大學(xué)生有氧運(yùn)動(dòng)能力與執(zhí)行功能的關(guān)系：皮層厚度的中介作用

朱麗娜，殷恒嬋*，陳愛國，張海娣，熊 軒，陳丹丹，崔 蕾，王 源

執(zhí)行功能（executive function）是指在完成復(fù)雜的認(rèn)知任務(wù)時(shí)，對(duì)其他認(rèn)知過程進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的高級(jí)認(rèn)知過程，包含3個(gè)子功能，即抑制功能、刷新功能和轉(zhuǎn)換功能（Funahashi，2001）。執(zhí)行功能作為個(gè)體認(rèn)知、情緒和社會(huì)功能的核心，對(duì)個(gè)體身心健康發(fā)展和社會(huì)和諧穩(wěn)定有重要作用。因此，探討影響個(gè)體執(zhí)行功能發(fā)展的因素成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。

有氧運(yùn)動(dòng)能力是影響執(zhí)行功能發(fā)展的一個(gè)重要因素（季泰等，2014）。有氧運(yùn)動(dòng)能力又稱有氧體適能、有氧耐力，是機(jī)體持久工作的基礎(chǔ)，最大攝氧量（O2max）是反映個(gè)體有氧運(yùn)動(dòng)能力的重要運(yùn)動(dòng)指標(biāo)之一。研究提示，增加體育鍛煉水平和提高有氧運(yùn)動(dòng)能力有益于個(gè)體執(zhí)行功能的健康發(fā)展。因此，探究有氧運(yùn)動(dòng)能力與執(zhí)行功能的關(guān)系，有助于我們?nèi)胬斫膺\(yùn)動(dòng)對(duì)執(zhí)行功能影響的內(nèi)在機(jī)制，為有氧運(yùn)動(dòng)能力對(duì)執(zhí)行功能產(chǎn)生積極影響的觀點(diǎn)提供理論依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，較高的有氧運(yùn)動(dòng)能力，有助于兒童更有效地抑制與任務(wù)無關(guān)的干擾信息和更好地提高記憶準(zhǔn)確性（Chaddock et al.，2011，2012；Monti et al.，2012；Scudder et al.，2014；Voss et al.，2011），以及緩解老年人因衰老引發(fā)的視覺空間、抑制和記憶功能的退化（Boots et al.，2015；Brown et al.，2010；Voss et al.，2010）。然而，少量的成年人研究中，關(guān)于有氧運(yùn)動(dòng)能力與執(zhí)行功能各子功能關(guān)系的結(jié)論并不一致（Scisco et al.，2008；Scott et al.，2016；Themanson et al.，2006）。這可能與研究對(duì)象（包含年輕人和中年人）的年齡跨度較大有關(guān)，使得研究結(jié)果不一致。因此，有必要全面的探討有氧運(yùn)動(dòng)能力與大學(xué)生執(zhí)行功能3個(gè)子功能的關(guān)系。

腦成像技術(shù)的快速發(fā)展為全面揭示有氧運(yùn)動(dòng)能力與執(zhí)行功能關(guān)系的潛在生理機(jī)制提供了新的研究視角。腦的結(jié)構(gòu)可塑性特征在有氧運(yùn)動(dòng)能力和執(zhí)行功能關(guān)系之間起到中介作用，可能是有氧運(yùn)動(dòng)能力能夠影響執(zhí)行功能的潛在神經(jīng)通路。來自兒童和老年人群體的研究表明，有氧運(yùn)動(dòng)能力越高，執(zhí)行功能行為表現(xiàn)越好，腦的可塑性特征表現(xiàn)為更集中的功能活動(dòng)模式和更高效的網(wǎng)絡(luò)連接效率，或是更高的白質(zhì)完整性和更大的前額葉、海馬灰質(zhì)體積的特征，且前額葉、海馬等灰質(zhì)體積在有氧運(yùn)動(dòng)能力與執(zhí)行功能的關(guān)系中起到中介作用（Hyodo et al.，2016；Oberlin et al.，2016；Weinstein et al.，2012）。雖然有研究指出有氧運(yùn)動(dòng)能力與年輕人群的灰質(zhì)皮層厚度相關(guān)（Williams et al.，2017），然而，大學(xué)生有氧運(yùn)動(dòng)能力、皮層厚度和執(zhí)行功能三者的關(guān)系尚未完全揭示，尤其是皮層厚度是否為有氧運(yùn)動(dòng)能力影響個(gè)體執(zhí)行功能的潛在神經(jīng)機(jī)制仍然不清楚。

