中等强度有氧运动对大学生认知控制能力的影响及时程效益

朱风书 周成林 陆颖之 王东石

1 上海体育学院（上海200438）

2 扬州大学体育学院

随着运动健身的普及和认知心理学的发展， 很多学者开始积极探讨有氧运动对认知功能的影响。 综合目前的研究成果发现，现有的研究结果并不一致。虽然大部分研究都支持有氧运动有助于促进锻炼者的认知功能，Davranche 等[1]的研究发现，有氧运动后锻炼者选择反应时提高；神经影像学研究中，Hillman 等[2]发现，相对于静息条件，20 分钟的中等强度运动能够显著增加修改后Flanker 任务的P3 波幅，缩短P3 潜伏期以及减小ERN 的波幅，也支持了运动可以促进锻炼者的认知功能。 然而，也有部分研究持反对意见，Collardeau[3]发现，在进行长时间有氧运动后，优秀跑步运动员的简单反应时并没有发生显著变化； 同样的结果也出现在McMorris[4]的研究中，其发现，对于非运动员群体，有氧运动量的增加也并未改变锻炼者的认知功能。 为了探讨以上研究无法得到一致结果的原因，Colombes 和Kramer[5]进行了一项元分析研究，结果发现主要存在两个原因：首先，有氧运动时间和强度的差异都会对认知功能的改善程度造成影响。 其中20～60 分钟中等强度有氧运动对改善锻炼者的认知功能最为有效， 这一结果也得到近期大量研究的证实[6]；其次，有氧运动选择性地优先促进了锻炼者的认知功能。也就是说，有氧运动并不是对所有的认知功能均起到促进作用， 而是具有选择性地提高了认知功能的某些方面， 例如对于基础性认知功能（简单反应时和选择选择时等），中等强度有氧运动大多都起到积极作用， 但对于认知控制这一类的高级认知功能， 有氧运动的影响仍存在一些不确定的因素。

认知控制作为认知功能的核心成分， 已被研究者们就有氧运动对其的影响进行了大量研究。 认知控制是一种依据规则、目的或意图执行行为的能力，主要包括反应执行和反应抑制两部分[7]。 在诸多的评价工具中，信号停止任务（Stop signal task）是能够同时对反应执行和反应抑制能力做出最直接行为评价的工具，在认知控制的相关研究中得到广泛使用。同时，在前人对于有氧运动对认知控制锻炼效益的研究中， 双任务加工范式得到了大量运用。与完成单一任务相比，在双任务范式下， 锻炼者的完成情况呈现出下降的趋势。 例如，被试在进行有氧运动锻炼时，其辨别反应时变长[8]；在Flanker 任务中，相比静息组，运动组的正确率更低[9]。出现这一现象的主要原因是，在双任务工作环境中，运动过程需要占用一部分注意资源， 因而引起锻炼者注意资源分配不平衡，进而降低其抵抗干扰的能力[10]。 那么，认知控制能力在双任务工作中的表现有什么特点？中等强度有氧运动是否会促进锻炼者的认知控制表现？本研究首先欲探讨在双任务环境下，中等强度有氧运动能否提升锻炼者的认知控制能力。

另一方面， 单次有氧运动所产生的认知效益是暂时性的，鉴于这一特点，学者开始探讨诸如这种效益在何时出现、又将维持多长时间等时程特征。而目前这类研究结果非常有限。 早期研究者以解决数学问题时的速度与准确率为指标， 发现锻炼者的认知功能在运动结束后15 分钟内都保持较高水平[11]。 另一项研究表明，在进行10 分钟中等强度自行车运动后，锻炼者在运动结束后8 分钟内的认知任务成绩有了明显提升， 但随后又逐渐回到锻炼前状态[12]。 那么，既然中等强度有氧运动对认知功能的效益有着时程上的差异， 那么作为认知功能的重要成分——认知控制能力， 中等强度有氧运动对其的时程效益又有何特点？因此，本研究还通过跟踪中等强度有氧运动停止时到停止后50 分钟内的认知控制能力变化， 探讨有氧运动对认知控制能力产生效益的时间进程特征。

