大强度间歇运动与中等强度持续有氧运动对大学生执行功能的影响

2021-12-03杨勇涛万敏万贤齐

天津体育学院学报 2021年6期

杨勇涛，万敏，万贤齐

执行功能（Executive function），指个体在完成复杂认知任务时对各种认知过程进行协调，以保证认知系统以灵活、优化的方式实行特定目标的一般性控制机制[1]。刷新、抑制和注意转换是执行功能的3个主要成分。体育运动和认知功能的关系是心理学热点研究领域，目前大量研究证实体育运动对人类认知功能中执行功能等认知成分有积极影响[2-7]。大量研究探讨步行、跑步、骑车等中等强度持续有氧运动对认知功能的影响发现，对认知功能的积极影响有限[8-9]。

大强度间歇训练（High Intensity Interval Training，HIIT）是一种新的身体运动方法。2018年全球健身趋势调查结果表明，HIIT高居首位[10]。研究认为，HIIT是能替代中等强度持续运动的运动方式[11]，且对健康和疾病人群都是安全有效的[12]。高强度间歇锻炼，指以大于等于无氧阈或最大乳酸稳态的负荷强度进行多次持续时间为几秒到几分钟的练习，且每两次练习之间不足以完全恢复的静息或低强度练习的训练方法[13]。它能诱发更大的外周血管和细胞应激反应[12]，因此HIIT比持续有氧运动有更好的生理和健康相关效益，目前高强度间歇运动相关研究也大量集中在生理健康效益方面。

有研究认为，中等强度持续有氧运动对认知功能的影响只有很小的积极效果[14]，因此研究者开始探讨HIIT对青少年、中老年人认知能力的影响。发现，即刻HIIT能够显著提高青少年[2，9，15]的认知功能，长时间HIIT也显著提高认知功能[16-17]，HIIT的认知效益优于中等强度持续有氧运动[18]，认知促进效果持续时间更长[19]。目前，国外关于HIIT认知效益的研究处于起步阶段，并且大多研究比较HIIT和中等强度有氧运动对青少年认知功能的影响；国内还未发现HIIT对青少年等群体认知功能的相关研究。本研究以普通在校大学生为研究对象，采用1：1的间歇运动模式，探讨30 min HIIT和中等强度持续有氧运动对大学生执行功能的影响。假设：HIIT和中等强度有氧运动都能提高大学生执行功能，但HIIT的认知促进效果更优。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

48名大学生，男女各24名，年龄（21.65±1.65）岁。所有被试身体健康，无心脑血管疾病家族史和病史，无精神疾病史，无色盲色弱，视力或矫正视力正常，且有一定运动经历（每周2~3次），自愿参加试验。运动干预1周内避免饮酒，无服药记录，干预前1天避免剧烈运动。所有被试被随机分配到HIIT组、中等强度有氧运动组（MICE）和控制组（CG），每组各16名。试验前，每名被试均签署知情同意书，告知试验目的，并提醒被试运动过程中身体有任何不适可随时停止试验。

1.2 认知任务

所有认知任务均使用E-prime 2.0编辑和呈现，软件自动记录反应时间。

1.2.1 Stroop色词任务首先在屏幕上呈现黄色“+”注视点，提醒开始试验。然后，当屏幕中央的颜色和字义一致时，按“F”键；当颜色与字义不一致时，按“J”键。如出现红色“绿”字，按“J”键，出现红色“红”字，按“F”键。刺激呈现时间很短，请集中注意力，又快又准地做出判断。明白上述指导语后，请被试坐好，双手放在键盘上，开始准备试验。试验分为练习试验15次，正式试验80次。试验有4张刺激图片，分别是红色红字、红色绿字、绿色红字和绿色绿字，每张图片呈现时间1 000~1 500 ms。每次刺激图片呈现后出现空白图片，时间为1 000~2 000 ms随机。试验冲突任务反应时减去一致任务反应时，差值越小说明抑制能力越好。

