基礎(chǔ)抗荷體能訓(xùn)練對飛行學(xué)員認(rèn)知能力的影響

馬嘉悅， 陳芷妍， 張 禹， 李 杰， 張 新， 姜智東， 任 翔， 王 靜，車 翔， 鄒志康， 王安利

（1.北京體育大學(xué)心理學(xué)院， 北京 100084； 2.杭州師范大學(xué)附屬醫(yī)院認(rèn)知與腦疾病研究中心， 杭州 311121；3.杭州師范大學(xué)心理科學(xué)研究院， 杭州 311121； 4.空軍航空大學(xué)， 長春 130022；5.空軍特色醫(yī)學(xué)中心， 北京 100142；6.陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710038）

1 引言

飛行員工作環(huán)境特殊，具有高載荷、高認(rèn)知負(fù)荷的特點，高性能戰(zhàn)斗機(jī)加速度載荷的G 值高、增長率快、持續(xù)時間長，飛行員既要面臨大強度的體力載荷，又要應(yīng)對大量的信息加工，面臨較高的心理載荷。 隨著先進(jìn)導(dǎo)航和飛行控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，飛行員的信息處理能力成為飛行安全技術(shù)的重要組成部分。 飛行員的飛行感知、決策與執(zhí)行等認(rèn)知能力在飛行中起著至關(guān)重要的作用，機(jī)敏的感知與迅速的行為響應(yīng)保障安全的駕駛操作。 因此，強壯的抗荷體質(zhì)是精英飛行員必備的身心素質(zhì)，抗荷體能訓(xùn)練是提高飛行員抗載荷能力的手段。 如何在飛行員日常的訓(xùn)練中提高身體抗載荷能力的同時保證其心理素質(zhì)的提高，就顯得十分重要。

已有研究發(fā)現(xiàn)，在認(rèn)知方面，主要涉及有氧運動與高強度間歇運動（High?intensity Interval Training， HIIT）的心理效益。 個體的記憶、執(zhí)行功能以及執(zhí)行抑制功能可通過有氧運動的訓(xùn)練或干預(yù)提高；Drigny 等研究表明，高強度間歇運動能夠提高受試者在數(shù)字符號替換測驗、記憶測試等認(rèn)知任務(wù)的績效表現(xiàn)，并改善注意缺陷多動癥兒童的注意水平。 目前力量訓(xùn)練在認(rèn)知方面的研究較少，且主要涉及與自尊和幸福感的關(guān)系等相關(guān)問題。 而國內(nèi)專門針對抗荷心理的研究也少見報道，鄒志康等提出了肌肉適能、心肺功能、空間定向和抗荷心理能力是航空學(xué)校學(xué)生加強基礎(chǔ)性抗荷體質(zhì)訓(xùn)練的主要內(nèi)容，為心理領(lǐng)域相關(guān)研究提供了參考。

本文采用基礎(chǔ)性抗荷體能高效訓(xùn)練方案，對實驗組進(jìn)行為期12 周的力量訓(xùn)練以及功率自行車的HIIT 訓(xùn)練，且在訓(xùn)練期間加以抗荷營養(yǎng)支持和抗荷心理干預(yù)，研究其對飛行學(xué)員認(rèn)知能力的改善，認(rèn)知測試包括注意、認(rèn)知、工作記憶以及自我控制4 個方面，以期為飛行學(xué)員訓(xùn)練方案設(shè)計提供實驗參考依據(jù)。

2 方法

2.1 受試者

某飛行學(xué)院飛行學(xué)員55 名，男性，年齡（19.4±0.7）歲，裸眼或矯正視力正常。 以班級為單位隨機(jī)分配為實驗組（25 人）與對照組（28人）。 其中2 名受試者由于身體原因造成數(shù)據(jù)缺失，因此最終有效數(shù)據(jù)來自53 人。

2.2 實驗范式

1）注意網(wǎng)絡(luò)測驗（Attention Network Task，ANT）。 注意網(wǎng)絡(luò)功能采用注意網(wǎng)絡(luò)測驗任務(wù)，包括3 個指標(biāo)：警覺功能、定向功能以及執(zhí)行控制功能。 警覺是指維持一個靈敏狀態(tài)以接受信息的傳入，定向是指從傳入的感覺中選擇信息，執(zhí)行控制是指解決反應(yīng)中的沖突，實驗流程如圖1所示。

