身体活动促进脑的执行功能：行为、脑电和核磁共振研究

蒋长好 阎守扶 王守恒

运动机能评定和技术分析北京市重点实验室，国家体育总局运动能力评价与研究重点实验室，首都体育学院（北京 100191）

1 引言

身体活动（physical activity）对认知活动的影响始于Spirduso的研究［1］。该研究发现，积极参与身体活动的老人比久坐少动的老人的认知表现更好，而且与久坐少动的年轻人的认知表现一样好，这一研究引发了身体活动和认知表现研究的热潮。但是随着研究的深入，人们发现身体活动并非对所有的认知表现均有促进，而是有着选择性的影响，其中对执行功能的影响最大［2］。

执行功能也称执行控制，属于脑的高级或元认知功能，与大脑前额叶等结构有着密切的关联，它管理着其它认知功能、控制情绪调节和注意，为意识行为和目标行为服务。执行功能包括计划、任务管理、行为发动和停止以及语义信息加工等一系列子过程。借助这些过程，个体可以连续监察外部世界、注意相关的信息、搜集有用的信息、从长时记忆中提取相关信息、对信息进行处理和整合，最后向特定脑区发出恰当的指令，同时抑制不恰当行为，并做出快速而恰当的决策。

当前，身体活动促进脑的执行功能日益得到重视，成为运动科学和脑科学等多个学科共同关注的焦点。在运动科学领域，相关的研究热点从早期的加工速度任务，逐渐转移到执行功能任务；在脑科学领域，身体活动促进脑的神经生长、减缓老化引发的执行功能下降等问题也逐渐成为研究热点。

2 身体活动对执行功能的影响研究

2.1 行为研究

一些执行功能如抑制、更新和时间分配会随年龄的增长而衰退，而身体活动有助于降低这些执行功能的老化。如一项研究以349名老人为被试，研究者在测量被试的体能（physical fitness）基线水平后，让被试完成多种认知任务。研究发现，基线体能水平更高的被试在6年后的测试中，认知表现也更好，提示基线体能水平对于被试6年后的认知表现具有一定的预测意义［3］。另一项研究以5925名年龄均在65岁以上的老年妇女为被试，这些被试每周作街区步行，研究发现，每周作街区步行的次数可以预测6～8年后的认知功能状态，身体活动基线水平更高的被试6～8年后认知水平下降更小［4］。进一步研究发现，身体活动特别是有氧锻炼对认知功能有选择性影响，即对于需要更大量的执行功能的认知任务，身体活动的调制作用更大。老年化导致执行功能的下降很大。这些结果表明，即使最易于受老年化影响的执行功能也会受益于锻炼干预［2］。

身体活动也有益于中年人的认知保护。一项对1919名36岁的中年被试的研究表明，36岁时身体活动水平高的被试，比身体活动低的同龄被试语言记忆表现更好，而且在被试年龄达到43～53岁时复测结果表明，在36岁时身体活动水平高的被试仍然比身体活动低的同龄被试的语言记忆表现更好。而空余时间活动如玩游戏、参加宗教活动、演奏乐器则不能产生这一效果。身体活动基线水平高的人具有更低的认知障碍、Alzheimer病及退行性疾病发生风险［5］。

关于儿童的研究发现，体能和儿童的执行功能有着积极的关联。如Chaddock等［6］将9～10岁儿童分为高体能组和低体能组，采用编码再认任务考察体能对儿童的工作记忆影响。研究发现，在有联系编码条件下，低体能组儿童较之于高体能组儿童再认的记忆成绩更差。这一结果提示，儿童的体能高低是影响相关记忆材料有效编码和检索执行控制加工的一个重要因素。此外，Davis等［7］采用随机控制实验方法考察有氧运动干预对过重儿童认知功能的影响。研究者将94位平均年龄9岁的过重健康儿童随机分配至高运动组、低运动组和控制组中，高、低运动组均参与15周、每周5天的运动，其中高运动组每天运动40分钟，低运动组每天运动20分钟。认知测验包括执能（计划能）与非执能（专注、同步能和连续注意能等）两类。结果发现，与20分钟的低运动组和控制组相比，高运动组的运动干预对认知执能有显著的积极影响，然而对非执能的影响较小。这一结果证明身体活动对于儿童的认知促进具有选择性。此外鉴于执行功能随儿童年龄增长而发展，这一结果提示，身体活动对这一年龄段的执行功能发展特别有益［8］。