皮層厚度是描繪腦的結(jié)構(gòu)可塑性特征的重要指標(biāo)，反映了灰質(zhì)外表面與白質(zhì)內(nèi)表面的距離，通過基于腦區(qū)的皮質(zhì)表面形態(tài)學(xué)（region-based morphometry，RBM）分析方法獲得精細(xì)的皮層表面形態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)信息，使腦的結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)延伸至灰質(zhì)皮層表面形態(tài)學(xué)的分析（Delvecchio et al.，2019）。大學(xué)生處于成年早期，腦灰質(zhì)皮層成熟趨勢由兒童期皮質(zhì)增厚轉(zhuǎn)向青少年期皮質(zhì)變薄，且皮層厚度可有效預(yù)測其執(zhí)行功能的發(fā)展，表現(xiàn)為額、頂葉區(qū)域的皮層厚度越大，或扣帶回區(qū)域皮質(zhì)厚度越薄，執(zhí)行功能越好（Burzynska et al.，2012）。因此，皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力與大學(xué)生執(zhí)行功能關(guān)系中是否起到中介作用值得深入分析。

本研究以大學(xué)生為研究對(duì)象，綜合使用體育測量技術(shù)、心理測量法和結(jié)構(gòu)磁共振成像技術(shù)探討有氧運(yùn)動(dòng)能力與執(zhí)行功能、皮層厚度的關(guān)系，進(jìn)一步分析皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力與執(zhí)行功能關(guān)系中發(fā)揮的中介作用，為揭示大學(xué)生有氧運(yùn)動(dòng)能力與執(zhí)行功能關(guān)系及其潛在神經(jīng)機(jī)制提供新證據(jù)。本研究提出兩個(gè)假設(shè)：1）大學(xué)生各腦區(qū)皮層厚度及執(zhí)行功能在高、低有氧運(yùn)動(dòng)能力組間存在差異；2）皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力和執(zhí)行功能的關(guān)系中起中介作用。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究獲得揚(yáng)州大學(xué)附屬醫(yī)院倫理與人類保護(hù)委員會(huì)倫理批準(zhǔn)。在某大學(xué)招募選取18～20歲在校大學(xué)生，標(biāo)準(zhǔn)為：1）無精神障礙及遺傳病史，目前精神狀況良好；2）被試視力或矯正視力＞0.8，無色盲和色弱；3）無嚴(yán)重身體疾病，無腦創(chuàng)傷及神經(jīng)系統(tǒng)病史，無藥物和酒精依賴史或其他可能影響腦結(jié)構(gòu)與功能的疾?。?）右利手；5）采用瑞文標(biāo)準(zhǔn)推理測驗(yàn)（raven's standard progressive matrices，SPM）排除智力異常的大學(xué)生；6）采用某大學(xué)附屬醫(yī)院腦成像中心被試檢查單，檢查是否滿足磁共振掃條件，如體內(nèi)無植入金屬（如金屬假牙等），身上未裝有電子的、磁的或機(jī)械的設(shè)備（如心臟起搏器）等；7）所有被試簽署知情同意書。最終，217名（其中男98名，女生119名）在校大學(xué)生符合本實(shí)驗(yàn)選取標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 有氧運(yùn)動(dòng)能力測試與分組

