8周不同类型的运动对女大学生执行功能的影响

李琳 崔洁 项琪 付慧

1 华东师范大学青少年健康评价与运动干预教育部重点实验室（上海200241）

2 华东师范大学体育与健康学院（上海200241）

3 东华大学附属实验学校（上海201600）

执行功能是指完成复杂的认知任务时，对各种基本认知过程进行控制和调节的高级认知过程[1]。Stroop任务和N-back 任务是评价执行功能的经典范式。执行功能是身心健康、学业/事业成功以及认知、社会和心理良好发展的必要能力[2]。有研究指出较好的执行功能通常与较高的数学[3]、阅读[4]等学业成绩存在关联，而不良的执行功能则与糖尿病[5]、焦虑[6]和抑郁[7]等疾病密切相关。由此，探索改善执行功能的方法和手段至关重要。

体育锻炼作为提高或改善执行功能的有效手段已被一些研究所证实，现有研究较为一致的观点认为中等强度运动最有利于改善执行功能[8]，但想要全面了解运动与执行功能的关系，还需更多的研究进行探索。已有文献显示：1）以往的研究中，体育锻炼作为干预手段，多采用的是有氧运动，并得到了较为积极的效应，而抗阻运动涉及较少。抗阻运动是改善人们健康的重要手段，进行抗阻运动能够有效改善身体成分、协调能力[9]、力量素质、认知功能[8]以及生活质量[10]等。因此，探索抗阻运动与执行功能的关系，以及比较有氧运动与抗阻运动对执行功能的影响差异具有一定的必要性，可为体育运动干预手段的有效选择提供参考；2）要了解不同类型的运动与执行功能的因果关联，需要进行持续数周运动，但是前人的研究中，以长时运动为干预手段的研究较少，且结果尚不一致[11，12]。此外，进行抗阻运动与有氧运动的对比研究更少。

鉴于此，本研究以长时运动为切入点，探索抗阻运动、有氧运动与执行功能的关系，比较长时有氧运动与抗阻运动对执行功能的影响差异，为全面了解运动与执行功能的关系提供理论基础，为运动干预手段的准确选择提供参考。

1 对象与方法

1.1 研究对象

采取张贴海报、微信平台等方式在上海市某高校招募18～19 岁普通女大学生72 名，随机将被试分为抗阻运动组、有氧运动组和对照组各24名。被试入组标准如下：a. 无心血管疾病和代谢性疾病，无脑损伤史和神经系统病史；b. 智力正常；c. 右利手；d. 被试视力或矫正视力正常，无色盲或色弱；e. 无抑郁、焦虑等不良情绪；f. 精神状况正常；g. 被试同意填写知情同意书。

实验前被试填写《抑郁自评量表》和《焦虑自评量表》，并依据评分标准，将抗阻运动组6 名抑郁和焦虑量表得分高于50分的被试排除；此外，有氧运动组3名被试未完成全部实验，对照组5名被试中途放弃，故最终确定的抗阻运动组、有氧运动组和对照组被试分别为18、21和19名。研究通过了华东师范大学伦理委员会的批准，所有被试在进行实验前签署了《知情同意书》。

1.2 方法

1.2.1 执行功能测量

执行功能通常被划分为抑制控制、工作记忆和认知灵活性三种子成分，其中抑制控制是执行功能的核心成分，而认知灵活性则是基于抑制控制和工作记忆两种成分发展起来的[13]。因此，本研究主要针对执行功能中的抑制控制和工作记忆两种子成分，采用Stroop任务和N-back 任务两个经典任务范式评估抑制控制和工作记忆[14-16]。

Stroop 任务是评估执行功能中抑制功能的经典范式。Stroop 任务中会出现“红、绿、蓝、黄”4 个汉字，同时具有“红、绿、蓝、黄”4 种颜色。颜色和汉字随机组合。其中字体颜色和字体含义一致的刺激称为色-词一致任务条件。字体颜色和字体含义不一致的刺激称为色-词不一致任务条件。整个任务共包含32 个trials，其中一致条件的刺激有8个trials，不一致条件刺激有24个trials。目标刺激是随机出现的，刺激呈现时间均为2000 ms，注视点为“＋”，刺激间隔时间（ISI）为2000 ms、4000 ms、6000 ms、8000 ms、10000 ms 共5种情况，这5种情况的间隔时间是随机的（图1）。整个实验时长为4分16秒，测试过程中，被试需要尽快地对刺激的颜色作出判断并按键。按键时均使用右手，刺激的颜色为红色按数字1、黄色按数字2、绿色按数字3、蓝色按数字4。

