身体锻炼认知效益的研究方法：现状、问题及解决策略

高淑青

天津体育学院教育与心理学院（天津 300381）

认知活动是对信息的加工处理过程，以及对客观事物变化和特征的反映，也是对客观事物之间相互作用和相互联系的表征。认知能力是人们成功完成活动的最重要的心理条件，认知能力的高低是衡量个体生存和发展能力的重要指标之一。因此，如何促进认知水平的提高，延缓认知老化的发生成为诸多研究领域关注的课题，这其中不乏身体锻炼认知效益的研究。适当、规律的身体锻炼对个体的认知功能起到促进（或保持）作用，研究者们从生物学和心理学等多个视角对这种积极作用的机制进行了解释[1-3]。本文从身体锻炼认知效益研究的常用研究设计入手，对此类研究中的研究指标、研究工具以及一些具体研究方法进行了综述，并对目前该领域研究中存在的问题及相应对策进行分析，为后续研究提供方法指导和借鉴。

1 常用研究设计

在心理科学实证研究中，比较常用的两种研究设计是调查研究和实验（干预）研究，在锻炼认知效益研究中，调查研究主要通过大样本的横断调查，获得参与者身体锻炼和认知功能等方面的资料，以明确二者之间的关系。这种研究虽然可以短期获得大量相关数据，但对变量的因果关系很难进行推断，因此，若想明确身体锻炼对认知能力的积极影响，就需要采用短期或长期的实验干预处理来加以探索或验证，这在锻炼认知效益研究领域表现为对短期（即刻）认知效益和长期认知效益的研究。

短期认知效益是考察一次性身体锻炼后的认知任务表现，显示了身体锻炼对认知功能的即刻影响，往往这种影响效应是短暂且不稳定的。如Linde等的研究以70名健康的老年人（年龄60～75岁）为研究参与者，考察其在不同训练后即刻的流体认知能力水平（信息加工速度、短时记忆、空间关系、专注以及推理和认知速度），结果发现，与控制组相比，在身体锻炼后即刻，老年人出现专注能力提高的现象，身体锻炼与认知训练联合干预组即刻出现了认知速度加快的现象[4]。Lambourne等[5]的研究发现，即刻的身体锻炼可以提高锻炼者的感知加工，促进其觉察能力的提高，但是提高的认知能力很快又会恢复到锻炼前的水平。

长期认知效益是考察长期身体锻炼对认知功能的影响，这种影响效应可能会维持较长时间，对个体更具积极意义。如Chang等[6]的纵向研究发现，在控制了人口统计学以及心脑血管等影响因素以后，中等强度身体锻炼组在加工速度、记忆以及执行功能等方面表现更好，且身体锻炼可以减少或者延缓晚年痴呆的发生。殷恒婵等[7]采用两种运动干预方案（“武术+跳绳+8字跑”和“花样跑步”）对326名小学生进行了为期20周的锻炼干预，结果发现，两种运动方案均能改善小学生的执行功能，且随干预时间增加，效果更为显著。总之，无论一次性身体锻炼还是长期锻炼对认知功能都有一定促进作用，但为了获得较稳定的认知效益，还需要个体通过长期规律性锻炼来实现。

综上，通过控制性的实验研究能够明确身体锻炼与认知功能之间的因果关系，获得更可靠的身体锻炼认知效益的证据，但在研究过程中应该尽量考虑到控制变量的影响，尽可能通过实验设计或统计方法等途径将这种影响降到最小。

2 变量的选择与研究工具的发展

在身体锻炼认知效益研究中，主要涉及两个变量，即身体锻炼和认知功能，前者可以以二分变量（锻炼与非锻炼；有氧锻炼与无氧锻炼，等）或连续变量（不同锻炼量水平）的形式作为自变量，来获得其对认知功能（因变量）影响的证据，而认知功能具有较为复杂的心理结构，以下主要就认知功能指标的选择及测量工具的发展进行论述。

2.1 认知功能指标的选择

就目前体育锻炼认知效益的实证研究而言，采用的认知功能指标主要受研究者的兴趣和测试工具的限制，表现出研究指标较为零散，缺乏系统性的整合。例如，单越涛[8]采用随机对照研究探讨了简化太极拳对社区中老年人记忆力、注意力和执行功能的影响；戈成[9]通过实验法，探讨太极拳对老年人执行功能的影响；Anderson-Hanley等[10]对阻力锻炼对老年人的数字逆向测试（digits backward task）与Stroop任务的改善进行研究。那么，什么样的认知指标能代表个体的整体认知功能水平呢？或者什么样的认知指标对个体的生活、学习、工作更重要呢？

