体力活动与学龄前儿童认知能力关联关系的中介变量研究

全明辉，张涵彬，张佳仪，赵广高，张金铭，曹振波，王茹，陈佩杰

体力活动与学龄前儿童认知能力关联关系的中介变量研究

全明辉1，张涵彬2，张佳仪1，赵广高3，张金铭4，曹振波1，王茹1，陈佩杰1

1 前言

体力活动对于不同年龄阶段人群认知能力的有益影响，已逐步得到研究证实。其内在可能的作用机理，目前主流观点主要分为生理和心理两方面因素。其中，生理因素主要包括体力活动改善大脑血流供氧量，增加大脑神经营养因子含量从而改善神经发生和突触可塑性等。

作用于大脑认知功能的神经网络极其复杂，具体的作用机理还不是很清楚。其中，可能的影响通路有生长激素/胰岛素样生长因子系统（Growth hormone/insulin-like growth factor，GH/IGF-1）和脑源性神经营养因子/cAMP反应元件结合蛋白（Brain-derived Neurotrophic Factor/cAMP Response Element Binding Protein，BDNF/CREB）通路，而IGF-1和BDNF是影响两条通路的关键蛋白。运动干预试验已经提示我们，IGF-1和BDNF对于神经发生、突触发生、细胞增殖和大脑发育等过程发挥重要作用［25，28，30］，而体力活动又能促使IGF-1和BDNF的表达上调［5，31］，同时，体力活动又对大脑认知功能发挥有益作用［15，16，37］。因此，我们假设体力活动对于学龄前儿童认知能力有益作用，可能是通过提高相关蛋白（如IGF-1和BDNF）的表达来介导，即相关的生长因子和/或神经营养因子在体力活动对认知能力的有益作用发挥着中介作用。据我们所知，目前对于体力活动、认知能力与外周血相关蛋白3个变量两两之间的关联性研究较多，但对于三者之间的关联性报道较少，而在生命早期的学龄前儿童阶段更是未见报道。

本研究的目的在于探索外周血IGF-1、BDNF与学龄前儿童认知能力之间的关联性，研究外周血IGF-1和/或BDNF是否影响体力活动与认知能力的相关关系。我们研究假设，外周血IGF-1和/或BDNF作为中介变量影响体力活动与认知能力的相关关系。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

本研究数据来源于“学龄前儿童身体活动对体质及认知发展的影响研究”（Trial Registration:ChiCTR-OOC-15007439），截至2015年10月本研究共募集上海市7所幼儿园的306名学龄前儿童，详细募集过程见图1。所有受试者经家长同意参与此研究项目并签署知情同意书，研究过程中受试者如有不适可随时无条件退出。

图1 受试者招募流程图Figure 1.The Flow Chart of Recruitment

2.2 测试指标与方法

2.2.1 体力活动水平测量

体力活动水平利用三轴加速度器ActiGraph GT3X+（Actigraph LLC，Pensacola，FL）连续佩戴7天进行测量，测量时仪器固定在腰带上，置于右侧髂脊上部。由于受试者年龄较小，测试开始前由工作人员向受试者家长对测试内容进行详细讲解，并指导受试者家长如何佩戴和摘除测试仪器，并告知除洗澡、游泳和睡觉外其他时间都应佩戴，测试期间仪器佩戴和摘除均由受试者家长协助完成。工作人员在7 d测试结束后的第8 d收回仪器，仪器收回后首先利用Actilife（Version 6.11.5）对数据进行下载、查看，对于测量数据不符合要求或有缺失数据的受试者，在征得家长同意后进行相应补测。

加速度器中各个测量参数的设置，对于后期得到体力活动相关结果至关重要，结果会随着参数的改变而发生相应变化。参数设置中主要包括如下几个：采样间隔（epoch time）、未佩戴时间定义（define a non-wear time period）、每天佩戴多少时间定义为有效日（definition of a valid day）、至少几天有效该受试者数据纳入统计分析（Minimum number of wear days to be included in analyses）、不同强度界值等，其中，以强度界值的选择对结果影响最大。本研究中所采用参数，均经过已发表的学龄前儿童体力活动测量方法学综述的甄别与比较［6，11］，并选择现有研究中使用较多的、较为合理的数值对参数赋值，以保证本研究结果的相对准确性及与其他同类研究的可比性，具体设置详见表1。