測試前，所有被試填寫體力活動(dòng)準(zhǔn)備問卷，確保前一天未進(jìn)行大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，也未服用對(duì)神經(jīng)刺激或抑制的藥物和飲料等。正式測試前進(jìn)行3～5 min的準(zhǔn)備活動(dòng)，防止運(yùn)動(dòng)損傷，并測量其基礎(chǔ)心率（heat rate，HR），待心率恢復(fù)到安靜狀態(tài)，開始運(yùn)動(dòng)。測試過程中，采用Polar心率帶監(jiān)測運(yùn)動(dòng)中的心率變化。所有被試滿足下述指標(biāo)的任意4項(xiàng)即為達(dá)到O2max：1）隨著負(fù)荷遞增，吸氧量不變或稍有下降（1 500 ml/min）；2）呼吸商大于1.1；3）HR大于180 b/min；4）雖經(jīng)反復(fù)鼓勵(lì)，被試仍不能保持55～60 r/min的踏車速率。測試完畢后，記錄最大攝氧量數(shù)值，休息5 min左右，待被試身體無異常反應(yīng)后方可離開。將最大攝氧量數(shù)值（L/kg/min）乘以1 000再除以體重（kg），獲得相對(duì)最大攝氧量（ml/min/kg），即有氧運(yùn)動(dòng)能力。

參考文獻(xiàn)的分組方法（Chaddock-Heyman et al.，2015），將有氧運(yùn)動(dòng)能力＜30百分位的被試分為低有氧運(yùn)動(dòng)能力組（65人，其中男29名，女36名），有氧運(yùn)動(dòng)能力＞70百分位的被試分為高有氧運(yùn)動(dòng)能力組（65人，其中男39名，女26名）。

1.3 執(zhí)行功能測試工具

本研究采用Flanker任務(wù)、2-back任務(wù)和More-odd shifting任務(wù)分別評(píng)估抑制功能、刷新功能和轉(zhuǎn)換功能，該測試工具具有較高的信效度，并得到同行專家的一致認(rèn)可（陳愛國 等，2015；顏軍 等，2012；殷恒嬋，2014）。測試指標(biāo)為反應(yīng)時(shí)/ms和正確率/%：反應(yīng)時(shí)越短，代表該功能運(yùn)行效率越高；正確率越高，代表該功能運(yùn)行效能越好。

1.4 結(jié)構(gòu)磁共振數(shù)據(jù)采集與皮層厚度數(shù)據(jù)處理

采用GE Discovery MR750W 3.0 T磁共振成像完成圖像采集。T1-MPRAGE序列結(jié)構(gòu)像掃描參數(shù)如下：TR/TE=7.20/3.06 ms，TI=450 ms，slice thickness=1.00 mm，flip angle=12°，acquisition matrix=256*256，field of view=256*256 mm。

皮層厚度的數(shù)據(jù)處理如下：基于Matlab（2017）平臺(tái)，采用SPM 12軟件的CAT12工具箱對(duì)T1-MPRAGE數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化預(yù)處理，完成3D-T1WI圖像皮質(zhì)表面的重組。1）配準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化：3D-T1WI圖像空間配準(zhǔn)到蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所標(biāo)準(zhǔn)解剖空間。2）分割：將配準(zhǔn)后的3D-T1WI圖像分割為灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液，對(duì)分割后的灰質(zhì)圖像進(jìn)行強(qiáng)度校正。3）自動(dòng)化重組腦表面：包括皮質(zhì)表面配準(zhǔn)、折疊表面的膨脹曲面細(xì)分和拓?fù)鋵W(xué)缺陷的自動(dòng)校正。4）圖像質(zhì)量控制：檢查所有圖像的同質(zhì)性。5）空間平滑：平滑核大小為15 mm，以提高圖像的信噪比。6）基于Desikan-Killiany-Tourville（DKT）皮質(zhì)表面圖譜自動(dòng)標(biāo)記皮質(zhì)模板，提取感興趣區(qū)的皮層厚度數(shù)值（Klein et al.，2012）。7）由于左、右腦皮層厚度存在顯著的相關(guān)性（所有相關(guān)系數(shù)r＞0.259，P＜0.026），且未證實(shí)有氧運(yùn)動(dòng)能力對(duì)雙側(cè)腦皮層厚度有影響差異，因此對(duì)左、右腦皮層厚度測量值進(jìn)行平均計(jì)算（Chaddock-Heyman et al.，2015）。

