不同强度的间歇性运动对青少年抑制控制的即时和延迟效应

摘 要：研究表明，急性运动对抑制控制有积极的影响，但由于受运动参数（如运动强度和方式等）及人群特征等因素的影响，抑制控制改善的最佳锻炼方案仍有待进一步探讨。为探究不同强度的间歇性运动对青少年抑制控制的即时和延迟效应，采用随机分组的方法，将6个班94名参与者分成20分钟的中等强度间歇性运动组（MIE）、高强度间歇性运动组（HIE）和对照组（CON），其中MIE运动与恢复间歇的比例为30 s：30 s，HIE运动与恢复间歇的比例为60 s：30 s。在运动前、运动后即时以及停止运动后30、60分钟对抑制控制（Stroop任务）进行测试。结果显示：在Stroop任务的反应时表现上，时间和组的交互作用显著F（12，172）=3.80，P=0.015，ηP2=0.06。事后分析发现，仅在MIE中，反应时从干预前到干预后即刻、30分钟显著降低，在60 min后也适度降低。结论：在操场上进行的中等强度的间歇性运动促进青少年抑制控制的改善，且至少可以保持60 min。因此，中等强度的间歇性运动可能是改善青少年抑制控制的一种有前途的锻炼干预方式。

关键词：青少年;抑制控制;间歇性运动

中图分类号：G804.2  文献标识码：A  文章编号：1009-9840（2021）04-0056-06

Immediate and delayed effects of intermittent exercise of varying intensity on inhibitory control in adolescents

ZHANG Yueyan

（Physical Education Group， Experimental School Affiliated to Qufu Normal University， Rizhao 276827， Shandong， China）

Abstract：Studies have shown that acute exercise has positive effects on inhibitory control. However， due to the influence of exercise parameters （such as intensity and mode of exercise， etc.） and population characteristics， the optimal exercise program to improve inhibitory control remains to be further explored. In order to explore the immediate and delayed effects of intermittent exercise of different intensity on adolescent inhibitory control， 94 participants from 6 classes were randomly divided into 20 minutes of moderate intensity intermittent exercise group （MIE）， HIE and CON. The ratio between MIE motion and recovery interval is 30 s ： 30 s， and HIE motion and recovery interval is 60 s：30 s. Inhibition control （Stroop task） was tested before and immediately after exercise and 30 and 60 minutes after cessation of exercise. The results showed that the interaction between time and group was significant F（12，172）=3.80，P=0.015， ηP2=0.06 in the performance of Stroop task. Postmortem analysis found that in MIE alone， response time was significantly reduced from pre-intervention to immediately after intervention， at 30 min， and moderately decreased at 60 min. Conclusions： Moderate-intensity interval exercise on the playground improved inhibitory control in adolescents for at least 60 minutes. Therefore， moderate intensity interval exercise may be a promising exercise intervention for improving inhibitory control in adolescents.

