急性有氧运动的强度与抑制能力的剂量关系——来自ERP的证据

王莹莹，周成林

运动能否促进抑制能力，这个问题在过去几年乃至今日一直都深受关注［38，27］。抑制能力是指取消一个优势反应 或停 止 一 个 不 合 适 的 、无 关 动 作 的 能 力［18，45，55］，它 是 执行功能的主要成分，对于我们处理复杂的、带有无关信息的情境有重要作用，在临床上还与精神分裂症、多动症、药物滥用、烟瘾、酗酒等的预防 和治疗相关［54，58，65］。因此，如何提高抑制能力对于各个年龄段的人群来说都是非常重要的。大量研究表明，急性有氧运动能够提高抑制能力［11，40，41，51］。如 近 期 Chang（2014）的 研 究 表 明 ，成 年 人 经过20min的急性有氧运动后，抑制任务的成绩得到了显著的提高［6］。McMorris（2012）的一篇元分析也发现，急性有氧运动对抑制能力有显著的影响［43］。

急性有氧运动（acute aerobic exercise），是指一次性持续10～60min，在氧气充分供应的情况下进行的体育锻炼［44，57］。可操作的变量有很多，如运动强度，作为一个重要的调节变量被广泛的用于研究急性有氧运动与抑制能力的内在关系［7］。那么，不同的运动强度与抑制能力的关系如何？早期的倒U型理论［64］认为，不同的运动强度对抑制能力的影响是不同的，主要源于诱发的唤醒水平不同［42］，小强度、大强度运动诱发的唤醒水平过低、过高，导致任务成绩不高；而中等强度的运动对应最佳唤醒水平，因此，任务成绩能够得到最大程度的提高。驱力理论则认为，大强度运动能够最大地促进抑制能力，主张两者的关系是线性的［1］，也有研究没能证明两者存在相关关系［9］。之后，许多学者对此进行了实证性研究，近期的一些实验结果表明，中等强度的急性有氧运动能够促进人的抑制能力［12，24，63］，如 有 研 究 发 现 ，被 试 经 过 中 等 强 度 的 有 氧 运 动后，抑制任务的反应速度变快［30，36］。但也有研究表明，小强度的急性有氧运动相比于中等强度和大强度来说，抑制任务的正确率更高［1］。而 Cooper［8］发现，大强度的有氧运动后，抑制任务的正确率和反应时无显著变化。神经机制方面，如事件相关电位（ERP）的研究发现，被试经过大强度的急性有氧运动后，P3波幅变大［26］。P3成分是抑制任务诱发出的经典成分之一，其波幅主要代表被试在完成任务过程中认知资源的分配效率，P3波幅越大表明加工效率越高。

综合以上各种理论和研究成果可知，无论是元分析还是多数实证研究都表明，急性有氧运动对抑制能力存在促进作用［62］，但其强度与抑制能力的关系还存在争议。首先，上述文献涉及的各种运动强度的定义千差万别，如以最大心率（HRmax）、最大耗氧量（˙VO2max）、乳酸阈（LT）等的百分比定义区分不同的运动强度，强度的百分比设定也存在差异（如60%～70%vs 65%），因此，需要在同一个实验范式下，同时比较3种运动强度对抑制能力的影响，才能得到它们之间的效应差异；另外，多数研究以中等强度有氧运动为干预手段，很少有研究比较小强度和大强度对抑制能力的影响［38］，即运动强度与抑制能力的剂量效应关系；并且很少有研究考虑到被试本身的体适能差异可能会作为潜在的混淆因素，影响急性有氧运动和抑制能力的关系［47］。考虑到这几点因素，本研究以久坐人群为被试，采用ERP技术，根据文献科学地制定了3种运动强度：小强度、中等强度和大强度的急性有氧运动的操作方法，同时，比较分析其对抑制能力的影响，进一步深入探究不同强度的急性有氧运动与抑制能力关系的电神经生理特点，为科学地制定运动处方提供理论依据。本研究假设为：急性有氧运动能够有利地促进抑制能力，其中，中等强度的促进作用最大，表现为完成抑制任务的效果最佳，急性有氧运动强度与反应抑制的关系为倒U型曲线关系。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

