运动对儿童执行功能影响的研究述评

邢淑芬，王瑞萌，王晓云，杨玉冰



运动对儿童执行功能影响的研究述评

邢淑芬1，王瑞萌1，王晓云2，杨玉冰2

执行功能是指个体完成复杂的认知任务时，对各种基本认知过程进行协调和控制的高级认知过程，它使个体表现出适应性的目标导向行为。个体的执行功能可以通过训练得到提高，如何采取有效的干预措施提高儿童的执行功能，成为近年来该研究领域的热点。运动被看作是提升儿童执行功能的有效途径之一，运动经历会给婴儿或儿童时期的执行功能的发展带来益处。运动干预可以根据时长、认知参与度进行分类，不同的运动干预方式对儿童执行功能的提升作用不同，通过对比分析，可以了解不同类型的运动对儿童执行功能产生影响的潜在机制，最后提出该领域未来研究方向的建议：1) 加强对特殊儿童群体的运动干预研究；2)从发展的角度考察运动经历对儿童执行功能发展的影响；3)考察儿童的年龄与不同的运动方式对儿童执行功能的共同作用；4)探讨运动方式对不同易感性儿童的心理社会功能的差异性影响。

运动；执行功能；儿童；认知过程

在过去20多年里，大量的研究发现规律的运动不仅能够对个体的一般认知能力产生较大的影响，还可以对个体的高级认知过程——执行功能产生积极的作用[1]。近些年，运动经历对儿童执行功能的影响受到越来越多研究者的关注，运动不仅能促进儿童的身体健康，还与儿童的大脑发育和认知能力存在着密切的关系[2]；因此，通过运动干预可以提高儿童早期的执行功能水平，其所要求儿童具备的思考能力、注意力及对未知情况的快速反应能力，都对提高他们的执行功能水平有着重要意义[3]。但是，在我国，以往的学校教育和家庭教育存在着不同程度的“重智轻体”的现象，也有“四肢发达、头脑简单”等一些错误观念，运动作为一种提高儿童执行功能的有效手段，亟待普及。国内外的研究发现，不同的运动方式对儿童执行功能的影响效应是不同的。本文系统地梳理了多种不同方式的运动对儿童执行功能的促进作用和潜在机制，并对我国该领域未来的研究方向进行了总结，为科学地设计运动干预方案以改善儿童执行功能提供参考。

1 执行功能的构成及发展

执行功能是指负责组织和控制目标导向性行为的高级认知加工过程，能够让个体克服自动化的或者已建立的想法和反应[4]。执行功能的综合模型认为，基本的执行功能成分包括抑制控制、工作记忆和认知灵活性3个基本要素[5]。抑制控制主要是指通过克制习惯性反应、控制注意力和情绪等来克服个体内在冲动和外部吸引，使个体适应冲突性环境，是执行功能的主要领域[6]。抑制控制对人类的行为非常重要，例如，一项纵向研究跟踪了1 000名同年同地区出生的孩子长达32年，结果发现在控制了儿童时期的智商、性别、父母的社会经济地位和家庭环境等影响因素之后，3～11岁时抑制控制能力表现较差的孩子，他们在30年后会出现身体更差，赚钱更少，更不快乐，犯罪行为更多等情况，早期阶段的抑制控制能力对儿童未来发展的影响是线性的、渐变的[7]。工作记忆是指个体保持信息并对其进行加工的能力，有助于个体理解言语信息和事情的因果联系。个体理解随着时间推移而发生的事情是很关键的，这要求大脑必须能够记住之前发生的事情，并把他们跟当下的情形联系起来；因此，工作记忆对读到的还是听到的言语信息的理解是很重要的，它也会在重新排序(例如重新建立一个日程表)、理解因果、从零散的信息中推断出一般性结论或从旧观点中得出新的联系等精神活动中起到作用[8]。认知灵活性主要指个体转换视角、多角度思考问题及进行适应性调整的能力，是执行功能最复杂的成分，建立在反应抑制和工作记忆这2个成分的基础上[9]。认知灵活性对个体发展和环境适应起着重要作用，比如灵活地应对生活中的突发状况、适应新情境，在学习中能够举一反三等。

