短时中等强度功率自行车运动对大学生完成执行功能任务的影响

李 琳，季 浏

（1.华东师范大学青少年健康评价与运动干预教育部重点实验室，上海200241；2.华东师范大学体育与健康学院，上海200241）

◄体育教育训练学

短时中等强度功率自行车运动对大学生完成执行功能任务的影响

李 琳1，2，季 浏1，2

（1.华东师范大学青少年健康评价与运动干预教育部重点实验室，上海200241；2.华东师范大学体育与健康学院，上海200241）

目的：考查短时中等强度有氧运动与大学生执行功能的关系。方法：选取普通女大学生87人，在功率自行车上进行30 min等强度的有氧运动干预，采用N-back，Go／no-go，More-odd shifting任务范式测查被试的记忆刷新、抑制优势反应和注意转换功能。结果：通过配对t检验发现，运动前、后被试的N-back，Go／no-go，More-odd shifting任务都发生了显著的变化，主要表现为：运动后2-back任务的正确率显著提高，反应时明显缩短，Go／no-go和Shift任务的正确率也都显著提高。结论：短时中等强度的功率自行车运动对大学生完成执行功能任务有积极影响。

执行功能；短时有氧运动；中等强度；大学生；功率自行车

执行功能（executive function，简称EF）是指在完成复杂的认知任务时，对其他认知过程进行控制和调节的高级认知过程，其根本作用是产生协调有序、具有目标性的行为［1］。日常生活中人们经常要面对一些需要立即解决的问题并迅速恰当地做出决定，包括可靠的计划、推理、判断，并做决定和预测等，成功有效地完成这些任务，有赖于大脑正常的执行功能［2］。执行功能的障碍会导致患者产生认知、情绪和社会功能等方面的异常［1］。在传统的认知心理学中，执行功能往往被视为单一的认知结构，近些年学者们应用潜变量分析法证实执行功能具有可分离性［3-4］，分为3个子功能：抑制、刷新和转换。

近些年的研究发现，个体的执行功能是可以通过训练和干预来提高的。其中，短时有氧运动作为一种改善和提高执行功能的干预手段，得到了一些研究结果的初步认同［5-6］。早期研究有两种意见，一种认为运动强度与认知呈直线关系，第二种认为运动强度与认知呈倒U关系。目前比较一致的意见是中等强度的短时运动最有利于改善像执行功能这样复杂的认知任务［7-10］。

在考察短时有氧运动各要素与执行功能关系时，研究者也将视线转向执行功能本身。Tomporowski认为运动对执行功能的影响具有选择性［11］。Audiffren和Tomporowski进行了一项被试内实验，首先16名被试进行30 min有氧运动，然后立即进行随机生成任务（测量抑制与转换两项子功能）测试。第二次实验在两周后进行，同样的被试不进行运动，休息30 min后，再进行随机生成任务测试，结果显示30 min有氧运动对转换功能有更显著的作用［12］。Sibley等人通过对照实验发现30 min跑台运动可以促进Stroop测试的表现，特别是对SCW（色词）任务有明显促进作用，而色词任务主要测量执行功能的抑制与转换功能［13］。但Tomporowski［14-15］与同事进行的另两项实验却没有发现短时有氧运动对执行功能中转换功能的积极作用。不同的研究结果似乎也预示这一研究还要继续深入。

短时有氧运动与执行功能的关系研究尚处于起步阶段。虽然大多数研究都发现短时有氧运动可以改善执行功能，但由于不同的实验设计，不同的执行功能任务范式，所得研究结果并不一致。目前来看，研究者的共识是20～30 min以上的短时中等强度有氧运动对执行功能的改善最佳［16］。以往研究中，研究者一般只考察1～2个子功能，无法了解短时有氧运动是从整体上影响执行功能还是对各个子功能有不同的影响；另外，对抑制功能的研究中，已有研究多采用Stroop任务和Flanker任务，未见有短时运动对Go／no-go任务的影响研究。为此，本研究以普通大学生为被试，在功率自行车上完成短时中等强度的有氧运动，测量运动后即刻的抑制、刷新、转换3个子功能，分别采用Go／no-go、N-back、More-odd shifting任务范式，通过此研究以期为深入了解短时有氧运动与执行功能的关系提供理论基础，并为改善执行功能提供有效的运动干预方案。本研究假设：短时中等强度的有氧运动对抑制、刷新和转换功能有积极影响，能够改善大学生的执行功能。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