图1 Stroop任务流程图

N-back 任务是评估执行功能工作记忆的经典范式，它包含了3 种难度递增的子任务：0-back、1-back、2-back，依次交替出现，休息时间2400 ms，共循环两次。0-back 任务中含有11 个红色英文字母，“X”为目标刺激。1-back 任务中有6 个绿色英文字母，当前字母与前一个字母相同时，当前字母即为目标刺激。2-back 任务中包含了5 个黄色英文字母，当前字母与前两个字母相同时，则当前字母为目标刺激。每个任务有18 个trials，包含6 个目标刺激和12 个非目标刺激。所有字母的呈现时间均为1500 ms。白色注视点“＋”的呈现时间为2000 ms，共持续7 分03 秒。以0-back为例的任务流程见图2。

图2 N-back任务流程图

1.2.2 运动干预方案

以往研究显示8周有氧运动或抗阻运动能够对认知功能产生影响[17-20]。基于以往相关研究中有氧运动与抗阻运动的干预方案，以及《美国国家体能协会私人教练基础》（NSCA’s Essentials of personal training）[21]中对相关运动处方的建议，本研究的有氧运动主要以提升个体心肺功能为目的，抗阻运动主要通过克服阻力来锻炼人体肌肉。

有氧运动组以自编初级和中级有氧健身操为干预内容，运动过程中佩戴遥测心率监控系统，将心率控制在最大心率（220-年龄）的60%～69%，以保证中等强度的运动。

抗阻运动组以弓步下蹲、深蹲、前平举、臂弯举、弓步斜上拉、俯身划船6个弹力带动作为干预内容，中等强度抗阻运动所对应的最大重复次数分别为6～15 RM，练习间隔时间为1 分钟，每个动作完成3 组，每组重复10次。

有氧运动组和抗阻运动组的运动干预方案为8周、3次/周、50分钟/次，包括5分钟热身运动、40分钟正式运动和5分钟放松运动。

对照组则不进行运动干预，但要在8 周时间内保持正常生活和学习状态，且不能参与规律性运动（每周3次，每次30分钟中等强度以上运动）。

所有被试除了参与本实验外，不得参与其他任何规律性运动，此要求在《知情同意书》中进行了说明，并且通过每周一次的口头询问来确定被试日常运动情况。

1.2.3 实验程序

所有被试共需完成3次测试。第1次：被试填写个人基本信息和《知情同意书》，并填写抑郁和焦虑自评量表以确保被试心理健康，并通过身高体重分析仪、体成分分析仪、功率自行车等仪器测量身高、体重、身体质量指数和最大摄氧量等指标。第2次：完成Stroop任务和N-back 任务前测。被试首先了解任务规则和操作方法，并进行练习，正确率达到85%以上后，进行正式测试。第3次：所有被试在8周干预结束后的第2天完成Stroop任务和N-back任务的后测。两次执行功能任务测试均安排在18：00～20：00的时间段完成，前后测过程中采用ABBA平衡设计，详见图3。

图3 实验流程图

1.3 统计学方法

为了解不同类型的运动对执行功能的影响，采用重复测量方差分析揭示各因素（时间、组别）的主效应和交互效应，并在此基础上针对不同组别在执行功能方面的差异采用独立样本t检验进行分析，并采用配对样本t检验针对被试内（干预前和干预后）差异做进一步的分析和比较。所有数据计算其均值和标准差（x±s），均采用SPSS 23.0 软件进行统计分析，检验水平P＜0.05。

2 结果

2.1 人口统计学信息

为了检验各组被试的同质性，采用单因素方差分析发现：所有被试在年龄[F（2，55）=0.51，P=0.60]、身高[F（2，55）=0.13，P=0.88]、体重（F（2，55）=0.17，P=0.85）、身体质量指数[F（2，55）=0.28，P=0.76]、最大摄氧量[F（2，55）=0.07，P=0.94]方面均无显著差异（表1），说明各组被试在人口学指标上具有同质性。

表1 人口统计学特征描述性统计

2.2 不同类型运动对抑制功能的影响

各组在干预前后的Stroop 任务表现如表2 所示。为了解8 周抗阻运动和有氧运动对Stroop 任务表现的影响，采用3（组别：抗阻运动组、有氧运动组、对照组）× 2（时间：干预前、干预后）× 2（条件：一致、不一致）的混合设计，进行重复测量方差分析。

