急性有氧運(yùn)動對大學(xué)生執(zhí)行功能的影響:來自fNIRS和行為實(shí)驗(yàn)的證據(jù)

文世林，夏樹花，李憐軍，楊 陽，譚正則，蔣長好

●博士（生）論壇 Doctor Forum

急性有氧運(yùn)動對大學(xué)生執(zhí)行功能的影響:來自fNIRS和行為實(shí)驗(yàn)的證據(jù)

文世林1，夏樹花2，李憐軍3，楊 陽1，譚正則1，蔣長好1

目的:研究急性有氧運(yùn)動對大學(xué)生執(zhí)行功能的影響，探討運(yùn)動負(fù)荷引起執(zhí)行功能變化的腦機(jī)制。方法:通過近紅外光譜功能成像（fNIRS），測量短時中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對16名大學(xué)生局部腦區(qū)的血液動力學(xué)變化的影響，并考察神經(jīng)激活與行為表現(xiàn)的關(guān)系。結(jié)果:行為試驗(yàn)中，運(yùn)動任務(wù)的反應(yīng)時顯著低于對照任務(wù)（t（1，15）=-4.93，P＜0.001）。近紅外光譜試驗(yàn)中，右側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)（R-DLPFC），運(yùn)動任務(wù)的oxy-Hb信號顯著高于對照任務(wù)（t（1，15）=4.25，P＜0.001）；右側(cè)額極區(qū)（R-FPA）上，運(yùn)動條件下的oxy-Hb信號也顯著高于對照任務(wù)（t（1，15）=4.06，P＜0.001）。結(jié)論:中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動可短暫提升大學(xué)生的執(zhí)行功能水平，其中，F(xiàn)lanker任務(wù)的行為操作表現(xiàn)有所提高，右側(cè)背外側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)（R-DLPFC）與右側(cè)額極區(qū)（R-FPA）的神經(jīng)激活水平有所增加，且局部腦區(qū)的血液動力學(xué)變化與行為操作表現(xiàn)的提高具有一致性。

有氧運(yùn)動；大學(xué)生；執(zhí)行功能；Flanker效應(yīng)；近紅外光譜；腦激活模式

執(zhí)行功能（executive functions）是對認(rèn)知過程管理的一種概括性描述，包括工作記憶、推理、任務(wù)彈性、決策[1]、計劃和抑制等[2]，其中，A.MIYAKE等[3]的三子成分理論（抑制、刷新、轉(zhuǎn)換）是最經(jīng)典的理論模型之一。近年來，體育鍛煉與執(zhí)行功能關(guān)系的研究逐漸引起了研究者的重視，有研究表明，不同強(qiáng)度有氧運(yùn)動對執(zhí)行功能產(chǎn)生顯著影響，且選擇性地影響抑制、刷新和轉(zhuǎn)換3個不同的子成分[4]。

由于執(zhí)行功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜，子成分較多，研究中需通過特定的神經(jīng)心理任務(wù)來進(jìn)行測量，如Flanker任務(wù)。在體育運(yùn)動與執(zhí)行功能的研究中，F(xiàn)lanker任務(wù)有廣泛的應(yīng)用，如通過Flanker任務(wù)測量沖突控制能力（interference control）來探討體育運(yùn)動對不同年齡階段人群認(rèn)知水平的影響[5]；測量注意控制（cognition control of attention）評價急性有氧運(yùn)動對認(rèn)知健康的影響[6]；測量執(zhí)行控制能力（executive control）評價有氧體能與認(rèn)知發(fā)展的關(guān)系[7]；測量注意抑制（attentional inhibition）評價短期身體訓(xùn)練對執(zhí)行功能的影響[8]等?？梢姡現(xiàn)lanker任務(wù)是評價體育鍛煉對執(zhí)行功能影響的有效手段之一。