1.2.2 2-back任务使用5个英文字母（B、D、L、Y、P）图片作为刺激在屏幕中央单独呈现，时间为1 500 ms。如果呈现字母与前面呈现过的倒数第2个字母（即从第3个字母开始反应）相同，按“F”键，不同按“L”键。正式测验包括2部分，每部分40次，正式试验前练习15次。反应时间越短，刷新能力越好。

1.2.3 大小奇偶转换任务首先，一系列数字逐个呈现在电脑屏幕中央，呈现时间2 000 ms，要求被试对数字1~9（不包括5）进行判断，分别为大小、奇偶和大小奇偶混合判断。大小判断时，呈现红色数字，小于5按“F”键，大于5按“L”键；奇偶判断时，呈现绿色数字，奇数按“F”键，偶数按“L”键；大小奇偶混合判断时，呈现红色数字时进行大小判断，呈现绿色数字时进行奇偶判断。要求被试在保证准确的前提下，尽快做出按键反应。正式测验6部分，采用ABCCBA顺序。A和B不需要转换，各16次（A为大小判断，B为奇偶判断）；C需要转换32次，即C为大小奇偶混合判断，包括16次转换任务。A或B段练习8次，C段练习16次。转换条件下的反应时与不转换条件下的反应时差值越小，说明转换能力越好。

1.3 运动干预方案

先以3名男大学生和3名女大学生为被试做HIIT运动强度控制预试验。热身5 min，然后佩戴心率表，最快速度全力从1楼上至6楼，每层楼均有1名试验人员监控被试上楼梯速度，同时预防可能出现的运动意外。上至6楼后，试验人员记录时间和心率，然后由试验人员带领被试乘坐电梯（需要在电梯内保持步行运动状态）至1楼，每名被试进行3轮。结果发现，男生约140 s完成爬楼梯任务，女生170 s左右。心率达到最大心率90%以上，恢复期心率在最大心率40%~50%左右。为了保持男女生运动时间一致，重新让3名被试从1楼到5楼，约150 s完成运动任务，心率仍然保持在最大心率90%以上。因此，本研究最终采用1：1间歇运动模式，要求男生在150 s时间由1楼至6楼，女性则从1楼到5楼，心率达到85%HRmax以上，记录即刻心率，然后步行自我调整恢复150 s（包括乘坐电梯下楼时间），恢复期心率至40%~50% HRmax左右。

正式试验采用上述预试验确定的间歇运动方案，该方案与美国运动医学会（ACSM）提出的长间歇运动方法一致，即1~5 min大强度运动间隔1~5 min恢复。HIIT干预之前热身5 min，让被试有充分运动适应时间，然后佩戴心率表，开始6轮共30 min大强度间歇运动。中等强度持续运动在跑台上进行，首先以自我控制速度热身5 min，然后佩戴心率表，以60%~70%HRmax运动30 min。每名被试最大心率=220-年龄，运动期间使用Polar心率表监控心率。

1.4 试验程序

根据被试时间确定具体试验时间，正式试验前1天告知被试试验时间。所有被试进入实验室后首先静坐5 min，然后进行认知能力（刷新、抑制和转换）测试，测试时间约15 min。运动组被试热身5 min，接着进行30 min中等强度持续运动和HIIT。运动结束即刻开始准备2次认知能力测试。控制组进行30 min简单阅读活动，30 min后进行第2次认知能力测试。测试完毕发放小礼品。大强度间歇运动组2名被试因身体原因没有完成全部运动干预。

1.5 数据分析

使用SPSS 20.0对3组被试心率、运动前后认知任务反应时差进行单因素方差分析，显著性水平为P＜0.05，剔除反应时大于1 500 ms或小于300 ms的反应试次。

2 结果

2.1 被试心率比较

以HIIT组大强度运动即刻时间为参照点，3组被试6个时间点心率均值进行单因素方差分析显示，HIIT组和MICE组显著高于CG组，HIIT组被试心率高于MICE组（见图1）。

