有效影响认知抑制功能的运动负荷域研究

赵敬国，周洁

（山东师范大学体育学院体质测评与健康促进中心，济南250014）

1 引 言

2008年约翰·瑞迪《运动改造大脑》的新理念，使人们认识到运动的价值不仅在于健身，更在于健脑[1]。运动通过脑源性神经营养因子等一系列中介变量，诱发海马体区等脑区神经新生，通过使用-依赖可塑性，改善脑结构、增进脑功能[1-4]。调节变量的研究显示，受试者的体适能水平[5-8]、年龄与文化程度[8-9]以及评价指标不同均对研究结果产生影响。就运动干预本身而言，不同运动方式（定性指标）对认知功能的影响既有其普遍性也有其选择性[4，7-11]。运动量（定量指标）的影响虽有大量的研究文献[12-19]，但结论不一甚至相互矛盾，究其原因是许多研究仅仅是通过改变不同的运动强度或不同的运动时间进行运动干预研究，而未严格控制受试者的运动总量，即能耗量，无法回答造成差异的原因是由于运动强度不同或运动时间不同所致，还是由于运动量不同而产生的，也无法回答有效改进认知功能的运动负荷域值。Stroop效应是指字义对字体颜色的干扰效应，Stroop Word-Color任务中的反应时常用以测评认知加工速度和执行控制功能[20]。为了进一步探讨不同运动负荷量对认知功能尤其是认知抑制功能的影响规律，确定有效改进认知抑制功能运动干预的运动负荷域值，便于健脑运动的处方制定和指导，本研究采用自身前后对照实验设计，以Stroop Color-Word Test反应时为认知抑制功能评价指标，以健康在校研究生为实验对象，以功率自行车为运动负荷工具，观察比较了不同能耗量的运动对认知抑制能力的即刻影响；并在此基础上，进一步探讨了运动强度或运动时间的影响作用。

2 对象与方法

2.1 实验对象

选取山东师范大学体育学院运动人体科学专业在校健康研究生11人（女8人，男3人），平均年龄（23.33±0.50）岁，平均身高（167.21±6.53）cm，平均体重（61.10±11.23）Kg。实验前告知受试者本次研究的有关事项，所有受试者均知情同意并愿意配合完成本实验，且书面签订受试者知情同意书。

2.2 实验方法

2.2.1 实验内容 本实验有两部分组成，实验1：不同能耗量（0～300 Kcal、级差为25 Kcal）功率车运动后即刻Stroop Color-Word Test反应时的测定；实验2：等能耗量不同强度（10～100 watt、级差为10 watt）功率车运动后即刻Stroop Color-Word Test反应时的测定。

2.2.2 运动方案 以瑞典产MONARK 839E功率自行车为负荷工具，随机抽取所要完成的运动能耗量值（实验1）或运动强度等级（实验2）。相邻两次运动间隔2 d以上。

2.2.3 Stroop Color-Word Test反应时测定 每次运动后即刻测定Stroop Color-Word Test反应时值。Stroop Color-Word Test测试是在E-Prime2.0实验生成系统环境下进行的，分别计算其准确率和反应时，只有准确率在95%以上者反应时纳入统计分析。每次测试共出现64个刺激，计算其平均反应时。

2.3 统计学处理

采用SPSS 15.0 for windows分别进行了描述性统计和推断性统计。组内差异显著性检验采用重复测量的方差分析，两两比较采用LSD。差异显著性标准选用P＜0.05，所有结果均用平均数±标准差（mean±SD）表示。

实验于2018年10～11月在山东师范大学体育学院体质测评与健康促进中心完成，实验设计得到该中心相应伦理委员会认可。

3 结果

3.1 不同能耗量功率车运动后即刻反应时的比较

对每位受试者不同时间点、不同能耗量（0～300 Kcal，级差为25 Kcal）运动后即刻所测 Stroop Color-Word Test反应时值进行了重复测量的方差分析和LSD两两比较，结果见图1和表1。

图1 不同能耗量功率车运动后即刻反应时的变化规律Fig 1 The change features of reaction time immediately after ergometry cycle exercise with different energy consumptions

表1 不同能耗量功率车运动后即刻反应时的两两比较（mean±SD）（n=11）Table1 The pairwise comparison of reaction timeimmediately after ergometry cycle exercise with different energy consumptions（mean±SD）（n=11）

以功率自行车运动时的能耗量为剂量指标，以运动后即刻Stroop Color-Word Test反应时较安静（0 Kcal）时反应时值的差值（变化量）为运动对认知抑制能力影响的效应指标，绘制其剂量-效应关系曲线，见图2。

3.2 不同强度等能耗量功率车运动后即刻反应时的比较

对每位受试者不同时间点、不同运动强度（10～100 watt，级差为10 watt）完成 100 Kcal能耗量运动后即刻所测Stroop Color-Word Test反应时值进行了重复测量的方差分析和LSD两两比较，结果见表2和图3。

