人，女生15 人）作為研究對象，年齡19～24 歲（平均22.3 ±1.3 歲），BMI 21.8 ± 1.6 kg/m2。 所有被試均明確研究過程并積極配合完成實驗測試。

篩選研究對象標準如下：（1）在身體活動能力問卷（PAR-Q 問卷） 調查中表現(xiàn)為身體活動能力正常者；（2）身體質量指數(shù)（BMI）在18.5～23.5；（3）簡易瑞文推理智力量表評定結果為智力正常者；（4）裸眼視力或矯正視力正常。

1.2 實驗設備

采用MONARK 834 功率自行車進行有氧運動，踏車節(jié)律保持在50 r/min，通過調整功率自行車阻力大小使心率維持在65%～75%最大心率區(qū)間內，心率采用芬蘭RS800CXSD 型心率表監(jiān)控。認知任務的刺激呈現(xiàn)使用Dell19 寸顯示器，刷新頻率100 Hz，距離功率自行車0.5 m，其中心與被試眼睛平行。

1.3 實驗程序

認知任務采用“信號停止任務”范式，首先在白色背景屏幕中央先出現(xiàn)一個黑色“+”注視點，呈現(xiàn)時間隨機為1250 ms、1375 ms、1500 ms、1625 ms，之后出現(xiàn)一個向左或向右的綠色箭頭， 要求被試根據(jù)箭頭指向在反應測試盒上快速準確地做出相應按鍵反應 （向左則左手按左鍵，向右則右手按右鍵）。其中，約有30%的試次，綠色箭頭在一段時間后變?yōu)榧t色箭頭，若出現(xiàn)紅色箭頭，要求被試做出抑制反應，即停止對箭頭方向的按鍵反應。 如果被試1 秒鐘內未作反應，刺激自動消失，進行下一個試次。 綠色箭頭呈現(xiàn)與紅色箭頭呈現(xiàn)之間的時間間隔稱為停止信號延遲 （stop signal delay，SSD），SSD 的基線時間為200 ms， 若被試抑制成功，則SSD 減少50 ms；反之SSD 則增加50 ms（圖1）。

本研究包括兩輪實驗 （運動處理和休息處理），兩輪實驗相隔10 天，每輪實驗被試均需完成3 次信號停止任務，每次任務包括4 組（block），每組共130 個試次（trial）。被試僅在每輪的第1 次測試時任務不同，“運動處理”在完成中等強度運動過程中完成信號停止任務，而“休息處理”除不進行運動外，其他程序與運動處理任務相同。

圖1 實驗程序流程圖

1.4 實驗過程

本實驗采用組內交叉設計，“運動處理”與“休息處理”處理順序在被試間進行平衡，30 名被試隨機平均分成兩組，其中一組在首次測試中先完成運動處理，在10天之后的再測試中完成休息處理； 另一組被試的實驗順序則相反（表1）。 每位被試兩輪實驗進行的時間和場所保持相同。 此種實驗設計用以消除測試的學習效應和順序效應。

表1 組內交叉設計的被試間平衡

被試到達實驗室后，先測量其身高和體重，隨后完成PAR-Q 問卷和簡易瑞文推理智力量表。經過以上指標的篩選，采用美國運動醫(yī)學會（ACSM）3 分鐘靜息狀態(tài)下的心率換算出每名被試在中等強度運動時的心率區(qū)間值，以便在運動中調節(jié)并監(jiān)控運動負荷[13]。 結合國內以大學生為研究對象的相關研究[14]，將大學生中等強度運動負荷設定為個體60%～69%的最大心率（heart rate max，HR max）， 其中最大心率由公 式HR max=220-年齡獲得。 隨后，被試通過練習，熟悉認知任務操作，在完全熟悉任務后進入正式實驗階段。

正式實驗階段運動處理組被試在功率自行車上先進行約5 分鐘的熱身運動， 使運動強度達到中等有氧運動強度后， 開始通過固定在左右手把上的兩個反應盒上的相應按鈕，完成第1 次信號停止任務，此過程中運動強度控制為中等強度（60%～69% HR max）。 在有氧運動進行30 分鐘后，被試即刻停止運動，開始完成第2 時段信號停止任務；隨后，在有氧運動結束30 分鐘后，進行第3 時段信號停止任務，實驗結束。 每次信號停止任務共包括4 個組塊， 每個組塊時間約為5 分鐘。同時，休息處理組被試與運動處理組被試在相應時段分別完成3 次信號停止任務， 但不進行任何有氧運動（圖2）。 所有被試的所有認知任務均在功率自行車上完成。