表1 ActiGraph GT3X+体力活动测量参数设置Table 1 The Parameters Setting for Physical Activity Measurement

2.2.2 认知能力测试

认知能力水平利用《中国—韦氏幼儿智力量表（CWYCSI）》（第3套，城市版）测量结果来反映，该量表已被证明在中国幼儿智力测量中具有良好的信度及效度［1，2］。考虑到全部11项分测验时间约为1 h 45 min，3～6岁学龄前儿童无法保持这么长时间的注意力。所以，我们根据《中国修订韦氏智力量表简式手册》，选取其中4项（言语分测验与操作分测验各2项）具有代表性的分测验组成“儿童智力简式测验”，分别是知识、图片词汇、图画填充和木块图案。《简式量表》已被证明与《全式量表》存在高度相关性，并已被应用于同类研究中［18，21，22］。

测试由测试者与受试者一对一进行，所有受试者测试由3名受过系统培训的固定测试者完成，每一项测试所得原始分依据《中国-韦氏幼儿智力量表手册》等值量表换算为每一分测验的量表分。知识得分和图片词汇测验所得量表分之和为言语智商分，图片填充和木块图案所得量表分之和为操作智商分，总智商根据4项测试量表分以及《中国修订韦氏智力量表简式手册》赋予各测试项目权重计算而得。

2.2.3 家庭背景及受试者基本信息

家庭背景信息及受试者基本信息，是探讨体力活动对认知能力影响的重要研究变量，在本研究中作为影响受试者认知能力的影响因素进行数理统计分析。

家庭背景信息通过受试者家长填写调查问卷获取，主要调查内容包括父亲、母亲最高学历，父母婚姻状况，学龄前儿童日常行为表现，家庭月收入等；受试者基本信息包括年龄（月龄）、身高、体重、BMI等。

2.2.4 外周血IGF-1和BDNF检测

1.标本收集

受试者经家长同意并签署知情同书后，参加外周血IGF-1和BDNF检测。要求检测者空腹12 h，在清晨7:00～8:00静坐约5 min后，采集肘正中静脉血2ml，置于含EDTA抗凝剂的血液采集管。后经4℃、3 500 r/min低温离心15 min分离血浆，于-800C冰箱保存待测。

2.主要试验仪器

冷冻高速度离心机：德国Eppendorf，5417R。

微孔板分光光度计：美国BioTek，Eonc。

纯水仪：美国Millipore。

超低温冰箱：美国Forma。

3.血浆IGF-1和BDNF测定

血浆IGF-1和BDNF均采用酶联免疫吸附法（Enzymelinked Immunosorben Assay，ELISA）测定，测试试剂盒由美国R&D System公司生产（Human IGF-1 Quantikine ELISA Kit；Human BDNF Quantikine ELISA Kit），上海一级代理公司提供，测试方法严格按照测试试剂盒说明书要求执行。

2.3 统计方法

研究利用SPSS 22.0软件对数据进行统计处理，对于符和正态分布的数据采用平均数±标准差（X±SD）进行描述，对于不符合正态分布的数据采用中位数和四分位间距（Median，IQR）进行描述。采用独立样本t检验（Independent T test）和曼惠特尼U检验（Mann-Whitney U test），分别对正态分布和非正态分布的男、女童基本信息数据进行比较。本研究假设外周血IGF-1和/或BDNF作为中介变量影响体力活动与认知能力的相关关系。

根据Baron和Kenny原则［4］外周血IGF-1和/或BDNF要成为中介变量，应满足以下3个条件：1）体力活动水平与认知能力显著相关（A-C）；2）体力活动水平应与外周血IGF-1和/或BDNF含量显著相关（A-B）；3）外周血IGF-1 和/或BDNF含量在校正体力活动水平的前提下，与认知能力显著相关（B-C）（图2）。如果B是A对C的完全中介变量，在校正B后A与C的关联应为0；若校正B后只是减弱了A与C的关联程度，那么B应为部分中介变量。

图2 体力活动、认知能力与外周血IGF-1和BDNF关系一览图Figure 2. The Association among Physical Activity，Cognitive Abilities，IGF-1 and BDNF