执行功能的3个成分，即工作记忆、抑制控制和认知灵活性发展轨迹是不同的，其中最先快速发展的是行为和动作的抑制控制能力，之后是认知灵活性和工作记忆[9-10]。关于抑制控制发展的研究表明，抑制控制在儿童的学龄前阶段发展快速，尤其是5～8岁期间儿童的动作及认知抑制任务分数明显提升[11]，8岁以后儿童基本抑制能力的提升空间已经非常小，但抑制能力测试的速度和准确性可以继续得到改善[12]。关于工作记忆发展的研究表明，学龄前儿童就已经拥有在头脑中短暂保持信息的能力，发展水平与年龄相关[13]。由于儿童时期大脑相关脑区的体积在持续增长，这使得儿童在简单工作记忆任务上的表现得到大幅度提升[14]，儿童复杂工作记忆任务的表现从9岁左右开始稳步提高，持续发展至青春期[15]。关于认知灵活性发展的研究表明：2岁以前的幼儿已经具有初步的认知灵活性，但该能力从3～4岁才开始正式发展，此时儿童可以较好地完成规则简单的转换任务；6岁左右进入快速发展的关键阶段，复杂的任务转换能力进一步发展[16]，并随着年龄增长而得到提高，于青春期阶段发育成熟[17]。总的来说，人类执行功能的发展需要一个较长的时间表，一般在青少年时期或成年早期的某个时间点发展成熟，尤其是儿童的5～12岁这一年龄阶段，执行功能的发展轨迹是不容被忽略的[14]。个体在儿童早期阶段的执行功能能力低下，往往预示着长大后的执行功能问题；然而让我们倍受鼓舞的是，儿童早期的执行功能是可以通过训练或干预(例如有氧运动、瑜伽等)得到提高的，因此，如何采取有效的干预措施提高儿童的执行功能，成为近年来该研究领域的焦点问题。

2 运动与儿童的执行功能发展

2.1 长期/短期运动与执行功能

运动作为一种提高儿童执行功能的干预手段，受到越来越多的儿童发展心理学家和运动心理学家的关注，可以依据运动干预方案实施周期的长短分为2大类：一是长期运动的实验设计，通常将被试随机分配到持续几周或更长时间的运动干预组或对照组，考察较长时间的运动干预对儿童的执行功能的影响；二是短时运动的实验设计，通常研究者将儿童随机分配到一次持续10～60 min的有氧运动干预组或对照组，考察短时有氧运动对儿童执行功能的即时效应[18]。因此，首先回顾了长期和短期运动对儿童执行功能的促进作用。

早期研究者并没有直接考察执行功能这一结果变量，有研究者考察了长时运动对儿童创造力的影响，研究以4～6年级154名儿童为被试，将他们随机分配到为期12周、每周完成3个跑步训练的实验组和只参加学校常规体育课程的控制组，结果发现跑步训练提高了儿童的创造力[19]。创造力可以反映儿童思维的灵活性和流畅性，继而能反映他们的执行功能水平[20]。Davis等[21]选取94名7～11岁的肥胖儿童为被试，进行10～15周的运动干预，随机将儿童分配到3组，即控制组(无运动)，运动组1(运动20 min)，运动组2(运动40 min)，采用认知评估系统(CAS)评估儿童的认知能力，包括计划、注意、同时性加工和继时性加工4个维度，结果发现只有接受大剂量的运动干预组的儿童，其计划维度的得分显著高于控制组，执行功能的定义中涵盖了计划这一成分。同时，该研究在被试完成执行功能任务时采用功能性磁共振成像技术，结果发现接受大剂量运动训练的儿童，他们的前额叶活性也提高，证明运动训练能够影响儿童的执行功能和潜在的神经网络。江大雷等[22]研究了长期足球游戏对学龄前儿童执行功能的影响，将61名5～6岁儿童随机分至对照组和实验组，进行8周中等强度的足球游戏，实验前后测查儿童抑制控制(熊猫-狮子任务和雪地-绿草任务)、工作记忆(科斯积木和反科斯积木任务)和认知灵活性(项目灵活选择任务)，结果发现长期运动促进了儿童执行功能，提高其抑制控制能力。