要回答上述问题，可能需要考虑到研究对象的年龄特征问题。对于儿童、青少年群体而言，学业表现似乎在一定程度上能代表其认知发展情况，有研究证实了体育锻炼对青少年学业表现的促进作用[11]，但也有研究未发现青少年体力活动与学业表现的正相关关系。因此，正如温煦[1]在综述中提到，体育锻炼对青少年认知能力和学业表现影响的研究仍是比较零碎、缺乏系统性，需要由点带面地将当前的研究不断拓展，才能逐渐厘清变量之间影响的全貌。另外，执行功能（executive function）是在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[12]。良好的执行功能不仅帮助青少年有效地进行计划、推理、实施多项任务，而且还增强他们对社会环境的适应能力，约束自身行为，遵守社会规范以及促进学业进步[7,13,14]。因此，很多学者也开始关注和研究身体锻炼对儿童、青少年执行功能的促进作用。

有关成年期认知发展的研究主要集中于基本认知能力和日常认知能力两大领域，前者是在一般认知活动中展现出的能力，后者是在解决日常生活遇到的问题时展现出的能力，前者是后者的基础和核心[15,16]。基本心理能力（primary mental abilities）是由Thurstone（1938）[17]发现的，Thurstone最早检验出7种基本能力：知觉速度、数字、联想记忆、推理、空间定向、词汇流畅和词语理解。Schaie[18]在著名的西雅图追踪研究中，在Thurstone工作的基础上提出了5种具有代表性的基本心理能力，即数字能力、归纳推理能力、空间定向能力、词语流畅能力和语义理解能力。作为个体所有日常活动核心的基本心理能力对个体的日常问题解决能力有着重要影响[16]。综上，基本心理能力在认知功能中占有重要的基础性地位，其发展水平直接关系到个体日常生活的质量，因此，研究身体锻炼对成年人基本认知能力的积极影响似乎更为合理和必要。

综上，认知指标是身体锻炼认知效益研究的核心变量，选择单项认知指标还是综合认知指标，似乎和另一个重要问题密切关联，即身体锻炼对认知功能的影响是广泛的还是特异的？一些研究者支持锻炼对认知功能的积极影响是有选择性的，锻炼对执行控制任务的促进更加明显[19-22]；而有研究支持锻炼对认知功能有着广泛的影响[23]。这或许应该成为未来此领域中的一个研究方向。

2.2 研究工具的发展

在2000年以前，体育锻炼影响认知能力的主要研究方法是问卷调查，随着近些年来神经科学和心理学相关研究技术的应用，体育锻炼影响认知能力的相关研究取得了重要突破[1]。脑电成像（electro-encephalograph，EEG）、脑磁成像（magneto-en-cephalograph，MEG）、事件相关电位（event-related potentials，ERPs）、功能磁共振成像（functional magneticresonance imaging，fMRI）和经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）等技术的应用，有助于研究者们观测在认知过程中大脑的活动，揭示认知活动的脑工作特点，这为身体锻炼认知效益的研究提供了重要的研究技术。

ERPs能够反映出大脑信息处理的进程，ERPs是测量具体信息加工过程大脑神经元活动的直接方法，而且个体的ERPs相当稳定，这为认知功能的脑机制研究提供了可靠的技术支持和方法学依据[24,25]。fMRI具有较高的时间和空间分辨率，是一种测量特定脑区所消耗能量的手段，即神经活动较强的脑区域信号较强。TMS是新近发现的抑制一个脑区的方法，是一种利用脉冲磁场作用于中枢神经系统，改变皮层神经细胞膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的磁刺激技术，是安全且没有持久影响的技术。