图1 3组被试运动中的心率Figure1 Heart rate During Exercise of Three Groups

2.2 抑制功能

3组被试运动前后反应时差单因素方差分析显示，组别主效应显著[F（2，44）=3.476，P=0.031]。事后多重比较表明，MICE组反应时差显著小于HIIT和控制组，其他组间没有显著差异（见图2）。说明中等强度持续有氧运动能够更好地改善大学生的抑制能力。

图2 3组被试运动前后的抑制功能Figure2 Inhibition Function of Three Groups Before and After Exercise

2.3 刷新功能

3组被试运动前后反应时差单因素方差分析显示，组别主效应显著[F（2，44）=9.037，P=0.000]。多重比较表明，HIIT组和MICE组反应时差均显著少于CG组（P=0.000），但HIIT组和MICE组没有显著差异（P=0.451）（见图3）。说明无论大强度间歇运动还是中等强度持续有氧运动均能显著改善大学生刷新能力，但2种运动方式对刷新能力的影响没有显著差异。

图3 3组被试运动前后的刷新功能Figure3 Updating function of three groups before and after exercise

2.4 转换功能

3组被试运动前后反应时差单因素方差分析显示，组别主效应不显著[F（2，44）=0.712，P=0.495]。说明不同干预对转换能力没有显著影响（见图4）。但对比HIIT组和MICE组运动前后的应时差发现，HIIT组运动后的反应时比运动前缩短67.45 ms，MICE组缩短45.90 ms，说明运动能在一定程度上提高运动者的转换功能，HIIT效果相对更好。

图4 3组被试运动前后的转换功能Figure4 Shifting function of three groups before and after exercise

3 讨论

本研究探讨30 min大强度间歇运动和中等强度持续有氧运动对大学生执行功能的影响，发现中等强度有氧运动比大强度间歇运动更能改善大学生抑制能力。运动干预研究发现，中等强度持续有氧运动能够显著提高执行功能[20]；元分析也发现，急性中等有氧运动能够改善运动者的执行功能[21]，并且影响认知任务的效应量显著大于小强度和高强度急性有氧运动[22]。同时还有研究发现，中等强度有氧运动不能提高运动者的抑制能力[23]。本研究发现，中等强度持续有氧运动显著提高大学生的抑制能力，进一步支持中等强度在改善认知能力方面的优势。但与先前研究结果不同，大强度间歇运动并未改善大学生抑制能力，且与安静状态没有差异，没有支持研究假设。诸多先前研究结果发现，与控制组或中等强度持续有氧运动相比，大强度间歇运动能够显著提高锻炼者的抑制能力[4，15，24]。也有研究发现，中等强度有氧运动对抑制能力的影响优于大强度间歇运动，但信息加工速度不如大强度间歇运动[16]。对大强度运动影响抑制功能的研究也发现，60 min大强度急性有氧运动提高抑制能力，中等强度持续有氧运动对抑制能力的影响优于大强度运动，但大强度运动的认知效益仍优于控制组[25]。

在刷新和转换能力方面，目前还未发现有研究探讨大强度间歇运动对刷新、转换功能的影响。但有研究者探讨了大强度急性运动对转换和刷新功能的影响，发现中等强度运动对转换功能的影响优于大强度急性运动，中等强度运动对刷新功能的影响最好，而大强度急性运动抑制刷新功能[26]，大强度运动只提高了锻炼者的注意能力，对执行功能没有影响[27]。本研究发现，大强度间歇运动和中等强度持续有氧运动对刷新功能有显著的积极影响，反应时明显缩短；大强度间歇运动和中等强度持续有氧运动对转换功能的影响不显著，但仍然提高了锻炼者在转换任务方面的表现，反应时缩短；并且大强度间歇运动对刷新功能和转换功能的促进效果也优于中等强度有氧运动，验证了研究假设。

