太极拳运动提高大学生认知功能的研究——来自P300的证据

蓝永生，赵敬国，蒋艳杰



太极拳运动提高大学生认知功能的研究
——来自P300的证据

蓝永生1，赵敬国2，蒋艳杰1

目的：研究24式太极拳运动(以下简称太极拳)对在校大学生认知功能的影响，探讨有效锻炼的频率。方法：招募17名长期从事太极拳运动的男大学生为实验组(运动年限>1年)，30名久坐男大学生为对照组，比较实验组和对照组P300的差异。另招募30名健康在校女大学生进行短期太极拳运动干预实验(6周)，将其随机分为1组(n=10)、2组(n=10)和对照组(n=10)。1组和2组进行6周太极拳运动，其中，1组每周运动3天(周一、周三、周五)，2组每周运动5天(周一～周五)，对照组不运动。分别于运动前、第2周、第4周和第6周测量受试者P300，并于实验结束2周后测量1组和2组的P300。结果：和对照组相比， 长期运动组P300潜伏期和反应时出现显著性缩短(P<0.05，P<0.01)。短期运动1组P300各指标均未出现显著性差异(P>0.05)；2组P300峰值分别在第4周和第6周出现显著性升高(P<0.05)，且实验结束2周后P300峰值没有显著性回落(P>0.05)。结论：太极拳运动能提高练习者认知功能；每周运动5次比每周运动3次效果显著。

太极拳；认知；事件相关电位；锻炼频率

1 前言

认知功能是大学生学习活动的心理基础。良好的认知能力能够帮助大学生更快的储备新知识、掌握新技能。多数学者认为，体育运动能够提高中枢神经系统的认知功能[12,16,21]，大学生参加体育锻炼对提高学习能力具有积极促进作用[24]。Schmidt R A等[16]研究发现，中枢神经系统功能和运动强度呈倒U型关系，当运动强度接近乳酸阈时对认知功能的提高具有较理想的效果。Yamaji K等[25]研究了非运动员人群的心率和最大吸氧量百分比关系，发现年龄在10～27岁的人群，当心率达到115～135次/min时，运动强度即可达到乳酸阈。

太极拳是我国的传统武术项目，具有很高的群众普及率。众多学者均已证实太极拳具有良好的健身效果[2-7]，因此，在校园推广太极拳运动对提高学生体质具有积极作用。周之华等[8]对太极拳运动的强度进行了研究，发现全套太极拳运动的平均心率为121次/min，属于提高认知功能的最佳心率范围。因此，太极拳运动不仅具有健身养生效果，而且对大学生认知功能也应具有促进作用。但目前此推论尚未得到实验证实。

事件相关电位P300是反映认知功能的基本神经生物学评价指标，是被靶刺激诱发的正向波，出现时间大约为靶刺激出现后300 ms。P300是一种与注意、记忆和认知等相关的内源性成分，因其不受刺激物理特性的影响，所得波形亦具有良好的稳定性，已经成为近年来研究认知神经功能领域的热点，其潜伏期、峰值和反应时可从不同方面反映认知能力。P300潜伏期是从刺激开始到波峰最高点之间的时间间隔(ms)，反映认知速度；P300峰值是指基线到波峰之间的电位差(μV)，反映注意力分配；P300反应时是指从刺激开始至动作结束的总时间(ms)，意味着人体动员机体的速度，反映信息处理过程的激活速度[26]。通常认为，潜伏期和反应时缩短，峰值升高，认知能力增强。本研究旨在利用事件相关电位P300，通过实验验证太极拳运动对大学生认知功能的影响，进一步探讨更为理想的运动频率。

2 实验对象与方法

2.1 实验对象

1.实验一：选取山东师范大学体育学院长期从事太极拳运动(>1年)的男生17人作为实验组，久坐同性别学生30人作为对照组，研究太极拳运动对大学生认知功能的影响(表1)。

2.实验二：在山东师范大学非体育专业招募志愿者。要求所有志愿者填写身体活动指数量表和PAR&Q问卷。从中选取身体活动指数≤2，且PAR&Q问卷中全部选择“不是”的志愿者，向其介绍本实验的研究目的和注意事项。在征得对方同意的情况下，最终选取30名女大学生参加本实验。将入选志愿者平均分为2个实验组和1个对照组：实验1组每周运动3次(周一、周三、周五)；实验2组每周运动5次(周一～周五)；对照组不参加太极拳运动。实验周期为6周，期间实验组只允许参加预定的太极拳运动，而对照组则不允许参加任何系统的运动。此实验目的，是探索太极拳运动的有效频率(表2)。

表 1 本研究长期组志愿者人口统计学特征一览表Table 1 The Demographic Characteristics of Long Term Group Volunteers

表 2 本研究短期组志愿者人口统计学特征一览表Table 2 The Demographic Characteristics of Short Term Group Volunteers