可见，利用认知神经科学的这些技术手段不仅促进了研究者对锻炼认知效益的认识，也为获得这种积极效益的内在机制，尤其是大脑机制提供了可能。有研究[13]使用fMRI技术考察了短时有氧运动对儿童执行功能脑激活模式的影响，发现一次30 min的短时中等强度有氧运动能改善儿童的执行功能，使儿童执行功能脑激活模式发生变化，具体表现为儿童执行功能脑激活模式中的双侧额上回、双侧额中回、双侧顶上小叶和左侧顶下小叶激活程度增加，左侧前扣带回激活减弱。另有研究选取了60名老年人被试，根据其之前的锻炼情况，区分为开放技能锻炼组、封闭技能锻炼组以及无锻炼组，然后在进行Flanker任务测试的同时进行事件相关电位测试。结果发现，无论是从事开放技能锻炼还是封闭技能锻炼项目，均能够提高老年人在Flanker任务上的反应时，开放技能锻炼组老年人在ERPs的P300波幅的峰值在顶点比额叶更大，然而其他两组没有位置差异。老年人参与锻炼会增加其认知需要，在干扰控制任务中资源分配的神经效率更高[26]。

综上，脑是个体认知活动的生理基础，人脑的结构和机能关系着认知活动的水平，借助认知神经科学的研究技术，研究者能进一步明确身体锻炼认知效益的大脑机制，即身体锻炼对中枢神经系统的可塑性影响，这为探明身体锻炼认知效益的内部机制提供了技术准备，也为锻炼认知效益研究的拓展和深入提供了可能。

3 剂量效应的研究

在明确了身体锻炼认知效益客观存在的基础上，学者们就会思考，什么样的身体锻炼能最有效地改善认知功能？是否存在着最小或最适宜的运动量？即身体锻炼与认知功能的“剂量效应”问题。 所谓“剂量效应”是指体育锻炼各构成要素（类型、强度、频率、每次持续时间、干预周期等）单独和交互作用与认知功能的关系。不同的锻炼要素对个体认知功能的影响不同，且这些要素常常对个体认知功能产生交互影响，因此，针对不同个体，选择适宜的体育锻炼形式，包括锻炼类型、锻炼强度和锻炼时间等，是非常重要的。

研究身体锻炼与认知功能之间剂量效应关系的方法主要有流行病学调査研究和随机控制性实验研究，前者主要针对身体锻炼活动量和认知效益的关系进行研究，例如，以梁德清[27]修订的《体育活动等级量表》（Physical Activity Rating Scale-3，PARS-3）为测量工具，将参与者的锻炼活动量按照标准区分为小、中、大3种，使用事后两两比较的方法来确定从事哪种活动量的参与者的认知功能水平更高，进而推测锻炼认知效益的最佳活动量范围。这种研究方法只能概括地了解锻炼活动总量和认知功能之间的关系，对锻炼的单个要素（强度、频率、持续时间等）与认知功能的关系很难进行推断，因此，需要进行实验研究来探究单因素变化引起的运动剂量与认知效益之间的关系。这不仅有利于了解引起认知效益的具体剂量，还有利于了解锻炼引起认知效益的外周机制，例如有研究在控制了锻炼项目、锻炼持续时间的基础上，考察不同锻炼强度（小、中、大）对大学生执行功能的影响，结果发现不同强度的短时有氧运动对执行功能产生选择性的积极影响[14]。这提示锻炼强度与执行功能之间存在剂量效应关系，促进执行功能的3个子功能（抑制、刷新和转换）的最佳锻炼强度不同。

目前，尚未见身体锻炼与认知功能之间剂量效应关系的曲线模型研究，因此，在未来，学者们应该致力于建构二者的曲线模型，把握两个变量之间的变化趋势关系，探究身体锻炼认知效益是否存在着某个阈值？以此更有效地指导大众进行更科学有效的健身锻炼。

4 存在问题与对策

目前关于锻炼认知效益的研究中仍存在一些认知和测量上的弊端，以下对这些问题和相应对策进行梳理、分析。

第一，研究的设计和控制问题。

目前，关于锻炼的长期认知效益的干预研究中，锻炼干预时间不一，干预时间从几周到几年不等[28,29]，到底锻炼干预多久能够获得比较可靠的长期认知效益？几周锻炼干预的效果能够维持多久？不同认知功能的改变对锻炼干预时间的要求有何不同？对不同年龄参与者的干预时间确定是否不同？等等。总之，要设计锻炼认知效益的干预研究，就无法回避这些问题。针对锻炼干预时间的设计问题，需要参考、借鉴大量前人的相关研究，并最好能结合一定的预实验结果，来最终设置合理的锻炼干预时间。