上述几项研究证明：长期运动可以提高儿童的执行功能，还有研究者采用短时运动的实验设计考察了二者之间的关联。陈爱国等[23]研究了短时中等强度的篮球运动对儿童执行功能的影响，以130名4年级儿童为被试，干预时间分为8 min、15 min和30 min，分别采用Flanker任务、1-Back任务和More-odd shifting任务来评价儿童执行功能的抑制、刷新和转换3个子功能。结果发现中等强度的篮球运动能够提高儿童的执行功能，但提高的程度与运动持续时间有关，30 min的篮球运动对儿童执行功能改善效果最好。Gabbard等[24]最早考察了短时运动对儿童的执行功能的影响，该研究以106名6年级儿童为被试，随机让儿童参与时长为20 min、30 min和50 min的剧烈运动，在运动前后分别测试儿童的数学运算能力。研究发现，在进行50 min运动之后，儿童的数学运算能力得到显著提高，而数学运算能力与执行功能中的抑制、工作记忆紧密相关[25]。Hillman等[26]采用反应时和脑电图(EEG)等指标比较了不同身体健康程度(依据运动中测量的最大耗氧量、换气比值等指标来区分)的儿童的执行功能水平，该研究招募20名平均年龄9.6岁的儿童为被试，让儿童分别进行20 min中等强度的步行和20 min不进行任何活动的休息，之后采用Flanker任务测试儿童的抑制控制能力，采用WRAT-3测试他们的学业成绩，结果发现儿童的抑制控制得到提高。通过EEG数据发现，运动之后在前额区、脑中心区域和顶叶区域的P3波幅都有所增大，这说明被试的注意分配能力得到提高。通过被试完成视觉辨别任务时大脑活动的神经数据发现，相对心肺健康程度较差的儿童，心肺健康程度较高的儿童反应时更短，而且P3波幅更大，潜伏期更明显，这表明其认知加工过程速度更快。

2.2 认知参与度不同的运动与执行功能

长期或短期运动确实能够对儿童的执行功能带来积极影响，那么不同类型的运动对儿童执行功能的提高程度是否相同？近些年，研究发现运动类型调节着运动与儿童认知的关系[27]，认知参与度高的运动对儿童执行功能的影响更大[28]。例如，Budde等[29]研究了不同认知要求的短时运动对儿童注意力的影响，随机将115名13～16岁的健康儿童分配到实验组和控制组，运动干预任务包括10 min的双手协调运动，包括一些从足球等运动里选取的协调性技能，例如平衡能力、对情境变化的反应和调整能力等，控制组儿童进行常规体育课程。结果发现，与控制组儿童相比，实验组儿童的注意力分数得到显著提升，选择性注意任务的准确性更高，反应时更短。在实验过程中，研究者使用心率监测仪使2组儿童的运动强度都在中等水平，但2组儿童的运动任务的认知参与程度是不同的，控制组儿童参与的简单运动只包括了重复性的动作，实验组儿童的双手协调运动更具技巧性，对儿童具有更大的挑战性，需要依赖于大脑额叶的认知控制和抑制自动化行为的参与；因此，仅10 min运动也提高了儿童前额叶的神经功能，使大脑为接下来的认知任务做好准备。陈爱国等[30]研究了不同形式的短时中等强度跳绳对儿童执行功能的促进作用，将116名小学生分配至个人跳绳组、合作跳绳组及对照组，运动组进行30 min的跳绳运动，采用Flanker任务、1-back任务、More-odd shifting任务评价儿童抑制、刷新和转换3个功能。结果发现，2个运动组儿童执行功能都得到提升，但合作跳绳组效果好于个人跳绳组。这是因为合作跳绳需要与同伴的互相配合、控制甩绳和跳绳节奏相互协调，包括了更多协调性动作。

此外，运动干预时的背景环境也是运动对儿童认知功能产生影响的重要调节变量。有些团体运动(例如篮球或足球)本身就包含了复杂的认知过程和社会互动，与孤立的个人运动相比能够带给儿童更高的适应性[31]；但是，目前鲜有研究根据认知和社会因素的相互作用将运动进行分类，考察它们对儿童执行功能的影响。动物实验发现[32]，丰富且具有挑战性的运动背景环境，对动物的神经发育和认知功能有更为积极的影响。总之，运动对儿童大脑和执行功能的影响依赖于具体运动的类型和相应的背景环境[32]。运动的技能和背景环境的复杂性反映了儿童在运动时认知参与的程度，认知参与度越高，对执行功能的影响越大[33]。