通过网络、张贴告示的方式在上海市某大学招募女大学生87名为普通学生组，要求之前没有系统参加体育锻炼经历。被试身体素质测试各项指标达到大学生体质健康标准中良及以上等级，所有被试均为右利手，无器质性脑病史，无精神、神经病史，心理健康状况未见异常，（矫正）视力和色觉正常，年龄在19～24岁之间，在实验前签署知情同意书。

1.2 实验任务与程序

1.2.1 实验任务 实验包括3种执行功能任务：N-back任务；Go／no-go任务；More-odd shifting任务。在实验指导语中告知被试：在保证准确的前提下请尽快按键。

N-back任务设计说明：刺激范式采用Block模式，休息24 s，在第25 s开始出现一个2.5 s的任务提示，N-back任务360 s，18个Trials，0-back、1-back和2-back任务交替进行，循环2次，正式实验前有一个练习，3种N-back任务各出现4个Trials。刺激内容为英文26个字母，0-back任务随机选取12个字母加6个字母“X”，所有字母随机排列，字母为红色，X为目标；1-back任务随机选取6个字母，2个字母出现4次，2个字母出现3次，2个字母出现2次，所有字母作伪随机排列，字母为绿色，当前字母与前一个字母相同时为目标；2-back任务随机选取5个字母，4个字母出现3次，1个字母出现6次，所有字母作伪随机排列，字母为黄色，当前字母与前一个字母相同时为目标。3种任务条件下目标均为6个Trials，非目标12个Trials。所有字母均呈现500 ms。TR时间为2 000 ms，任务总时间为422 s。

Go／No-go任务设计说明：X、Y两个字母交替出现，当相连字母不同时为Go目标，相连的两个字母相同时为No-go目标，Go目标时要求对字母按键，字母顺序为伪随机。刺激呈现时间分别为600 ms、700 ms、800 ms、900 ms，对应的刺激间隔为400 ms、300 ms、200 ms、100 ms。一个Run共500个Trails，其中No-go为40个Trails。每100个Trials休息24 s，共休息4次，休息结束前“+”号变为“＃”，“＃”呈现1s，结束后，任务开始，任务总时间为602 s。

More-odd shifting任务设计说明：刺激范式采用EVENT模式，实验分3个部分，第1部分判断数字是否大于或小于5，数字颜色为红色，共30个Trails，此部分称为more任务；第2部分判断数字的奇偶，数字颜色为绿色，共30个Trails，此任务称为odd任务；第3部分是两种颜色的混合，红色判断大小，绿色判断奇偶，共120个Trails，此任务称为shift任务。每个部分中间休息24 s。每个Trail包含两部分：刺激“数字”（900 ms）+注视点“+”（1 100 ms），时间共为2 000 ms。整个任务包含180个Trails，任务总时间为508 s。

1.2.2 实验程序 实验前与被试进行联系，选择实验时间。实验时间分为早上9：00—10：00和下午15：00—16：00两个时间段，每个被试要进行2次测试，2次测试的时间段相同，以避免时间不同对被试生理感受性的影响。要求被试实验前一天不能喝酒，晚上睡觉不宜太迟。实验前不能喝具有提神醒脑功能的饮料，并着重注意避开女性的月经生理周期。实验在一间安静、舒适的房间内进行，实验过程中房间内只有主试与被试两人。

实验采用被试内设计，每个被试完成2次测试：基线测试，运动后即刻测试，时间间隔1周。为避免因测试顺序而导致第二次测试成绩优于第一次测试成绩的练习效应，一半被试先进行基线测试；一半被试先进行运动后测试。3项任务的测试顺序采用所有可能顺序法（被试1顺序：1，2，3；被试2顺序：2，3，1；被试3顺序：3，2，1；被试4顺序：2，1，3；被试5顺序：1，3，2；被试6顺序：3，1，2；后同）。