雖說，現(xiàn)有研究積累了大量關(guān)于有氧運(yùn)動對執(zhí)行功能影響的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但有氧運(yùn)動影響執(zhí)行控制過程的神經(jīng)機(jī)制仍有待進(jìn)一步探索。若要探討有氧運(yùn)動對執(zhí)行功能影響的神經(jīng)機(jī)制，需通過神經(jīng)影像學(xué)方法來監(jiān)測執(zhí)行心理任務(wù)過程中的神經(jīng)活性，從而獲得與行為表現(xiàn)同步變化的腦激活模式。有元分析將執(zhí)行功能各子成分的腦激活模式繪制成一個整體分布圖，結(jié)果顯示，執(zhí)行功能的大腦激活區(qū)域主要出現(xiàn)在雙側(cè)前額葉皮質(zhì)（PFC）[9]?？梢姡琍FC是執(zhí)行功能最重要的功能腦區(qū)，也是神經(jīng)影像研究中主要的“感興趣區(qū)”（region of interest，ROIs）[10]。有研究將PFC劃分為3個感興趣區(qū)[11]:背外側(cè)前額葉皮質(zhì)（DLPFC），主要參與決策[12]、工作記憶[13]過程；額極區(qū)（FPA），主要與決策有關(guān)[14]；腹外側(cè)前額葉皮質(zhì)（VLPFC），與運(yùn)動抑制有關(guān)[15]。這樣就可在行為實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對執(zhí)行功能的相關(guān)功能腦區(qū)進(jìn)行同步監(jiān)測。

局部腦區(qū)的功能測量主要通過如核磁共振技術(shù)（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、單光子發(fā)射體層攝影術(shù)（single photon emission tomography，SPET）和近紅外光譜功能成像（functional near infrared spectroscopy，fNIRS）等功能成像技術(shù)。多通道fNIRS是近10年來發(fā)展和應(yīng)用迅速[16]，具有較高的生態(tài)效度[17]，可實(shí)時測量腦區(qū)微血管血氧信號來反映局部腦區(qū)神經(jīng)激活水平的非介人性方法[18]?；谏鲜瞿X成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，有氧運(yùn)動與執(zhí)行功能關(guān)系的探討就有了可能。

短時中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動能否短暫引發(fā)大學(xué)生執(zhí)行功能的變化？研究根據(jù)上述問題提出假設(shè)1:急性有氧運(yùn)動對大學(xué)生行為表現(xiàn)產(chǎn)生影響；假設(shè)2:急性有氧運(yùn)動對大學(xué)生局部腦區(qū)的腦激活模式產(chǎn)生影響。為了檢驗(yàn)上述假設(shè)，研究采用Flanker任務(wù)和fNIRS同步測量大學(xué)生群體的行為表現(xiàn)和腦區(qū)的神經(jīng)激活。

1 研究對象與方法

1.1 試驗(yàn)對象

在北京市某體育院校隨機(jī)挑選16名大學(xué)生，男生9人，女生7人，被試身高（172.0±7.8）cm，體重（65.1±10.0）kg，平均年齡（23.6±1.2）歲。被試應(yīng)符合如下遴選標(biāo)準(zhǔn):（1）無精神異常，無顯著智商差異，無呼吸道疾病；（2）非色盲；（3）被試的利手情況一致；（4）試驗(yàn)前2天沒有大的情緒波動，沒有進(jìn)行大運(yùn)動量身體活動；（4）Flanker任務(wù)的錯誤率不超過40%；（5）不能完成試驗(yàn)要求的運(yùn)動強(qiáng)度和運(yùn)動時間。研究中招募的15名被試在試驗(yàn)開始前仔細(xì)閱讀符合倫理委員會要求的試驗(yàn)實(shí)施知情協(xié)議書，以保證被試的合法權(quán)益。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

采用2×2×2的被試內(nèi)設(shè)計，其中每個自變量包括2個水平，F(xiàn)lanker任務(wù)包括一致任務(wù)與不一致任務(wù)，有氧運(yùn)動包括對照任務(wù)和運(yùn)動任務(wù)，前測和后測。

試驗(yàn)中，每個被試接受所有試驗(yàn)條件的作用，在對照任務(wù)和試驗(yàn)任務(wù)的測試中按照ABBA的先后順序進(jìn)行平衡處理。在運(yùn)動任務(wù)時，每位被試進(jìn)行10 min中等強(qiáng)度自行車蹬踏運(yùn)動，休息，當(dāng)心率恢復(fù)到靜息心率±10%以內(nèi)時（大概休息時間為15 min左右）再參與后測試驗(yàn)。為了評估被試在有氧運(yùn)動前后的精神狀態(tài)，在運(yùn)動前后均進(jìn)行主觀疲勞感受（RPE）的測試。對照任務(wù)的被試在自行車上坐立休息25 min后直接進(jìn)行后測。同一被試參加對照任務(wù)和運(yùn)動任務(wù)測試的時間間隔不少于72 h，72 h可消除練習(xí)效應(yīng)[19]。在每個session的測試中，被試進(jìn)行Flanker任務(wù)，并同步測量大腦的血液動力學(xué)波動。