根据以上原则，利用线性回归模型探讨外周血IGF-1 和/或BDNF是否为体力活动对于认知能力影响的中介变量，我们将通过两次线性回归分析检验上述3个条件。

第1次回归分析分3步进行操作：第1步，以认知能力为因变量，体力活动水平（LPA、MVPA）为自变量进入模型，检验A-C关系；第2步，潜在中介变量外周血IGF-1和BDNF含量作为自变量进入模型，检验B-C关系；第3步，父母教育程度、父母婚姻情况、幼儿行为表现、家庭收入、BMI及幼儿年龄等因素作为自变量进入模型，校正可能的干扰因素。分别计算每一步中各因素对认知能力的影响程度（回归系数），并计算每一个模型的拟合程度（R2）。

第2次回归分析分两步进行：第1步，以潜在中介变量外周血IGF-1、BDNF含量作为因变量，体力活动水平（LPA、MVPA）作为自变量进入模型，检验A-B关系；第2步，父母教育程度、父母婚姻情况、幼儿行为表现、家庭收入、BMI及幼儿年龄等因素作为自变量进入模型，校正可能的干扰因素。分别计算每一步中各因素对外周血IGF-1 和BDNF含量的影响程度（回归系数），并计算每一个模型的拟合程度（R2）。

对不符合正态分布的连续型变量，进入模型前先进行对数或平方根数值转换，使得数据分布转换为正态或近似正态。因为性别间体力活动水平存在显著性差异，因此，线性回归模型分男童与女童分别进行，设定P＜0.05具有显著性水平。

3 研究结果

3.1 受试者基本特征及家庭背景情况

306名学龄前受试者中，自愿参加外周血IGF-1和BDNF检测189名（男，109名；女，80名），其中，体力活动水平、认知能力测试、外周血IGF-1和BDNF数据完整的，共174名（男，97名；女，77名，表2）。

总体来看，受试幼儿身高、体重和BMI分别为111.8 cm、20.5 kg和16.4 kg/m2，体重和BMI男童显著高于女童；全智商得分平均110.1分，男、女之间无差异；血浆IGF-1含量女童显著高于男童（142.7 ng/ml vs.124.7 ng/ml），BDNF含量性别间无显著差异（中位数，女vs.男，6.1 ng/ml vs.5.3 ng/ml）。

表2 受试幼儿基本信息Table 2 The Basic Characteristics for Participants

表3 受试幼儿家庭背景基本情况Table 3 The Characteristics of Family Background for Participants

3.2 线性回归模型结果

从表4结果来看，体力活动与全智商、言语智商和操作智商存在正相关关系，但只在男童中出现；同时，在校正体力活动水平后并未发现外周血IGF-1和/或BDNF与言语智商、操作智商和全智商存在显著相关关系。

此外，从表5显示的结果看，也并未发现IGF-1和/或BDNF与体力活动水平之间存在显著相关关系。因此，根据Baron和Kenny原则［4］，不能认为外周血IGF-1和/或BDNF作为中介变量，在男童体力活动对认知能力的正相关关系中发挥作用。

表4 认知能力与体力活动、外周血IGF-1和BDNF线性回归分析结果Table 4 Linear Regression Analysis with Cognitive Abilities as Dependent Variable

续表4

表5 男童外周血IGF-1和BDNF与体力活动线性回归分析结果Table 5 Linear Regression Analysis with IGF-1 and BDNF as Dependent Variables

4讨论

4.1 主要研究结果

本研究结果显示，体力活动水平与认知能力水平呈正相关关系，但仅存在于男童中；此外，本研究结果不支持外周血IGF-1和/或BDNF作为中介变量影响体力活动与认知能力相关关系的假设。IGF-1和/或BDNF要成为中介变量，必须满足3个条件（详见统计方法部分描述），但本研究结果中只满足其中1个条件，即体力活动与认知能力显著性正相关，但另外两个方面体力活动与外周血IGF-1和/ 或BDNF表达量，以及外周血IGF-1和/或BDNF表达量和认知能力之间均无显著关联性。

