运动强度和能量消耗对认知表现的影响

杨勇涛 张新伟 冉静 黄志剑

1 武汉体育学院研究生部（武汉 430079）

2 武汉体育学院健康科学学院（武汉 430079）

关于运动强度对认知功能影响的研究是国外研究者重点关注的一个领域，个体认知功能在不同运动情形下有什么变化对现实的运动训练有着重要意义。因为在比赛中，尤其是在集体性和对抗性的比赛中，运动员通常需要在短时间内接收和处理大量的信息，并作出正确的决策。此种情形就对运动员的认知表现提出了很高的要求。运动员能否在瞬间对场上形势作出判断并尽快采取应对措施，往往成为左右比赛胜负的关键。而且在比赛中运动员往往承受着生理和心理上的双重压力，一场比赛下来往往会有非常大的能量消耗，那么运动员的认知表现会随之发生什么变化，就成为国外运动心理学家关注的重点。目前，国内学者和教练员过多关注运动员大强度及大运动量训练，而很少关注运动员在不同运动强度下尤其是大运动强度时个体认知功能的变化。也就是说，在充分重视运动强度（以及与之相关联的运动量）对运动员生理生化水平、体能水平以及技战术水平影响的同时，却较少有研究考虑大强度运动对运动员在信息加工以及决策制定等方面的影响。

本文对目前这一领域的实证研究和理论发展进行了较为详尽的回顾与综述，以帮助研究者和实践者提高对“运动强度对运动员心理（认知）功能的影响及（可能）机制”这一问题的重视和研究兴趣。此类研究也可以帮助我们对影响个体认知功能的机制进行更为深入全面的了解，具有重要的心理学研究价值。

1 理论研究进展

关于运动强度对认知功能的影响，已有很多学者进行了广泛的研究，但主要结果仍然存在争论。而在对结果的解释方面，研究者认为以下几种理论可以在一定程度上解释运动强度和认知功能的关系，它们分别为：线索利用理论、倒U型假说和能量—认知模型（cognitive-energetical model）。

1.1 线索利用理论

Easterbrook 于1959年提出了线索利用理论[1]。该理论认为，注意范围缩小是可利用线索的函数。为了完成操作任务，个体总是在一定的环境线索中收集与任务相关的信息。在低唤醒水平下，个体注意到的相关或无关线索都很少，表现也就较差；而随着唤醒水平的提升，注意范围变窄并且会达到一个最佳水平，此时个体仅注意到与任务相关的线索，表现就会好；而如果唤醒水平进一步提升，个体注意到的线索范围继续缩小，就会遗失一些有关线索，表现反而会下降。对此，Easterbrook研究认为，中等运动强度提升认知表现，大运动强度降低认知表现。

1.2 耶克斯—道德森定律

1908年，耶克斯—道德森在研究大白鼠完成各种难度任务时的表现的基础上提出了耶克斯—道德森定律，也叫倒U型假说。在运动领域，该理论是解释唤醒水平和运动表现之间关系最著名的理论之一。其认为：当运动员处在较低唤醒水平时，运动表现较差；随着唤醒水平的升高，表现会逐步提升。但当唤醒水平进一步升高时，运动表现反而下降。在运动强度和唤醒水平之间的关系上，有研究者认为运动强度是和唤醒水平相关的，中等运动强度会导致最佳的唤醒水平，进而利于运动表现。运动强度过低或过高都不利于运动员的运动表现[2]。

上述两种理论在一定程度上是互补的。倒U型假说主要描述了唤醒水平与运动表现之间的关系。而线索利用理论则对这一关系提供了可能的解释：运动强度对运动表现的这种影响是通过对运动员的信息加工能力的影响而实现的。虽然这两种来自其它领域的理论对运动强度—认知功能关系问题的探讨具有一定的借鉴价值，但研究者们越来越希望发展出一种专门化的，全面的理论模型，为运动强度对个体认知功能影响的有关研究提供更为准确、系统的解释和指导。Sanders提出的能量—认知模型（cognitive-energetical model）[3]无疑具有相当明显的优势，并逐渐成为该领域内最受关注的理论模型之一。