从某大学本科生中选取二年级男生100名（表1），入选标准：1）BMI值在18.5～24.99之间；2）非体育生；3）血压 正 常；4）身 体 状 况 安 全 问 卷 （PAR－Q）回 答 全 部 为“否”［39］，确保被试能够负担本次运动；5）瑞文智力问卷智力中等以上，即换算成标准分＞5；6）国际身体活动量表（IPAQ）代谢当量小于600METs，即不经常参加体育锻炼的人。

表1 本研究样本情况一览表Table 1 Information of Participants

1.2 研究方法

1.2.1 实验设计

实验采用单因素设计，自变量为组别（控制组、小强度组、中等强度组、大强度组），因变量分别为反应时、正确率、ERP波峰和潜伏期。

1.2.2 3种强度急性有氧运动方案

3种有氧运动强度的设定。根据美国运动医学学会和已有文献的标准，结合被试体质情况，确定有氧运动的小、中、大3种强度标准，即小强度有氧运动负荷设定为个体HRmax的40%～50%；中等强度有氧运动负荷设定为个体HRmax的65%～70%；大强度有氧运动负荷设定为个体 HRmax的80%～95%，其中，HRmax＝207－0.7×年龄（岁）［22］。

1.2.3 实验任务

研究抑制能力通常采用Go／NoGo范式，被试需要对一种类型的刺激做按键反应（Go），而对另一类型的刺激做不按键的反应（NoGo）。采用E－prime编写实验程序，被试需要完成一个改编版的 Go／NoGo任务［20，21］，屏幕中会 呈现字母流（如X Y Y X Y……），如果当前呈现的字母与前一个呈现的字母不同，则按“0”键（go）；如果相同，则不按键（NoGo），NoGo的比例为20%。整个实验一共包括4个组块（block），每个组块包括200个试次（trial），每个试次的呈现速率为1Hz，即刺激呈现时间为400ms，刺激间隔为500～700ms。实验记录反应时和正确率。

1.2.4 ERP记录

本实验使用按照国际10～20标准系统扩展的64导电极帽采集EEG信号，只记录其中的 C3、C4、P3、P4、Fz、Cz、Pz、FC1、FC2、CP1、CP2、TP9、TP10、VEOG、HEOG 15个电极点，电极帽的电极为Ag／AgCl电极。参考点为FCz，接地点为AFz，水平眼电（HEOG）置于右眼外侧1cm处，垂直眼电（VEOG）置于左眼框下方1cm处。头皮与电极接触阻抗小于10kΩ，采样频率为1 000Hz／导，收集的数据由Vision－Analyzer软件离线分析。

1.2.5 实验程序

实验在某大学生理实验室进行，运动干预和阅读干预在实验室外走廊进行，抑制能力测试在实验室内进行，全程控制其他无关因素干扰。实验前告知被试整体的实验流程，填写被试基本情况调查表。平静后测量血压、安静心率，排除低血压和高血压的被试，保证干预过程安全进行。

本实验采用被试间设计，将选取出来的100名被试随机分为4组，每组25人，分别为控制组、小强度运动组、中等强度运动组和大强度运动组。根据强度分组，计算出靶心率＝安静心率＋（最大心率－安静心率）×强度%区间。之后的实验流程如表2，其中，RPE为Borg量表分数（主观体力感等级评定量表，The rate of perceived exertion，RPE）［4］，是介于生理、心理之间用来评价和监控被试对运动强度的主观感觉指标，从6到20计分，6为非常轻松，20为极其困难。

采用瑞典产MONARK 894E型功率自行车进行运动干预，运动过程中保持踏车节律为50r／min左右，根据个体差异和强度设定，增加或降低阻力，使其心率保持在靶心率范围内。采用芬兰产RCX3型心率遥测仪监控运动前、过程中以及运动后的心率。