基线测试过程：被试进入实验室休息5 min后测试安静心率。然后在主试的指导下进行认知任务练习，主试观察被试完成情况，确保其熟练掌握操作方法，正确率达到一定水平，再进行正式基线测试。

运动后测试过程：运动前，让被试先休息5 min，接下来测量被试的安静心率，然后被试在功率自行车上以0kPM／min逐渐增加负荷进行5 min热身运动。正式运动开始进行逐渐递增负荷的运动，直到达到要求的心率（60%～70%的最大心率储备，最大心率储备＝220-年龄），运动30 min。运动后被试摘下心率监控仪，即刻进行3个认知任务测试。

1.3 实验仪器

笔记本电脑一台，屏幕为15.4英寸（电脑中装有操作系统和实验任务）；芬兰Suunto t6心率监控仪；瑞典Monark公司B50025-1085型功率自行车。

1.4 数理统计法

采用前、后测的实验设计，比较基线和运动后0-back、1-back、2-back的正确率和正确反应时、Go／Nogo任务正确率和go任务正确反应时、Shift任务正确率和正确反应时，统计计算各指标的平均数、标准差，进行配对样本t检验，并计算效果量（ES），在SPSS 11.5软件上对数据进行统计处理。

2 研究结果

进行N-back任务的配对样本t检验，比较基线和运动后即刻后N-back任务的正确率与反应时。结果显示，0，1-back的正确率和反应时差异不显著，2-back的正确率和反应时差异显著［t（86）＝-2.593，p正＝0.008，ES＝0.34；t（86）＝2.871，p反＝0.035，ES＝0.25］。从表1可知，与基线相比，运动后2-back的正确率显著提高，反应时明显缩短，说明短时中等强度有氧运动对2-back任务有显著影响。研究结果验证了假设，短时中等强度有氧运动能够改善女大学生的刷新功能。

表1 N-back任务的描述性统计（±S）

表1 N-back任务的描述性统计（±S）

注：与基线比较，*P＜0.05，**P＜0.01，以下各表同。

／%87 95.15±4.13 94.09±8.76 0-back反应时／ms 87 310.51±16.87 304.19±18.44 1-back正确率／%87 92.91±7.02 92.56±7.41 1-back反应时／ms 87 315.85±16.62 312.81±18.51 2-back正确率／%87 84.64±6.02 88.18±5.34**2-back反应时／ms 87 326.04±19.04 319.12±21.51 0-back正确率*

表2中t检验显示，与基线相比，运动后Go／nogo任务的正确率发生了显著的变化，表现为运动后正确率显著高于基线正确率［t（86）＝-2.577，p正＝0.015，ES＝0.18］。运动后Go／no-go任务的反应时较基线缩短，但差异不具有统计学意义［t（86）＝1.837，p反＝0.076］。研究结果验证了假设，短时中等强度有氧运动对抑制功能有积极影响。

表2 Go／no-go任务的描述性统计（±S）

表2 Go／no-go任务的描述性统计（±S）

基线 运动后Go／no-go正确率／%87 90.52±3.73 92.64±2.44任务n * Go／no-go反应时／ms 87 327.24±45.31 324.10±43.86

More-odd shifting任务分为3个分任务，其中，Shift任务是反映注意转换功能的核心任务。从表3可见，运动后即刻Shift任务的正确率提高。t检验显示，运动前、后差异显著［t（86）＝-3.713，p正＝0.002，ES＝0.22］。Shift任务的反应时运动前、后相差不大，且差异不显著。研究结果验证了假设，短时中等强度有氧运动对转换功能有积极影响。

表3 Shift功能的描述性统计（±S）

表3 Shift功能的描述性统计（±S）

基线 运动后即刻Shift正确率／%87 37.66±16.56 42.66±18.04任务n ** Shift反应时／ms 87 591.69±38.86 588.62±38.33

