短時有氧鍛煉對認知控制功能影響的近紅外腦光譜研究

蔣長好 王志鵬

摘要：采用近紅外腦成像技術(shù)并結(jié)合行為任務(wù)，考察中等強度有氧鍛煉對認知控制功能的影響及其大腦的血氧變化特征。方法：22名大學(xué)生被試通過功率自行車完成20 min的中等強度有氧鍛煉，在鍛煉前及鍛煉后被試心率恢復(fù)到鍛煉前水平時，分別完成認知控制任務(wù)。采用多通道近紅外腦光譜成像系統(tǒng)記錄被試大腦額區(qū)的血氧變化。結(jié)果：本研究行為結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與基線狀態(tài)相比，鍛煉后，被試對認知任務(wù)中涉及認知控制的子成分的反應(yīng)準(zhǔn)確性提高，而對于不涉及認知控制的子成分則沒有出現(xiàn)這一效應(yīng)。這一結(jié)果提示短時有氧鍛煉對于認知影響具有選擇性，即有氧鍛煉對于涉及認知控制的任務(wù)表現(xiàn)促進更大；近紅外腦成像結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與基線狀態(tài)相比，20 min的中等強度有氧鍛煉后，被試前額葉的含氧血紅蛋白提高，而且被試在完成認知控制任務(wù)時前額葉的含氧血紅蛋白提高更大，表明大腦額葉腦區(qū)激活更大。這一結(jié)果提示有氧鍛煉后被試在對不斷增長的任務(wù)需求反應(yīng)中，大腦額區(qū)調(diào)制行動控制加工能力更強。結(jié)論：20 min的中等強度有氧鍛煉對認知控制和腦功能有著積極影響，這一影響通過提高抑制任務(wù)表現(xiàn)和增強大腦額葉腦區(qū)激活而實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 有氧鍛煉；近紅外腦成像；認知控制功能；近紅外腦光譜

中圖分類號： G 804.8文章編號：1009783X（2016）04035604文獻標(biāo)志碼： A

認知控制又稱執(zhí)行控制，是一種高級的認知功能，它是個體學(xué)習(xí)和智力活動的核心成分。已有研究發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉在認知控制功能發(fā)展和維持中扮演著重要角色。例如Davis等[1]采用隨機控制實驗方法考察有氧鍛煉干預(yù)對于身體超重兒童執(zhí)行功能的表現(xiàn)影響。研究者將94位平均年齡9歲的身體超重兒童隨機分配至高有氧鍛煉組、低有氧鍛煉組或控制組中，高低有氧鍛煉組均參與為期15周、每周5 d的鍛煉，其中高有氧鍛煉組每天鍛煉40 min，低有氧鍛煉組每天鍛煉20 min，控制組不參加鍛煉干預(yù)。研究發(fā)現(xiàn)，與20 min的低有氧鍛煉組和控制組相比，高有氧鍛煉組的鍛煉干預(yù)對于執(zhí)行控制功能有著顯著的積極影響。

除了上述的長期鍛煉干預(yù)研究，一些研究者也考察了短時鍛煉對認知控制功能的影響。一些研究發(fā)現(xiàn)，短時鍛煉同樣能夠促進執(zhí)行控制[24]。例如，陳愛國等選取30名大學(xué)生，使用功率自行車實施30 min的不同強度有氧運動，并采用flanker任務(wù)、2back任務(wù)和數(shù)字Moreodd shifting任務(wù)，分別測查被試基線、小強度短時有氧運動、中強度短時有氧運動和大強度短時有氧運動后執(zhí)行功能的抑制、刷新和轉(zhuǎn)換3個子功能的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同強度的短時有氧鍛煉對執(zhí)行功能產(chǎn)生選擇性具有積極影響[3]。

但是也有研究發(fā)現(xiàn)一次性有氧鍛煉不能促進一些認知控制功能。如有研究者考察了一次性鍛煉與年齡對過重兒童作業(yè)轉(zhuǎn)換能力的影響。該研究招募69位平均年齡為9.2歲的身體過重兒童，并將他們隨機分派至鍛煉組或控制組。鍛煉組做3 min中等強度的快走鍛煉，采用作業(yè)轉(zhuǎn)換任務(wù)考察被試的認知功能，認知測驗在鍛煉前與鍛煉后即刻完成。結(jié)果顯示，年齡在整體轉(zhuǎn)換成本分?jǐn)?shù)上有顯著影響，然而短時鍛煉對測驗的整體轉(zhuǎn)換成本分?jǐn)?shù)與錯誤率的影響并無差異[5]?？梢?，當(dāng)前關(guān)于短時有氧鍛煉對執(zhí)行控制影響的研究結(jié)果存在較大的分歧，有必要做進一步探討。