2.2 脑电研究

脑电的研究也揭示了与身体活动行为相关的执行功能差异。关于脑电图（electroencephalograph，EEG）的基线谱频分布研究发现，身体活动更多或有氧体能更好的被试EEG的δ波（0.25～4Hz）、θ波（4～8 Hz）和β波（13～20 Hz）的平均频率更高，提示身体活动影响基线皮层EEG并进而影响认知操作［9-12］。进一步研究证据表明，频谱激活的个体差异与事件相关电位研究 （event-related potentials，ERP） 的P3成分的个体差异相关［13，14］。

近些年，采用ERP技术研究身体活动的认知功效日益受到重视，对少年［15］、青年人［16］和中老年人［10，17，18］的研究发现，身体活动和有氧体能相关的差异与P3及错误关联负波 （error-related negativity，ERN）成分的相关指标（波幅和潜伏期）有关。

许多ERP研究考察了长期锻炼 （chronic exercise）对老年人认知的影响，目的在于考察长期锻炼是否有益于降低认知老年化。已有研究发现，40岁后P3波幅逐年下降，并更多分布于头皮前部；P3潜伏期逐年增加，表明刺激分类速度随年龄增长下降［19］。而长期有氧锻炼参与和P3潜伏期降低相关联，长期参与有氧锻炼的老年人，其ERP的P3潜伏期更短。一项研究对参与有氧锻炼和久坐少动的老年人及年轻人的P3成分作了比较，发现尽管老年人较之于年轻人潜伏期增加 （提示加工速度更慢），但是长期参与有氧锻炼的老年人和年轻人的P3差异减小，而且参与有氧锻炼的老年人比久坐少动的老年人P3潜伏期更短。P3潜伏期更短反映更快的认知加工，提示有氧锻炼有助于减缓年龄相关的认知下降，保持中枢神经系统的健康［20］。另有研究进一步根据身体活动的参与水平将老年人分为高、中、低身体活动参与组，并和年轻控制组作了比较，发现P3潜伏期随身体活动参与水平增加而降低。然而对年轻被试的研究没有发现锻炼的P3潜伏期效应，证实了 P3潜伏期 40岁后会变慢［18］。

长期锻炼也影响P3波幅。一项以年轻人为对象，采用听觉和视觉oddball任务的研究发现，参加有氧运动越多的年轻人，中线位置的P3波幅更大［14］；另一项研究采用任务切换范式（该范式要求被试在不同的任务之间切换），以老人为实验组、年轻人为控制组，发现长期锻炼的老人额区P3波幅更大，长期锻炼的年轻人顶区P3波幅更大［21］。P3涉及刺激加工和记忆更新等认知操作，P3波幅增强反映注意资源分配扩大。

长期锻炼会提高体能，而体能的高低也会影响P3波幅。如一项研究采用视觉oddball任务，以高低体能的儿童组和匹配的青年组为被试，发现高体能的儿童大脑中线位置P3波幅更大［15］。另一些研究分别将9～10岁儿童分为高体能和低体能组，要求被试完成flankers任务，这一任务要求在一排分心刺激中识别中央箭头的朝向。在50%的试次中，分心刺激的箭头方向和中间线索一致，另有50%的试次中，分心刺激的箭头方向和中间线索不一致。为了作出正确的反应，要求被试抑制两侧刺激提供的信息。综合的研究表明，低体能的儿童反应精确性差，反应时增加，高体能的儿童在各种任务中保持高水平的表现。同时低体能的儿童P3波幅更小，潜伏期更长，而高体能儿童的P3波幅更大。研究者认为，高体能的儿童在对不断增长的任务需求反应中，表现出调制行动监控能力更强［22-24］。

一些研究还比较了不同体能的被试在错误行动情况下，冲突评价引发的反应监控差异。一项研究发现，与活动少的老年人及体能低的年轻人相比，活动更多的老年人及高体能的年轻人，错误反馈引发的ERN的波幅更小［25］。进一步的研究发现，在任务执行期间，身体活动更多或体能更好的被试自上而下调控能力更强，由此引发的任务相关的反应冲突减少。研究者提出，通过自上而下控制调节，身体活动对任务表现产生影响，表现为身体活动更多或体能更好的被试对那些紧跟在错误行动后试次的反应时间更长［26］。采用偶极子模型等源定位技术发现，P3成分产生于包括额叶、前扣带回、下颞叶和顶叶皮层等构成的神经结构网络中，ERN 产生于前扣带回尾部［27，28］。