1.3 能量—认知模型

Sanders的能量—认知模型以Sternberg的信息加工理论为基础，将对认知功能影响的机制分为三个水平（由低到高，由表层到深层）[4]。第一水平包括四个信息加工阶段，它们构成了一个具体的连续性模型，四个信息加工阶段分别为刺激前加工阶段、特征抽取阶段、选择反应阶段和运动调节阶段；第二水平包括三个能量注意控制机制，包括唤醒、努力和激活，其中唤醒和激活为两个基础机制，而努力为更高一级水平的机制，它可以监督和调控唤醒和激活水平。这三个机制分别给相应的信息加工阶段提供能量资源。其中唤醒机制通过刺激前阶段获取能量，然后供给特征提取阶段，激活机制提供运动调节阶段所需能量，当决策任务复杂时努力机制就会为选择反应阶段分配能量资源，以弥补两个基础机制的不足。而借助第三水平的评估，努力机制可以监控唤醒、激活水平。

在此模型中，能量的动员影响唤醒、激活和努力水平，而由于唤醒、激活、努力和认知表现有密切的关系，因此能量就有可能通过唤醒、激活、努力机制影响个体认知表现。换句话说，个体认知表现的下降可能与自身可利用的能量资源的缺乏有关，并且能量资源缺乏会影响个体运动中的动机水平，进而影响认知表现。另外，刺激强度、信号质量、刺激—反应一致性和时间不确定性等因素也会影响个体的认知表现，这种影响或许是直接的，也可能是通过影响个体的唤醒或激活水平间接影响个体的认知表现。已有研究证实，如果上述这些因素同时存在，身体活动因素对认知表现的影响相对而言作用更大，这时就可以忽略刺激强度等因素的影响[4]。

不管是线索利用理论、倒U型理论，还是认知—能量模型，都强调了唤醒在信息加工过程中所起的作用。即便如此，虽然由运动诱发的唤醒影响认知表现，但它们之间的关系并不一定符合线索利用理论和倒U型曲线理论[5，6]。而且，唤醒并不是一个单一的概念，它与其它一些概念如动机和注意有着复杂的相互作用[7]。此外，随着运动强度的增大，能量消耗就越多，此时个体控制运动需要的注意资源就越多，身体活动对信息加工的影响就越大。或许可以说：能量分配或激活会影响到运动过程中个体对刺激信息的注意和加工，从而影响认知表现。

还有一些研究者提出了生理假说来解释运动强度和认知功能表现两者之间的关系。比如Chmura等[8]提出的肾上腺素阈值的概念，该假设就认为肾上腺素浓度与认知表现有关，在运动过程中，肾上腺素浓度会逐渐升高，而个体的认知表现也随着肾上腺素浓度的升高而相应提升。

2 运动强度对认知表现的影响

关于运动强度对认知表现的影响，研究者很早就对它们之间的关系进行了深入广泛的研究，其中研究主要集中在运动中注意、决策制定、反应时等几个方面。大部分研究认为，中等运动强度可以促进认知表现的提升。也有少部分研究认为平静状态和中等运动强度下个体在认知任务上的表现没有区别[9]。