2.2 实验方法

2.2.1 运动方案

1.实验一：运动时间通常为早晨6：00～7：30，几乎每天运动。

2.实验二：1组和2组志愿者需参加6周太极拳运动，运动时间为练习日上午6：30～7：15。

2.2.2 测试方法

P300测试采用上海海神医疗电子仪器厂生产的NDI-200神经电检诊仪。测试电极为Ag/AgCl盘状电极，测试前需确保电极抗阻在5 KΩ以下，具体措施为用酒精棉球对电极和安放电极的部位脱脂，并涂抹导电膏。

按国际脑电学会10/20系统，将记录电极置于Pz点，参考电极置于A2点，接地电极置于FPz点。刺激模式为Oddball视觉刺激，靶刺激为黑白相间的竖条纹(25×275 mm)，出现几率为20%；非靶刺激为黑白相间的方格(25×25 mm)，出现几率为80%。测试过程中，受试者需注视显示器中间的凝视点，并集中注意力。当出现靶刺激时，要求受试者用优势脚尽可能快地踩踏脚踏板；而当非靶刺激出现时，则不需要做此反应；靶刺激叠加30次。

测试过程在山东师范大学体育学院运动人体科学实验室完成。测试环境为安静的暗室。室内不允许携带手机等能够刺激志愿者感官的电子产品，以避免非正常靶刺激对测试结果的影响。

实验二测试时间：分别于运动前、第2周、第4周和第6周测量短期组志愿者的P300，并于实验结束2周后测量1组和2组P300。所有测试过程均在志愿者安静状态下完成。

2.2.3 统计方法

实验一：通过独立样本t检验，比较实验组和对照组P300的差异，研究太极拳运动对认知功能的影响。实验二：以运动时间为组内因素，运动频率为组间因素，采用重复测量方差分析，分析不同运动频率对P300的影响；采用配对t检验比较两个实验组第6周和实验结束2周后P300的差异，分析太极拳运动对认知功能的持续影响。由于1组有2人退出，对照组有3人退出，最终被统计的人数为1组8人、2组10人、对照组7人。

3 实验结果

3.1 实验一

与对照组相比，实验组P300的潜伏期和反应时均有显著缩短(表3，P<0.05，P<0.01)。说明长期太极拳运动能够使人对靶刺激做出更快的感知，并能够积极调动骨骼肌做出反应。提示，太极拳运动能够提高认知能力。

表 3 本研究实验一各组P300指标比较一览表Table 3 The P300 Comparison of Experimental Group One

注：* 与对照组相比P<0.05；** 与对照组相比P<0.01。

3.2 实验二

1组志愿者P300潜伏期、峰值和反应时均未出现显著性变化(表4，P>0.05)，说明6周内，每周运动3次不能提高认知功能。2组志愿者P300峰值从第4周开始出现显著性升高(表4，P<0.05)，且这种升高趋势一直持续到第6周，说明每周5次太极拳运动、持续4周可提高认知功能。同时，实验结束2周后P300峰值并未出现显著性回落(表4，P>0.05)，说明太极拳运动引起的认知功能提高具有持续性，且至少能够维持2周。因此，6周运动周期内，每周5次运动效果比每周3次运动效果显著。

但2周内，1组和2组P300均未出现显著性变化(表4，P>0.05)，说明太极拳运动促进认知功能提高需有一定的时间积累，一次性太极拳运动对认知功能无影响。

表 4 本研究实验二各组P300幅度变化一览表Table 4 The P300 Amplitude Changes of Experimental Group Two

注：* 与锻炼前相比P<0.05。

4 讨论

越来越多的证据表明，运动训练能够提高认知功能。Barak O等[10]发现，中强度运动能使P300峰值增大，而小强度运动和大强度运动均无此影响。Kamijo K等[17]研究发现中强度运动使P300峰值增大，大强度运动使P300峰值减小，小强度运动对P300无影响。总之，中等强度运动对认知功能具有促进作用，小强度运动和大强度运动对认知功能的影响仍需进一步探讨。太极拳属典型的中强度运动，本研究证实其对认知功能提高具有明显的促进作用。

Polich J等[20]发现，长期有氧运动能够提高P300峰值；Iwadate M等[14]发现，长时间足球运动能使P300潜伏期缩短，峰值升高。以上学者均证实长期运动训练能够提高认知功能。本研究证实，长期太极拳运动(>1年)能够显著缩短P300潜伏期和反应时，说明太极拳运动对认知功能具有促进作用。Yagi Y等[26]研究了一次性有氧运动对P300的影响，发现运动后即刻P300潜伏期和反应时明显缩短；Nakamura Y等[19]的研究发现，30 min的跳跃可使P300峰值增高；Arcelin R等[9]发现，10 min功率自行车运动(60%最大吸氧量)使反应时缩短。以上学者又证实，一次性运动也能够提高认知功能。但本研究显示，一次性太极拳运动对认知功能没有影响。出现这种差异的原因可能与运动干预方式的不同有关。当太极拳运动时间超过4周(5次/周)时，P300峰值出现显著提高，说明只有达到足够的时间累计，太极拳运动才能提高认知功能，并且，这种正向促进作用具有可持续性。每周运动3次，没有引起P300各指标的改变，说明每周运动5次的效果比每周运动3次的效果显著。