总之，已有的研究结果表明：有氧锻炼参与和控制认知发展的神经电活动的改变相关联。身体活动更多或体能更好的个体在各种认知任务中引发的P3振幅更大、潜伏期更短，ERN波幅更小。这些结果提示，身体活动更多或体能更好有益于认知过程，这些认知过程与刺激编码过程中更多地注意资源分配、更快的认知加工以及更好的抑制与监控能力相关联。

2.3 核磁共振研究

执行功能和额叶活动密切相连。Kramer等基于核磁共振成像 （magnetic resonance imaging，MRI）研究提出，长期身体活动和额叶的结构与功能有着密切的关联［29］。研究者假设，身体活动对依赖额叶的任务如执行控制任务影响最明显。Kramer随后在另一项MRI实验中证实，改善体能的长期身体活动对执行功能任务特别有益［30］；另有研究发现，高体能和体能提高后的老年人，其前额叶和颞叶灰质及额叶白质的容量更大，而且有更好的认知表现［31］。

体能高低还与基底神经节的容量相关。Chaddock等［32］研究发现，认知控制的缺陷与体能差相关联，与基底神经节特定区域的容量差异相关。基底神经节可细分为腹侧和背侧纹状体，前者涉及对刺激反应挑战进行认知控制，后者是情感和奖赏通路的一部分。研究者将55名平均年龄为10岁的儿童分为高、低体能组，采用flankers任务考察两组被试抑制控制能力的差异，同时比较两组被试与体能相关的基底神经节容量的差异。研究发现，低体能儿童腹侧纹状体的容量更小，同时抑制控制能力更低。同时，体能、抑制与基底神经节的输出区苍白球的容量正相关，而体能、认知任务表现与较少涉及认知控制的背侧纹状体的容量无关。研究者认为，flankers任务表现中的体能差异可能与基底神经节的特定区域容量有关。而腹侧纹状体是和认知控制、动作整合及反应消退相关的重要结构，对儿童的身体活动行为特别敏感。

海马也是研究者较多涉及的脑结构。海马在空间记忆和经由对单个项目绑定而形成的新的关联记忆中扮演重要角色。一项MRI研究将49名9～10岁儿童分为高体能和低体能组，考察体能、海马容量和记忆的关系。研究发现，与高体能儿童相比，低体能儿童双侧海马容量更小，关联记忆任务表现更差，而且双侧海马容量与关联记忆任务表现相关，但与非关联记忆任务表现无关［33］。此外，还有研究发现，在3个月的体能训练后，中年被试海马齿状回的脑血流量增加［34］。海马齿状回的脑血流量增加可看作人类神经生长的标志。脑血流量增加与语言学习、记忆和心血管功能的改善相关联［35］。

一些MRI研究也发现有氧锻炼干预引发功能激活模式变化。一项研究考察了6个月的体能干预项目对脑功能和认知的影响，研究以做慢跑等有氧运动的老年人为实验组，以做拉伸和力量训练等无氧运动的老年人为控制组，研究者随机指派被试的干预方式，并要求被试作flanker任务。6个月后的检测表明，有氧锻炼组的认知表现提高，特别是对不一致试次（被试需要选择加工靶刺激，忽视不一致的分心刺激），无氧锻炼组表现没有提高。有氧锻炼组的上顶皮层和额中回 （分别负责空间注意集中和工作记忆中的任务目标维持）的激活增加。无氧锻炼组的前扣带回（帮助解决反应冲突）激活增加。研究者认为，这一脑区活动模式的改变，是因为前额叶对负责刺激分配和选择加工的纹状皮层和顶区的控制更有效。这一结果提示，促进体能改进的锻炼参与可能对老年人脑的功能整合起着积极作用［35］。

追踪研究还发现身体活动水平降低对执行控制的消极影响。一项研究对90名60岁以上的老人身体活动水平和认知功能作了4年的追踪研究，研究表明，身体活动水平降低的被试整体脑血流减少，并且认知功能降低［36］。这一结果从另一方面证实了身体活动水平对执行控制的影响。