对于简单反应时任务来说，在任何运动强度范围内，个体的操作任务表现都会下降，即反应时延长，而在复杂决策任务中却发现在中等或大强度运动情况下认知任务操作表现出现提升的情况[7]。Paas等研究发现，75%、85%VO2max运动强度下个体在决策任务上的表现有提升，研究者认为是个体在完成决策任务时注意的转移（分配到决策任务上的注意资源的增多）导致了反应时的缩短[10]。Legros等针对专业篮球运动员的研究发现，在95%、125%VO2max情况下，被试在简单反应时任务上的表现下降，而选择反应时任务表现提升[11]。MacMorris等研究发现，最大运动负荷[100%MPO（maximal power output）]下被试在简单反应时任务上的表现下降，而中等运动负荷（70%MPO）对简单反应时没有影响，70%MPO运动负荷时运动员的表现要优于安静和100%MPO时，但并无显著差异[12]。Brisswalter等针对田径运动员和普通大学生的研究发现，运动强度对个体的简单决策任务表现有不同影响。被试在40%和60% Pmax时的反应时表现要优于20%和80% Pmax时的反应时表现。田径运动员在20% Pmax时的表现下降，相反40% Pmax时的表现提升了[13]。Chimura等针对足球运动员最大运动强度下反应时变化的研究认为，大强度运动之后被试的反应时显著延长，并且错误率下降，但这种效应只是短暂的，运动停止后3～5分钟后的反应时表现就和安静状态下没有区别[14]。McMorris等针对足球运动员中等运动强度和大运动强度（70%、100%MPO）下的认知表现的研究显示，运动员在最大能量输出情况下的任务表现显著优于安静和中等能量输出时的任务表现。而且运动不仅提升简单任务的表现，如视觉搜索速度，而且还可以提升整体信息加工速度[15]。Yagi等针对中等运动强度下被试视觉和听觉反应时的研究发现，与安静状态和运动后恢复期相比，运动中的视觉和听觉反应时缩短。而且运动中被试的视觉和听觉P300潜伏期缩短，波峰下降[16]。Mohr等研究了不同运动强度下（安静、70%VO2max、100%VO2max）足球运动员的表现，结果显示，70%运动强度下被试运动表现最好，但和其它两种情况相比，表现并没有显著差异[17]。Arcelin等研究发现，在中等运动强度（60%Pmax）下被试的选择反应时缩短，任务表现提升[18]。Karen Davranche等针对运动强度对反应时的影响的研究发现，中等运动强度(50%MAP)时被试的选择反应时表现优于低运动强度（20%MAP）时的选择反应时表现，反应时间大概快 20ms[4]。

概括起来，运动强度和认知表现之间的关系主要有三种，分别是：有益关系、有害关系、没有关系。对于中等运动强度来说，绝大部分研究认为中等运动强度对个体的认知表现有促进作用，可能是中等运动强度能够使唤醒水平达到最佳，导致反应速度加快[2]，或是中等运动强度的运动会增加大脑血流量，改变神经递质水平，如去甲肾上腺素、血清基、内啡肽、儿茶酚胺分泌增加，而这可能会提高机体的反应速度。也可能是由于中等运动强度使身体中心温度升高，进而加快神经系统传输速度，反应时也随之缩短。但另外一些研究并没有发现这种关系[6，19，20]。针对大运动强度对认知过程表现影响的研究较少，通常大家普遍认为大运动强度会导致机体疲劳感的出现，进而不利于认知表现，虽然少部分研究得出大运动强度下个体认知表现仍然处在最高水平上[19]（表 1）。

表1 不同研究中认知任务和运动强度及结果（部分引自Brisswalter，Collardeau & Arcelin，2002）[7]

3 运动中的能量消耗对认知表现的影响

上述研究就不同运动强度和认知表现之间关系进行了探讨。通过以上研究我们可以在一定程度上了解能量消耗对认知功能的影响。因为在运动过程中，尤其是在长时间大强度运动过程中必然伴随有很大的能量消耗，基于这一观点，有研究者认为能量消耗也可以作为控制运动强度的一个很有潜力的指标[21]。那么运动中的能量消耗对认知表现有何影响呢？