1.5 統(tǒng)計學分析

圖2 實驗流程示意圖

采用社會統(tǒng)計分析軟件包SPSS 17.0 進行統(tǒng)計分析，通過獨立樣本t 檢驗，驗證組內交叉設計的順序效應成陰性后，進一步對研究數(shù)據(jù)進行分析，結果用平均值和標準差（±s）表示。 處理因素和組塊因素為組內變量， 采用多元重復測量方差分析法分析實驗處理因素（運動和休息）、組塊因素（組塊1、組塊2、組塊3 和組塊4）、性別差異（男、女）及其交互作用對認知控制（反應執(zhí)行Go RT、抑制失敗率Error Rate、反應停止時間SSRT） 的影響。 其中反應停止時間 （stop signal reaction time，SSRT） 的計算根據(jù)賽馬模型 （horse-race model），由Go 刺激的平均反應時減去抑制成功率接近50%時的SSD 確定。 整個分析過程中，對不滿足球形檢驗的統(tǒng)計量采用Greenhouse Geisser 法矯正自由度和P值， 事后比較采用Bonferroni。 顯著性水平設定為P <0.05。

2 結果

2.1 序列效應檢驗

以反應執(zhí)行反應時 （Go RT）、 反應停止時間（SSRT）為因變量，分別對兩組被試在前后兩次測試中各組塊的成績（即運動A 組vs.運動B 組，休息A 組vs.休息B 組）進行獨立樣本t 檢驗。 結果發(fā)現(xiàn)，前后兩次成績均不存在顯著性差異（P > 0.05）。 由此認為，本研究的交叉設計不存在順序效應， 并對相應數(shù)據(jù)進行合并，得到各時段的結果（表2）。

表2 不同時間因素與處理因素條件下的認知控制成績

2.2 中等強度有氧運動對大學生認知控制能力的影響及性別差異

以被試反應執(zhí)行能力（Go RT）為因變量，以處理因素（運動處理和休息處理）和組塊因素（組塊1、組塊2、組塊3、組塊4）為組內變量，以性別（男、女）為組間變量，對第1 時段進行重復測量方差分析。 結果發(fā)現(xiàn)，處理因素主效應顯著[F(1，28) = 8.607，P = 0.007 < 0.01]，簡單主效應結果表明，運動處理的反應時間（383.32 ±8.22 ms）顯著短于休息處理的反應時間（420.72 ±13.34 ms）；組 塊 因 素[F(3，84) = 0.638，P = 0.515]及 性 別[F(1，28) = 0.385，P = 0.540]主效應均不顯著。 處理因素與組塊因素存在顯著交互作用[F(3，84) = 26.574，P <0.001]。 事后比較結果表明，接受運動處理的被試在第2、3 及第4 個組塊上反應執(zhí)行反應時顯著小于休息處理 （MD運動2-休息2= -29.30，P < 0.05；MD運動3-休息3= -50.10，P < 0.001；MD運動4-休息4=-59.50，P < 0.001）。 同時， 第1 時段信號停止任務中運動處理和休息處理各個組塊上的反應時發(fā)展趨勢存在差異性（圖3），變化趨勢表明休息期被試反應執(zhí)行能力呈現(xiàn)下降趨勢， 運動處理呈提高趨勢。

圖3 不同時段被試在各組塊上的運動處理和休息處理反應執(zhí)行能力（Go RT）（單位：ms）

以被試反應抑制能力（SSRT）為因變量，以處理因素（運動處理和休息處理）為組內變量，以性別（男、女）為組間變量，對第1 時段進行重復測量方差分析。 結果發(fā)現(xiàn)， 處理因素主效應顯著 [F (1，28 = 51.187，P <0.001]， 簡單主效應結果表明， 運動處理的反應時間（184.20 ± 3.83 ms） 顯著短于休息處理的反應時間（197.00 ± 5.61 ms）；性別主效應[F(1，28) = 1.153，P =0.216]和交互作用均不顯著。

2.3 中等強度有氧運動對大學生認知控制能力的時程效益及性別差異

以被試反應執(zhí)行能力（Go RT）為因變量，以處理因素（運動處理和休息處理）和組塊因素（組塊1、組塊2、組塊3、組塊4）為組內變量，以性別（男、女）為組間變量， 分別對第2 時段和第3 時段進行重復測量方差分析。 結果發(fā)現(xiàn)， 在有氧運動停止即刻 （第2 階段）[F(1，28) =11.914，P < 0.01] 和有氧運動停止后30～50 分鐘（第3 階段）[F(1，29) = 20.974，P < 0.001]存在顯著的處理因素主效應， 即在有氧運動結束后50 分鐘時，進行運動處理的反應執(zhí)行能力高于休息處理（MD運動時段2-休息時段 2= -22.30，P = 0.008；MD運動時段3-休息時段3= -25.73，P < 0.001）。 兩個階段的組塊處理與性別的主效應均不顯著。 無顯著的交互作用存在。