另一方面，既往研究對于有氧鍛煉認知功效的腦神經(jīng)機制探討不多，有限的研究主要集中于腦電和功能磁共振研究上。腦電有空間精度不足的局限，功能磁共振有生態(tài)效度不足的局限，而近紅外腦成像（near infrared spectroscopy，NIRS）技術(shù)空間分辨率優(yōu)于腦電，時間分辨率優(yōu)于磁共振，更重要的是其能在自然的運動情境下使用，研究的生態(tài)效度更高，因而更適合鍛煉認知效益的研究[6]；故本研究采用近紅外腦光譜成像技術(shù)考察鍛煉對認知控制功能影響的腦神經(jīng)機制。

本研究采用被試內(nèi)設(shè)計，被試完成20 min中等強度的鍛煉，以靜息狀態(tài)作為控制刺激。在鍛煉期間和靜息狀態(tài)的前后20 min，采用Flanker認知任務(wù)測量，記錄練習(xí)前、期間和恢復(fù)后的指標(biāo)和認知任務(wù)所對應(yīng)的腦區(qū)血氧變化，通過比較基線和20 min的一次性鍛煉后的相關(guān)變量的變化值，考察一次性鍛煉對腦區(qū)功能激活的影響。綜合分析一次性有氧鍛煉對學(xué)習(xí)和認知的影響。

1研究對象與方法

1.1研究對象

22名被試（男11人，女11人）參加本實驗，被試平均年齡20.6歲，均為右利手，視力或矯正視力正常。所有被試均身體健康狀況良好，無精神病或神經(jīng)疾病、物質(zhì)濫用歷史。實驗前，被試須填寫知情同意書。

1.2實驗過程

被試半臥式躺在功率車上，固定好頭部后，先測定2 min基準(zhǔn)值、心率，然后受試者以中等強度進行20 min運動，最后進行3 min的恢復(fù)，恢復(fù)時采取靜止不動狀態(tài)，保持3 min。在鍛煉前及鍛煉后被試心率恢復(fù)到鍛煉前水平時，分別完成認知控制任務(wù)。采用多通道近紅外腦光譜成像系統(tǒng)記錄被試大腦額區(qū)的血氧變化。通過比較基線和鍛煉后的額區(qū)血氧變化特征和認知控制任務(wù)的行為表現(xiàn)，考察短時中等強度有氧鍛煉對兒童認知控制功能和腦功能的影響。flanker任務(wù)流程如圖1所示。

1.3NIRS測量

檢測在光線和聲音減弱的房間進行。被試坐在舒適的凳子上，室內(nèi)環(huán)境安靜。被試被要求盡量保持身體和頭部不動。光極對稱地放置在雙側(cè)額區(qū)，額極測量HB改變在44個測量點、6×30 cm區(qū)域范圍內(nèi)。按照EEG1020系統(tǒng)安放光極，最低探測點放置于Fp1Fp2位置。以0.1 s的時間分辨率計算近紅外光的吸收。

關(guān)于fNIRS的指標(biāo)，本實驗可同時得到氧合血紅蛋白（oxyhemoglobin，oxyHb）和脫氧血紅蛋白（deoxyhemoglobin，deoxyHb）等數(shù)據(jù)。

已有研究表明，deoxyHb可能反映的是靜脈血氧化和流量而不是局部腦血流特征，oxyHb是局部腦血流的最好指標(biāo)[7]；故本研究采用oxyHb作為考察指標(biāo)。

1.4統(tǒng)計學(xué)方法

關(guān)于行為數(shù)據(jù)，對每個被試每個子條件的平均反應(yīng)時和錯誤率進行2（測量時間：前測、后測）×2（一致性：一致、不一致）的重復(fù)測量方差分析；故本研究對fNIRS的oxyHb信號均值進行2（測量時間：前測、后測）×2（一致性：一致、不一致）×2（腦區(qū)：左、右）的重復(fù)測量方差分析。采用IBM SPSS Statictic 22.0統(tǒng)計軟件進行分析，P值采用GreenhouseGeisser法校正，設(shè)定0.05為顯著性水平。