值得注意的是，虽然短期(4周)和长期(>1年)太极拳运动均能提高认知功能，但二者原因却不相同：短期运动使P300峰值升高；而长期运动使P300潜伏期和反应时缩短。这是因为运动训练可以影响多巴胺和去甲肾上腺素等神经递质的释放[18]，而此类神经递质可直接影响P300峰值[13]。太极拳运动有别于其他运动，练习过程中讲究“静”，一次性练习不足以使中枢神经系统产生足够的兴奋。但随着练习时间的积累(≥4周)，中枢神经系统兴奋性得到提高[1]，诱导神经元释放足够的神经递质，从而引起P300峰值改变。并且，这种改变至少可维持2周。

海马是与认知功能密切相关的脑组织，大量的动物实验表明，运动训练可提高海马神经元的突触可塑性[11,23]，从而提高认知功能。而神经元突触联系的加强则需要一定的时间积累才能完成。因此，推测长期太极拳运动(>1年)促进认知功能增强的原因，可能与练习者海马神经元突触联系增强有关。另外，太极拳练习过程中，练习者平均心率可提高到121次/min。心率的提高必然增加脑部血流量，同时增加脑部葡萄糖和氧气供给[1]，为脑部神经元做快速动员提供能量基础。而Sakai Y等[22]已证实，P300潜伏期和脑血流量成反比关系。这意味着人脑在处理突发刺激时，将缩短分析时间，并以更快的速度动员骨骼肌做出反应，使人体处于更加有利的状态。电生理上则表现为P300潜伏期和反应时缩短。但有关P300的产生机制目前尚无定论，运动对认知影响的机制仍需进一步研究。

5 结论

综上所述，长期太极拳运动(>1年)能够提高大学生的认知功能；6周运动周期内，每周运动5次比每周运动3次效果显著；持续4周(每周5次)太极拳运动可提高认知功能，且此正面影响具有持续性；一次性太极拳运动对认知功能无影响。

[1]黄燕萍.不同状态下太极拳练习者的脑电图变化 [M].北京:北京体育大学,2011:33-62.

[2]刘崇,闫芬,李颖,等.太极拳,健步走对改善女性老年人静态平衡功能效果的对比研究[J].中国康复医学杂志,2009,24(5):445-447.

[3]李青,房卫华,刘翠.太极拳联合呼吸功能训练对稳定期慢性阻塞性肺疾病患者康复的影响[J].中国康复医学杂志,2012,27(9):825-828.

[4]孙威,毛德伟,逄峰,等.太极拳和快走练习对老年女性平衡能力的影响[J].中国体育科技,2012,48(5):75-80.

[5]肖春梅,王彤,姜桂萍.太极拳运动对老年平衡能力的影响[J].北京体育大学学报,2006,29(4):489-490.

[6]杨慧馨,虞定海.太极拳锻炼与快走锻炼中老年女性静态平衡机能比较[J].中国运动医学杂志,2013,32(5):427-440.

[7]虞定海,王三,杨慧馨,等.24周太极拳锻炼对中老年人静态平衡功能的影响[J].中国运动医学杂志,2012,30(12):1115-1119.

[8]周之华,纪仲秋,周绍军.24式太极拳运动强度与规律研究[J].中国体育科技,2005,36(7):42-43.

[9]ARCELIN R,BRISSWALTER J,DELIGNIERES D.Effect of physical exercise duration on decisional performance[J].J Human Move Studies，1997,32(3):123-140.

[11]COTMAN C W,BERCHTOLD N C.Exercise:a behavioral intervention to enhance brain health and plasticity[J].Trends Neurosciences,2002,25(6):295-301.

[12]HILLMAN C H,ERICKSON K I,KRAMER A F.Be smart,exercise your heart:exercise effects on brain and cognition[J].Nature Rev Neuroscience,2008,1(9):58-66.

[13]HANSENNE M,PITCHOT W,MORENO A G,etal.Timsit-Berthier M,Ansseau M.Catecholaminergic function and P300amplitude in major depressive disorder (P300and catecholamines) [J].Electroencephalography Clin Neurophysiology/Evoked Potentials Section,1995,96(2):194-196.

[14]IWADATE M,MORI A,ASHIZUKA T,etal.Long-term physical exercise and somatosensory event-related potentials[J].Experimental Brain Res,2005,160(4):528-532.