本研究感興趣的先驗(yàn)?zāi)X區(qū)是與執(zhí)行功能密切相關(guān)的腦區(qū)（Funahashi，2001），包括額葉（前額葉、額中回、額上回）、頂葉（頂上小葉、頂下小葉）、顳葉（顳上回、顳中回、顳下回）、外側(cè)枕葉和扣帶回（前扣帶、后扣帶），共11個(gè)皮質(zhì)區(qū)域，皮質(zhì)表面的區(qū)域標(biāo)記方法參照了FreeSurfer的皮質(zhì)表面算法（Klein et al.，2012）。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 21.0，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用卡方檢驗(yàn)、獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，比較高、低有氧運(yùn)動(dòng)能力兩組被試在人口統(tǒng)計(jì)學(xué)變量、有氧運(yùn)動(dòng)能力水平和執(zhí)行功能各維度的差異；采用多元方差分析（MANOVA），考察11個(gè)感興趣區(qū)皮層厚度在高、低有氧運(yùn)動(dòng)能力兩組被試間的差異，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步檢驗(yàn)高、低有氧運(yùn)動(dòng)能力組間皮層厚度具有顯著性差異的腦區(qū)；采用偏相關(guān)分析，控制性別、年齡和BMI，檢驗(yàn)有氧運(yùn)動(dòng)能力、皮層厚度（兩組間具有顯著性差異的腦區(qū)）與執(zhí)行功能各子功能反應(yīng)時(shí)的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步采用Process插件Model 4，檢驗(yàn)皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力和執(zhí)行功能關(guān)系中的中介作用，采用偏差校正的百分位Bootstrap法，通過抽取5 000個(gè)Bootstrap樣本，估計(jì)中介效應(yīng)的95%置信區(qū)間。

2 結(jié)果

2.1 兩組大學(xué)生人口統(tǒng)計(jì)學(xué)、有氧運(yùn)動(dòng)能力和執(zhí)行功能的差異分析

對(duì)兩組被試的性別采用卡方檢驗(yàn)，結(jié)果顯示（χ2=0.502，P=0.479＞0.05）差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；對(duì)兩組被試的年齡、BMI（體重/身高2）進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，年齡[t（128）=1.813，P=0.072＞0.05]差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，BMI[t（128）=3.443，P＜0.001]差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

對(duì)兩組被試的有氧運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，最大攝氧量[t（128）=-19.587，P＜0.001]和相對(duì)最大攝氧量[t（128）=-34.014，P＜0.001]的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明高有氧運(yùn)動(dòng)能力組被試的有氧運(yùn)動(dòng)能力顯著好于低有氧運(yùn)動(dòng)能力組。

對(duì)兩組被試執(zhí)行功能各子功能進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，兩組被試間抑制功能反應(yīng)時(shí)[t（128）=2.356，P=0.02＜0.05]、刷新功能反應(yīng)時(shí)[t（128）=2.473，P=0.015＜0.05]和轉(zhuǎn)換功能反應(yīng)時(shí)[t（128）=6.514，P＜0.001]的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明與低有氧運(yùn)動(dòng)能力相比，執(zhí)行功能的3個(gè)子功能運(yùn)行效率更高。兩組被試間刷新功能正確率[t（128）=-2.344，P=0.021＜0.05]的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但抑制功能[t（128）=-0.798，P=0.426＞0.05]和轉(zhuǎn)換功能正確率[t（128）=-0.693，P=0.490＞0.001]的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明高有氧運(yùn)動(dòng)能力組的運(yùn)行效能僅在刷新功能上比低有氧運(yùn)動(dòng)能力組更好（表1）。

2.2 有氧運(yùn)動(dòng)能力對(duì)大學(xué)生灰質(zhì)皮層厚度影響的結(jié)果分析

采用多元方差分析法，將BMI作為協(xié)變量，檢驗(yàn)有氧運(yùn)動(dòng)能力對(duì)11個(gè)感興趣區(qū)皮層厚度的影響。結(jié)果顯示：高、低有氧運(yùn)動(dòng)能力對(duì)大學(xué)生11個(gè)感興趣區(qū)皮層厚度[Wilks'Lambda=0.843，F(xiàn)（11，117）=1.954，P=0.036＜0.05，ηp2=0.157]的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。組間效應(yīng)檢驗(yàn)顯示，前額葉[F（1，127）=6.573，P=0.012＜0.025，ηp2=0.049]和后扣帶回[F（1，127）=7.204，P=0.008＜0.025，ηp2=0.054]的皮層厚度均存在差異，采用Bonferroni法進(jìn)行校正的α水平為0.025。分析發(fā)現(xiàn)，與低有氧運(yùn)動(dòng)能力組相比，高有氧運(yùn)動(dòng)能力組的前額葉皮層更厚，后扣帶回皮層更薄，表明較高有氧運(yùn)動(dòng)能力可促進(jìn)前額葉皮層增厚、后扣帶回灰質(zhì)皮層變?。ū?）。