3 讨论分析

3.1 短时有氧运动与记忆刷新功能的关系

采用N-back任务考查短时运动对记忆刷新功能的影响。与笔者的假设相一致，短时中等强度运动后，2-back任务的正确率提高、反应时缩短，表明记忆刷新功能在短时运动后得到了改善。0-back和1-back任务在运动前、后并无显著差异，这可能是0-back和1-back认知任务负荷较低的原因，导致其无法作为衡量大学生工作记忆的标尺。

本研究结果与早前国内学者对记忆刷新功能的研究结果一致。陈爱国［17］采用不同强度短时有氧运动对记忆刷新功能进行干预研究，与运动前相比，各强度（大、中、小）短时有氧运动后2-back任务反应时都出现了显著的改变，作者认为短时有氧运动能提高大学生的刷新功能。但研究只考察了2-back任务的反应时指标，缺少对正确率的评价，无法全面了解与评价记忆刷新功能的变化情况。国外学者Tomporowski与同事进行了一项实验，采用同步听觉系列加法测验（PASAT）测量被试的刷新和抑制功能，发现2 h的自行车运动可以促进刷新与抑制功能［11］。然而，此研究的缺陷是所采用的任务范式无法将刷新和抑制两种认知成分剥离开来。短时运动与记忆刷新功能的关系国内外相关研究非常少，后续研究有待于加强。

3.2 短时有氧运动与抑制优势反应功能的关系

按照Barkley的理论［18］，抑制功能可分为3种不同形式：抑制习惯性优势反应、抑制无关干扰、抑制新形成的优势反应。Go／no-go任务反映的是抑制新形成的优势反应能力，这是一种内源性的行为控制。Go／no-go任务要求被试对刺激尽快做出反应并保证正确。在执行任务的过程中，对Go与No-go两种情况的判断和行动决定受试者需要高度集中注意力，动用脑力资源，根据随机呈现的刺激任务决定行动或抑制行动，在两者之间的快速转化体现了受试者对行为的调控和抑制冲动的能力［19］。在该范式中Go任务占整个任务的85%以上，而No-go任务则只占25%，因此，被试大多数时间是对Go任务反应，如此形成了优势反应；而当No-go任务出现时，被试则要抑制Go任务的优势反应，要求既要反应快，也要准确。本研究中的反应时为完成Go任务的反应时，Go任务对被试的抑制控制要求较低，反应速度快不能说明抑制控制能力强；而正确率主要反映No-go任务出现时被试正确判断并抑制冲动的情况，这一指标较反应时能更好地反映抑制能力。

短时有氧运动后正确率提高，说明被试对冲动的抑制能力在运动后增强。在短时运动的研究中，Pontifex提出，执行功能的抑制功能是研究者关注最多的方面［20］，但多数研究采用的是Stroop任务和Flanker任务评价抑制功能，前者是对习惯性优势反应的抑制，后者是对无关干扰的抑制。我国学者朱丽研究了不同强度运动对Stroop效应的影响，将32名被试分为大、中、小强度组。采用跑台运动的方式进行运动干预。结果发现，运动前、后唱色任务（执行功能的抑制功能）的所有维度都存在显著差异［21］。因此，该研究认为不同强度运动对抑制功能有积极影响。Hiroki的研究也证实了短时有氧运动对抑制功能的积极效应。他研究了一次中等强度（50%的个人最大吸氧量）有氧运动对Stroop任务的影响。28名被试参与了该实验，对被试Stroop反应时（色词一致与色词不一致的反应时）进行了统计分析，结果发现，一次中等强度的有氧运动对执行功能的抑制功能有促进作用［22］。另一个研究［17］采用Flanker任务评价运动前、后抑制功能的变化，认为中等强度以上的短时有氧运动可以促进抑制功能。虽然上述研究采用了不同于本研究的抑制功能任务范式，但一致认为短时有氧运动对执行功能的抑制功能具有积极效应。