表2 本研究实验流程一览表Table 2 Experimenal Flow

1.2.6 数据的采集和处理

1.2.6.1 行为数据的采集和处理

将E－prime软件采集到的行为数据首先导入Excel中进行预处理，去除3个标准差以外的数据，去除总体正确率小于50%的数据，然后对数据进行加减、取平均、计算百分比。预处理后得到以下指标：Go试次的正确率和反应时、NoGo试次的正确率以及错误试次后的正确率。最后，采用SPSS 15.0统计软件对行为数据进行单因素方差分析。

1.2.6.2 ERP数据的采集和处理

由BP Recorder软件进行脑电数据的采集，之后采用BP Analyzer对数据进行离线分析。首先，以双耳乳突的平均电位作为参考（TP9和TP10），利用主成分分析法半自动去除眼电伪迹，滤波，自动排除±100μV范围外的波幅。之后，根据实验目的进行分段叠加分析。本研究重点分析N2和P3成分，以刺激出现为0点，分析时程为Go和NoGo正确试次下－200～1 000ms，以刺激出现前200 ms的均值为矫正基线。由ERP总平均图确定N2和P3成分的波峰潜伏期，后手动确定波峰位置并记录波幅，统计分析每组被试的波峰和潜伏期。最后，采用SPSS 15.0统计软件分别以4组被试在Fz、FCz、Cz、Pz电极点处的N2和P3成分的波幅和潜伏期作为因变量，进行4（组别）×4（电极点）2因素重复测量方差分析。分析过程中，对不满足球形检验的统计量采用Greenhouse Geisser法矫正自由度和P值，事后比较采用LSD法。

2 结果

2.1 行为数据结果

以组别为自变量，以Go试次正确率、Go试次反应时、NoGo试次正确率以及错误试次后试次的正确率为因变量做单因素方差分析。结果显示，Go试次正确率的组间差异不显著（F（3，89）＝0.832，P＝0.48），Go试次反应时的组间差异不显著（F（3，89）＝0.118，P＝0.95）。NoGo试次正确率的组间差异显著（F（3，89）＝33.785，P＝0.000），事后两两比较（图1），其中，控制组与小强度组、中强度组、大强度组分别存在显著差异；中强度组与小强度组、大强度组分别存在显著差异。错误试次后试次的正确率组间差异显著（F（3，89）＝3.071，P＝0.032），事 后 两 两 比 较 仅 发现，中等强度组显著高于控制组（P＝0.02＜0.05）。NoGo试次的正确率表明，急性有氧运动能够有利地促进抑制能力，并且强度与抑制能力的关系呈倒U型曲线。

2.2 ERP结果

4组被试分别在Go和NoGo试次中诱发的ERP波形如图2所示，从总平均图中确定N2成分的时间窗口为200～310ms，P3成分的时间窗口为300～420ms。

图1 本研究控制组、小强度组、中强度组、大强度组两两比较结果条形图Figure 1. Bar Chart of Posterior Comparisons for Low Intensity，Medium Intensity and High Intensity Group

选取有代表性的Fz（额叶）、Cz（中央区）、Pz（顶区）和FCz（额中央区）4个记录点的 ERP进行叠加处理［35，61］，具体结果如下。

2.2.1 Go试次诱发的N2和P3成分

以N2波幅为因变量的2因素重复测量方差分析结果显示，组别主效应显著（F（3，90）＝3.709，P＝0.014），电极点位置主效应显著（F（1.88，169.26）＝26.257，P＝0.000），两者交互作用显著（F（5.64，169.26）＝3.059，P＝0.008）。简单效应检验结果表明，控制组和中等强度运动组在电极点Fz、Cz、FCz上存在显著差异，中等强度运动组和大强度运动组在电极点Pz上存在显著差异（图3a）。

以N2潜伏期为因变量的2因素混合方差分析结果显示，组别主效应显著（F（3，90）＝3.022，P＝0.034），电极点位置主效应显著（F（2.34，210.12）＝30.473，P＝0.000），两者交互作用不显著（F（7，210.12）＝355.422，P＝0.357）。事后 两两比较分析得知，大强度组的N2潜伏期分别与控制组、小强度组存在显著差异（图3b）。

图2 本研究4组被试总平均叠加波形图（以Cz为例）Figure 2. ERP Oscillogram of Four Groups（Take Cz for example）