表1 兩組被試人口統(tǒng)計(jì)、有氧運(yùn)動(dòng)能力和執(zhí)行功能Table 1 Participants' Demographics，Aerobic Fitness and Executive Function M±SD

表2 高、低有氧運(yùn)動(dòng)能力兩組被試腦區(qū)皮層厚度Table 2 The Differences of Cortical Thickness Between Two Groups M±SD

2.3 有氧運(yùn)動(dòng)能力、皮層厚度和執(zhí)行功能的相關(guān)分析

采用偏相關(guān)分析，控制年齡、性別和BMI，檢驗(yàn)有氧運(yùn)動(dòng)能力、皮層厚度和執(zhí)行功能各子功能反應(yīng)時(shí)、正確率的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）有氧運(yùn)動(dòng)能力與前額葉皮層厚度呈正相關(guān)關(guān)系（r=0.210，P=0.018＜0.05）（圖 1d），與后扣帶回皮層厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.219，P=0.013＜0.05）（圖1e），表明有氧運(yùn)動(dòng)能力水平越高，前額葉皮層越大，后扣帶回皮層越薄。2）前額葉皮層厚度與抑制、刷新、轉(zhuǎn)換功能的反應(yīng)時(shí)和正確率均無顯著性相關(guān)關(guān)系；后扣帶回皮層厚度與抑制、刷新功能反應(yīng)時(shí)和正確率均無顯著性相關(guān)關(guān)系，與轉(zhuǎn)換功能反應(yīng)時(shí)呈正相關(guān)關(guān)系（r=0.291，P＜0.001）（圖1f），與轉(zhuǎn)換功能正確率則無顯著性相關(guān)關(guān)系，表明后扣帶回皮層越薄，轉(zhuǎn)換功能的運(yùn)行效率越高。3）有氧運(yùn)動(dòng)能力與刷新功能反應(yīng)時(shí)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.184，P＜0.05）（圖1a），與刷新功能正確率呈正相關(guān)關(guān)系（r=0.202，P＜0.05）（圖1c），與轉(zhuǎn)換功能反應(yīng)時(shí)呈顯著性負(fù)相關(guān)（r=-0.490，P＜0.001）（圖 1b），表明有氧運(yùn)動(dòng)能力越高，刷新功能運(yùn)行效率和效能越好，轉(zhuǎn)換功能運(yùn)行效率越高。

圖1 有氧運(yùn)動(dòng)能力、皮層厚度與執(zhí)行功能的相關(guān)關(guān)系Figure 1.Correlation betweenAerobic Capacity，Cortical Thickness and Executive Function

2.4 皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力與轉(zhuǎn)換功能關(guān)系間的中介作用檢驗(yàn)