综上所述， 本研究在双任务工作环境下通过信号停止任务， 探讨中等强度有氧运动对大学生认知控制能力的影响，并进一步追踪这种锻炼效益的时程特点，为有氧运动促进认知控制能力提供科学方法和理论支撑。

1 对象与方法

1.1 研究对象

扬州某高校招募并筛选30 名本科生（男生15 人，女生15 人）作为研究对象，年龄19～24 岁（平均22.3 ±1.3 岁），BMI 21.8 ± 1.6 kg/m2。 所有被试均明确研究过程并积极配合完成实验测试。

筛选研究对象标准如下：（1）在身体活动能力问卷（PAR-Q 问卷） 调查中表现为身体活动能力正常者；（2）身体质量指数（BMI）在18.5～23.5；（3）简易瑞文推理智力量表评定结果为智力正常者；（4）裸眼视力或矫正视力正常。

1.2 实验设备

采用MONARK 834 功率自行车进行有氧运动，踏车节律保持在50 r/min，通过调整功率自行车阻力大小使心率维持在65%～75%最大心率区间内，心率采用芬兰RS800CXSD 型心率表监控。认知任务的刺激呈现使用Dell19 寸显示器，刷新频率100 Hz，距离功率自行车0.5 m，其中心与被试眼睛平行。

1.3 实验程序

认知任务采用“信号停止任务”范式，首先在白色背景屏幕中央先出现一个黑色“+”注视点，呈现时间随机为1250 ms、1375 ms、1500 ms、1625 ms，之后出现一个向左或向右的绿色箭头， 要求被试根据箭头指向在反应测试盒上快速准确地做出相应按键反应 （向左则左手按左键，向右则右手按右键）。其中，约有30%的试次，绿色箭头在一段时间后变为红色箭头，若出现红色箭头，要求被试做出抑制反应，即停止对箭头方向的按键反应。 如果被试1 秒钟内未作反应，刺激自动消失，进行下一个试次。 绿色箭头呈现与红色箭头呈现之间的时间间隔称为停止信号延迟 （stop signal delay，SSD），SSD 的基线时间为200 ms， 若被试抑制成功，则SSD 减少50 ms；反之SSD 则增加50 ms（图1）。

本研究包括两轮实验 （运动处理和休息处理），两轮实验相隔10 天，每轮实验被试均需完成3 次信号停止任务，每次任务包括4 组（block），每组共130 个试次（trial）。被试仅在每轮的第1 次测试时任务不同，“运动处理”在完成中等强度运动过程中完成信号停止任务，而“休息处理”除不进行运动外，其他程序与运动处理任务相同。

图1 实验程序流程图

1.4 实验过程

本实验采用组内交叉设计，“运动处理”与“休息处理”处理顺序在被试间进行平衡，30 名被试随机平均分成两组，其中一组在首次测试中先完成运动处理，在10天之后的再测试中完成休息处理； 另一组被试的实验顺序则相反（表1）。 每位被试两轮实验进行的时间和场所保持相同。 此种实验设计用以消除测试的学习效应和顺序效应。

表1 组内交叉设计的被试间平衡

被试到达实验室后，先测量其身高和体重，随后完成PAR-Q 问卷和简易瑞文推理智力量表。经过以上指标的筛选，采用美国运动医学会（ACSM）3 分钟静息状态下的心率换算出每名被试在中等强度运动时的心率区间值，以便在运动中调节并监控运动负荷[13]。 结合国内以大学生为研究对象的相关研究[14]，将大学生中等强度运动负荷设定为个体60%～69%的最大心率（heart rate max，HR max）， 其中最大心率由公 式HR max=220-年龄获得。 随后，被试通过练习，熟悉认知任务操作，在完全熟悉任务后进入正式实验阶段。

正式实验阶段运动处理组被试在功率自行车上先进行约5 分钟的热身运动， 使运动强度达到中等有氧运动强度后， 开始通过固定在左右手把上的两个反应盒上的相应按钮，完成第1 次信号停止任务，此过程中运动强度控制为中等强度（60%～69% HR max）。 在有氧运动进行30 分钟后，被试即刻停止运动，开始完成第2 时段信号停止任务；随后，在有氧运动结束30 分钟后，进行第3 时段信号停止任务，实验结束。 每次信号停止任务共包括4 个组块， 每个组块时间约为5 分钟。同时，休息处理组被试与运动处理组被试在相应时段分别完成3 次信号停止任务， 但不进行任何有氧运动（图2）。 所有被试的所有认知任务均在功率自行车上完成。