圖1 ANT 程序示例圖Fig.1 Diagram of an ANT program example

線索信息分為4 種情況：中心提示、雙重提示、空間提示以及無提示。 空間提示能夠提示受試者目標(biāo)刺激的位置，其他3 種提示線索無法預(yù)測目標(biāo)信號出現(xiàn)的位置。 目標(biāo)刺激分為3 種情況：一致，即箭頭方向相同；不一致，即中間箭頭的方向與其他箭頭相反；中性，即只有中間箭頭有方向，其余均為線段。 要求判斷中間箭頭的方向。

2） 自適應(yīng) 3D?MOT （ Three?dimensional Multiple Object Tracking）任務(wù)。 三維立體形式呈現(xiàn)運動客體更接近于現(xiàn)實情境，實驗任務(wù)更具生態(tài)性。 采用自適應(yīng)的方式因變量可以在連續(xù)比率范圍內(nèi)變化，更具有敏感性。 采用自適應(yīng)3D?MOT 測量動態(tài)追蹤能力，關(guān)注動態(tài)場景中視覺信息的注意加工，是研究同時追蹤多個客體的注意機(jī)制較常用的范式，包括3 個階段（圖2）：①目標(biāo)標(biāo)記階段，10 個3D 立體小球圓球作為運動客體，其中的4 個客體通過閃動被標(biāo)記為目標(biāo)客體；②運動階段，標(biāo)記停止后所有客體恢復(fù)到原有的狀態(tài)，在立方體空間中進(jìn)行隨機(jī)獨立的運動；③反應(yīng)階段，當(dāng)客體運動停止后，用手柄選出追蹤被標(biāo)記過的目標(biāo)客體，并同時給予反饋。 整個實驗過程采用自適應(yīng)程序控制客體的運動速度，當(dāng)在某次追蹤時反應(yīng)正確，下一次追蹤任務(wù)中客體的運動速度將上調(diào)30%；而反應(yīng)錯誤時，客體的運動速度會下調(diào)20%。

圖2 自適應(yīng)3D?MOT 流程圖Fig.2 Flow chart of adaptive 3D?MOT

3）工作記憶。 采用n?back 范式進(jìn)行測量，要求將當(dāng)前出現(xiàn)的刺激與之前出現(xiàn)的第個刺激進(jìn)行比較。 本實驗采用英文字母（如：W、R、E、Q）作為實驗材料，在實驗過程中，首先呈現(xiàn)1 s 的注視點，隨后呈現(xiàn)2 s 的英文字母，要求將當(dāng)前字母與當(dāng)前字母之前的第（2，3）個字母相比較。 如果2 s 內(nèi)無按鍵則自動開始下一試次。 采用2?back 與3?back 任務(wù)中的正確率作為基線成績的指標(biāo)，即正確反應(yīng)的試次數(shù)占整個任務(wù)所有試次的比率。

4）Go／No go。 該范式用于測量執(zhí)行抑制功能。 要求實驗對Go 刺激做出“按1 鍵”的反應(yīng)，No go 刺激不做任何反應(yīng)。 實驗共50 個試次，為了增強實驗的按鍵沖動，其中Go 試次40 個，占試次總數(shù)的80%，No go 試次為10 個，占試次總數(shù)的20%，Go 和No go 刺激順序隨機(jī)呈現(xiàn)。 實驗流程如圖3 所示。

圖3 Go／No go 程序示例圖Fig.3 Diagram of a Go／No go program example

2.3 實驗儀器

自適應(yīng)3D?MOT 范式采用虛擬現(xiàn)實頭戴式顯示器（HTC VIVE，上海）呈現(xiàn)，分辨率2160×1200（單眼1080×1200 ） pixels，刷新率90 Hz，視場角10°，針對每個受試者可調(diào)整瞳孔間距。 計算機(jī)顯示屏為15.6 英寸，刷新率為60 Hz，分辨率1920×1080 pixels，該計算機(jī)連接頭戴式顯示器呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實場景。 受試者操控手柄控制實驗開始、目標(biāo)選中和結(jié)果反饋。 實驗程序控制和數(shù)據(jù)記錄通過SteamVR1.2.3 軟件完成。

2.4 實驗設(shè)計

對實驗組進(jìn)行為期12 周的力量訓(xùn)練以及功率自行車的HIIT 訓(xùn)練作為干預(yù)手段，同時干預(yù)期間對受試者加以抗荷營養(yǎng)支持和抗荷心理干預(yù)。力量訓(xùn)練以單腿蹲、臥推、深蹲、俯身劃船等為主要訓(xùn)練內(nèi)容。 HIIT 訓(xùn)練采用功率自行車進(jìn)行，沖刺時間為60 s ，間歇時間為60 s，比例為1 ∶1。 2種訓(xùn)練均每周3 次，每次10 min。