本研究發(fā)現(xiàn)，有氧運(yùn)動(dòng)能力、后扣帶回皮層厚度和轉(zhuǎn)換功能反應(yīng)時(shí)之間存在顯著性相關(guān)關(guān)系。為進(jìn)一步檢驗(yàn)假設(shè)2，采用Hayes（2012）SPSS宏中的Model 4（簡單中介模型），控制性別、年齡和BMI，對(duì)后扣帶回皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力和轉(zhuǎn)換功能關(guān)系的中介效應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有氧運(yùn)動(dòng)能力對(duì)轉(zhuǎn)換功能的預(yù)測作用顯著（B=-0.532，t=-6.277，P＜0.001）。放入中介變量后，有氧運(yùn)動(dòng)能力對(duì)轉(zhuǎn)換功能的直接預(yù)測作用依然顯著（B=-0.487，t=-5.712，P＜0.001）。有氧運(yùn)動(dòng)能力對(duì)后扣帶回皮層厚度的負(fù)向預(yù)測作用顯著（B=-0.238，t=2.512，P＜0.05），后扣帶回皮層厚度對(duì)轉(zhuǎn)換功能的正向預(yù)測作用也顯著（B=0.189，t=2.413，P＜0.05）。此外，有氧運(yùn)動(dòng)能力對(duì)轉(zhuǎn)換功能影響的直接效應(yīng)及后扣帶回皮層厚度的中介效應(yīng)的Bootstrap 95%置信區(qū)間的上、下限均不包含0。這表明有氧運(yùn)動(dòng)能力不僅能夠直接預(yù)測轉(zhuǎn)換功能，而且能夠通過后扣帶回皮層厚度的中介作用預(yù)測轉(zhuǎn)換功能。該直接效應(yīng)（-0.487）和中介效應(yīng)（-0.045）分別占總效應(yīng)（-0.532）的91.54%、8.45%（表3，表4，圖2）。

表3 后扣帶回皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力與轉(zhuǎn)換功能關(guān)系間的中介模型檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Indirect Model Test of Posterior Cingulate Cortex Thickness

3 討論

3.1 大學(xué)生有氧運(yùn)動(dòng)能力在不同人口統(tǒng)計(jì)學(xué)變量上的差異

本研究發(fā)現(xiàn)，高、低有氧運(yùn)動(dòng)能力組在性別和年齡上同質(zhì)，BMI、最大攝氧量和相對(duì)最大攝氧量存在顯著性差異，提示BMI是影響個(gè)體有氧運(yùn)動(dòng)能力水平的一個(gè)因素。這與以往研究一致。Rauner等（2013）指出，超重或肥胖帶來的脂肪含量增加與有氧運(yùn)動(dòng)能力下降具有相關(guān)關(guān)系。因此，隨后的分析中，將BMI作為協(xié)變量進(jìn)行控制。

表4 總效應(yīng)、直接效應(yīng)及中介效應(yīng)分解Table 4 Decompositions List of Total Effect，Direct Effect and Intermediate Effect

圖2 后扣帶回皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力與轉(zhuǎn)換功能關(guān)系間的中介作用Figure 2.The Mediating Effect of Posterior Cingulate Cortex Thickness on the Relationship betweenAerobic Fitness and Cognitive Flexibility

3.2 有氧運(yùn)動(dòng)能力水平與皮層厚度和執(zhí)行功能的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)，與低有氧運(yùn)動(dòng)能力相比，高有氧運(yùn)動(dòng)能力大學(xué)生執(zhí)行功能中的抑制、轉(zhuǎn)換子功能運(yùn)行效率更高，刷新功能運(yùn)行效率和效能均更高，前額葉的皮層厚度增加，后扣帶回的皮層厚度變薄。這與以往研究一致。Themanson等（2006）發(fā)現(xiàn)，與低有氧運(yùn)動(dòng)能力組相比，高有氧運(yùn)動(dòng)能力組年輕成人表現(xiàn)出較好的對(duì)無關(guān)信息和錯(cuò)誤信息的監(jiān)控能力，即抑制功能的運(yùn)行效率和效能均更好。Scott等（2016）發(fā)現(xiàn)，有氧體適能程度越高，刷新功能的行為表現(xiàn)越好，額頂葉網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)功能越有效。Scisco等（2008）發(fā)現(xiàn)，高有氧體適能組和低有氧體適能組的大學(xué)生在轉(zhuǎn)換功能上存在差異，且高有氧體適能組大學(xué)生表現(xiàn)較好。本研究再次驗(yàn)證有氧運(yùn)動(dòng)能力越高的個(gè)體，其執(zhí)行功能中的各子功能運(yùn)行效率更高，刷新功能還表現(xiàn)出更好的運(yùn)行效能。這為全面揭示有氧運(yùn)動(dòng)能力與大學(xué)生執(zhí)行功能3個(gè)子功能的關(guān)系提供了新證據(jù)。