4.2 同类研究结果比较

体力活动对于认知能力的有益作用已经得到已有研究证据的证实，其表象背后的作用机理一直是研究人员关注的热点。体力活动有益作用的生理基础中，相关中枢和外周的生长因子和神经营养因子及其级联反应增强是其重要假说［12］。IGF-1和BDNF因其在血管生成、神经发生、突触可塑性和细胞增殖等过程中的重要作用，成为体力活动影响认知功能生理基础的研究焦点。动物实验中，已经证明了外周血中的IGF-1是运动诱导成年大鼠新生神经元的重要中介物质，当阻断IGF-1后，运动对于增加海马新生神经元的有益作用同时被抑制［32］；Vaynman研究中将BDNF阻断，由自主运动锻炼诱发的学习记忆任务（Morris水迷宫）优越表现也被抑制［34］。说明IGF-1和BDNF在体力活动对于认知能力作用中发挥重要生理作用，IGF-1和BDNF被抑制后体力活动原有的促进作用消失，显示了其所发挥的重要中介作用。动物实验的结果，是否能在人体试验中得到证实？已有研究对此问题进行探讨。Ferris［17］以15名健康成年人（男，11名；女，4名）为受试对象，探讨急性运动对认知能力的影响，同时研究认知能力与外周血BDNF变化的关联性。结果显示，急性运动显著增加了BDNF的表达量，同时增强了认知能力任务测试的表现，但BDNF与任务表现变化之间的关联性不显著。因此，根据判断中介变量的3个条件，不能认为BDNF在急性运动增强认知能力任务中发挥中介作用。作者解释到，BDNF与任务表现变化之间关联不显著的原因可能是因为样本量太小，检验力（Power）不够原因所致。当受试者增加到27人时，Winter［36］同样得到上述研究中具有显著正相关的结果，同时还检验出BDNF与学习记忆任务表现之间显著正关联性。因此，可以判断BDNF在其中发挥了重要的中介作用。在Erickson［14］有关有氧运动改善学习记忆任务能力及海马体积的研究中，也得到与Winter类似的结果，即发现BDNF的中介作用。

4.3 出现本研究结果的可能原因

由于学龄前儿童年龄的特殊性，较难完成体力活动的随机对照试验。因此，本研究旨在探讨体力活动、认知能力与外周血IGF-1和BDNF三者之间的关联关系。本研究结果并没有显示出上述成果中体力活动与外周血认知相关蛋白，以及外周血认知相关蛋白与认知能力之间的关联性。造成这种差异可能有以下几个原因：1）实验设计及受试对象的选择。上述研究皆为随机对照试验，受试对象分为运动干预组和对照组，两组间体力活动量差异性明显；本研究为观察性实验，研究中未对受试幼儿进行任何体力活动行为干预，仅是观测受试者日常的习惯性体力活动水平，差异性不如随机对照试验明显；2）外周血样本采集时间。上述试验外周血采集时间均在运动干预后即刻，血液相应蛋白含量反映的是运动后即刻的水平。本研究血液样本采集在清晨安静状态下，IGF-1和BDNF含量反映的是安静时水平。对于运动后即刻与静息不同状态下血液中蛋白表达的差异性，前期研究已有报道。如Chan［8］和Nofuji［26］发现，体力活动量和安静状态下血清BDNF水平呈显著负相关，即体力活动多者血清BDNF水平显著低于体力活动少或有静坐习惯者。由于BDNF能够双向通过血脑屏障［27］，因此Curriey［13］认为，安静状态下体力活动高者外周血BDNF浓度更低的原因，可能是活动多者外周血BDNF通过血脑屏障进入大脑发挥作用的效率更高。此外，Cho的研究结果还显示，在不同身体状态下，外周血BDNF与体力活动水平关联性会发生转变。Cho［9］设计了检验心肺能力与外周血中BDNF浓度动态关联性的研究，结果发现，运动后即刻心肺能力与BDNF浓度显著正相关，安静状态下关联性反转呈现显著负相关。作者认为，这种关系倒转的原因可能是由于运动作为一种刺激激活了血小板，使得贮存在里面的BDNF释放出来［24］。有氧能力高者可能具备更多有活化的、可以贮存BDNF的血小板。因此，本研究中用清晨时相对“沉静”的外周血液蛋白水平与相对稳定的智力水平作关联性分析，可能也是影响本研究结果的因素之一。在后续的研究中，有待于进一步理清外周血中BDNF的来源与其发挥的作用。3）认知能力测量方法的差异。本研究中采用智力水平来反映认知能力水平，智力作为一种相对稳定而且较宽泛的认知能力，受昼夜变化、身体状态影响较小。不如执行能力、注意、处理速度和学习记忆等测试针对性强，如目前关注度非常高的BDNF、海马与学习记忆之间研究，无论在动物或是人体试验中都显示出BDNF与学习记忆相关测试任务的高度关联性［34，35］。4）数据分布较集中。在横断面观察性实验中，样本量越大数据分布越广，更容易发现目标变量之间的真实关系，在本研究中可能受到外周血液检测样本量的限制使得结果受到一定的影响。如在同类研究中，Gunnel［19］以547名（男，301名；女，246名）7～8岁白人儿童为受试，研究血清中IGF-1与儿童全智商之间的关系。研究结果显示两者呈显著性正相关关系，而且血清中IGF-1浓度每提高100 ng/ ml，智商得分就提高3.18分（95%CI：0.52～5.84）。