图3 本研究不同组别在不同电极点上诱发的N2波幅（左）和潜伏期（右）比较示意图Figure 3. The Graphs of N2Amplitude（Left）and Latency（Right）in Different Group at Different Electric Poles

以P3波幅为因变量的2因素混合方差分析结果显示，组别主效应显著（F（3，90）＝15.165，P＝0.000），电极点主效应显著（F（2.03，183.09）＝61.595，P＝0.000），两者交互作用显著（F（6.10，183.09）＝4.773，P＝0.000）。简单效应检验结果表明，在电极点Fz上，控制组、小强度组和中等强度组均存在显著差异，控制组和大强度组也存在显著差异；在电极点Cz上，控制组与中等强度组、大强度组分别存在显著差异，小强度组和中等强度组存在显著差异；在电极点Pz上，中等强度组与控制组、小强度组、大强度组分别存在显著差异；在电极点FCz上，控制组与小强度组、中等强度组、大强度组分别存在显著差异，小强度组与中等强度组存在显著差异（图4）。

以P3潜伏期为因变量的两因素混合方差分析结果显示，只有 电 极 点 主 效 应 显 著 （F（2.57，231.47）＝19.818，P＝0.000），组别主效应不显著（F（3.90）＝1.902，P＝0.135），两者交互作用不显著（F（7.72，231.47）＝1.383，P＝0.207）。

以上结果显示，在Go试次中，N2波幅、N2潜伏期、P3波幅均存在组间差异。其中，从N2波幅、P3波幅的事后比较结果可以清晰地看出运动强度与抑制能力的倒U型曲线关系。

图4 本研究不同组别在不同电极点上诱发的P3波幅比较图Figure 4. The Bar Chart of P3Amplitude in Different Group at Different Electric Poles

2.2.2 NoGo试次诱发的N2和P3成分

以N2波幅为因变量的两因素混合方差分析结果显示 ，只 有 电 极 点 主 效 应 显 著 （F（1.86，166.95）＝10.189，P＝0.000），组别主效应不显著（F（3，90）＝1.558，P＝0.205），两者交互作用不显著（F（5.57，166.95）＝0.782，P＝0.576）。

以N2潜伏期为因变量的两因素混合方差分析结果显示 ，只 有 电 极 点 主 效 应 显 著 （F（2.22，199.50）＝23.496，P＝0.000），组别主效应不显著（F（3，90）＝1.235，P＝0.302），两者交互作用不显著（F（6.65，199.50）＝0.441，P＝0.867）。

以P3波幅为因变量的两因素混合方差分析结果显示，组别主效应显著（F（3，90）＝5.455，P＝0.002），电极点主效应显著（F（2.05，184.28）＝97.011，P＝0.000），两者交互作用不显著（F（6.15，184.28）＝2.06，P＝0.058）。事后两两比较分析得知，控制组与中等强度组、控制组与大强度组、小强度组与中等强度组分别存在显著差异（图5）。

图5 本研究不同组别在不同电极点上诱发的P3波幅比较图Figure 5. The Diagram of P3Amplitude in Different Group at Different Electric Poles

以P3潜伏期为因变量的两因素混合方差分析结果显示，组别主效应（F（3，90）＝1.179，P＝0.322）、电极点主效应（F（2.2，198）＝1.115，P＝0.335）、两者交互作用均不显著（F（6.6，198）＝0.922，P＝0.487）。

在NoGo试次中，P3波幅的组间比较结果进一步地表明了运动强度与抑制能力存在倒U型曲线相关。

3 讨论

3.1 急性有氧运动对抑制能力的促进作用

本研究的目的是探究不同强度的急性有氧运动与抑制能力的关系。研究发现，运动组（小强度组、中等强度组、大强度组）比控制组的正确率高，验证了假设，即急性运动能够有利地促进抑制能力，并且与前人研究结果一致［52］，主要体现在NoGo试次上，说明急性有氧运动，无论强度大小，都会促进抑制能力。而运动组和控制组的Go试次正确率无显著差异，未能验证假设，出现这一结果可能原因是，本研究设置Go和NoGo试次的比例为4∶1，Go试次所占的比例较大，被试容易产生惯性反应，任务难度较小，而“新异刺激”NoGo需要被试抑制住惯性反应，难度较大，急性有氧运动有选择性地促进了难度相对较大的任务成绩［24，3，59］，有研究发现，这种选择性提高发生在成年期早期以后，前期更多的是整体性的提高［5］。本研究没能发现组间反应时存在显著差异，进一步表明急性有氧运动对难度较小的任务无促进作用。