2.3 体感游戏与儿童的执行功能

如前所述，认知参与度高的运动对儿童的执行功能能够产生更大的影响，那么如何区分“认知”和“运动”2个因素对儿童的执行功能所产生的影响？Best等最先利用“体感游戏”(exergame)区分运动干预中的认知因素和运动因素，来确定这2个因素对儿童执行功能的特异性影响和联合效应[33]。Exergame(体感游戏)是由Exercise和Game的合成词，是一种人机交互性的视频游戏，基于视频动作捕捉和反应追踪技术，将身体动作即时反映到游戏系统中，颠覆了传统的视频游戏形式，能够激发儿童的全身运动，儿童既可以单独游戏也可以组队游戏，游戏难度根据儿童的技能水平而随时调整。体感游戏可以使一些社会性心理障碍患者、对体育活动感到不愉悦和低自我效能感(尤其是肥胖儿童)的儿童，参与到体育活动中来[33]。体感游戏这一游戏方式的诞生，给运动与儿童发展这一研究领域提供了进行实验研究的新途径。

Best共招募33名6～10岁的健康儿童为被试，采用2×2组内设计，自变量分别是运动因素和认知因素，各有高低2个水平，组合出4种实验环境，每个实验环节进行1 h，采用观察量表、问卷及ANT-C任务分别对儿童行为、运动参与度和执行功能进行评估。发现单独的“运动”因素提高了儿童处理视觉空间冲突的效率，却没有发现单独“认知”因素的主效应，运动所带来的生理唤醒对提高执行功能有独特作用，仅有认知参与的活动，例如计算机游戏，至少在短期内对执行功能没有效果。同时，与之前研究结论有所不同的是，该研究发现“运动”与“认知”的结合没有比单独的“运动”带来更大的效果，Best认为可能原因是其研究中没有将单独运动实验环境中的认知因素完全排除，因而掩盖了运动与认知可能存在的交互作用，仍需利用体感游戏进行进一步的实证研究。

3 运动促进儿童执行功能的潜在机制

运动在类型、时长和强度上存在着较大的差异，目前，还没有某一理论能够全面解释运动影响儿童执行功能发展的机制，但是，不同类型的运动影响儿童执行功能的途径存在着明显的不同，根据长期运动、短时运动及不同认知要求的运动来分别分析运动与儿童执行功能之间的潜在机制。

3.1 长期运动促进儿童执行功能——神经生理机制假说

长期运动引起大脑结构性的改变，近年来对啮齿目动物的研究表明，一段时间的运动会引起大脑学习与记忆相关脑区的变化，通过脑内一些重要的生长因子的调节，引起新的神经发育，比如在海马回中[34]，在人体中存在类似的机制，研究发现，长期运动使左、右前额叶皮层功能连接得到显著提高，老年人前额叶区域的白质和灰质体积(本是随着年龄而下降)增加[35]，特定区域脑血量增加[36]，而脑血量可以预测人的记忆表现。执行功能与前额皮层密切相关，而运动功能与小脑密切相关，脑功能成像研究发现，如果前额皮层活性降低，小脑活性也随之降低，前额叶区域病变能够导致小脑内的代谢减退，同样小脑受损会导致额叶区域代谢减退；所以，这2个区域之间存在较强的神经共活化作用，小脑对注意、工作记忆等神经系统的影响也很大，但在研究中，运动发展和认知发展通常是分开研究的，被看做是独立的。Diamond提出[37]：儿童运动功能和认知功能发展的联系要比预想的更为紧密，从大脑神经层面上两者是相互交织的；因此，长期运动通过作用于运动-认知相互关联的大脑神经机制来影响儿童的执行功能。