以被試反應抑制能力（SSRT）為因變量，以處理因素（運動處理和休息處理）和時段因素（第1 時段、第2時段和第3 時段）為組內變量，以性別（男、女）為組間變量，進行重復測量方差分析。 結果發(fā)現(xiàn)，處理因素[F(1，28) = 1885.10，P < 0.001] 和時段因素[F (2，56) =27.43，P < 0.001]主效應顯著，多重比較發(fā)現(xiàn)，被試運動處理的信號停止反應時短于休息處理 （MD運動-休息= -11.20，P < 0.001）；在運動處理條件下，第1 時段信號停止反應時短于第2、第3 時段（MD時段1-時段2= -8.2，P <0.001；MD時段1-時段3= -8.0，P < 0.01），第2 與第3 時段間不存在顯著性差異 （MD時段2-時段3= 0.2，P = 0.947）。處理因素和時段因素不存在顯著性交互作用， 性別主效應亦不顯著。

以被試反應抑制能力（SSRT）為因變量，以處理因素（運動處理和休息處理）為組內變量，性別（男、女）為組間變量，分別對3 個時段進行重復測量方差分析。 結果發(fā)現(xiàn)，3 個時段均表現(xiàn)出明顯的處理因素主效應（P <0.001）。 性別主效應均不顯著，交互作用不顯著。

圖4 不同時段被試的運動處理和休息處理信號停止反應時（SSRT）（單位：ms）

3 討論

本研究結果顯示， 大學生在進行中等強度有氧運動時（第1 時段），其反應時間變短，反應速度變快，反應執(zhí)行能力提高；在執(zhí)行抑制任務時，運動處理時的停止信號反應時（SSRT）較休息處理更短。 在運動停止即刻至運動停止后20 分鐘內（第2 時段）進行的信號停止任務中，與休息處理相比，進行運動處理的大學生表現(xiàn)出更短的反應時間和更快的停止信號反應；并且，這一認知促進效應在運動停止后30 分鐘至50 分鐘時（第3 時段）進行的信號停止任務中也得到體現(xiàn)，即反應時間和停止信號反應時在第2 和第3 時段依然主效應顯著。

3.1 中等強度有氧運動對大學生認知控制能力的影響

3.1.1 中等強度有氧運動對大學生反應執(zhí)行能力的影響

本研究大學生在進行中等強度有氧運動時執(zhí)行任務的反應結果與前人研究結果相一致。 Kashihara 等[15]發(fā)現(xiàn)， 中等強度有氧運動有利于鍛煉者選擇反應速度的提高；Tomporowski 等[16]要求鍛煉者完成中等強度20～60 分鐘的有氧運動， 并在鍛煉過程中完成一定的認知任務，結果發(fā)現(xiàn)，鍛煉者在鍛煉期間完成認知任務時，有更優(yōu)的績效表現(xiàn)。同時，這一結果也得到了喚醒水平假說和腦源性營養(yǎng)因子 （brain derived neurotrophic factor，BDNF）假說的驗證。 前者認為，適時的有氧運動提高了個體的喚醒水平，使其新陳代謝水平增加、與執(zhí)行功能相關腦區(qū)血流水平增加， 進而提高個體的認知功能[17]；而后者則認為，短時有氧運動使腦神經內分泌水平增加，導致腦部神經營養(yǎng)因子變化，改善個體的認知功能[18]。

本研究結果同時表明， 與運動處理相對應的休息處理在運動過程中（第1 階段）完成認知任務時，表現(xiàn)出與運動處理相反的趨勢，即反應時間變長，反應速度下降。 出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是由于簡單任務多次重復所帶來的疲勞效應。而相較休息處理，在運動處理中，大學生不但沒有表現(xiàn)出疲勞效應，其反應速度反而更快， 提示中等強度有氧運動在某種程度上可以抵抗枯燥任務所導致的疲勞產生， 從而使大學生在認知任務中維持較高的認知水平。 而這一結果也得到了前人研究結果的支持。Davranche 等[19]跟蹤檢測了鍛煉者20分鐘中等強度有氧運動中的反應速度，結果發(fā)現(xiàn)，在運動末期，鍛煉者的反應速度明顯快于運動初期。由此認為， 中等強度有氧運動能對大學生認知控制能力中的反應執(zhí)行能力起到促進和減緩疲勞效應的作用。