2結(jié)果

2.1行為結(jié)果

按照2（測量時間：前測、后測）× 2（一致性：一致、不一致）的實驗設(shè)計，對每個子條件計算平均反應(yīng)時和錯誤率。對每個被試每個子條件進行反應(yīng)極端值（平均值±3個標(biāo)準(zhǔn)差以外的數(shù)據(jù)）的剔除，共剔除了1.2%的數(shù)據(jù)。隨后，對平均反應(yīng)時進行2×2的重復(fù)測量方差分析。方差分析的結(jié)果顯示：測量時間的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（1，21）= 6.80，P<0.05，鍛煉后被試的反應(yīng)時顯著快于鍛煉前（179 ms vs 189 ms）；一致性的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（1，21）=63.53，P<0.001，被試對一致試次和不一致試次的反應(yīng)時存在差異（173 ms vs 195 ms）。重要的是，測量時間與一致性的交互作用顯著，F(xiàn)（1，21）=4.73，P<0.05，說明沖突控制受到鍛煉干預(yù)的影響。進一步簡單效應(yīng)分析的結(jié)果顯示，對于一致試次，被試的前后測反應(yīng)時差異不顯著（P=0.074）；對于不一致試次，被試的前后測反應(yīng)時差異顯著，F(xiàn)（1，21）=8.35，P<0.01。這說明一次性有氧鍛煉干預(yù)明顯提高了被試的沖突控制能力。

對錯誤率進行同樣的方差分析。結(jié)果顯示，測量時間的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（1，21）=12.37，P<0.005，鍛煉后被試的錯誤率顯著低于鍛煉前（27% vs 24%）；一致性的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（1，21）=145.42，P<0.001，被試對一致試次和不一致試次的反應(yīng)錯誤率存在差異（17% vs 35%）。重要的是，測量時間與一致性的交互作用顯著，F(xiàn)（1，21）=12.28，P<0.005，說明沖突控制受到鍛煉干預(yù)的影響。進一步簡單效應(yīng)分析的結(jié)果顯示：對于一致試次，被試的前后測反應(yīng)時差異不顯著（P=0.29）；對于不一致試次，被試的前后測反應(yīng)時差異顯著，F(xiàn)（1，21）=20.01，P<0.001。

2.2NIRS結(jié)果

對NIRS原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，將頻率小于0.04 Hz和大于0.7 Hz的成分濾除。預(yù)處理之后，計算了左右腦區(qū)不同實驗條件下的含氧血紅蛋白（oxyHb）信號均值；因為相比脫氧血紅蛋白和總血紅蛋白信號，含氧血紅蛋白信號更能反映大腦神經(jīng)激活水平的變化。2×2×2的重復(fù)測量方差分析結(jié)果顯示：測量時間的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（1，21）=5.83，P<0.05；一致性的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（1，21）=67.05，P<0.001；腦區(qū)之間的差異不顯著F（1，21）=2.26，P>0.05。重要的是，測量時間、一致性和腦區(qū)之間的交互作用顯著，F(xiàn)（1，21）= 7.71，P<0.05，說明鍛煉干預(yù)對沖突控制的影響受到左右腦區(qū)的調(diào)制。進一步的簡單效應(yīng)分析結(jié)果顯示：對于一致試次，被試左腦區(qū)的前后測oxyHb信號值差異不顯著（P=0.148）；對于不一致試次，被試左腦區(qū)的前后測oxyHb信號值差異顯著，F(xiàn)（1，21）=8.36，P<0.01。對右腦區(qū)的分析也得到類似結(jié)果。這說明一次性有氧鍛煉干預(yù)有助于提高被試大腦額區(qū)的激活狀態(tài)。

3討論

本研究行為學(xué)數(shù)據(jù)表明，與一致任務(wù)相比，沖突任務(wù)反應(yīng)時明顯增加，正確率明顯下降，隨著任務(wù)難度的增加，被試者反應(yīng)時增加、準(zhǔn)確率下降。這一結(jié)果與已有的行為學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果相一致，表明完成被試復(fù)雜任務(wù)需要消耗更多的認知資源。關(guān)于鍛煉對認知控制影響的行為結(jié)果顯示，與基線狀態(tài)相比，20 min的中等強度有氧鍛煉后，被試對認知任務(wù)中涉及認知控制的子成分（即不一致試次）的反應(yīng)準(zhǔn)確性提高，而對于不涉及認知控制的子成分（即一致試次）則沒有出現(xiàn)這一效應(yīng)。這一結(jié)果提示，短時有氧鍛煉對于認知影響具有選擇性，即有氧鍛煉對于涉及認知控制的任務(wù)表現(xiàn)促進效應(yīng)更大。