1.5 统计学分析

图2 实验流程示意图

采用社会统计分析软件包SPSS 17.0 进行统计分析，通过独立样本t 检验，验证组内交叉设计的顺序效应成阴性后，进一步对研究数据进行分析，结果用平均值和标准差（±s）表示。 处理因素和组块因素为组内变量， 采用多元重复测量方差分析法分析实验处理因素（运动和休息）、组块因素（组块1、组块2、组块3 和组块4）、性别差异（男、女）及其交互作用对认知控制（反应执行Go RT、抑制失败率Error Rate、反应停止时间SSRT） 的影响。 其中反应停止时间 （stop signal reaction time，SSRT） 的计算根据赛马模型 （horse-race model），由Go 刺激的平均反应时减去抑制成功率接近50%时的SSD 确定。 整个分析过程中，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Bonferroni。 显著性水平设定为P <0.05。

2 结果

2.1 序列效应检验

以反应执行反应时 （Go RT）、 反应停止时间（SSRT）为因变量，分别对两组被试在前后两次测试中各组块的成绩（即运动A 组vs.运动B 组，休息A 组vs.休息B 组）进行独立样本t 检验。 结果发现，前后两次成绩均不存在显著性差异（P > 0.05）。 由此认为，本研究的交叉设计不存在顺序效应， 并对相应数据进行合并，得到各时段的结果（表2）。

表2 不同时间因素与处理因素条件下的认知控制成绩

2.2 中等强度有氧运动对大学生认知控制能力的影响及性别差异

以被试反应执行能力（Go RT）为因变量，以处理因素（运动处理和休息处理）和组块因素（组块1、组块2、组块3、组块4）为组内变量，以性别（男、女）为组间变量，对第1 时段进行重复测量方差分析。 结果发现，处理因素主效应显著[F(1，28) = 8.607，P = 0.007 < 0.01]，简单主效应结果表明，运动处理的反应时间（383.32 ±8.22 ms）显著短于休息处理的反应时间（420.72 ±13.34 ms）；组 块 因 素[F(3，84) = 0.638，P = 0.515]及 性 别[F(1，28) = 0.385，P = 0.540]主效应均不显著。 处理因素与组块因素存在显著交互作用[F(3，84) = 26.574，P <0.001]。 事后比较结果表明，接受运动处理的被试在第2、3 及第4 个组块上反应执行反应时显著小于休息处理 （MD运动2-休息2= -29.30，P < 0.05；MD运动3-休息3= -50.10，P < 0.001；MD运动4-休息4=-59.50，P < 0.001）。 同时， 第1 时段信号停止任务中运动处理和休息处理各个组块上的反应时发展趋势存在差异性（图3），变化趋势表明休息期被试反应执行能力呈现下降趋势， 运动处理呈提高趋势。

图3 不同时段被试在各组块上的运动处理和休息处理反应执行能力（Go RT）（单位：ms）

以被试反应抑制能力（SSRT）为因变量，以处理因素（运动处理和休息处理）为组内变量，以性别（男、女）为组间变量，对第1 时段进行重复测量方差分析。 结果发现， 处理因素主效应显著 [F (1，28 = 51.187，P <0.001]， 简单主效应结果表明， 运动处理的反应时间（184.20 ± 3.83 ms） 显著短于休息处理的反应时间（197.00 ± 5.61 ms）；性别主效应[F(1，28) = 1.153，P =0.216]和交互作用均不显著。