本研究發(fā)現(xiàn)，較高有氧運(yùn)動(dòng)能力與前額葉皮層厚度增加有關(guān)。這與以往的研究一致。Herting等（2013，2014）發(fā)現(xiàn)，高適能青少年比低適能青少年表現(xiàn)出更高的平均活動(dòng)水平和最大活動(dòng)水平，以及更好的最大攝氧量；有氧運(yùn)動(dòng)能力和額葉、運(yùn)動(dòng)區(qū)域的白質(zhì)連接有關(guān)。Burzynska等（2012）發(fā)現(xiàn)，年輕成人與老年人相比，額葉的皮層厚度越大，執(zhí)行功能表現(xiàn)更好，這種關(guān)系在老年人中比年輕成人更強(qiáng)。本研究未發(fā)現(xiàn)前額葉皮層厚度與執(zhí)行功能3個(gè)子功能相關(guān)，可能與研究對(duì)象是處于成年早期的大學(xué)生前額葉皮層厚度與執(zhí)行功能的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系較低有關(guān)?；谝陨险J(rèn)識(shí)，本研究認(rèn)為，較高的有氧運(yùn)動(dòng)能力與前額葉皮質(zhì)厚度增加有關(guān)，推測成年早期前額葉在執(zhí)行功能的加工過程中占據(jù)核心地位，較高的有氧運(yùn)動(dòng)能力提高了前額葉皮質(zhì)的可塑性。

本研究發(fā)現(xiàn)，較高的有氧運(yùn)動(dòng)能力與后扣帶回皮層厚度變薄相關(guān)，且后扣帶回皮層厚度變薄與更短的轉(zhuǎn)換功能反應(yīng)時(shí)呈正相關(guān)。后扣帶回是一個(gè)高度連接和代謝活躍的腦區(qū)域，是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)（Hayden et al.，2010；Pearson et al.，2011）。當(dāng)兩項(xiàng)任務(wù)競爭同一認(rèn)知資源時(shí)，后扣帶回在這一過程中起相互轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)與控制作用。此外，兩個(gè)任務(wù)進(jìn)行切換時(shí)，需要抑制后扣帶回皮質(zhì)中神經(jīng)元的活動(dòng)，反映了默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)中后扣帶回皮質(zhì)與其他腦區(qū)在控制過程中相互競爭（Leech et al.，2014；Smallwood et al.，2013）。研究發(fā)現(xiàn)，在青少年晚期和成年早期，灰質(zhì)皮層厚度表現(xiàn)為從增厚到變薄的成熟趨勢（Shaw et al.，2006），提示成年早期的后扣帶回皮層厚度變薄是皮質(zhì)成熟的表現(xiàn)，以提高轉(zhuǎn)換功能運(yùn)行效率。Castro等（2016）發(fā)現(xiàn)，有氧運(yùn)動(dòng)能力與成年個(gè)體局部扣帶回皮層厚度及灰質(zhì)體積下降相關(guān)。綜上所述，較高有氧運(yùn)動(dòng)能力有益于成年早期大學(xué)生后扣帶回區(qū)域的皮質(zhì)成熟，促進(jìn)后扣帶回皮層厚度變薄，提高轉(zhuǎn)換功能運(yùn)行效率。

3.3 后扣帶回皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力與執(zhí)行功能關(guān)系中的中介作用