3.3 短时有氧运动与注意转换功能的关系

More-odd shifting任务包含3个分任务，第1个分任务（More任务）是对数字大小的判断，第2个分任务（Odd任务）是对数字奇偶的判断，第3个分任务（Shift任务）是反映注意转换功能的核心任务，也是评价转换功能的指标。Shift任务是将前两个任务整合到一起，被试首先要判断呈现数字的颜色，根据颜色再做出进行大小判断或者奇偶判断。由于数字是随机呈现，被试的大脑要进行不停的转换，对被试的认知灵活性要求非常高，所以结果中Shift任务正确率的标准差较大。本研究发现，与运动前相比，运动后Shift任务的正确率显著提高，表明短时运动对大学生的转换功能有积极影响。

短时有氧运动与执行功能的转换功能的关系研究较少。Netz等人［23］使用变换使用任务（the Alternate Uses task）评价老年人的转换功能，研究发现不同强度短时有氧运动（60%心率储备强度和70%心率储备强度）能提高老年人的转换能力。近期，Ken Kimura等人的研究也证实了短时有氧运动对转换功能的积极影响。但他采用的是有氧舞蹈运动形式，对34名年龄在65～75岁之间的老年人进行了一次有氧舞蹈运动（保持40%心率储备强度）干预，发现40 min的组合有氧舞蹈运动对转换功能有积极作用［24］。短时运动对老年人转换功能积极影响是否能够在健康青年人上得到证明，此前并没有研究验证。本研究结果说明短时运动对健康青年人的转换功能也有积极影响。

目前，短时中等强度有氧运动增强认知功能的生理机制尚不明确，一种解释是运动后去甲肾上腺素和脑内多巴胺等神经递质分泌增加，唤醒水平提高，从而改善认知功能［25］。此外，倒U假说认为，中等强度的运动能够使唤醒水平达到最佳点，最有利于认知功能的提高［26］。本研究运动后刷新、抑制和转换的改善，很可能是运动后唤醒水平升高、脑中神经递质水平上升的结果。

笔者就执行功能的3个子功能进行了研究，为进一步厘清急性运动与执行功能的关系提供了研究基础。但本研究有其局限性，缺少对照组。后继研究应设立对照组，以验证本研究的结果。

4 结 论

一次持续30 min中等强度的功率自行车运动对执行功能的抑制、刷新和转换功能有积极影响，短时功率自行车运动可以作为改善和提高大学生执行功能的一个有效手段。

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责任编辑：乔艳春

Effects of Acute Bout of M oderate Intensity Cycle Ergometer Exercise on College Students in Executive Function Tasks

LILin1，2，JILiu1，2
（1.Key Laboratory of Adolescent Health Assessment and Exercise Intervention，M inistry of Education，East China Normal University，Shanghai200241，China；2.School of P.E.and Health Care，East China Normal University，Shanghai200241，China）

Objective：Exam ining the relationship between acute boutofmoderate intensity aerobic exercise and the executive functions of college students.Methods：87 female college studentswere selected to participate in the 30 m inutes ofmoderate intensity aerobic treadm ill exercise intervention，using the N-back task，Go／no-go task and More-odd and shifting task paradigm to explore the function of memory refreshing，inhibit advantage reactions and attention conversion.Results：We used paired t-test and found that there was a significant difference in the trial of the N-back，Go／no-go and More-odd shifting tasks before and after exercise，mainly as follows：the accuracy in 2-back task after exercise was improved significantly and decreased in reaction time，w ith the improved accuracy significantly in Go／no-go and shifting task.Conclusion：Acute bout ofmoderate intensity cycle ergometer exercise has a positive effecton college students’abilities of executive function tasks.

executive functions；acute aerobic exercise；moderate intensity；college students；cycle ergometer

G804.82

：A

：1004-0560（2014）06-0108-05

2014-02-15；

2014-03-12

高等学校博士学科点专项科研基金（20110076120029）；“青少年健康评价与运动干预教育部重点实验室”建设项目（40500-541235 -14203／004）；《青少年POWER工程协同创新中心》项目（44801400）；华东师范大学大型仪器设备开放基金项目（2012-40）。

李 琳（1972—），女，副教授，博士，主要研究方向为运动心理学。

季 浏（1961—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为运动心理学。