1.3 有氧運(yùn)動方案

要求被試保持10 min中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動。中等強(qiáng)度一般指，將運(yùn)動中的最大心率保持在66%左右[4]，即66%HRmax=（220-年齡）×66%。被試通過功率自行車來完成試驗(yàn)要求的運(yùn)動負(fù)荷。有氧運(yùn)動過程中，運(yùn)動強(qiáng)度的調(diào)控主要通過調(diào)節(jié)功率自行車（功率自行車的型號為Ergoselect_II_1000）阻力大小，及被試自我控制運(yùn)動的頻率來完成。預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果顯示，被試踏車頻率在60~70 r/min，功率自行車的阻力為110 w時，可保持中等強(qiáng)度的運(yùn)動強(qiáng)度。被試可通過ALPHA心率監(jiān)測儀來監(jiān)控運(yùn)動中目標(biāo)心率的變化。運(yùn)動中，被試應(yīng)時刻關(guān)注心率檢測儀的數(shù)據(jù)變化，并根據(jù)心率變化與踏車頻率的關(guān)系來調(diào)控運(yùn)動強(qiáng)度。通過上述方法，以確保有氧運(yùn)動的強(qiáng)度保持在60%~69% HRmax的范圍。試驗(yàn)開始前，被試先進(jìn)行2~3 min的熱身運(yùn)動，當(dāng)心率水平達(dá)到相應(yīng)數(shù)值后再開始10 min的有氧運(yùn)動。有氧運(yùn)動結(jié)束后，被試進(jìn)行2 min左右的恢復(fù)練習(xí)（阻力大小為25 w）。

1.4 執(zhí)行心理任務(wù)

執(zhí)行功能的測量所采用的神經(jīng)心理任務(wù)為Flanker箭頭任務(wù)。Flanker任務(wù)的原理如下:箭頭刺激包括一致任務(wù)（>>>>>，< <<<<）和不一致任務(wù)（<<><<，>><>>）2種類型，被試通過判斷不同任務(wù)的中央靶箭頭朝向來做按鍵反應(yīng)。當(dāng)屏幕中間的靶箭頭任務(wù)出現(xiàn)的是“>”圖形，被試應(yīng)以最快的速度按鍵盤右側(cè)的“J”鍵；如果出現(xiàn)“<”圖形，被試按下鍵盤上的“F”鍵。這樣就可以進(jìn)一步計算被試在不同任務(wù)水平下的反應(yīng)時和錯誤率的差異。整個試驗(yàn)環(huán)節(jié)包括2個session，每個session包括8個block，其中一致任務(wù)和不一致任務(wù)各包括4個block。每個block由30個trails的刺激任務(wù)組成，其中每個trail的持續(xù)時間為1 000 ms，即刺激呈現(xiàn)時間400 ms，間隔600 ms。

1.5 局部腦區(qū)血液動力學(xué)監(jiān)測方案

多通道fNIRS（ETG-4000）是一種測量精度高，測量數(shù)據(jù)對噪聲敏感的設(shè)備，在測量過程中需要主試的熟練操作和被試的密切配合，fNIRS在操作過程中有如下注意事項(xiàng)。（1）確保光極帽在不同session水平上的位置一致。如何使前后2次試次的測量位置保持一致是保證試驗(yàn)效果的關(guān)鍵一環(huán)。ETG-4000光極帽包括左右2塊測量面板，每塊測量面板光極為3×5排列方式，包括22個測量通道，左右測量面板共計44個通道。根據(jù)MNI空間“肉眼配準(zhǔn)法”[20]，左側(cè)面板的第23號發(fā)射光極放置在FP1位置，右側(cè)面板的第11號發(fā)射光極放置在FP2位置（見圖3）。如果同一個session的前后2次測量之間，主試用彩色筆將光極放置的主要生理標(biāo)志點(diǎn)在被試頭皮上做出標(biāo)記；如果是不同session的2次測量之間，主試通過拍照的方式來比對2次光極帽佩戴的大致位置。（2）確保fNIRS各通道的光學(xué)信號正常。fNIRS通過發(fā)射和接收2種波長（785和830 nm）的近紅外光來推斷大腦皮層微細(xì)血管的血液動力學(xué)變化（采樣頻率為10 Hz）。由于近紅外光非常敏感，容易受光極和頭皮之間的毛發(fā)、油脂等非介質(zhì)物的影響，這就需要主試對通道的信號強(qiáng)度進(jìn)行檢查。如果發(fā)現(xiàn)有通道出現(xiàn)光學(xué)信號的異常情況，應(yīng)及時調(diào)整光極與頭皮的接觸位置，或是毛發(fā)的遮擋等來提高通道的信號強(qiáng)度。在測量過程中，主試應(yīng)時刻關(guān)注fNIRS系統(tǒng)顯示屏的數(shù)據(jù)信息，如有通道出現(xiàn)信號異常，主試應(yīng)記錄下異常信號所在的被試、試次和通道等信息，并在后期的數(shù)據(jù)處理過程予以針對性處理。