3 研究展望

尽管身体活动促进执行功能的研究取得许多令人鼓舞的成果，但总体而言，这方面的研究尚处于初步阶段，仍有诸多问题需要进一步考察。

3.1 执行功能结构的细分

虽然长期锻炼促进执行功能的研究结果相当充分，但是锻炼对执行功能的影响究竟是积极的，还是消极的？相关研究仍不尽一致。如一些研究发现锻炼对作决定任务的认知表现促进作用［37，38］；另一些发现锻炼对知觉和执行功能等认知表现的消极影响［39］。关于锻炼对执行功能的消极影响，Dietrich［40］提出额叶瞬间激活降低假设，这一假设认为脑内的信息加工资源有限，在锻炼期间，由于对身体运动以及伴随的生理系统的组织和控制，需要在没有代谢资源相应增加的条件下募集更多的资源。而锻炼所需要的资源分配以牺牲信息加工系统中的其他认知需要为代价。这一资源再分配导致与锻炼相关的神经网络（如额叶）的暂时抑制。因此，锻炼期间额叶控制的加工将会受到损害。这一理论得到相关研究的支持。如有研究发现，在锻炼过程中，涉及大量执行功能的任务受到损害，而较少涉及执行功能的任务不受影响［39］；但另外的研究却得出不同的结论，如一项采用检验认知灵活性和注意朝向任务的研究发现，在一次性自行车运动期间，执行功能得到促进［41］。由于执行功能包括计划、任务管理、行为发动和停止等一系列子成分，而调制不同执行功能加工的神经结构也不尽相同。上述不同研究结论之间的差异，可能与不同研究考察的特定成分差异有关。因此，进一步的研究不仅要确立身体活动对执行功能的影响，更重要的是分析身体活动与执行功能的特定成分之间的关系。

3.2 研究条件的控制

一些研究考察同一种执行功能结构，然而关于一次性锻炼（acute exercise）对执行功能影响的研究结果还存在较大争议。如一项研究采用听觉和视觉oddball范式，要求被试用根据他们年龄预测的最大心率的65～75%的速度骑车。研究发现，与运动前相比，运动过程中P3波幅更小、潜伏期更短。提示与基线相比，锻炼期间可获得的注意资源减少、认知加工速度更快［42］；另一项研究采用听觉 oddball范式，以经训练的自行车手为被试，要求被试以66%的最大吸氧量运动，锻炼时间为180分钟，每隔一段时间（锻炼开始后的3、36、108和144分钟） 测量 P3，研究发现，在锻炼的第108分钟P3波幅显著增加，并维持到144分钟。P3潜伏期在锻炼过程中稳步增加，并在锻炼的第108和144分钟更长。这提示，在长时间锻炼过程中，注意资源增加、认知加工速度更慢［43］。造成上述差异的原因可能与锻炼时间、强度、样本量和电极数量及锻炼效应的评估时间等因素有关。以锻炼效应的评估时间为例，有研究发现，在锻炼停止后，与锻炼有关的神经激活很快会返回基线，因此对锻炼后和锻炼过程中的执行功能评估很难达到一致的结果［39］。未来的相关研究应控制好研究条件，避免无关因素的干扰，以利于得出确切的结论。

3.3 身体活动与生活因素的交互作用

元分析表明，锻炼对脑及执行功能影响过程中，有一些别的因素发生作用。如有氧锻炼与力量及灵活性项目结合比仅仅使用有氧锻炼有更好的效果。关于锻炼对神经生长的影响及其与社会因素关系的研究发现，较之于社会互动良好的动物，处于社交孤立的动物，锻炼对其神经生长的影响的促进作用大为降低［44］。

也有研究探索各种生活方式因素的独立和综合影响。如一项研究对778名平均年龄为75岁的老年人进行了为期3年的追踪，考察执行功能水平、锻炼和社会参与程度三个因素与降低老年痴呆风险的关系。结果发现，所有三个因素得分都高的老人，罹患老年痴呆的风险更低［45］。因此，未来的研究应注意进一步考察锻炼和神经生长、社会互动以及饮食干预等其他生活因素对执行功能和脑健康的交互影响。

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