进行身体锻炼认知效益的研究，不可避免地会遇到无法穷尽控制变量影响的问题，认知功能可能受到社会、生理和心理诸多因素的综合影响，例如受教育程度、环境污染、睡眠、饮食[30]、社会经济地位、体重指数（BMI）、体质健康水平[1]、年龄、性别、种族、吸烟状态、能量摄入等[31]，这些环境变量和机体变量都不同程度调节着身体锻炼与认知功能之间的关系，因此，要获得身体锻炼认知效益的纯粹结果，研究设计时就务必考虑到可能存在的控制变量的干扰问题，并在设计或统计中加以有效控制，例如陈爱国等[14]关于有氧运动对执行功能影响的研究就采用了组内设计（within-group design），降低了机体变量对研究结果的干扰，尽量避免了自变量混淆的发生。

此外，在研究设计方面，似乎每种研究方法都有各自无法克服的弊端，因此，将观察性研究与实验性研究相结合，将量化研究与质性研究结合使用，使得两种方法互为补充，相互佐证，这或许是减少控制变量干扰、提高研究质量的一条有效途径。

第二，测量手段问题。

在身体锻炼认知效益研究中涉及两个主要变量，即身体锻炼水平和认知功能，对前者的测量仍倾向以量表或问卷测量为主，后者则根据测量单项认知功能或综合认知功能而采用标准化量表[（简易智能精神状态量表，mini-mental state examination，MMSE）；蒙特利尔认知评估量表（Montreal cognitive assessment，Mo-CA等）]或心理行为实验（维也纳心理测验系统、信息加工测试系统或根据经典范式自编研究程序等）等手段来实现测量，目前也流行用认知神经科学的技术来测量认知功能的脑结构和机能情况。

值得商榷的是，使用纸笔的形式来测量身体锻炼情况是否客观，正如有专家报告所言，使用量表法，能使我们准确地测量到身体活动和（或）锻炼行为吗？未来也许要改进身体活动或锻炼行为的测量方法，纸笔与实测（如计步器、加速度计等）相结合，以减少测量误差[32]。因此，为了准确测量参与者的锻炼行为情况，从而区别于对其锻炼意向的测量，研究者需要重视测量手段的有效性问题，可以使用纸笔与实测结合的方式，提高测量的效度。据此，越来越多的研究使用了佩戴加速度计等设备来更精确地记录参与者的身体活动情况[33,34]。

第三，量效关系研究方法的误用问题。

随着研究的深入和对现实需要的考虑，研究者们基本得到一个共识，即未来对身体锻炼与认知功能之间剂量效应关系的研究将是一个重要的研究问题[1,35]。目前也已经开展了很多身体锻炼与认知功能之间量效关系的研究，但尚未取得一致性结论，而且部分研究还存在设计上的缺陷，例如在不控制其他锻炼要素相等的情况下，考察某个锻炼要素对认知功能的影响，这无疑是不严谨的，得出的结论也缺少科学性，难以进行整合和比较。

针对身体锻炼与认知功能的量效关系研究问题，有研究报告[36]指出，在锻炼认知效益研究中，目前常见的剂量效应的研究方案有4种：（1）相同运动持续时间情况下，运动强度的影响效应；（2）相同运动负荷情况下，锻炼坚持时间的影响效应；（3）不同运动负荷量的影响效应；（4）相同强度下，运动持续时间的影响效应。

第四，研究效果与研究评价问题。

两个变量的关系包括相关、因果和共变关系，锻炼认知效益的研究是在考察两变量的因果关系，要明确因果关系就需要满足3个条件：一是时间上的因前果后，二是实证相关，三是排他解释[37]。而实际研究中，常会通过横断调查获得的数据来说明身体锻炼对认知功能的影响，陷入将相关关系解释为因果关系的陷阱。要探明锻炼与认知孰因孰果，还是互为因果，是需要通过随机对照实验去加以探索或验证的，在研究设计时要兼顾研究的外部效度，以提高研究的应用价值。

另外，影响认知功能的因素较多，且认知功能是相对稳定的变量，那么身体锻炼在改变认知功能时的功效有多大呢？能解释认知功能变异方差的多少呢？这就涉及到效果量问题，目前很多研究都只报告显著性，而忽略对效果量的报告，显著性回答的是可靠程度问题，效果量回答的是差异大小问题[37]，因此，为了把握身体锻炼对认知功能影响的实际意义，建议研究应该报告出效果量数值。