心理干預(yù)包括3 個步驟：①訓(xùn)練前的注意訓(xùn)練為腹式呼吸加身體掃描。 身體掃描是正念訓(xùn)練的基礎(chǔ)與核心部分， 可以提高對于身體內(nèi)部感覺的關(guān)注度，提高身體的感覺注意程度。 用時約4 min；②正式身體訓(xùn)練——積極詞暗示，每次訓(xùn)練前由教練說明本次訓(xùn)練課內(nèi)容，并提示受試者在訓(xùn)練中養(yǎng)成自我暗示的習(xí)慣，如動作開始、結(jié)束以及疲勞狀態(tài)時，積極調(diào)整呼吸，盡量深長呼吸3 次，調(diào)整狀態(tài)，并進(jìn)行自我激勵和暗示。 用時約1 min；③放松訓(xùn)練——漸進(jìn)性肌肉放松訓(xùn)練，用時約7 min。

對實驗組實施營養(yǎng)干預(yù)方案，提供運動營養(yǎng)補劑，包括生力君膠囊、磷脂酰絲氨酸片糖、阿膠黃芪當(dāng)歸鐵制劑。 在每周的2 次訓(xùn)練課上提供乳清蛋白粉和能量固體飲料，于訓(xùn)練前、中、后指導(dǎo)受試者服用。 對照組受試者不進(jìn)行干預(yù)，只參加學(xué)校的常規(guī)體育活動。

在干預(yù)前、干預(yù)6 周以及12 周時分別進(jìn)行認(rèn)知能力的測試。 采用3（測試時間：0 周、6 周、12周） × 2（組別：實驗組、對照組）的混合實驗設(shè)計，其中測試時間為組內(nèi)變量，組別為組間變量。 因變量是受試者動態(tài)注意、注意網(wǎng)絡(luò)功能、工作記憶、執(zhí)行抑制功能等認(rèn)知指標(biāo)。

2.5 統(tǒng)計分析

通過Excel 和SPSS20.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為了防止實驗組與對照組前測數(shù)據(jù)差異產(chǎn)生的影響，優(yōu)先選擇重復(fù)測量協(xié)方差分析，如果不符合協(xié)方差分析的前提性檢驗，即自變量與協(xié)變量存在交互作用，再采用重復(fù)測量方差分析。＜0.05 認(rèn)為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 注意網(wǎng)絡(luò)功能

基于反應(yīng)時的差值可以計算出注意網(wǎng)絡(luò)功能的各項效率值，警覺功能的指標(biāo)是無提示條件下的平均反應(yīng)時減去雙重提示條件下的反應(yīng)時，定向功能的指標(biāo)是中心提示條件下的平均反應(yīng)時減去空間提示條件下的反應(yīng)時，執(zhí)行控制功能的指標(biāo)是靶刺激不一致條件下的平均反應(yīng)時減去靶刺激一致條件下的平均反應(yīng)時。

對于警覺功能和定向功能，反應(yīng)時差值越大代表該網(wǎng)絡(luò)功能效率越高；對于執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)功能，反應(yīng)時差值越小代表該網(wǎng)絡(luò)功能效率越高。 實驗組與對照組在干預(yù)進(jìn)行第0 周、6周、12 周時的注意網(wǎng)絡(luò)功能結(jié)果如表1 所示。

表1 注意網(wǎng)絡(luò)功能描述性統(tǒng)計結(jié)果（±s，n＝53）Table 1 Descriptive statistics of attention network func?tions （±s，n＝53）ms

將前測作為協(xié)變量，組別、干預(yù)時間作為自變量，中測、后測作為因變量進(jìn)行重復(fù)測量協(xié)方差分析。 分析結(jié)果如下：

圖4 定向功能組別與干預(yù)時間的交互作用圖Fig.4 Interaction diagram of directional function and intervention time