图2 功率车运动能耗量与运动后即刻反应时变量的剂量-效应关系曲线Fig 2 The dose-effect curve between the energy consumption of ergometry cycle exercise and the reaction time immediately after exercise

表2 总能耗量为100 Kcal时不同强度运动后即刻反应时的比较 （mean±SD）（n=10）Table 2 Comparison of reaction time immediately after exercise of different intensities with total energy consumption 100 Kcal（mean±SD）（n=10）

图3 总能耗量为100 Kcal时不同强度运动后即刻反应时的变化趋势Fig 3 The change trend of reaction time immediately after different intensity exercise with total energy consumption 100 Kcal

4 讨论

某项运动的运动量（做功量）取决于运动练习的强度（功率）和运动时间的乘积（W=P×t），此时运动强度与运动时间之间是紧密相关的变量。有关运动强度对认知功能影响的早期研究显示，运动强度对认知功能的影响呈现“倒U型”关系，即中等强度的运动效果最佳[13，15-17]，然而近年来有研究显示高强度运动对认知功能也具有显著效应[21-23]，造成这些不一致的原因可能是运动量的不同所致。在运动对认知功能的影响中，究竟是运动强度重要还是运动量重要？如果运动量相等的情况下，运动强度的影响又如何？

认知抑制功能是脑认知功能的重要组成之一，主要受前额叶背外侧皮层所调节[24]，该大脑区域的功能尤其容易受到老化的影响，但也是对运动影响最为敏感的区域。Stroop Color-Word Test是目前评估认知抑制功能的主要刺激方式之一[25]，其原理为目标字颜色与目标字字义之间产生的干扰对受试者做出选择施加影响，借以评估受试者的认知抑制能力。

本研究采用自身前后对照实验设计方案，以Stroop Color-Word Test反应时改变为认知抑制功能变化的评价指标，以健康在校研究生为实验对象，以功率自行车为运动负荷工具，首先比较了不同能耗量（0～300 Kcal，级差为 25 Kcal）的运动对认知抑制能力即刻影响的规律。受试者通过随机方式确定每次运动时的能耗量等级，运动强度自主确定，运动至目标能耗量停止，运动后即刻测定Stroop Color-Word Test反应时。统计分析结果显示（见图1、表1），25 Kcal能量消耗的运动后即刻，与安静时（0 Kcal）相比，反应时虽有缩短，但并无显著性改变（P＞0.05）。50 Kcal能量消耗的运动后即刻反应时继续缩短，虽与25 Kcal时相比，差异无显著性意义（P＞0.05），但与安静时（0 Kcal）相比，则显著性缩短（P＜0.05）。75 Kcal能量消耗的运动后即刻反应时继续缩短，且与50 Kcal能量消耗的运动后即刻相比也显著性缩短（P＜0.05）。100～275 Kcal能量消耗运动后即刻的反应时与75 Kcal能量消耗运动后即刻反应时之间均无显著性差异（P＞0.05）。300 Kcal能量消耗运动后即刻反应时有所增加，且与275 Kcal能量消耗运动后即刻反应时相比显著延长（P＜0.05）。若以功率自行车运动时的能耗量为剂量指标，以运动后即刻Stroop Color-Word Test反应时较安静（0 Kcal）时反应时值的差值（变化量）为运动对认知抑制能力影响的效应指标，其剂量-效应关系曲线见图2。上述结果显示，对运动后即刻Stroop Color-Word Test反应时产生最大影响的最低运动负荷量值为75 Kcal，运动负荷量过大（300 Kcal）则导致运动后即刻反应时反而延长，显示75～275 Kcal能量消耗的运动负荷量为有效改善认知抑制功能的运动负荷域值。

在此基础上，进一步探讨了等能耗量（100 Kcal）情况下不同强度的运动对认知抑制功能的影响。实验采用10～100 watt、级差为10 watt的运动强度，受试者通过随机方式确定每次运动的运动强度等级，运动至目标能耗量（100 Kcal）停止，运动后即刻测定Stroop Color-Word Test反应时。统计分析结果见表2、图3，可见能耗量均为100 Kcal时，受试者采用10～100 watt（级差为10 watt）任一强度运动后即刻的反应时值之间两两比较（LSD），均显示无显著性差异（P＜0.05）。提示采用同一种方式的运动、不同强度（或不同时间）运动时，在运动能耗量相同的情况下对运动后即刻Stroop Color-Word Test反应时产生的影响是相似的，也即提示运动对认知抑制能力即刻影响的效果主要取决于运动练习的负荷量，即能耗量而非运动强度或运动时间。本结果一方面为健脑运动处方制定运动负荷的确定提供了参考，另一方面也为理解具有显著时间效益的高强度间歇训练在认知功能促进中的作用，提供了实验依据或理论支持。

5 结论

在以功率车为工具的运动中，以Stroop Color-Word Test反应时为认知抑制功能评价指标时，每次运动消耗能量75～275 Kcal为有效改善认知抑制功能的运动负荷域值。且在该运动方式中，运动能耗量相同的情况下，不同强度运动后的即刻效应是相似的。