本研究表明，有氧運(yùn)動(dòng)能力不僅能夠直接預(yù)測轉(zhuǎn)換功能反應(yīng)時(shí)，而且能夠通過后扣帶回皮層厚度的中介作用預(yù)測轉(zhuǎn)換功能反應(yīng)時(shí)。本研究在中介作用檢驗(yàn)中對(duì)性別、年齡和BMI等無關(guān)變量進(jìn)行控制，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行Bootstrap校正，統(tǒng)計(jì)方法嚴(yán)謹(jǐn)，結(jié)果科學(xué)可靠。本研究中，后扣帶回皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力與轉(zhuǎn)換功能關(guān)系中的間接效應(yīng)占比僅8.45%。這一結(jié)果具有合理性。首先，皮層厚度是腦的可塑性特征的一個(gè)方面。研究發(fā)現(xiàn)，有氧運(yùn)動(dòng)能力對(duì)腦的可塑性影響還體現(xiàn)在腦功能和結(jié)構(gòu)的其他指標(biāo)上。如Erickson（2009）等表明，高運(yùn)動(dòng)能力的老年人有著更大的海馬體積，更好的記憶能力，海馬體積在一定程度上調(diào)節(jié)了有氧運(yùn)動(dòng)能力與空間記憶之間的關(guān)系。對(duì)兒童和健康年輕成年人的研究發(fā)現(xiàn)，海馬體積在有氧運(yùn)動(dòng)能力與聯(lián)想記憶的關(guān)系中起到中介或調(diào)節(jié)作用（Chaddock et al.，2010；Schwarb et al.，2017）。其次，后扣帶回區(qū)域皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力和轉(zhuǎn)換功能中起到中介效應(yīng)，但執(zhí)行功能的加工過程依賴多個(gè)腦區(qū)的協(xié)同作用（Diamond，2013）。因此，后扣帶回僅是執(zhí)行功能協(xié)同工作網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)區(qū)域，對(duì)于執(zhí)行功能信息加工處理過程的貢獻(xiàn)是有局限性的。

由三個(gè)變量的兩兩關(guān)系分析可知，有氧運(yùn)動(dòng)能力可能促進(jìn)成年早期大學(xué)生后扣帶回灰質(zhì)皮層的成熟，進(jìn)而維持較好的轉(zhuǎn)換功能表現(xiàn)（Castro et al.，2016；Shaw et al.，2006）。后扣帶回在兩者關(guān)系間如何起到作用？我們根據(jù)已有文獻(xiàn)推測，發(fā)現(xiàn)相比其他皮質(zhì)區(qū)域，后扣帶回皮質(zhì)會(huì)消耗更多的能量，以應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換任務(wù)中的反應(yīng)變化，進(jìn)行快速調(diào)整和任務(wù)切換（Minoshima et al.，1997）。由此可知，較高有氧運(yùn)動(dòng)能力有益于成年早期大學(xué)生后扣帶回區(qū)域的皮質(zhì)成熟，從而促進(jìn)轉(zhuǎn)換功能的行為表現(xiàn)。本研究首次提出皮層厚度可能是有氧運(yùn)動(dòng)能力影響個(gè)體執(zhí)行功能的潛在神經(jīng)通路，為全面理解有氧運(yùn)動(dòng)能力與執(zhí)行功能的關(guān)系提供新的視角。

4 研究不足與展望

本研究首次采用中介模型檢驗(yàn)探索皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力與執(zhí)行功能關(guān)系間的中介作用，發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)能力、灰質(zhì)皮層成熟與執(zhí)行功能關(guān)系的潛在神經(jīng)通路，為全面揭示有氧運(yùn)動(dòng)能力與執(zhí)行功能的關(guān)系提供了新證據(jù)。但仍存在一些不足：橫斷面的研究僅在一定程度上解釋了有氧運(yùn)動(dòng)能力差異對(duì)皮層厚度和執(zhí)行功能的影響，縱向干預(yù)研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可能更有助于理解有氧運(yùn)動(dòng)能力提升與腦認(rèn)知健康促進(jìn)的因果關(guān)系。未來，有必要開展針對(duì)更廣泛人群的運(yùn)動(dòng)干預(yù)、有氧運(yùn)動(dòng)能力、腦與認(rèn)知的因果關(guān)系及神經(jīng)機(jī)制的探索，為制訂能夠促進(jìn)體質(zhì)和腦認(rèn)知健康的運(yùn)動(dòng)干預(yù)方案提供理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié)論

1）有氧運(yùn)動(dòng)能力與大學(xué)生執(zhí)行功能各子功能關(guān)系密切。有氧運(yùn)動(dòng)能力較高的大學(xué)生，執(zhí)行功能中的3個(gè)子功能行為表現(xiàn)更好。

2）較高的有氧運(yùn)動(dòng)能力能夠促進(jìn)大學(xué)生前額葉、后扣帶回區(qū)域皮質(zhì)發(fā)育成熟，后扣帶回皮層厚度在有氧運(yùn)動(dòng)能力與轉(zhuǎn)換功能關(guān)系中起中介作用。