3.2 動態(tài)注意能力

將自適應(yīng)3D?MOT 任務(wù)中受試者在追蹤目標(biāo)客體時能夠達(dá)到的客體運動速度值作為因變量，極值是所有正確追蹤任務(wù)中客體運動速度的最大值，表征受試者的最大追蹤能力；平均閾值是指正確追蹤和錯誤追蹤試次轉(zhuǎn)折點處所對應(yīng)的客體運動速度值的平均值，體現(xiàn)受試者的平均追蹤能力；最后4 次閾值是指在追蹤過程中最后4次轉(zhuǎn)折點（正確追蹤試次和錯誤追蹤試次的轉(zhuǎn)折）處的客體運動速度的平均值，體現(xiàn)受試者的穩(wěn)定追蹤能力。 實驗組與對照組在干預(yù)進(jìn)行第0周、6 周、12 周時的追蹤速度如表2 所示。

表2 追蹤速度描述性統(tǒng)計結(jié)果（xˉ±s，n＝53）Table 2 Descriptive statistics of tracking speed （xˉ±s，n＝53）m／s

3.2.1 極值

由于極值的前測（協(xié)變量）與組別（自變量）交互作用顯著（＝0.006），不符合協(xié)方差分析的前提，因此極值作為因變量，進(jìn)行3（0 周、6 周、12周） × 2（實驗組、對照組）重復(fù)測量方差分析。

極值結(jié)果表明，組別與干預(yù)時間的交互作用邊緣顯著（（2，102） ＝2.25，＝0.085，＝0.047），經(jīng)進(jìn)一步簡單效應(yīng)檢驗后發(fā)現(xiàn)（圖5），后測時實驗組的追蹤速度極值顯著高于對照組（＝0.015）；實驗組中測（＝0.085）與后測（＜0.001）的追蹤表現(xiàn)顯著高于前測，對照組中測的追蹤表現(xiàn)顯著高于前測（＝0.013）。

圖5 追蹤速度極值組別與干預(yù)時間的交互作用Fig.5 Interaction of tracking speed extreme value and intervention time

3.2.2 平均閾值

將平均閾值的前測作為協(xié)變量，組別、干預(yù)時間作為自變量。 平均閾值作為因變量進(jìn)行重復(fù)測量協(xié)方差分析。 組別與干預(yù)時間的交互作用均不顯著（（1，50）＝0.917，＝0.343，p ＝0.018）。干預(yù)時間（（1，50）＝0.005，＝0.944，p ＝0.000）的主效應(yīng)不顯著。

3.2.3 最后4 次閾值

3.3 工作記憶

采用2?back 與3?back 任務(wù)中的正確率作為因變量。 實驗組與對照組在干預(yù)進(jìn)行第0 周、6周、12 周時的工作記憶結(jié)果如表3 所示。

表3 工作記憶任務(wù)正確率描述性統(tǒng)計結(jié)果（±s，n＝53）Table 3 Descriptive statistics of correct rate in working memory tasks（±s，n＝53）%

3.4 執(zhí)行抑制功能

實驗組與對照組執(zhí)行抑制功能結(jié)果如表4所示。

表4 Go／No go 任務(wù)正確反應(yīng)時描述性統(tǒng)計結(jié)果（±s，n＝53）Table 4 Descriptive statistics of correct response time in Go／No go task （±s，n＝53）ms

4 討論

4.1 注意網(wǎng)絡(luò)功能

通過重復(fù)測量協(xié)方差分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，定向功能組別與干預(yù)時間的交互作用顯著，后測時對照組的定向功能相比于中測的成績顯著降低；后測時實驗組的定向功能顯著高于對照組。 可能在這一階段，某些因素對受試者的定向功能產(chǎn)生了負(fù)性影響，實驗組的訓(xùn)練仍能使受試者保持相應(yīng)水平的定向功能。

Laura 等研究發(fā)現(xiàn)長期體育鍛煉可以有效提高執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)的功能。 Alves 等研究表明，采用HITT 對中年人進(jìn)行10 min 干預(yù)，采用stroop 任務(wù)測試受試者選擇注意功能，發(fā)現(xiàn)高強度間歇訓(xùn)練方式增強了受試者的選擇注意功能。莊曉偉等關(guān)于心理訓(xùn)練與注意定向網(wǎng)絡(luò)功能的研究發(fā)現(xiàn)，腹式呼吸訓(xùn)練干預(yù)對老年人認(rèn)知功能的改善有積極效應(yīng)。 而選取健康的年輕人作為受試者，研究結(jié)果多為警覺與定向網(wǎng)絡(luò)功能受體育鍛煉的影響不顯著，這可能是健康年輕人的警覺與定向網(wǎng)絡(luò)功能處于較高水平，不易進(jìn)一步提高。