1.6 統(tǒng)計學(xué)方法

2 研究結(jié)果

2.1 運(yùn)動過程心率監(jiān)控與RPE結(jié)果

為了確保被試在10 min的有氧運(yùn)動過程中達(dá)到了中等強(qiáng)度水平，或是后測開始前被試心率恢復(fù)到靜息心率水平，對被試的運(yùn)動前靜息心率、運(yùn)動中每分心率、運(yùn)動后15 min心率值進(jìn)行紀(jì)錄。心率結(jié)果顯示，運(yùn)動中被試10 min的平均心率達(dá)到（121.8± 17.4）次/min，已接近66%HRmax的目標(biāo)心率值。RPE結(jié)果顯示，被試運(yùn)動前后的RPE值差異不顯著（t（15）=-1.293，P>0.05），且RPE值所對應(yīng)的主觀疲勞感覺區(qū)間為“很輕松”與“輕松”。上述結(jié)果表明，被試接受了中等強(qiáng)度運(yùn)動負(fù)荷的刺激，且在運(yùn)動過程中沒有出現(xiàn)由于運(yùn)動疲勞所引起的精神狀態(tài)下降。

2.2 神經(jīng)心理任務(wù)的行為表現(xiàn)

Flanker任務(wù)的行為數(shù)據(jù)包括反應(yīng)時和錯誤率2個部分，預(yù)處理和計算結(jié)果見表1。

表1 大學(xué)生Flanker任務(wù)的行為數(shù)據(jù)Table1 Behavior data of flanker interference of college student

通過方差分析檢驗(yàn)各自變量的主效應(yīng)和交互作用。結(jié)果顯示，反應(yīng)時的Flanker任務(wù)主效應(yīng)顯著（F（1，15）=193.85，P<0.001，η2=0.93），同時，錯誤率的的主效應(yīng)也顯著（F（1，15）=449.42，P< 0.001，η2=0.95）。這說明，研究所選擇的神經(jīng)心理任務(wù)能有效反映各自變量的關(guān)系。

研究進(jìn)一步考察了有氧運(yùn)動對Flanker效應(yīng)的影響，結(jié)果顯示，反應(yīng)時的有氧運(yùn)動和前后測的交互作用顯著（F（1，15）=24.25，P<0.05，η2=0.62），但錯誤率交互作用不顯著（F（1，15）=0.17，P> 0.05）。由上述神經(jīng)心理任務(wù)的試驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)時比錯誤率對有氧運(yùn)動的處理效應(yīng)更為敏感（見圖1）。

圖1 有氧運(yùn)動與前后測的交互作用示意圖Figure1 Interaction between aerobic exercise and session factors

配對樣本T檢驗(yàn)進(jìn)一步對有氧運(yùn)動和前后測的交互作用進(jìn)行計算，比較運(yùn)動任務(wù)與對照任務(wù)的反應(yīng)時（Flanker效應(yīng)的后測-Flanker效應(yīng)的前測）差異，顯示，前者的反應(yīng)時顯著低于后者（t（1，15）=-4.93，P<0.001，r2pb=0.62）。表明，短時的自行車蹬踏運(yùn)動可促進(jìn)大學(xué)生認(rèn)知神經(jīng)任務(wù)的操作表現(xiàn)水平，原假設(shè)1成立（見圖2）。