结合本研究的结果和 Kamijo（2012）的观点［34］，NoGo条件需要自上而下的抑制控制来克服优势反应［19］，上述结果表明，运动组的NoGo正确率显著高于控制组，这表明急性有氧运动后，被试能够灵活地运用自上而下的抑制控制提高正确率，而阅读组没能灵活地调节抑制控制满足更高的任务需求，更加集中体现了急性有氧运动对抑制能力的促进作用，进一步验证了假设。

另外，本研究还发现，被试在犯错误后的下一个试次中，中等强度组的正确率显著高于控制组，这种任务成绩的提高代表的是反应监控能力的提高，指探测错误，并在随后的任务中调整行为的能力［16］，它对完成目标导向性行为有重要作用，这种反应时的变化被看做是自上而下认知控制的补偿利用和优化的一种行为指标，涉及的主要脑区为前扣带回（anterior cingutate，ACC），完成任何认知任务都会涉及到这种能力，体现了中等强度急性有氧运动的效益。

最后，中等强度组的NoGo正确率高于小强度组和大强度组，支持了急性有氧运动强度与抑制能力倒U型曲线的关系，证明了这种中央神经系统（CNS）的唤醒水平与体育锻炼的程度呈倒U型曲线的关系［13，56］。

3.2 急性有氧运动促进抑制能力的ERP特征

本研究主要探讨在额叶（Fz）、中央区（Cz）、顶区（Pz）和额中央区（FCz）诱发的N2和P3成分。本研究发现，中等强度运动后，Go N2在额－中央区（电极点Fz、Cz、FCz）上的激活程度显著小于控制组，即有更加负的偏向；在后部头皮即顶区（电极点Pz）上的激活显著小于大强度组（图2和图3a）。已有研究表明，额－中央区的Go N2成分与行为前策略制定、行为中对动作的及时控制和行为后对结果反馈信息的加工等一系列认知控制、加工均有关［17］，因此，本研究的结果说明，中等强度组在行为前能够更加高效地将注意力集中到变化的视觉信息上，并且及时监控信息的变化以及行为表现。后部头皮Go N2反映的是视觉皮质加工刺激时的注意程度，中等强度组诱发的Go N2显著小于大强度组，即中等强度组对视觉信息的注意程度小于大强度组，说明大强度组为了完成进一步的加工所需的注意资源更多，因此，激活了较大的N2波幅。上述的结果部分验证了假设，即中等强度的急性运动对抑制能力早期加工过程的促进作用最大，且与前人的研究结果一致［52］。

另外，本研究显示，大强度运动组的N2潜伏期显著小于控制组和小强度组，这体现了加工过程的高效性，表明大强度组相比于控制组和小强度组来说，能够更快地完成对注意信息的加工和监控，这与假设不相符，本研究证明了大强度的急性运动也能够很好地提高抑制能力的早期加工速度，确保在短时间内完成对信息的加工和处理。NoGo N2究竟是代表反应抑制还是单纯的反应冲突或目标 探测 还 存 在 争 议［23］，Enriquez－Geppert［15］的 研 究 表 明 ，冲突会诱发明显的N2成分［17，15］，而本研究没能发现NoGo N2波幅和潜伏期的组间差异，表明急性有氧运动对冲突的监控过程无影响，而Hillman［24］的研究结果发现，经常参加体育锻炼的人N2波幅高于久坐人群。研究结果的不一致可能源于NoGo试次比例较大，对被试来说并没有产生冲突，未来的研究可以比较不同的Go、NoGo比例对NoGo N2波幅的影响。