近紅外腦成像結(jié)果顯示，與基線狀態(tài)相比，20 min的中等強度有氧鍛煉后，被試前額葉的oxyHb提高，而且被試在完成認知控制任務(wù)時前額葉的oxyHb提高更大。oxyHb水平增加反映了大腦皮層神經(jīng)元細胞激活而引發(fā)的局部腦血流增加，表明大腦額葉腦區(qū)激活更強。按照神經(jīng)細胞耦合原理，局部腦氧合增加提示大腦需要募集更多的神經(jīng)資源[8]。本研究中，在沖突任務(wù)條件下，需要募集更多的神經(jīng)資源，以應(yīng)對當(dāng)前的沖突情境。這一結(jié)果也進一步印證了已有的研究假設(shè)：采用NIRS技術(shù)得到的運動中的oxyHb信號，可以作為判斷個體在執(zhí)行任務(wù)過程中的大腦加工活動監(jiān)控的一個檢測指標(biāo)[9]。

本研究NIRS測量覆蓋的區(qū)域主要是前額葉區(qū)，這一區(qū)域涉及自上而下的注意控制，本研究發(fā)現(xiàn)中等強度有氧鍛煉后，被試前額葉的激活增加，表明這一鍛煉可以改善大腦額區(qū)功能，因而被試在完成復(fù)雜的認知調(diào)控任務(wù)時，大腦調(diào)制行動控制加工的能力更強，任務(wù)表現(xiàn)更好。

上述結(jié)果與已有的腦成像研究結(jié)果相類似，例如，陳愛國等選擇10歲兒童為研究對象，使用flanker任務(wù)評價認知控制功能，研究者綜合利用體育測量技術(shù)、心理測量技術(shù)和功能磁共振成像技術(shù)，檢測一次30 min的短時中等強度有氧運動前、后兒童認知控制功能及腦激活模式的特征性變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，短時中等強度有氧運動對兒童認知控制功能產(chǎn)生積極的改善效應(yīng)，短時中等強度有氧運動能使兒童認知控制功能腦激活模式發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為兒童認知控制功能腦激活模式中的雙側(cè)額上回、雙側(cè)額中回、雙側(cè)頂上小葉和左側(cè)頂下小葉激活程度增加，左側(cè)前扣帶回激活減弱。提示一次30 min的短時中等強度有氧運動能改善兒童的認知控制功能[10]。本研究采用近紅外光譜成像技術(shù)，就這一設(shè)備的空間分辨率而言，不及核磁成像技術(shù)；但是同樣發(fā)現(xiàn)前額葉腦區(qū)的激活，表明這一腦區(qū)在認知控制任務(wù)完成中扮演重要角色。

然而本研究結(jié)果仍與部分已有結(jié)果相沖突，例如，一項研究讓35名年齡在13～14歲的學(xué)生分別完成有氧運動或靜坐休息，采用flanker和Go Nogo 2種認知控制任務(wù)考察短時有氧鍛煉對執(zhí)行控制功能的影響及其與大腦神經(jīng)電活動的關(guān)聯(lián)。研究結(jié)果表明，短時有氧鍛煉對被試的腦電P3振幅沒有產(chǎn)生影響，提示這一研究中鍛煉的腦認知效應(yīng)并不明顯。上述的研究結(jié)果的差異可能與選取的被試年齡特征、作業(yè)任務(wù)的性質(zhì)和有氧鍛煉負荷、測量的時間點等研究變量的控制差異有關(guān)[11]。進一步的研究應(yīng)控制相關(guān)變量，以精確厘清一次性有氧鍛煉和認知控制功能之間的關(guān)系。

4結(jié)論

綜上所述，有氧鍛煉干預(yù)對認知控制和腦功能有著積極影響，這一影響通過提高抑制任務(wù)表現(xiàn)和增強大腦額葉腦區(qū)激活而實現(xiàn)。此結(jié)果對未來干預(yù)處方的設(shè)計有一定的啟發(fā)意義。

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