[15]IDE K,SECHER NH.Cerebral blood flow and metabolism during exercise[J].Progress Neurobiology,2000,61(4):397-414.

[16]KASHIHARA K,MARUYAMA T,MUROTA M,etal.Positive effects of acute and moderate physical exercise on cognitive function[J].J Physiol Anthropology,2009,28(4):155-164.

[17]KAMIJO K,NISHIHIRA Y,HATTA A,etal.Differential influences of exercise intensity on information processing in the central nervous system[J].Eur J Appl Physiol,2004,92(3):305-311.

[18]MEEUSEN R,DE MEIRLEIR K.Exercise and brain neurotransmission[J].Sports Med,1995,20(3):160-188.

[19]NAKAMURA Y,NISHIMOTO K,AKAMATU M,etal.The effect of jogging on P300event related potentials[J].Electromyography Clin Neurophysiology,1999,39(2):71-74.

[20]POLICH J,LARDON M T.P300and long-term physical exercise[J].Electroencephalography Clin Neurophysiology,1997,103(4):493-498.

[21]STROTH S,KUBESCH S,DIETERLE K,etal.Physical fitness,but not acute exercise modulates event-related potential indices for executive control in healthy adolescents[J].Brain Res,2009,1269(7):114-124.

[22]SAKAI Y,OKAMOTO K,TANAKA M,etal.Cerebral lesions and event-related potential P300using positron emission tomography (PET) [J].Radilolgy Nuclear Med,1993,35(6):394-398.

[23]VAYNMAN S,YING Z,GOMEZ‐PINILLA F.Hippocampal BDNF mediates the efficacy of exercise on synaptic plasticity and cognition[J].Eur J Neuroscience,2004,20(10):2580-2590.

[24]WINTER B,BREITENSTEIN C,MOOREN F C,etal.High impact running improves learning[J].Neurobiology Learn Memory,2007,87(4):597-609.

[25]YAMAJI K,MIYASHITA M,SHEPHARD R.Relationship between heart rate and relative oxygen intake in male subjects aged 10 to 27 years[J].J Human Ergology,1978,7(1):29-39.

[26]YAGI Y,COBURN K L,ESTES K M,etal.Effects of aerobic exercise and gender on visual and auditory P300,reaction time,and accuracy[J].Eur J Appl Phys Occupational Phys,1999,80(5):402-408.

Research on Taijiquan Exercise Improving Cognitive Function of College Students—An Evidence from P300

LAN Yong-sheng1,ZHAO Jing-guo2,JIANG Yan-jie1

Objective:To study the effects of Taijiquan exercise (TCC) on cognitive function of college students and analyze a better practice frequency for college students.Methods:Seventeen male college students who have been participating in TCC for a long time (more than one year) are in the experimental group.Thirty sedentary male college students are in the control group.We compared the differences of P300between of them.Furthermore,Thirty healthy female college students took part in another study that TCC as a short-term intervention (six weeks),and they were randomly divided into three groups:the first group (n=10),the second group (n=10) and the control group (n=10).The participants of the first group and the second group were asked to practice for short term TCC exercise (6 weeks).The first group participants practiced TCC 3 times a week (Monday,Wednesday,Friday).The second group participants practiced TCC 5 times a week (Monday,Tuesday,Wednesday,Thursday,Friday).The control group didn’t take practice TCC.The P300of the participants were recorded separately:before the experiment,in the second week,in the fourth week and in the sixth week.And the P300of the first group and the second group were recorded again in the eighth week.Result:The P300and the time reaction of the long-term TCC participants was significant shortened (P<0.05,P<0.01).The P300of the first group did not change significantly (P>0.05);The P300amplitude was significantly increased in the fourth week and in the sixth week (P<0.05).And the Positive effect of P300amplitude can be maintained for 2 weeks.Conclusion:The TCC exercise can improve cognitive function;the effects of practicing TCC 5 times a week was better than the 3 times a week.

Taijiquan;cognitive;P300;practicefrequency

2015-01-27；

2015-06-07

长春师范大学自然科学基金[长师大自然合字(2013)第006号]。

蓝永生(1983-)，男，山东青岛人，讲师，硕士，主要研究方向为运动生理学，Tel：(0431)85099769，E-mail：lyssd@163.com；赵敬国(1964- )，男，山东新泰人，教授，硕士，硕士研究生导师，主要研究方向为运动训练的机能学评价；蒋艳杰(1966-)，女，吉林长春人，教授，主要研究方向为运动生理学。

1.长春师范大学 体育学院，吉林 长春 130031；2.山东师范大学 体育学院，山东 济南 250014 1.Changchun Normal University,Changchun 130031,China;2.Shandong Normal University,Jinan 250014,China.

1002-9826(2015)04-0093-04

10.16470/j.csst.201504013

G852.114.8

A