Key words： adolescents; suppression control; intermittent motion

收稿日期：2021-03-05

作者簡介：张月艳（1979- ），女，一级教师，研究方向体育教学。

越来越多的证据表明，急性运动可以提高认知功能[1-2]，尤其是认知控制[3-5]。认知控制（cognitive control）又称为执行功能（executive functioning， EF），与前额叶皮层（PFC）[6]有关的，一种自上而下、目标导向的高级认知过程[7]，包含三个核心成分抑制控制（inhibitory control）、工作记忆（working memory）以及认知灵活性（cognitive flexibility）[8]。在过去的十年里，研究急性运动对认知控制影响的研究数量呈指数增长，这在很大程度上是专注于抑制控制方面的研究结果[9]。Drollette、Shishido、Pontifex和Hillman发现青春期前儿童在进行中等强度步行后，没有观察到对工作记忆（Spatial n-back任务）的影响，但观察到抑制控制（Flanker任务）的表现有所改善[10]。Lambrick、Stoner、Grigg和Faulkner以青春前儿童为研究对象，发现不管急性间歇运动还是持续运动，都可以改善儿童的抑制控制（Stroop任务），而且这种效应可以持续到运动停止后的30 min[11]。Maleki、Bahram、Rajabi和Farrokhi发现，高强度运动后，Stroop任务的表现在运动期间和运动后即刻下降，而在低强度、中等强度或高强度运动后15 min，所有参与者的Stroop表现都有所提高[12]。抑制控制又称抑制功能，是认知控制的核心成分，是指当个体完成某一任务时，用于抑制与当前任务无关刺激的一种能力，即抑制无关干扰能力、抑制新形成的优势反应能力以及抑制习惯性优势反应能力[13]。抑制控制与青少年的课堂学习参与行为[14]和学业成绩[15]有关。虽然关于急性运动对抑制控制的改善已得到横断研究[16]、纵向研究[17]以及元分析[18]的支持，但由于受到运动参数（如运动强度和方式等）及人群特征等因素的影响，抑制控制改善的最佳锻炼方案仍有待进一步探讨。

根据倒U假说[19]，中等强度运动对认知控制将产生最大的益处[20-21]，低强度和高强度运动都会导致认知任务表现不佳[22-23]。因此，以往急性运动改善认知的研究大多采用以中等强度持续运动（moderate intensity continuous exercise， MICE）为主的有氧锻炼方式[24]，且对认知控制有小[25]到中等[26]效果量的改善。但有研究发现，在急性锻炼干预认知的过程中，锻炼强度的线性增加并不意味着认知功能的下降[27]。Peruyero、Zapata、Pastor和Cervelló探究三种不同强度（无运动、以低强度为主、以剧烈运动为主）的体育活动（以尊巴舞为基础）对青少年抑制反应的影响（Stroop任务）。结果表明，以剧烈运动为主的运动是增强认知抑制控制的最强刺激，这就意味着运动的认知效果可以通过运动强度来进行调节[28]。同样Castelli、Hillman、Hirsch、Hirsch和Drollette在7至9岁的男孩和女孩中也发现，高强度的活动可能比中等强度的活动对注意力和执行功能（Stroop任务）带来更多的好处[29]。来自实证研究的证据进一步表明，高强度间歇运动（high-intensity interval exercise， HIIE）在抑制控制方面比中等强度持续运动更有益处[30-31]。Kao、Westfall、Soneson、Gurd和Hillman比较了年轻人9 minHIIE和20 minMICE对抑制控制（Flanker任务）的效果，结果发现，HIIE和MICE后都能改善改善抑制控制，但HIIE的改善可以持续更长的时间[30]。此外，这一观点得到了运动生理学研究的支持。据报道，脑源性神经营养因子（BDNF）血清浓度随运动强度的增加呈线性升高[32]，BDNF被认为是运动诱导认知改善的中介因子[33-34]。

除了不同强度锻炼方式的影响外，在一次身体活动的后对认知影响的时程效应也可能取决于运动剂量的特征（例如，运动强度）。因此，急性运动对认知的影响的时程效应可能受到运动强度和认知测试时间的交互影响。例如，在相对低到中等强度的身体活动结束后，认知能力的改善可能会在运动后立即显现出来，而在高强度身体活动之后，认知能力的增强可能在运动后延迟一段时间才会显现出来。事实上，与这一论断相一致的是，在Chang等的一项包括几个认知领域的元分析中，发现了运动强度和测试时间的交互作用，表明低到中等强度运动后的即时效应，以及次强度到高强度运动后的延迟效应[25]。Maleki、Bahram、Rajabi和Farrokhi发现，高强度运动后，Stroop的表现在运动期间和运动后立即下降，而在低强度、中等强度或高强度运动后15 min，所有参与者的Stroop表现都有所提高[35]。Tsukamoto等以年轻人为对象，采用4 min高强度自行车和3 min间歇的HIIE方案，结果显示，与基线相比，MICE和HIIE后都改善了Stroop任务表现，但HIIE对抑制控制的改善比MICE持续更长的时间，达到了30 min[31]。Lambrick、Stoner、Grigg和Faulkner比较了15 minMICE和HIIE对儿童抑制控制（Stroop任务）的影响，结果与Tsukamoto的发现相同，HIIE和MICE后都能改善改善抑制控制，但HIIE的改善可以持续更长的时间[11]。这表明，在改善抑制控制方面，HIIE可能是一种与MICE相当甚至更优的锻炼方式，尤其是在运动后的延迟阶段。