3.2 短时运动促进儿童执行功能——唤醒理论假说

短时运动对认知功能的影响机制源自于唤醒理论的假设，唤醒水平和认知水平之间的关系呈倒U型，也就是说在一定范围内，认知水平会随唤醒水平的提高而提高。短时运动能够引起即刻的神经化学物质的改变[38]，提高大脑的血流量，提高觉醒水平和认知表现，使中枢神经系统为当前或接下来的技能习取做好准备[29]。生理唤醒使儿童的注意分配能力提高，在有干扰时能够将注意力集中在目标刺激物上，大脑释放的神经递质(例如多巴胺，去甲肾上腺素和5-羟色胺)的短暂变化能够发挥短暂的神经调节的影响[33]，提高执行功能某些方面的表现。同时，脑血量的增加使脑源性神经营养因子(BDNF)含量也得到提高[39]，BDNF与神经元和突触的生长有直接关联，对短期的认知表现起着重要的调节作用，被称作是“大脑的优质营养肥料”。近年来有研究发现短时运动引起的周围神经系统中BDNF的提升与认知尤其是记忆表现的提升显著相关，因此，BDNF可能是调节短时运动对认知产生影响的潜在因素之一[40]。

3.3 认知参与性的运动促进儿童执行功能——神经预活化机制

认知参与度高、背景环境复杂的运动不仅能够促进儿童的生理唤醒，还更大程度地带来了认知激活，能够预活化与认知相关的神经网络，这一机制体现在2个方面。

1)运动本身对认知的要求，当任务难度较大而不是简单的、是新颖的而非熟悉或经过练习的、是变化而非固定的、必须集中注意力而非自动化的及需要快速反应的时候，能够促使小脑和前额叶区域活性提高[37]，协调性强、动作复杂的运动包含了上述要素，在过程中对参与儿童提出认知要求，预先活化了与认知相关的神经网络，进而提高儿童执行功能任务的表现。

2)运动情境对认知的要求，例如进行学习性、团队合作的运动时，儿童需要运用策略进行合作、预判，完成动作目标，适时调整策略等，这种非计划性、随机的情境干扰无形中增加了儿童运用技能、完成动作的难度，需要儿童更努力地思考如何处理一些出乎意料的特殊情况，克服大脑的自动化加工。这一过程提出了较高的认知及社会互动的要求，需要调动与执行功能相关的神经回路参与，使前额叶区域活性水平提高，与儿童完成执行功能任务对大脑神经系统的要求类似，所以执行功能水平得到提高。

4 关于未来研究的建议

在我国，学校和家庭教育存在着“重智轻体”的现象，也存在着“四肢发达、头脑简单”的错误观念，运动作为一种提高儿童执行功能的有效手段，亟待普及；但是国内外该领域的实证研究在研究设计、运动类型、执行功能的评估和样本特征上存在着很大的不同，导致研究结果也存在着一定的分歧[41]。

4.1 加强对特殊儿童群体的运动干预研究

由于前额皮层和网络发展缓慢，一些儿童的执行功能会出现功能性障碍[37]，但是儿童的执行功能可以通过环境改变和干预措施得到改善，这是一个很有实践价值和社会意义的研究领域，特别是对于患有发展性障碍的儿童，例如注意力缺陷障碍、自闭症[9]。注意力缺陷障碍儿童(ADHD)几乎所有执行功能任务的表现都受到影响，其中最明显的是抑制控制、工作记忆和计划能力[37,42]，运动干预是改善注意力缺陷障碍儿童的认知表现和行为症状的重要方法。Diamond对注意力缺陷障碍儿童进行了短时运动干预，发现其在信息加工、抑制控制及计划能力等方面都得到了提高[37]，还有研究发现短时运动对ADHD患者的抑制控制能力有独特作用[43]。自闭症儿童(ASD)的执行功能受损主要表现在思维灵活性、注意力及腹内侧前额皮层的相关功能上，例如计划、抑制刺激等[44]，其中50%的自闭症儿童也存在运动能力的缺陷，难以完成简单的目标导向性动作[37,45]。运动干预可以提高自闭症儿童的运动能力、社会互动和社会适应能力，例如体感游戏能够迅速提高自闭症儿童的执行功能[46]。研究发现，小脑和前额皮层的活性水平显著正相关，存在神经共活化(co-activation)作用[37]，这可能是运动改善自闭症儿童执行功能的潜在机制。未来需要更多的实验研究来证明具体哪些运动能够给发展性障碍儿童带来更大的认知提升，并进一步揭示发展性障碍与执行功能之间的关联机制。