保山市隆陽區(qū)丙麻鄉(xiāng)屬于山區(qū)，本地不出產(chǎn)煤炭，煤炭外購成本高昂，加之近年來地貌恢復(fù)和植樹護(hù)林形勢嚴(yán)峻。煙葉烘烤對于燃料的需求大，新鮮煙葉8～10 kg才可烤出來1 kg干煙，對于近2 000 t的種煙鄉(xiāng)，每年的燃料需求量巨大，可以說燃料成本已成為當(dāng)?shù)乜緹熒a(chǎn)的重要支出。因此，能耗問題與行業(yè)發(fā)展、地方財稅與煙農(nóng)增收的矛盾越來越激烈。

圖2 大學(xué)生的行為數(shù)據(jù)和Flanker效應(yīng)Figure2 Behavior data and flanker interference of college student

2.3 fNIRS結(jié)果

對血氧信號數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。（1）濾波處理:保留0.04~0.7 Hz之間的成分；（2）整合處理:根據(jù)任務(wù)類型依次統(tǒng)計在一致任務(wù)和不一致任務(wù)水平上的oxy-Hb信號。通過SPSS數(shù)據(jù)包對oxy-Hb信號進(jìn)行統(tǒng)計分析。近紅外光譜設(shè)備可獲得oxy-Hb，deoxy-Hb以及二者之和（total-Hb）3項(xiàng)指標(biāo)。相比deoxy-Hb和total-Hb信號，oxy-Hb信號更能反映大腦神經(jīng)激活水平的變化[21]。因此，研究中通過計算oxy-Hb信號的變化來反映認(rèn)知過程的神經(jīng)激活水平。研究所采用的感興趣區(qū)劃分方法與對老年人群體的研究一致[22]（見圖3）。

各ROIs的oxy-Hb信號均值即為該ROI所包含所有通道的信號均值。這樣，便可以在ROI水平上比較血氧信號的差異（見圖4）。

圖3 fNIRS光極分布與腦區(qū)ROIs劃分的示意圖Figure 3 Placement of fNIRS probes and region of interests（ROIs）

圖4 一致任務(wù)與不一致任務(wù)血氧信號變化的整合圖Figure4 Amplitude of hemoglobin（HB）single of integrated congruent（left）and incongruent（right）task

采用重復(fù)測量方差，分別對6個ROIs的有氧運(yùn)動與前后測的Flanker效應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，R-DLPFC腦區(qū)有氧運(yùn)動和前后測之間的交互作用顯著（F（1，15）=18.02，P<0.001，η2=0.55），同時，R-FPA腦區(qū)有氧運(yùn)動和前后測之間的交互作用也顯著（F（1，15）=16.50，P<0.001，η2=0.52）。結(jié)果表明，有氧運(yùn)動與前后測各水平的處理效應(yīng)引發(fā)了上述2個腦區(qū)Flanker效應(yīng)的oxy-Hb信號顯著變化（見圖5）。

配對樣本T檢驗(yàn)進(jìn)一步比較運(yùn)動任務(wù)與對照任務(wù)的oxy-Hb信號的差異（Flanker效應(yīng)的后測-Flanker效應(yīng)的前測），結(jié)果顯示:在L-DLPFC腦區(qū)上，運(yùn)動任務(wù)的oxy-Hb信號顯著高于對照任務(wù)（t（1，15）=4.25，P<0.001，r2pb=0.55）；在L-FPA腦區(qū)上，運(yùn)動任務(wù)的oxy-Hb信號也顯著高于對照任務(wù)（t（1，15）=4.06，P<0.001，r2pb= 0.52）。這就表明，急性有氧運(yùn)動可顯著提高右側(cè)背外側(cè)前額葉皮質(zhì)（R-DLPFC）和右側(cè)額極區(qū)（R-FPA）的神經(jīng)激活水平，接受原假設(shè)2（見圖6）。

3 分析討論

圖5 L-DLPFC和L-FPA腦區(qū)有氧運(yùn)動和前后測交互作用示意圖Figure5 Interaction between aerobic exercise and session factors of L-DLPFC and L-FPA

圖6 運(yùn)動負(fù)荷對大學(xué)生神經(jīng)激活水平的影響Figure6 Effect of aerobic exercise on Oxy-Hb singles and cerebral activation pattern of college student

3.1 行為和fNIRS實(shí)驗(yàn)結(jié)果的含義

研究旨在探討急性中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對大學(xué)生Flanker任務(wù)表現(xiàn)和神經(jīng)激活水平的影響，并通過行為數(shù)據(jù)和血氧信號的同步變化來反映有氧運(yùn)動與執(zhí)行功能的關(guān)系。