有证据表明，青少年的活动模式更加分散，很少有持续的中等强度或高强度的剧烈活动[36]。具体来说，95%的青少年的身体活动持续时间小于15 s[37]，活动模式通常是高强度和间歇性的，青少年更有可能容忍间歇性的运动模式[38]，这种模式包括低到中等强度的运动，中间穿插较短的高强度运动，特别是在学校课间休息期间[39-40]。除了高强度间歇运动对青少年的生态有效性外，它也是一种有吸引力的运动模式，因为它具有高时效性，可以纳入基于游戏的活动[41]，从而提高了对运动项目的享受和坚持[38]。因此，根据青少年的运动特点，间歇性运动在诱导认知改善方面可能是一種更有前途的锻炼方式[42-43]。

考虑到对体育运动后更长时间跨度的研究较少，对不同强度的急性间歇性运动后的认知效应了解有限，因此，本研究基于青少年高强度、间歇性的运动特点，采用Stroop任务，旨在探讨中、高强度的间歇性运动对青少年抑制控制的即时和延迟效应。基于之前的meta分析[25]，我们假设：（1）MIE和HIE两种锻炼方式都会改善青少年的抑制控制;（2）与MIE相比，HIE会产生相当甚至更优的效果，尤其是在锻炼后的延迟阶段。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

从山东省日照市某中学招募了6个班的105名12～15岁的男性青少年，采用随机分组的方法，将所有参与者被分配到急性中等强度间歇性运动组（MIE）、急性高强度间歇性运动组（HIE）及不活动的控制组（CON）。所有参与者都是右利手，视力或矫正视力正常，无神经等特殊疾病，能够参加一定强度的锻炼干预。本研究获得了儿童和其父母/监护人的同意。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法

通过CNKI、EBSCO、Web of Science、百链云等数据库进行相关文献检索，为本文的撰写提供理论依据。

1.2.2 实验法

1.2.2.1 实验设计

采用2锻炼方式（HIE、HIE、CON）×4 认知测试时间（运动前、运动后即时、运动后延迟30 min、60 min）混合实验设计，锻炼方式为组间变量，认知测试时间为组内变量，因变量是Stroop任务的反应时和正确率。

1.2.2.2 实验程序

被试第一次来实验室采集年龄、身高、体重、BMI（人体成分测量仪，GAIA KIKO，韩国）等人口统计学变量的统计，熟悉锻炼方式并进行Stroop任务练习。一周后3组被试分别完成相应的锻炼干预，并分别在运动前、运动后即时、运动后延迟30 min、60 min完成Stroop任务测试。在运动期间，被试佩戴芬兰Polar（跑步系列）的RS400心率遥测仪来监测心率。

锻炼方式：

MIE和HIE的间歇性训练由两位经验丰富的教练指导，以循环训练的形式操场上进行，包括10 m折返跑、跳绳、交叉跳跃、运球跑等。间歇性运动的强度是通过操纵运动和恢复时间的比例来确定的[44]。MIE运动和恢复时间的比例30 s：30 s，HIE运动和恢复时间的比例60 s：30 s，整个运动过程共20 min，包括4 min的热身和16 min的间歇性运动。CON组观看了一段与他们年龄相符的中性视频。