显然，大强度运动、大强度间歇运动和中等强度有氧运动对认知功能、执行功能及其不同成分的影响结果并不一致。这可能是因为体育运动对认知功能的促进具有选择性，如与执行功能无关的认知成分不受体育运动影响[28]。另外研究也发现，不同体育运动方式对认知功能有不同影响[16，27，29]，如有氧舞蹈提高了转换能力，但对抑制能力没有影响[29]，大强度运动只提高锻炼者的注意能力，对执行功能没有影响[27]。本研究同样发现，大强度间歇运动和中等强度有氧运动对执行功能不同成分的影响有所差异，中等强度有氧运动对抑制和刷新能力更好，而大强度间歇运动对刷新和转换能力的影响更大，与D.PREDOVAN等的结果较为一致，进一步支持了运动后认知功能的变化受体育运动类型的影响。

也有研究发现，体育运动对认知功能的选择促进性可能与不同研究中被试特征（如性别、年龄、心血管适能水平）的差异有关[29]。研究发现，心血管适能水平的提高与抑制转换过程呈负相关，但却与单独的抑制过程没有关系[29-30]。另外，造成已有研究结果不一致的原因可能还有认知任务施测时间有关，如有的研究是运动的同时完成认知任务，有的是运动后2 min，或6~12 min，甚至更长时间。一般情况下，认知任务测试需要一定完成时间，如果采用多个认知任务测试，使用时间会更多，在这种情况下随着测试时间的增加，一次体育运动的即刻认知效益就会逐渐减少甚至消失。这是由于运动带来的生理应激在运动结束后会迅速恢复到基线水平，如中枢神经系统儿茶酚胺和血浆儿茶酚胺浓度，以及多巴胺、肾上腺素、去甲肾上腺素等，因此运动后神经递质浓度降低或恢复至基线水平，体育运动导致的积极认知效益也就逐渐下降，不易观察到显著的运动效益。

另外有研究发现，大强度运动导致的压力反应和伴随的儿茶酚胺反应对执行功能会有不利影响[31]，并且伴随运动强度强加导致能量消耗增多，个体控制运动消耗的注意资源就越多，由此对信息加工带来的负面影响就越大[32]。根据倒U型假说，运动虽然可以刺激神经系统活化，从而提高认知表现，但随着运动强度提高，神经信号噪音的大量出现反而导致个体认知表现下降[33]。线索利用理论也认为，大强度运动导致的唤醒水平过高提升会导致个体注意到的线索范围缩小，遗失有关信息，认知表现反而下降[34]。还有研究认为，大强度运动中体能大量消耗导致个体疲劳感过早出现，使个体注意力从当前任务转移到身体不舒服的感觉上，从而影响反应时表现[35]。因此，对于心血管适能相对较差的普通大学生来说，大强度间歇运动对其执行功能的影响可能不如中等强度运动明显，这可能与大学生在大强度间歇运动后体能的大量消耗、唤醒水平过高有关。

本研究结果发现，中等强度持续有氧运动对抑制能力的积极影响优于大强度间歇运动，但大强度间歇运动对刷新和转换能力的影响有一定优势，且均优于安静状态。研究结果进一步为体育运动，尤其是HIIT的执行功能促进效益提供了实证支持。同时研究还发现，不同体育运动类型对执行功能不同成分的影响存在差异，也提示未来研究需要进一步探讨不同运动类型对不同认知功能成分的影响及其差异。需要注意的是，与先前研究不同，本研究大强度间歇运动采取全速爬楼梯的运动方式，这种方式可以视为一种克服自身重力的抗阻力运动，因此本研究大强度间歇运动同时包含抗阻力运动的内容，与目前大多研究单独采用跑台或踩踏功率自行车有一定区别，这也可能是本研究结果并未发现大强度间歇运动提升抑制能力的一方面原因。因此，未来研究可进一步比较不同类型大强度间歇运动对执行功能的影响及其原因。

最后，考虑到目前大强度间歇运动是全球运动爱好者最喜爱的身体锻炼方式，并考虑到其耗时短，容易引起锻炼者兴趣，提高坚持性，未来研究需进一步关注大强度间歇运动对不同人群（如健康人群、患者）执行功能的影响，从多视角解释大强度/间歇运动和执行功能之间关系的内在机制，如EEG、前额叶皮层、神经生化和心血管适能等，为运动健康促进的科学性提供更多实证证据。