2.3 中等强度有氧运动对大学生认知控制能力的时程效益及性别差异

以被试反应执行能力（Go RT）为因变量，以处理因素（运动处理和休息处理）和组块因素（组块1、组块2、组块3、组块4）为组内变量，以性别（男、女）为组间变量， 分别对第2 时段和第3 时段进行重复测量方差分析。 结果发现， 在有氧运动停止即刻 （第2 阶段）[F(1，28) =11.914，P < 0.01] 和有氧运动停止后30～50 分钟（第3 阶段）[F(1，29) = 20.974，P < 0.001]存在显著的处理因素主效应， 即在有氧运动结束后50 分钟时，进行运动处理的反应执行能力高于休息处理（MD运动时段2-休息时段 2= -22.30，P = 0.008；MD运动时段3-休息时段3= -25.73，P < 0.001）。 两个阶段的组块处理与性别的主效应均不显著。 无显著的交互作用存在。

以被试反应抑制能力（SSRT）为因变量，以处理因素（运动处理和休息处理）和时段因素（第1 时段、第2时段和第3 时段）为组内变量，以性别（男、女）为组间变量，进行重复测量方差分析。 结果发现，处理因素[F(1，28) = 1885.10，P < 0.001] 和时段因素[F (2，56) =27.43，P < 0.001]主效应显著，多重比较发现，被试运动处理的信号停止反应时短于休息处理 （MD运动-休息= -11.20，P < 0.001）；在运动处理条件下，第1 时段信号停止反应时短于第2、第3 时段（MD时段1-时段2= -8.2，P <0.001；MD时段1-时段3= -8.0，P < 0.01），第2 与第3 时段间不存在显著性差异 （MD时段2-时段3= 0.2，P = 0.947）。处理因素和时段因素不存在显著性交互作用， 性别主效应亦不显著。

以被试反应抑制能力（SSRT）为因变量，以处理因素（运动处理和休息处理）为组内变量，性别（男、女）为组间变量，分别对3 个时段进行重复测量方差分析。 结果发现，3 个时段均表现出明显的处理因素主效应（P <0.001）。 性别主效应均不显著，交互作用不显著。

图4 不同时段被试的运动处理和休息处理信号停止反应时（SSRT）（单位：ms）

3 讨论

本研究结果显示， 大学生在进行中等强度有氧运动时（第1 时段），其反应时间变短，反应速度变快，反应执行能力提高；在执行抑制任务时，运动处理时的停止信号反应时（SSRT）较休息处理更短。 在运动停止即刻至运动停止后20 分钟内（第2 时段）进行的信号停止任务中，与休息处理相比，进行运动处理的大学生表现出更短的反应时间和更快的停止信号反应；并且，这一认知促进效应在运动停止后30 分钟至50 分钟时（第3 时段）进行的信号停止任务中也得到体现，即反应时间和停止信号反应时在第2 和第3 时段依然主效应显著。

3.1 中等强度有氧运动对大学生认知控制能力的影响

3.1.1 中等强度有氧运动对大学生反应执行能力的影响

本研究大学生在进行中等强度有氧运动时执行任务的反应结果与前人研究结果相一致。 Kashihara 等[15]发现， 中等强度有氧运动有利于锻炼者选择反应速度的提高；Tomporowski 等[16]要求锻炼者完成中等强度20～60 分钟的有氧运动， 并在锻炼过程中完成一定的认知任务，结果发现，锻炼者在锻炼期间完成认知任务时，有更优的绩效表现。同时，这一结果也得到了唤醒水平假说和脑源性营养因子 （brain derived neurotrophic factor，BDNF）假说的验证。 前者认为，适时的有氧运动提高了个体的唤醒水平，使其新陈代谢水平增加、与执行功能相关脑区血流水平增加， 进而提高个体的认知功能[17]；而后者则认为，短时有氧运动使脑神经内分泌水平增加，导致脑部神经营养因子变化，改善个体的认知功能[18]。

本研究结果同时表明， 与运动处理相对应的休息处理在运动过程中（第1 阶段）完成认知任务时，表现出与运动处理相反的趋势，即反应时间变长，反应速度下降。 出现这一现象的原因可能是由于简单任务多次重复所带来的疲劳效应。而相较休息处理，在运动处理中，大学生不但没有表现出疲劳效应，其反应速度反而更快， 提示中等强度有氧运动在某种程度上可以抵抗枯燥任务所导致的疲劳产生， 从而使大学生在认知任务中维持较高的认知水平。 而这一结果也得到了前人研究结果的支持。Davranche 等[19]跟踪检测了锻炼者20分钟中等强度有氧运动中的反应速度，结果发现，在运动末期，锻炼者的反应速度明显快于运动初期。由此认为， 中等强度有氧运动能对大学生认知控制能力中的反应执行能力起到促进和减缓疲劳效应的作用。