认知测试（Stroop任务）：

Stroop任务已被广泛用于评估急性运动对抑制控制的影响[36，40]。被试利用电脑完成了Stroop任务（E-prime编制），其中4个字（蓝、黄、绿、红）随机地连续出现在电脑屏幕上，每个字呈现的颜色要么与其语义信息一致，要么不一致（即，“红”分别用红色或其他颜色写）（具体流程见图1）。要求被试尽快识别每个字的颜色并迅速而准确地做出按键反应（红“D”、黄“F”、绿“J”、蓝“K”），记录完成测试的反应时和正确率。整个 Stroop 任务包括练习实验和正式实验两部分。练习实验为 24 个trial，正式实验为96个trail。练习实验有正误的反馈信息，正式实验无反馈信息。正式实验共分为2个block，每个block包含48个trail，每两个block之间有30 s的间歇。

1.2.3 数理统计法

首先，将采集到的实验数据导入Excel中进行预处理，剔除3个标准差以外的反应时数据和正确率<50%的数据。然后，釆用SPSS22.0进行处理描述性统计和重复测量方差分析。

2 结果与分析

2.1 人口統计学变量分析

经过筛选，有11名参与者不合格。其余94名参与者的人口统计学数据如表1所示。除了心率，其他变量没有群体差异F（2，91）≤2.53，P≥0.91，ηp2≤0.05。在运动中，HIE组的平均心率和最大心率高于MIE组t（61）≥2.23，P≤0.027。此外，与HIE和MIE相比，CON显示较低的平均和最大心率t（58）≥13.46，P≤0.001。

2.2 Stroop任务表现

对行为数据的统计分析显示，在任务表现上，一致性的主效应显著，F（2，90） = 63.73，P≤0.001，ηp2=0.59，与不一致试次相比，一致性试次的反应时间更短，准确性更高。此外，认知测试时间的主效应显著，F（6，86） = 5.37，P≤0.001，ηp2 = 0.30。锻炼方式和认知测试时间交互作用显著，F（12，172） = 1.99，P≤0.028，ηp2=0.12。进一步用单变量ANOVAs显示，对于反应时，锻炼方式和认知测试时间的交互作用显著（见图2），F（12，172） = 3.80，P = 0.015，ηp2= 0.06。对每一锻炼方式组的交互作用进行分析发现，只有在MIE中，反应时从运动前到运动后即时t（33） = 6.21，P= 0.005，以及运动停止后30 mint（33） = 3.95，P= 0.005和60 mint（33）=3.33，P = 0.018存在积极效应，相比之下，在HIE或CON中没有发现这种积极效应。对于正确率，锻炼方式的主效应、测试时间的主效应及二者的交互作用均不显著（见图3）。

3 讨 论

本研究的主要发现是，与HIE和CON相比，只有MIE参与者在运动后Stroop任务中的表现有显著提高。这些积极的效应在所有测量时间点上都持续存在，即使在运动停止后60 min仍然可以观察到反应时的适度降低，这说明MIE锻炼方案对青少年抑制控制的改善至少可以持续60 min。相比之下，正确率没有随时间的推移而发生群体特异性的变化，因此，MIE反应时的更大改善不可能是由于反应时和正确率竞争的结果。还应该指出的是，所有锻炼方式组初始评估的准确率都很高，因此天花板效应可能阻止了正确率的进一步提高。

在反应时方面，MIE的改善持续了一段时间，这在以往的间歇性或持续性运动研究中也有报道[45-46]。然而，在HIE锻炼方案中并没有引起行为表现的改善，这一结果与本研究的假设及以往实证研究相矛盾。以往研究表明，对于年轻人来说，高强度间歇性运动比中等强度的持续运动更有利于抑制控制，尤其是在锻炼后的延迟阶段[30-31]。本研究结果与以往研究之间的差异可能是由于运动与恢复间歇的比例、实验环境因素（实验室与操场）和研究人群特征（年轻人与青少年），尤其是研究人群特征，60 s：30 s的高强度间歇的比例设置，对于青少年人群来说，可能已经超出他们的承受范围。