在已有的关于体能对个体认知表现影响的研究中，研究者大都把能量消耗作为一个直接的变量，也就是说研究目的是运动中能量消耗和认知表现之间的关系，而不是更广意义上的体能。对于运动中的能量消耗会对个体认知表现有什么影响，研究者普遍认为，能量消耗会降低个体的认知表现。但关于能量消耗是直接影响认知表现还是通过某些因素间接影响个体认知表现，研究者并没有给出明确的解释。Flynn是较早关注体能对认知功能影响的专家，他认为体能或能量消耗对被试在反应时任务上的认知表现有负面影响[22]。而Bard等则认为，体能或能量消耗对反应时任务的表现没有任何影响[23]。Tomporowski等针对不同体能被试的研究发现，在极其疲劳（能量大量消耗）状况下，体能好的被试要比体能差的被试在认知任务上的表现好。这可能是由于那些经过良好训练的运动员能够弥补大强度运动后能量消耗所带来的负面影响。而且运动后通过闪光融合频率测试，研究者并没有观察到中枢神经系统的显著疲劳，这与那些经过良好训练的运动员的报告相符。即虽然他们报告说很累，但并未感到精疲力竭[2]。Brisswalter等的研究也支持了这一观点。他们针对田径运动员和普通大学生的研究发现，随着运动强度的提高，田径运动员的认知表现保持得比较稳定，而普通大学生的表现却下降。研究者认为，这可能与田径运动员有较好的体能有关[13]。Delignieres等研究认为，专业运动员在大强度体能消耗情况下的反应时任务表现显著提升，而业余运动员的反应时任务表现却下降。这或许与不同等级运动员能量储备不同有关[24]。Durand等针对体育院校大学生的研究认为，35%、60%、90%VO2max情况下被试的简单反应时和选择反应时操作表现没有差异，但那些集体运动项目中运动水平高的被试在高能量消耗情况下的选择反应时任务表现反而提升了。而体操、田径等项目的运动员被试在最大摄氧量提高的情况下，选择反应时任务的表现没有变化[25]。Brisswalter等研究了同样能量输出情况下，不同骑车频率时被试的反应时表现[26]。结果发现，能量消耗，如VO2摄入和反应时之间呈线性关系。据此他认为在双重任务中，能量系统和认知系统之间存在一个最佳的需求区间。Brisswalter等认为双重任务条件下被试认知表现下降可能是由于体能较差导致的对运动中自身能否完成实验任务的能力的担忧，进而导致注意力的转移，影响其在操作任务上的反应时表现。也可能是由于大强度运动中体能大量消耗导致个体疲劳感过早出现，使个体注意力从当前任务转移到身体不舒服的感觉上，从而影响了反应时表现[13]。此外，一些研究者认为，如果体能或能量因素是影响个体认知功能的关键，那么，与安静或运动前期相比，我们应该会在运动后期看到体能或能量对认知表现的显著影响；而如果认知表现更多的是受任务变量如刺激强度、呈现时间等的影响，那么将不会发现个体在运动前期和后期认知表现的差异[3，27]。对此，Davranche等针对专业运动员（集体性或对抗性运动项目）中等次最大强度（90%最大通气阈）下被试在选择反应时任务上的表现的研究发现，运动过程中被试选择反应时加快，但在运动开始阶段和结束阶段的反应时任务表现没有区别[28]。

另一方面，长时间的持续运动往往会消耗大量的能量，通常人们认为随着运动时间的延长，个体的运动表现会逐渐下降，这主要是由于长时间运动造成的能量过度消耗导致中枢神经系统功能受损，进而影响运动表现。如Arcelin发现在长于10分钟的运动之后被试认知表现有了轻微的提升[29]。最近一项针对经过体能训练的被试的研究发现，长时间的运动（超过20分钟）对认知过程也有积极作用，被试在选择反应时任务上的表现提升[30]。对此研究者认为，长时间运动过程中，代谢负担增加导致唤醒水平提高，进而提升认知表现。另外，长时间运动中大脑血流速度加快或神经传递因子浓度升高，如儿茶酚胺和内啡肽，也可能导致认知表现的提升。有研究发现，在长达1小时的运动中，被试的认知表现提升，而且认知表现的提升与儿茶酚胺浓度水平的提升是一致的[14]。但Etnier等并没有发现运动持续时间和认知表现之间的关系[31]。