3.1.2 中等强度有氧运动对大学生反应抑制能力的影响

运动处理中的大学生在进行中等强度有氧运动时，不仅反应执行能力得到提高，其抑制不必要反应的能力也有了更优的表现， 我们推测运动处理后执行能力的提高并非“速度-准确性”权衡的结果，表现在反应速度提高的同时，正确率也未受到影响。 首先，从认知心理学角度，根据Logan 和Cowan 提出的赛马模型，反应抑制是否成功取决于反应和抑制何者先达到反应阈限；而反应或抑制加工两者任一过程发生延迟，都会使另一方先达到阈限而支配行为， 抑制反应发生的潜伏期是衡量抑制加工效率的依据[20]。 在信号停止任务中，停止信号反应时（SSRT）反映了抑制反应的效率，时间越短，效率越高。因此，在本研究中，运动处理时的大学生表现出更短的停止信号反应时， 提示中等强度有氧运动提高了大学生的抑制能力。 其次，从生理学角度，多巴胺神经调节理论认为， 多巴胺神经递质对反应抑制的调节起到重要作用。临床研究发现，在前额回路注射多巴胺神经递质后， 被试的反应抑制能力增强[21]；Bilder 等[22]认为，抑制成绩的提高是由于多巴胺的浓度增强了被试在抑制控制任务中的警戒状态。因此，在本研究中，大学生在进行中等强度有氧运动时，运动诱发大脑分泌多巴胺， 进而增强了被试在信号停止任务中对于可能出现的抑制任务的警戒状态， 最终表现为在运动处理时更优的抑制能力。最后，根据前人的研究认为，有氧运动诱发的认知功能改善，主要来自于动作加工过程的加快[23]。 本研究的结果提示，除了动作加工进程的缩短， 中等强度有氧运动同样也促进了认知控制这样的高级认知功能。因此，这对有氧运动促进高级认知功能的假说提供了强有力的支持。

3.2 中等强度有氧运动对大学生认知控制能力影响的时程效益

除了在运动过程中表现出反应执行和反应抑制两方面的认知控制优势外， 从运动结束一直到运动中止后50 分钟，进行中等强度有氧运动的大学生在信号停止任务中依然表现出更短的反应时间和更快的停止信号反应。这一结果提示我们，大学生在有氧运动锻炼结束时，表现出了锻炼的认知促进效益，同时这种效应的体现维持到了运动停止后50 分钟。

中等强度有氧运动对认知控制能力带来的促进效益主要表现在两个方面： 首先是反应执行能力的保持[24]，大学生在进行30 分钟有氧运动的过程中，其执行能力不断提高，反应时间不断缩小，并且直到运动结束后的50 分钟内，虽然其反应时间较运动过程中变长，但仍显著快于同时段休息处理的反应时间； 其次是抑制能力的提高，运动处理时，停止信号反应时在运动过程中，以及运动停止后50 分钟内都短于休息处理的大学生，并且随着时间的推移，这一促进效益有所减弱。 而锻炼的促进效益得到持续的原因， 可能与运动过程中分泌的多巴胺在运动停止后依然在神经调节中发挥作用有关[25]。

除此以外， 本研究并未发现中等强度有氧运动对认知控制能力的性别效应， 然而由于中等强度有氧运动对认知控制的促进程度和时程效益可能会受到诸如运动时间、运动强度及被试的体适能等因素的影响[26]，因此， 未来的研究应在确定运动促进认知控制能力影响因素的基础上， 采用不同的认知任务范式， 从单因素、多因素以及交互作用方面，全面揭示运动和认知控制之间的关系。

4 总结

在双任务环境下， 中等强度有氧运动促进了大学生的认知控制能力，包括反应执行和反应抑制两方面。且这一促进效益不仅体现在运动过程中， 还保持到了运动结束后50 分钟。 同时，促进效益在运动过程中表现最为明显。

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