常用来解释急性运动改善抑制控制的机制是唤醒水平的提高[31，45]。在这方面，前额叶功能低下（RAH）模型提出了两步级联的方法。虽然中等强度的运动被认为能够激活促进信息处理的唤醒机制，但进一步增加强度可能会由于资源限制，导致前额叶皮层依赖的执行功能的脱离，如抑制控制[46]。但本研究只发现MIE可以很好地改善青少年的抑制控制，且可以持续60 min，而在HIE中却没有发现积极效应，究其原因，虽然MIE和HIE都是高强度间歇性运动，但由于运动与恢复间歇比例的差异，导致MIE的整个过程可能正好处于中等强度的水平，诱发出的唤醒水平正好可以促进抑制控制的改善，而HIE可能超出了青少年的承受能力，导致诱发的唤醒水平已经超过最佳的唤醒水平。由于本研究并没有在实验过程中对参与者的心率变异性（HRV）进行检测，MIE的益处的唤醒机制仍不清楚，后续的研究可以进一步在实验中检测HRV指标，根据HRV中LF/HF比率的变化探究急性运动改善抑制控制的唤醒机制[47]。

除了唤醒机制外，急性运动后的认知益处被解释为预先进行体育活动的神经生理反应的结果[48-50]。研究发现在健康的成年人和青少年中，发现在中等强度的锻炼后，注意力资源的分配增加了[30，51]。此外，前额叶皮层的氧合增加与运动诱发的抑制控制增强有关[41，52]，需要注意的是，这种效应只有在低到中等强度的运动后才会观察到。相反，在高强度运动中，前额皮质氧合[53]和全脑血流[54]减少。因此，更多的资源分配和脑氧合可能有助于MIE的即时和延迟效应，而HIE引起消极的脑血管反应没有引起抑制控制的变化。

还需要注意的是，有人假设在实验中显示的急性耐力锻炼的有益认知效益是预期驱动的安慰剂效应的结果，而不是对运动的生理反应[55-56]。预期驱动的安慰剂效应在急性运动改善认知的研究中起着重要作用，且不同的运动强度会激发不同的认知效应预期[57]。有研究发现，对高强度锻炼干预的消极预期可能会降低锻炼干预的实际效果[58]。与MIE和CON相比，对HIE的消极预期也可能是导致HIE没有导致认知改善的原因。

综上所述由于上述原因，对运动强度和认知效应之间的剂量-反应关系还需要谨慎的解释。

4 结论与建议

4.1 结 论

（1）20分钟MIE可以改善青少年的抑制控制，且这些效应在运动停止后至少可以持续60 min，这说明在操场上进行的30 s：30 s的MIE是促进青少年抑制控制改善的一种有前途锻炼干预方式。

（2）相对于MIE，没有发现HIE对青少年抑制控制的改善。

4.2 不足与建议

由于某些局限性，本研究结果还需谨慎解释。

（1）尽管元分析的结果并没有表明男性青少年在急性锻炼后的认知能力的改善比女性青少年更高[10]，但由于本研究只招募的男性青少年，因此，观察到的益处不能推广到女性青少年。

（2）评估持续的效应达到60 min，考虑到在此时间点仍观察到相对于前测而言抑制控制反应时方面的改善，MIE积极效应的总持续时间仍有待定论。

（3）由于鍛炼干预在操场上进行，从操场到实验室，还需要经过上楼梯环节，耽搁了3 min左右的时间，这可能会对实验结果造成一定的影响，在后续研究中应进一步加强无关因素的控制。

（4）虽然本研究发现MIE对青少年抑制控制的改善，但本研究没有对抑制控制改善的潜在机制进行探讨，未来研究值得进一步探讨。

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