從行為表現(xiàn)來看，一致任務(wù)的RT比不一致任務(wù)更短，且這種變化在有氧運(yùn)動和前后測各水平上重復(fù)出現(xiàn)，這就說明，F(xiàn)lanker任務(wù)可以有效反映試驗(yàn)條件所預(yù)期的處理效應(yīng)。Flanker效應(yīng)的反應(yīng)時差值越小，說明相應(yīng)的執(zhí)行功能就越好。Flanker效應(yīng)的結(jié)果顯示，運(yùn)動任務(wù)反應(yīng)時在后測水平出現(xiàn)了顯著降低，相反，對照任務(wù)的反應(yīng)時卻出現(xiàn)了增加?？梢?，中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動提高了大學(xué)生Flanker任務(wù)的操作表現(xiàn)，這就為急性有氧運(yùn)動增進(jìn)執(zhí)行功能的觀點(diǎn)提供了行為試驗(yàn)證據(jù)。

從fNIRS的結(jié)果來看，急性有氧運(yùn)動對Flanker任務(wù)所引起的oxy-Hb信號產(chǎn)生了顯著影響。fNIRS結(jié)果顯示，有氧運(yùn)動過程中各通道的oxy-Hb信號出現(xiàn)了明顯增強(qiáng)，且R-DLPFC和RFPA腦區(qū)由Flanker效應(yīng)所引發(fā)的oxy-Hb信號也顯著增加。而且，運(yùn)動后R-DLPFC和R-FPA腦區(qū)激活水平的增加，與Flanker任務(wù)過程中行為操作表現(xiàn)的提高同步出現(xiàn)，這就為急性有氧運(yùn)動提高大學(xué)生執(zhí)行功能提供了神經(jīng)生理證據(jù)。

3.2 Flanker任務(wù)的腦激活模式

那么，為何在研究結(jié)果中前額葉的神經(jīng)激活出現(xiàn)在右側(cè)大腦半球？首先，神經(jīng)激活在大腦半球所出現(xiàn)的位置與心理任務(wù)有關(guān)。大腦功能連接的研究表明，處理Flanker效應(yīng)的認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)具有如下特征:由Flanker任務(wù)所引發(fā)的與注意控制相關(guān)的多個腦區(qū)之間的路徑（paths）表現(xiàn)出了顯著的右側(cè)優(yōu)勢[23]。有研究采用元分析方法對多項(xiàng)與Flanker任務(wù)的腦區(qū)激活模式相關(guān)的研究進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果顯示，激活部位主要出現(xiàn)在右側(cè)DLPFC[24]。其次，大腦偏側(cè)優(yōu)勢與年齡密切相關(guān)。有fMRI研究表明，在箭頭Flanker任務(wù)試驗(yàn)中，年輕人和老年人在前額葉皮質(zhì)表現(xiàn)了顯著的偏側(cè)優(yōu)勢，年輕人僅在右側(cè)額下回和額中回出現(xiàn)了顯著激活，但老年人在左側(cè)額上回和額中回也出現(xiàn)了神經(jīng)激活，且后者在右側(cè)半球所出現(xiàn)的激活量比前者少[25]?？梢?，F(xiàn)lanker任務(wù)類型與年齡特征是影響半球偏側(cè)優(yōu)勢的主要因素。

運(yùn)動負(fù)荷對局部腦區(qū)神經(jīng)激活的影響與該腦區(qū)所對應(yīng)的執(zhí)行功能有關(guān)。運(yùn)動負(fù)荷之所以增進(jìn)R-DLPFC和R-FPA腦區(qū)的神經(jīng)活性是因?yàn)椋珼LPFC與工作記憶[13]、決策過程中信息的動態(tài)選擇[26]、自我控制選擇（self-control choices）等方面有關(guān)[27]，而FPA主要與整合多個高級行為目標(biāo)[28]和決策（decisionmaking）[14，29]等功能相關(guān)。這為運(yùn)動后DLPFC和FPA神經(jīng)活性的增加以及右腦偏側(cè)優(yōu)勢的出現(xiàn)提供了理論依據(jù)。