4.2 動態(tài)注意能力

動態(tài)注意能力是指個體同時注意多個運動目標(biāo)的能力，包括持續(xù)的、動態(tài)的視覺注意和記憶能力。 極值的重復(fù)測量方差分析結(jié)果顯示，組別與測試時間的交互作用邊緣顯著，實驗組的后測成績可能存在高于對照組的趨勢，且實驗組后測與中測的成績可能存在高于前測的趨勢，即為期12周的基礎(chǔ)性抗荷體能高效訓(xùn)練對飛行受試者的動態(tài)追蹤能力可能存在促進(jìn)效應(yīng)。

本文在力量訓(xùn)練前加入了腹式呼吸訓(xùn)練和身體掃描，能夠在訓(xùn)練前使受試者的注意更加集中且更加專注于訓(xùn)練本身，由此提高訓(xùn)練效果。而訓(xùn)練后的放松訓(xùn)練能夠緩減力量訓(xùn)練帶來的疲勞感與運動中的高度緊張狀態(tài)，使運動訓(xùn)練過程中的亢奮狀態(tài)慢慢得以平復(fù)，有效克服運動員身心緊張的狀態(tài)。 其次簡單效應(yīng)分析的結(jié)果表明在后測與中測之間，實驗組的成績存在上升趨勢，而對照組在這一期間的成績不僅沒有提高反而下降。 說明基礎(chǔ)性抗荷體能高效訓(xùn)練的效果可能體現(xiàn)在后6 周，這對干預(yù)方案的實際應(yīng)用也有一定的現(xiàn)實意義。

4.3 工作記憶

根據(jù)重復(fù)測量協(xié)方差分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，n?back任務(wù)中實驗組與對照組在前測，中測以及后測均無顯著差異。

Kao 等研究了高強度間歇訓(xùn)練（HIIT） 和中等強度連續(xù)運動（MICE） 對行為表現(xiàn)和工作記憶神經(jīng)相關(guān)性的影響。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)HIIT 提高了記憶檢索過程中的處理速度和大腦激活。 可見HIIT 可以暫時性增強工作記憶。 運動對記憶的影響作用受到運動強度和干預(yù)時間的調(diào)節(jié)。利用PET 影像技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，空間和客體的信息分別儲存在工作記憶的不同緩沖器中。 所以在未來的研究中，可以增加對視覺空間工作記憶的測量指標(biāo)，調(diào)整運動干預(yù)的強度與時間，以探討基礎(chǔ)性抗荷體能高效訓(xùn)練對于工作記憶是否會產(chǎn)生積極影響。

4.4 執(zhí)行抑制功能

執(zhí)行抑制功能是指個體克制和調(diào)節(jié)沖動、欲望和習(xí)慣性行為的能力。 重復(fù)測量協(xié)方差分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)實驗組與對照組在前測、中測以及后測均無顯著差異。 鄭雨晴研究發(fā)現(xiàn)，2 周的HIIT干預(yù)后，運動組的 SSRT（Stop?Signal Reaction Time）顯著性降低，兩周的HIIT 干預(yù)對停止信號（Stop?Signal）的反應(yīng)抑制有一定的改善效果，但效果尚不明顯，可能與具體的運動強度和運動時間有關(guān)。 在運動干預(yù)提高了抑制執(zhí)行功能的研究中，干預(yù)手段多采用有氧運動或傳統(tǒng)體育活動，而本文所使用的干預(yù)方法是力量訓(xùn)練，以此類運動方式訓(xùn)練時多強調(diào)核心區(qū)力量的爆發(fā)，未來的研究可采用不同類型的干預(yù)方法對這一問題進(jìn)一步探討。

5 結(jié)論

為期12 周的基礎(chǔ)性抗荷體能高效訓(xùn)練對受試者的注意能力可能有積極效應(yīng)，結(jié)論如下：

1） 為期12 周的基礎(chǔ)性抗荷體能高效訓(xùn)練有效維持了受試者注意網(wǎng)絡(luò)功能中的定向功能。

2） 為期12 周的基礎(chǔ)性抗荷體能高效訓(xùn)練有提高受試者動態(tài)注意所能達(dá)到的最高能力的趨勢，且這種趨勢主要體現(xiàn)在后6 周中。

3） 為期12 周的基礎(chǔ)性抗荷體能高效訓(xùn)練對受試者的工作記憶與執(zhí)行抑制功能未見顯著影響。