表2 不同类型运动前后Stroop任务表现

结果发现：正确率上，时间主效应显著[F（1，55）=4.87，P=0.03，η2=0.08]，组别主效应不显著（P=0.74），条件主效应不显著（P=0.49），时间与组别的交互效应不显著（P=0.61），条件与组别的交互效应不显著（P=0.58），时间与条件的交互效应不显著（P=0.26）。事后检验发现抗阻运动组、有氧运动组和对照组在运动前后的正确率上差异均未达到显著性水平（P＞0.05）。

反应时上，时间主效应不显著（P=0.88），组别主效应显著[F（2，55）=3.53，P=0.04，η2=0.11]，条件主效应显著[F（1，55）=11.84，P=0.001，η2=0.18]，时间和组别的交互作用不显著[F（2，55）=2.99，P=0.06，η2=0.10]，条件与组别的交互作用不显著（P=0.9），时间与条件的交互作用不显著[F（1，55）=3.78，P=0.06，η2=0.06]，时间、组别和条件的交互作用不显著（P=0.19）。

进一步事后分析发现，抗阻运动组在一致和不一致条件下的反应时干预前后均存在差异[t（17）=1.98，P一致=0.06;t（17）=2.88，P不一致=0.01]，有氧运动组两种条件干预前后无显著差异（P一致=0.20;P不一致=0.66），对照组两种条件干预前后无显著差异（P一致=0.23;P不一致=0.26）。进一步组间比较发现：后测一致条件反应时抗阻运动组与有氧运动组、对照组之间存在显著差异[t（37）=－2.74，P抗阻组-有氧组=0.01;t（35）=－3.64，P抗阻组-对照组=0.001]，抗阻运动组干预后的反应时显著短于有氧运动组和对照组，而有氧运动组与对照组之间则不存在组间差异（P有氧组-对照组=0.93）；同样不一致条件反应时抗阻运动组与有氧运动组、对照组的反应时之间存在显著差异[t（37）=－2.36，P抗阻组-有氧组=0.02;t（35）=－3.22，P抗阻组-对照组=0.003]，表现为抗阻运动组干预后的反应时显著短于有氧运动组和对照组，而有氧运动组与对照组则不存在组间差异（P有氧组-对照组=0.63）（图4）。

综上可知，运动对抑制功能的影响主要表现在Stroop任务反应时上，抗阻运动对抑制功能的影响要优于有氧运动和对照组。

图4 不同类型运动干预前后Stroop任务反应时

2.3 不同类型运动对工作记忆的影响

各组在干预前后的N-back任务表现如表3、表4所示。为了解不同运动类型对N-back任务的影响，进行3（组别：抗阻运动组、有氧运动组、对照组）× 2（时间：干预前、干预后）×3（条件：0-back、1-back、2-back）重复测量方差分析。

结果发现，正确率上，组别主效应不显著（P=0.76），时间主效应显著[F（1，55）=5.33，P=0.03，η2=0.09]，条件主效应显著[F（1，55）=213.56，P=0.00，η2=0.80]，时间与组别的交互作用不显著（P=0.94），条件与组别的交互作用不显著（P=0.61），时间与条件的交互作用不显著（P=0.06），时间、条件与组别的交互作用不显著（P=0.15）。

进一步比较发现：0-back 任务上三组的前后测差异不显著；1-back 任务抗阻运动组干预后的正确率显著高于干预前[t（17）=－2.58，P抗阻组=0.02]，有氧运动组和对照组干预后的正确率与干预前无显著差异（P有氧组=0.28；P对照组=0.70）；2-back 任务有氧运动组干预后的正确率与干预前差异不显著（P有氧组=0.06）。组间比较发现：0-back任务条件下，三组后测的正确率无显著差异；1-back 任务条件下，三组的正确率无显著性差异；2-back 任务条件下，三组干预后的正确率无显著差异（图5）。

反应时上，时间主效应不显著（P=0.14），组别主效应不显著（P=0.33），条件主效应显著[F（1，55）=109.12，P=0，η2=0.67]，时间和组别的交互作用也不显著（P=0.62），条件与组别的交互作用不显著（P=0.64），时间与条件的交互作用显著[F（1，55）=11，P=0.002，η2=0.17]，时间、条件与组别的交互作用不显著（P=0.87）。