与最新发表的体力活动对青少年认知能力影响的系统综述结果类似［15］，本研究结果也出现了体力活动与认知能力关联性的性别差异，即仅在男童中存在显著正相关，而在女童中无此相关性，造成这种现象可能有以下几个原因：1）剂量—效应关系。本研究的数据显示，男孩体力活动水平在LPA和MVPA都显著性高于女孩，体力活动对认知能力的关联效应可能需要累积到一定的量。如，在Martinez-Gomez［23］等的研究中发现，对认知任务的积极作用，仅出现在累积更多积极性通勤方式的女孩中。2）生理反应差异。虽然目前还不清楚体力活动引起的效应存在性别差异的真正原因，但部分证据显示，这可能由于男、女之间糖代谢和下丘脑-垂体-肾上腺轴系统对于体力活动引起的一系列反应存在差异所引起［3］。3）心理反应差异。体力活动对于认知能力的作用除了生理作用外，心理反应在其中也可能发挥重要作用。如心理机制中起重要作用的是自尊（self-esteem），体力活动与自尊存在正向关联，即体力活动可以提高自尊从而对认知能力发挥作用［33］，男、女童可能对于体力活动引起的心理反应有所不同。

本研究中另一个有意思的结果是仅LPA，而不是MVPA与认知能力存在显著关联，与现行的MVPA为主要推荐活动强度的观点不符，造成这种现象可能有以下几个原因：1）不同强度/形式体力活动有益于认知能力的不同方面。如12周的随机对照试验表明，较大强度的抗阻训练能显著改善实践能力的任务表现；中等强度的有氧训练对注意和分析任务表现的提高更加有效［20］。2）不同体力活动强度在不同年龄阶段作用有差异。心肺适能被认为是体力活动提高认知能力的重要中介［7］，而心肺适能的提高在3～6岁的生命早期阶段可能通过较低强度的体力活动就能现实。虽然在我们的研究中，MVPA没有显示出对认知能力的关联作用，但是，这并不意味着学龄前儿童阶段可以忽视中等及以上强度的活动，而只关注低强度的体力活动。现行的学龄前儿童体力活动推荐量，更多强调的是每天活动总量，如每日累积至少180 min各种强度活动量［29］。从事MVPA同样可以增加每日活动总量，从而达到体力活动推荐量的要求。如在本研究中若以总体力活动水平（等于LPA+MVPA）代替LPA和MVPA进入模型，同样发现在男童中总体力活动水平与全智商显著关联（β= 0.160，P=0.039；其他详细数据未列出），提示整体体力活动水平的重要性。

4.4 本研究局限性

本研究以客观测量工具测量体力活动水平，并探讨其与认知能力及相关蛋白表达的相关关系，虽有创新点，但仍存在一些不足。如：1）横断面实验设计。横断面的设计只能证明变量间的相关关系，不能得出因果关系。由于学龄前儿童年龄的特殊性，随机对照试验可能需要设计更为缜密、有充分趣味性的体育游戏进行介入；2）《简式智力量表》选择。考虑到研究的实际可操作性，本研究中选择《韦氏幼儿智力简式量表》作为认知能力测量工具，虽然《简式量表》已被证明与《全式量表》高度相关并被相似研究应用，但测量精度会受到一定程度影响。