4.2 从发展的角度考察运动经历对儿童执行功能发展的影响

执行功能与运动的联系可以追溯到婴儿时期，婴儿身体动作能够促进早期的认知发展，为其注意力、认知灵活性等发展奠定基础[33]，说明儿童的执行功能发展是一脉相承的；因而考察运动对儿童执行功能的影响时，应该考虑一个更大的发展历程背景。通过发展的思维方式进行干预研究，一方面可以帮助研究者们揭示每个执行功能要素的发展轨迹及各个要素之间的关系，另一方面可以明确运动对儿童执行功能产生影响的性质。例如运动产生的影响与年龄增长所带来的影响是否相似，早期的运动经历对之后执行功能的发展产生的影响是强的还是弱的，是长久的还是短暂的，如果效果能够持续，能够持续多久，在哪个方面持续，以及哪些因素影响效果持续的时间长短[8]。这些问题的解答可以使运动与执行功能两者之间的关联更加明确，所以，未来的研究需要检验一个更长久的发展历程[33]，以全面阐述运动经历对未来儿童执行功能发展的影响。

4.3 考察儿童的年龄与不同的运动方式对儿童执行功能的共同作用

年龄是运动与执行功能之间的重要调节因素[27]，对于年龄较小的儿童，运动干预主要考验其动作协调性，而年龄较大的儿童则应考验其计划能力，不同类型的运动适应的年龄不同，在规则复杂的运动中，年龄大的儿童可能获益更大[33]。一方面，不同年龄的儿童神经系统成熟度、发育状况、荷尔蒙水平都不同，能够完成的动作、理解的规则方面存在较大差异，所以为了优化认知参与，研究者在确定干预方案时需要将年龄因素纳入考虑范围，谨慎考虑儿童的发展水平；另一方面，能够不断挑战儿童认知能力的运动能够对执行功能的提升产生最大的效果[8]。但是执行功能各要素也遵循不同的发展轨迹，在某一个发展阶段，可能某一种执行功能要素会更容易受到运动干预的影响；所以研究者还应该考虑在某个年龄阶段，哪一种运动方式最能帮助儿童提高执行功能[8]。

4.4 探讨运动方式对不同易感性儿童的心理社会功能的差异性影响

近年来，差别易感性假说(Differential Susceptibility Hypothesis)受到研究者的广泛关注，该假说认为一些儿童由于自身的行为、生理和基因等因素，比其他儿童具有更高的可塑性，他们不仅更易受消极环境的不利影响，而且更易受到积极干预的有利影响[47]；因此，儿童自身的特点可能是运动干预对执行功能作用的差异来源之一。目前，关于儿童自身特点与环境交互作用的理论模型还有“素质-压力模型”和“优势敏感性模型”，究竟哪一种理论模型更能解释儿童的发展目前尚无定论，目前运用最新的显著性区域分析法[48]和新参数回归模型[49]检验3种模型的适应性是当前发展心理学的研究热点；因此，未来研究我们将采用“儿童-环境”交互作用的研究思路，深入探讨不同的运动干预方式对不同易感性儿童的心理社会功能发展的差异性影响。

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Review on the Effects of Physical Activity on Children’s Executive Function

XING Shufen1,WANG Ruimeng1,WANG Xiaoyun2,YANG Yubing2

Executive function(EF) refers to the higher-order cognition that permits humans to behave in an adaptive and goal-directed fashion when completing complex tasks.It has been proved that EF can be improved by various activities.And how to improve children's EFs through effective interventions has become a hot issue of research in this field.Exercise is found to be one of effective ways to improve children’s EF,and will be of great benefit to the development of EF in infancy or childhood.First of all,exercises could be categorized based on the duration and the degree of cognitive engagement.And then the possible mechanisms underlie the link between exercise and EF will be discussed.Finally,suggestions are put forward for the future research directions in this field:1) to strengthen the movement of special children group intervention study;2) from the angle of the development of inspection campaign through its influence on the development of the children's executive function;3) the age of the child and different ways of movement combination of children's executive function;4) to explore ways of different susceptibility differences affect children's psychosocial function.

exercise;executive function;children;cognitive processes

2016-09-05

邢淑芬，女，博士，副教授，研究方向为运动心理学。

单位：杨玉冰，男，博士，副教授，研究方向为运动心理学。

1.首都师范大学，北京 100037；2.北京体育大学，北京 100084

1.Capital Normal University,Beijing 100037， China；2.Beijing Sport University,Beijing 100084，China.

G 804.8

1009-783X(2016)06-0566-06

A