进一步前后测比较发现：0-back任务条件上，抗阻运动组干预后的反应时与干预前差异不显著（P抗阻组=0.08），有氧组和对照组干预后的反应时与干预前均无显著差异（P有氧组=0.77；P对照组=0.42）；1-back 任务条件上，抗阻运动组、有氧运动组和对照组干预前的反应时与干预后均无显著差异；在2-back任务条件下，抗阻运动组和有氧运动组干预前的反应时与干预后反应时均存在显著差异[t（17）=2.21，P抗阻组=0.04；t（20）=2.14，P有氧组=0.05]，具体表现为干预后反应时显著短于干预前，对照组干预前的反应时与干预后无显著差异（P对照组=0.56）。此外，组间比较发现：在0-back任务条件上，干预后的抗阻运动组、有氧运动组、对照组的反应时均无显著差异；1-back任务条件上，抗阻运动组干预后的反应时显著短于对照组[t抗阻组-对照组（35）=－2.30，P=0.03]，而干预后有氧运动组与抗阻运动组、对照组均无显著差异（P有氧组-抗阻组=0.13；P有氧组-对照组=0.36）；在2-back任务条件上，干预后三组的反应时均无显著差异（图6）。

表3 不同类型运动干预前后N-back任务正确率

表4 不同类型运动干预前后N-back任务的反应时

图5 N-back任务正确率

图6 N-back任务反应时

综上可知，运动对工作记忆的影响在N-back任务的正确率和反应时上均有体现。抗阻运动和有氧运动都会影响N-back 任务的正确率，但两组之间表现不同，抗阻运动对1-back任务正确率影响显著，有氧运动对2-back 任务正确率影响显著。从反应时来看，抗阻运动和有氧运动对2-back 任务反应时均具有显著影响，但两种运动类型之间无显著差异。

3 讨论

本研究通过8周、3次/周、50 min/次的抗阻运动和有氧运动干预后发现，抗阻运动组在Stroop 任务和Nback 任务的表现均得到了优化，而有氧运动组在Nback 任务中的表现得到了提升，这表明8 周抗阻运动和有氧运动这两种不同类型的运动均能对执行功能产生积极影响，这与以往研究结果一致。Helmes 和Harris等[22]以经常参与抗阻运动、有氧运动、不参加任何运动的个体为被试，发现经常参与抗阻运动和有氧运动均能提高个体的执行功能。

通过进一步的比较和分析发现，有氧运动仅对Nback 任务产生了积极影响，而在Stroop 任务中并未发现8 周有氧运动所产生的运动效益，这可能是有氧运动选择性地影响执行功能的某一子成分所导致的结果，这与Colcombe等[23]的观点一致，他们在纳入了18项有氧运动干预研究的Meta 分析中指出，有氧运动能够对执行功能产生积极影响，并且这种影响具有一定的选择性，即有氧运动并非能够改善所有的认知功能。此外，该元分析还指出运动对执行功能的影响会受到运动类型等因素的调节，即不同类型的运动对执行功能的影响存在差异，而本研究通过比较8 周抗阻运动和有氧运动对Stroop 和N-back 任务表现的影响发现，抗阻运动对Stroop 任务和N-back 任务有积极影响，而有氧运动只对N-back任务有积极影响。同时，两种类型的运动对N-back任务表现的影响又有所不同，抗阻运动对1-back 任务正确率影响显著，有氧运动对2-back 任务正确率影响显著。与本研究结果一致，以往的实验干预研究也发现抗阻运动和有氧运动对执行功能的影响存在一定的差异性。Coetsee[24]等以16周的高强度间歇有氧运动、抗阻运动和中等强度持续有氧运动为干预手段，评估执行功能后发现三种类型的运动均能使执行功能任务表现有所改善，但是抗阻运动对执行功能的改善作用要优于中等强度持续性有氧运动和高强度间歇有氧运动，同时一些生物学机制研究也指出抗阻运动对执行功能的积极影响与有氧运动有区别[25]。此外，不同类型的运动可能因其本身的特点，导致不同类型的运动对执行功能的影响有所区别。有氧运动是以提升个体心肺功能为主要目的的运动项目，而抗阻运动则是以克服阻力达到锻炼人体肌肉为主要目的的运动项目，由此导致两种类型的运动对个体执行功能的影响有所区别。

综上所述，8周的抗阻运动和有氧运动均能对大学生的执行功能产生积极影响，并且两种不同类型的运动对执行功能的积极影响存在一定差异。本研究一定程度上证实了运动类型在运动与执行功能关系中的重要作用，为执行功能改善方案的制定提供了理论依据。未来研究应进一步深化和探讨抗阻运动对执行功能的影响及其潜在机制，以此从行为和脑等不同层面了解运动与执行功能的关系，为执行功能改善方案的制定和实施提供科学依据。

4 结论

8周、3次/周、50分钟/次的中等强度抗阻运动和有氧运动能够选择性地对执行功能产生积极影响，并且8周的抗阻运动和有氧运动对执行功能的积极影响有所不同。