3.1.2 中等強度有氧運動對大學生反應抑制能力的影響

運動處理中的大學生在進行中等強度有氧運動時，不僅反應執(zhí)行能力得到提高，其抑制不必要反應的能力也有了更優(yōu)的表現(xiàn)， 我們推測運動處理后執(zhí)行能力的提高并非“速度-準確性”權衡的結果，表現(xiàn)在反應速度提高的同時，正確率也未受到影響。 首先，從認知心理學角度，根據(jù)Logan 和Cowan 提出的賽馬模型，反應抑制是否成功取決于反應和抑制何者先達到反應閾限；而反應或抑制加工兩者任一過程發(fā)生延遲，都會使另一方先達到閾限而支配行為， 抑制反應發(fā)生的潛伏期是衡量抑制加工效率的依據(jù)[20]。 在信號停止任務中，停止信號反應時（SSRT）反映了抑制反應的效率，時間越短，效率越高。因此，在本研究中，運動處理時的大學生表現(xiàn)出更短的停止信號反應時， 提示中等強度有氧運動提高了大學生的抑制能力。 其次，從生理學角度，多巴胺神經調節(jié)理論認為， 多巴胺神經遞質對反應抑制的調節(jié)起到重要作用。臨床研究發(fā)現(xiàn)，在前額回路注射多巴胺神經遞質后， 被試的反應抑制能力增強[21]；Bilder 等[22]認為，抑制成績的提高是由于多巴胺的濃度增強了被試在抑制控制任務中的警戒狀態(tài)。因此，在本研究中，大學生在進行中等強度有氧運動時，運動誘發(fā)大腦分泌多巴胺， 進而增強了被試在信號停止任務中對于可能出現(xiàn)的抑制任務的警戒狀態(tài)， 最終表現(xiàn)為在運動處理時更優(yōu)的抑制能力。最后，根據(jù)前人的研究認為，有氧運動誘發(fā)的認知功能改善，主要來自于動作加工過程的加快[23]。 本研究的結果提示，除了動作加工進程的縮短， 中等強度有氧運動同樣也促進了認知控制這樣的高級認知功能。因此，這對有氧運動促進高級認知功能的假說提供了強有力的支持。

3.2 中等強度有氧運動對大學生認知控制能力影響的時程效益

除了在運動過程中表現(xiàn)出反應執(zhí)行和反應抑制兩方面的認知控制優(yōu)勢外， 從運動結束一直到運動中止后50 分鐘，進行中等強度有氧運動的大學生在信號停止任務中依然表現(xiàn)出更短的反應時間和更快的停止信號反應。這一結果提示我們，大學生在有氧運動鍛煉結束時，表現(xiàn)出了鍛煉的認知促進效益，同時這種效應的體現(xiàn)維持到了運動停止后50 分鐘。

中等強度有氧運動對認知控制能力帶來的促進效益主要表現(xiàn)在兩個方面： 首先是反應執(zhí)行能力的保持[24]，大學生在進行30 分鐘有氧運動的過程中，其執(zhí)行能力不斷提高，反應時間不斷縮小，并且直到運動結束后的50 分鐘內，雖然其反應時間較運動過程中變長，但仍顯著快于同時段休息處理的反應時間； 其次是抑制能力的提高，運動處理時，停止信號反應時在運動過程中，以及運動停止后50 分鐘內都短于休息處理的大學生，并且隨著時間的推移，這一促進效益有所減弱。 而鍛煉的促進效益得到持續(xù)的原因， 可能與運動過程中分泌的多巴胺在運動停止后依然在神經調節(jié)中發(fā)揮作用有關[25]。

除此以外， 本研究并未發(fā)現(xiàn)中等強度有氧運動對認知控制能力的性別效應， 然而由于中等強度有氧運動對認知控制的促進程度和時程效益可能會受到諸如運動時間、運動強度及被試的體適能等因素的影響[26]，因此， 未來的研究應在確定運動促進認知控制能力影響因素的基礎上， 采用不同的認知任務范式， 從單因素、多因素以及交互作用方面，全面揭示運動和認知控制之間的關系。

4 總結

在雙任務環(huán)境下， 中等強度有氧運動促進了大學生的認知控制能力，包括反應執(zhí)行和反應抑制兩方面。且這一促進效益不僅體現(xiàn)在運動過程中， 還保持到了運動結束后50 分鐘。 同時，促進效益在運動過程中表現(xiàn)最為明顯。

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