P3成分是Go／NoGo任务中较为经典的成分，Go P3反映了与对之前呈现刺激表征的更新修正相关的神经元活动［25］。Go P3波幅表示当工作记忆更新的时候，注意资源的调节［10］，Go P3波幅变大代表采用了更多的注意资源以用于对不断呈现的刺激的表征的更新，并且也反映了更好的更新能力。与之相关的理论是信息更新理论（context－updating theory）［49，50］：注意资源面对外界刺激，经过最初的知觉加工后，在工作记忆中更新这个刺激的表征。本研究中发现，运动组比控制组诱发的Go P3波幅大，这表明急性有氧运动促进了工作记忆更新的效率，并且运动强度与Go P3波幅的关系呈倒U型曲线的关系，即中等强度的急性有氧运动诱发最佳唤醒水平，通过合理的分配认知资源提高了加工效率［2］。而NoGo P3代表的是反应抑制过程［50，31］，本研究的结果显示，中等强度和大强度的急性有氧运动后诱发的NoGo P3波幅显著高于控制组，表明这两种强度的急性有氧运动提高了抑制能力，与假设一致，并且部分与 Hughes［28］、O’Leary（2011）［46］以及 Pontifex［53］的研究结果一致，如Pontifex［53］的研究发现，强度为65%～75%最大心率的20min的急性有氧运动后，正确率提高、P3波幅变大。

总体上来说，中等强度的急性有氧运动对抑制能力的促进作用最大，表现在Go P3和NoGo P3的波幅显著大于其他3组，体现了中等强度运动组对认知任务高效的资源分配能力，这可能源于中等强度的急性有氧运动提高了神经元的激活和生理唤醒水平，提高了资源分配的效率［48］，这也是任务成绩提高的主要原因。另外，本研究结果没能发现P3潜伏期存在组间差异，结合行为结果也没能发现反应时存在组间差异，反应时代表着刺激分类和评估、反应选择以及动作准备的速度［60］，P3成分的潜伏期只代表其中的刺激分类和评估速度［37］，当刺激的分类和评估要求增加时，反应时和P3潜伏期都会变大；当涉及到反应过程的要求增加时，只有反应时会变大。而本研究的结果表明，急性有氧运动可能对包括刺激评估分类和反应相关在内的整体认知加工过程的速度均没有影响，即运动诱发唤醒状态不足以提升整体的加工速度［14］。这与 Kamijo（2004）的研究结果是一致的，也发现了3种强度的急性有氧运动对认知加工速度均无影响［33］。但与Kamijo（2009）的研究结果不一致，也与我们之前假设的运动组的认知加工速度要快于控制组不同。Kamijo（2009）发现，小强度和中等强度的急性有氧运动后，P3的潜伏期变小，而P3波幅无显著变化［32］。

一般来说，大多数研究都能通过一致的行为数据结果推测出急性有氧运动的效益，而ERP结果却不一定相同，这主要由于其较高的时间分辨率，往往能够对内部的认知过程提供更加精确的估计，实验设计的各个细节，如认知任务、急性有氧运动的操作等都能够影响ERP的结果，因此，未来的研究需要继续采用ERP技术探索急性有氧运动与抑制能力的关系［27］。

总体来看，中等强度的急性有氧运动能明显地提高认知加工效率，一篇元分析也表明，相比于小强度和大强度，中等强度运动对认知能力的效益最大［43］。中等强度的急性有氧运动诱发了最佳的唤醒水平，任务成绩最好。另外，Arent和Landers（2003）认为，当任务需要更多的运动技能和外周辅助过程时，线性关系能更好地解释运动强度和抑制能力的关系；而当任务涉及更多的认知或中枢神经过程时，则被解释为倒U型曲线的关系［29，63］。本研究选取的任务涉及更多的是认知加工过程，综合以上因素，导致了急性有氧运动强度与抑制能力的关系呈倒U型曲线关系。

4 总结

急性有氧运动能够有效地促进抑制能力，并且是有选择性地提高难度较大任务的成绩；急性有氧运动强度与抑制能力呈倒U型曲线关系，其主要机制在于完成任务过程中能够更加合理地分配认知资源。

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