5 结论

根据本研究结果，未发现外周血IGF-1和/或BDNF在体力活动对于学龄前儿童认知能力的正关联关系中发挥中介作用。后期有待于更严格的实验设计，如长期纵向跟踪研究和干预实验，进行进一步的探索和分析。

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The Mediating Effect Study between Physical Activity and Cognitive Abilities in Preschool Children

QUAN Ming-hui1，ZHANG Han-bin2，ZHANG Jia-yi1，ZHAO Guang-gao3，ZHANG Jin-ming4，CAO Zhen-bo1，WANG Ru1，CHEN Pei-jie1

目的：旨在探讨外周血认知相关蛋白表达水平，是否在体力活动与学龄前儿童认知能力的关联中发挥中介作用。方法：共在上海7个幼儿园募集受试学龄前儿童306名（男，176名；女，130名），利用美国产ActiGraph GT3X＋测量日常体力活动水平，以《韦氏幼儿智力简式量表》测量受试者认知能力，酶联免疫吸附法检测外周血IGF-1和BDNF水平，所有测试均由家长同意并签署知情同意书。结果：306名受试者中，共174名（男，97名；女，77名）体力活动水平、认知能力测试、外周血IGF-1和BDNF数据都完整，无论男童或女童的回归分析结果中，均未见体力活动水平与外周血IGF-1和/或BDNF含量，以及外周血IGF-1和/或BDNF含量与认知能力之间显著关联性。结论：研究未发现外周血IGF-1和/或BDNF在体力活动对于学龄前儿童认知能力的正关联关系中发挥中介作用。

学龄前儿童，体力活动，认知能力，IGF-1，BNDF

Objective:To explore whether peripheral blood levels of cognition-related proteins play a mediator role in the impact of physical activity on cognitive abilities.Methods:Atotal of 306 participants recruited(boys 176；girls 130)from 7 kindergartens in Shanghai.Participants’physical activity was assessed using ActiGraph GT3X＋accelerometer(GT3X＋，ActiGraph，Pensacola，FL，USA)，"China-Wechsler Abbreviated Intelligence Scale for children(C-WAISC)"(City version) was used to examine the cognitive abilities，ELISA(Enzyme-linked Immunosorben Assay，ELISA) and R&D System(Human IGF-1 Quantikine ELISAKit；Human BDNF Quantikine ELISAKit，U. S.)kit were used to detect the concentrations of IGF-1 and BDNF.Results:A total of 174 preschoolers(boys 97；girls 77)among 306 participants have the complete data of level of physical activity，cognitive ability tests and peripheral cognition-related proteins.Regardless of the results of the regression analysis of the boys or girls，the results did not support the hypothesis that peripheral blood levels of IGF-1and/or BDNF play a mediator role in the impact of physical activity on cognitive abilities.Conclusions:The results from our study did not find the mediator effect of peripheral blood IGF-1 and/or BDNF on the association between physical activity and cognitive abilities.

preschool children；physical activity；cognitive abilities；IGF-1；BDNF

G804.8

：A

1000-677X（2017）02-0047-10

10.16469/j.css.201702005

2016-10-28；

2017-01-16

国家社会科学基金资助项目（13BTY044）；上海市优秀学术带头人计划（12XD1404500）；上海市学生健康促进工程重大委托项目（HJTY-2014-A10）；教育部人会社科青年项目（15YJC890029）；上海体育局腾飞计划（T002）。

全明辉，男，讲师，博士，主要研究方向为青少年体质健康，Tel：（021）51253248，E-mail：quanminghui@163.com；王茹，女，副教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为运动免疫学，孩童体质健康，E-mail：wangru0612@ 163.com；陈佩杰，男，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为运动免疫学与青少年体质，E-mail：chenpeijie@sus.edu.cn。

1.上海体育学院，上海200438；2.浙江省人民医院，浙江杭州310014；3.南昌大学，江西南昌330031；4.泰山医学院，山东泰安271016 1.Shanghai University of Sport,Shanghai 200438，China；2.Zhejiang Provincial People's Hospital, Hangzhou 310014，China；3.Nanchang University，Nanchang 330031，China；4.Taishan Medical University，Tai'an 271016，China.