運(yùn)動負(fù)荷對DLPFC和FPA的影響與已有研究具有一致性。彩詞Stroop任務(wù)的fNIRS研究發(fā)現(xiàn)，有氧運(yùn)動可增強(qiáng)左側(cè)DLPFC[11]和FPA[10]腦區(qū)的神經(jīng)激活水平，fMRI研究也支持彩詞Stroop任務(wù)引發(fā)DLPFC激活的觀點(diǎn)，但由Stroop任務(wù)所引起的半球偏側(cè)優(yōu)勢與Flanker任務(wù)的結(jié)果相悖:彩詞Stroop任務(wù)（文字處理）引起右側(cè)半球出現(xiàn)更多的神經(jīng)激活，而箭頭Stroop任務(wù)（空間處理）則引起左側(cè)半球的激活優(yōu)勢[30]。雖說，Stroop和Flanker任務(wù)所對應(yīng)的偏側(cè)優(yōu)勢存在差異，但二者均說明DLPFC和FPA腦區(qū)在執(zhí)行過程中起著非常重要的作用，為急性運(yùn)動負(fù)荷增加2大腦區(qū)的神經(jīng)激活水平提供了理論支撐。

3.3 腦區(qū)激活與認(rèn)知功能的關(guān)系

那么，腦區(qū)激活水平增加與認(rèn)知功能的變化是否存在關(guān)聯(lián)呢？運(yùn)動負(fù)荷促進(jìn)前額葉皮質(zhì)的神經(jīng)活性，可能與DLPFC和FPA腦區(qū)在應(yīng)對注意控制或抑制過程需動用神經(jīng)資源相關(guān)，同時，一致任務(wù)與不一致任務(wù)所引發(fā)的神經(jīng)活性差異也說明，腦區(qū)在應(yīng)對不同難度認(rèn)知任務(wù)時所動用的神經(jīng)資源存在差別[10-11]。有研究結(jié)果進(jìn)一步表明，在急性中等有氧運(yùn)動后，認(rèn)知任務(wù)表現(xiàn)的提高與前額葉皮質(zhì)的神經(jīng)激活增加具有耦合性[10-11]。這就從神經(jīng)激活變化與行為表現(xiàn)2方面進(jìn)一步說明急性負(fù)荷增強(qiáng)了大腦在應(yīng)對執(zhí)行控制任務(wù)過程中動用神經(jīng)資源的能力。

然而，在對照任務(wù)后測水平上，局部腦區(qū)的神經(jīng)激活水平低于前測水平。試驗(yàn)中，對對照條件進(jìn)行嚴(yán)格的控制。對照任務(wù)在前測之后一直保持靜止坐立姿勢，在之后的25 min內(nèi)幾乎沒有肢體運(yùn)動，也幾乎沒有言語的交流。那么，相比運(yùn)動任務(wù)，對照任務(wù)在后測時大腦處于一種抑制狀態(tài)。由此可見，運(yùn)動后R-DLPFC和R-FPA激活水平的提高，可能與中等強(qiáng)度負(fù)荷促進(jìn)被試的清醒程度有關(guān)。對于上述問題，有研究報道表明，在運(yùn)動疲勞過程中DLPFC的神經(jīng)活性會出現(xiàn)降低[31]；另有研究表明，在睡眠之后進(jìn)行詞匯任務(wù)時被試的局部腦區(qū)也會出現(xiàn)下降[32]。可見，不同精神狀態(tài)可能會引起不同的認(rèn)知表現(xiàn)。有研究通過ERP試驗(yàn)對P300的變化進(jìn)行了分析，并提出了如下觀點(diǎn):自然狀態(tài)或是誘發(fā)狀態(tài)（包括運(yùn)動）均會對認(rèn)知過程速度產(chǎn)生顯著影響[33]。

除了精神狀態(tài)可引起腦區(qū)激活水平的變化，身體活動本身與認(rèn)知表現(xiàn)關(guān)系密切。有研究指出，身體活動水平與認(rèn)知表現(xiàn)的變化趨勢呈倒U型分布，即身體活動水平與認(rèn)知表現(xiàn)的增加從開始階段逐漸增加到最高點(diǎn)，然后又出現(xiàn)下降[34]。有氧運(yùn)動與大腦激活水平的研究認(rèn)為，被試在66%最大心率[35]或50% V˙Ο2max強(qiáng)度[11，36]時激活水平最高，太大或太小的負(fù)荷強(qiáng)度不會出現(xiàn)大幅度的神經(jīng)激活。有研究指出，在重復(fù)測量的Stroop任務(wù)中，大腦的激活水平仍然能保持較高水平[37]，這就說明，認(rèn)知任務(wù)的練習(xí)效應(yīng)不會導(dǎo)致神經(jīng)激活水平的顯著降低。因此，急性中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動可促使大腦處于一個良好的激活狀態(tài)，從而進(jìn)一步提高大腦的認(rèn)知功能。