4 结果不一致的原因

虽然研究者对运动强度和认知表现之间的关系进行了深入广泛的探讨，但研究结果并不一致。造成研究结果不一致的原因大致有实验设计和被试两个方面。在实验设计方面，不同的实验使用的认知任务不同，如字母探测任务、短时程记忆、简单反应时、选择反应时等。此外还有视觉搜索、决策执行等。另外，在运动强度的操作定义上，不同研究也不相同，如骑车运动直到力竭；以0%、30%、60%VO2max骑 车 运 动；以20%、40%、60%、80%VO2max骑车运动；以0%、25%、50%、75%骑车运动；以80%VO2max跑步运动50分钟；以0%、70%、100%MPO骑车运动等。这些实验设计和操作化定义方面的不一致都可能对结果的不一致造成一定影响。

另外，操作任务的施测时间也会对结果造成一定干扰。如有些研究是在运动后即刻测被试的认知表现[32]，有些研究是在运动中测被试的认知表现[20]。针对这一点，有研究者认为，在运动中测被试的认知表现会更有说服力，因为运动后生理上的变化会迅速恢复到基线水平，比如中枢神经系统儿茶酚胺和血浆儿茶酚胺浓度以及多巴胺、肾上腺素、去甲肾上腺素等[33]。最后，实验材料如刺激呈现时间、刺激物的大小、对比度以及被试实验前及实验中的身体条件、动机（对实验任务是否有兴趣）都会对结果造成一定的影响。如很多研究者没有考虑到实验中被试在体重上的差异，因为通常情况下运动员比普通人有更大的体重和强壮的身体，这种在被试体重上的不匹配或许也会影响实验结果。如Larry Isaacs等认为，在使用功率自行车作为达到运动强度工具的实验中，由于骑功率自行车是一项无承重的运动，体重大的被试就会有一定的优势[34]。

5 总结

中等运动强度能够促进认知表现的提升，这是大多数研究者公认的结论，这也在一定程度上符合上文提到的线索利用理论和唤醒理论。而关于大运动强度对认知表现的影响，研究者虽然也进行了一定的研究，但并没有得出相一致的结论，而且由于研究中使用的实验设计和对概念的操作定义的不同以及被试个体情况的差异，甚至在结果的信服程度上也有待进一步考证。

另外，多数学者研究的是不同运动强度之间的效果差异，针对单一运动强度下个体认知表现变化的研究并不多，而且研究者往往是在运动中某一时间或者运动结束后来考察个体的认知表现，很少有人研究持续运动过程中不同阶段个体的认知变化。而且，实验室环境和真实的训练比赛环境有着很大的不同，在不同环境中考察个体不同运动强度下的认知表现以及表现提高的持久性也是值得研究的一个内容。

运动过程中必然伴随着能量的消耗，关于运动过程中体能或能量机制对认知表现的影响，虽然已有研究者对此进行了考察，但结果并不很明晰。实际上，体能或能量机制对认知表现影响的研究尤为重要，因为对这方面研究的结论不仅仅能够在竞技体育运动中得到运用，同样也适合身体锻炼领域（比如青少年儿童、老年人等的研究），且更有意义。因为运动员毕竟只是一个相对较小的群体。由于运动员和普通人群在体能以及身体素质方面的显著差异，使之前针对运动员的研究结果能否推广到普通人群身上还不得而知。所以，日后研究者应该把研究重点逐渐转移到身体锻炼普通人群身上，如青少年，甚至是身体器官功能异常的病人。

总之，研究者对运动强度和能耗对认知表现影响的讨论已经持续了很长时间，虽然到目前为止在主要结论上仍存在异议，但通过之前的许多研究还是可以为之后的研究和身体活动或训练提供借鉴或指导。

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