綜上可知，急性運(yùn)動負(fù)荷可提高認(rèn)知表現(xiàn)和增加腦區(qū)激活水平（R-DLPFC和R-FPA），那么，長期有氧運(yùn)動對腦功能所產(chǎn)生的影響是否跟每一次短時有氧運(yùn)動的作用存在某種關(guān)聯(lián)度呢？根據(jù)神經(jīng)影像所提供的證據(jù)，長期運(yùn)動刺激會引起大腦局部腦區(qū)的功能增強(qiáng)，包括DLPFC[38]。最近有研究（大鼠實(shí)驗(yàn)）表明，骨骼肌的長期運(yùn)動可降低大腦衍生營養(yǎng)因子（Brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的閾值[39]，也有關(guān)于長期有氧運(yùn)動可以提高老年人大腦中5-羥色胺活性的報道[40]?？梢姡L期有氧運(yùn)動對執(zhí)行功能產(chǎn)生積極影響，但長期有氧運(yùn)動所帶來的功能增強(qiáng)與急性有氧運(yùn)動短暫作用的關(guān)系仍需進(jìn)一步證明。

4 結(jié) 論

中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動可短暫提升大學(xué)生的執(zhí)行功能水平，其中Flanker任務(wù)的行為操作表現(xiàn)有所提高，右側(cè)背外側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)（R-DLPFC）與右側(cè)額極區(qū)（R-FPA）的神經(jīng)激活水平有所增加，且腦區(qū)的神經(jīng)激活增加與行為操作表現(xiàn)的提高具有一致性。

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Effect of a Bout of Acute Aerobic Exercise on Executive Function（EF）of College Student:Evidences from fNIRS andBehaviorExperiments

WEN Shilin1，XIA Shuhua2，LI Lianjun3，YANG Yang1，TAN Zhengze1，JIANG Changhao1
（1.School of PE，Capital University of Physical Education and Sports，Beijing 100086，China；2 School of PE，Henan Normal University，Xinxiang 453007，China；3.Hunan University of Humanities，Science and Technology，Loudi 417000，China）

Objective:The present study was to explore the effect of a bout of acute aerobic exercise on executive function（EF）of college students and its neural mechanism.Methods:The study examined the effect of 10min acute exercise on behavior performance and brain activation level during the Flanker task of 16 college students using behavior experiments and the non-invasive functional near infrared spectroscopy（fNIRS）methods which was to identify the potential neural substrates activated by the Flanker interference.Results:The Flanker interference of reaction time（RT）of the experimental group was significant lower than the control group（t（1，15）=-4.93，P＜0.001）.The flanker interference of oxy-Hb single of the experiment group was significant higher than the control group in the right dorsolateral prefrontal cortex（R-DLPFC）（t（1，15）=4.25，P＜0.001）and the right frontopolar area（R-FPA）（t（1，15）=4.06，P＜0.001）.Conclusions:The EF behavior performance and the activation level of contralateral brain regions of the young man during Flanker task were significant boomed by the aerobic exercise simultaneously.And the enhanced activation was significantly coincided with the improved cognitive performance. The experiment results provided new evidences of the effect of the aerobic exercise on the EF of the young.

aerobic exercise；college student；executive function；Flanker interference；fNIRS；cerebral activation pattern

G 804.8

：A

1005-0000（2015）06-526-06

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2015.06.011

2015-08-17；

2015-10-30；錄用日期：2015-10-31

首都大學(xué)生思想政治教育研究課題（項(xiàng)目編號:BJSZ2014ZL03）；湖南省教育廳科學(xué)研究優(yōu)秀青年項(xiàng)目（項(xiàng)目編號:11B040）；北京市社科項(xiàng)目（項(xiàng)目編號:132HB008）

文世林（1980-），男，湖南桃江人，博士，講師，研究方向?yàn)檫\(yùn)動促進(jìn)身心健康發(fā)展。

1.首都體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練學(xué)院，北京100086；2.河南師范大學(xué)體育學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453007；3.湖南人文科技學(xué)院，湖南婁底417000。