基础抗荷体能训练对飞行学员认知能力的影响

马嘉悦， 陈芷妍， 张 禹， 李 杰， 张 新， 姜智东， 任 翔， 王 静，车 翔， 邹志康， 王安利

（1.北京体育大学心理学院， 北京 100084； 2.杭州师范大学附属医院认知与脑疾病研究中心， 杭州 311121；3.杭州师范大学心理科学研究院， 杭州 311121； 4.空军航空大学， 长春 130022；5.空军特色医学中心， 北京 100142；6.陕西职业技术学院，西安 710038）

1 引言

飞行员工作环境特殊，具有高载荷、高认知负荷的特点，高性能战斗机加速度载荷的G 值高、增长率快、持续时间长，飞行员既要面临大强度的体力载荷，又要应对大量的信息加工，面临较高的心理载荷。 随着先进导航和飞行控制系统的广泛应用，飞行员的信息处理能力成为飞行安全技术的重要组成部分。 飞行员的飞行感知、决策与执行等认知能力在飞行中起着至关重要的作用，机敏的感知与迅速的行为响应保障安全的驾驶操作。 因此，强壮的抗荷体质是精英飞行员必备的身心素质，抗荷体能训练是提高飞行员抗载荷能力的手段。 如何在飞行员日常的训练中提高身体抗载荷能力的同时保证其心理素质的提高，就显得十分重要。

已有研究发现，在认知方面，主要涉及有氧运动与高强度间歇运动（High⁃intensity Interval Training， HIIT）的心理效益。 个体的记忆、执行功能以及执行抑制功能可通过有氧运动的训练或干预提高；Drigny 等研究表明，高强度间歇运动能够提高受试者在数字符号替换测验、记忆测试等认知任务的绩效表现，并改善注意缺陷多动症儿童的注意水平。 目前力量训练在认知方面的研究较少，且主要涉及与自尊和幸福感的关系等相关问题。 而国内专门针对抗荷心理的研究也少见报道，邹志康等提出了肌肉适能、心肺功能、空间定向和抗荷心理能力是航空学校学生加强基础性抗荷体质训练的主要内容，为心理领域相关研究提供了参考。

本文采用基础性抗荷体能高效训练方案，对实验组进行为期12 周的力量训练以及功率自行车的HIIT 训练，且在训练期间加以抗荷营养支持和抗荷心理干预，研究其对飞行学员认知能力的改善，认知测试包括注意、认知、工作记忆以及自我控制4 个方面，以期为飞行学员训练方案设计提供实验参考依据。

2 方法

2.1 受试者

某飞行学院飞行学员55 名，男性，年龄（19.4±0.7）岁，裸眼或矫正视力正常。 以班级为单位随机分配为实验组（25 人）与对照组（28人）。 其中2 名受试者由于身体原因造成数据缺失，因此最终有效数据来自53 人。

2.2 实验范式

1）注意网络测验（Attention Network Task，ANT）。 注意网络功能采用注意网络测验任务，包括3 个指标：警觉功能、定向功能以及执行控制功能。 警觉是指维持一个灵敏状态以接受信息的传入，定向是指从传入的感觉中选择信息，执行控制是指解决反应中的冲突，实验流程如图1所示。

图1 ANT 程序示例图Fig.1 Diagram of an ANT program example

线索信息分为4 种情况：中心提示、双重提示、空间提示以及无提示。 空间提示能够提示受试者目标刺激的位置，其他3 种提示线索无法预测目标信号出现的位置。 目标刺激分为3 种情况：一致，即箭头方向相同；不一致，即中间箭头的方向与其他箭头相反；中性，即只有中间箭头有方向，其余均为线段。 要求判断中间箭头的方向。

2） 自适应 3D⁃MOT （ Three⁃dimensional Multiple Object Tracking）任务。 三维立体形式呈现运动客体更接近于现实情境，实验任务更具生态性。 采用自适应的方式因变量可以在连续比率范围内变化，更具有敏感性。 采用自适应3D⁃MOT 测量动态追踪能力，关注动态场景中视觉信息的注意加工，是研究同时追踪多个客体的注意机制较常用的范式，包括3 个阶段（图2）：①目标标记阶段，10 个3D 立体小球圆球作为运动客体，其中的4 个客体通过闪动被标记为目标客体；②运动阶段，标记停止后所有客体恢复到原有的状态，在立方体空间中进行随机独立的运动；③反应阶段，当客体运动停止后，用手柄选出追踪被标记过的目标客体，并同时给予反馈。 整个实验过程采用自适应程序控制客体的运动速度，当在某次追踪时反应正确，下一次追踪任务中客体的运动速度将上调30%；而反应错误时，客体的运动速度会下调20%。

图2 自适应3D⁃MOT 流程图Fig.2 Flow chart of adaptive 3D⁃MOT

3）工作记忆。 采用n⁃back 范式进行测量，要求将当前出现的刺激与之前出现的第个刺激进行比较。 本实验采用英文字母（如：W、R、E、Q）作为实验材料，在实验过程中，首先呈现1 s 的注视点，随后呈现2 s 的英文字母，要求将当前字母与当前字母之前的第（2，3）个字母相比较。 如果2 s 内无按键则自动开始下一试次。 采用2⁃back 与3⁃back 任务中的正确率作为基线成绩的指标，即正确反应的试次数占整个任务所有试次的比率。

4）Go／No go。 该范式用于测量执行抑制功能。 要求实验对Go 刺激做出“按1 键”的反应，No go 刺激不做任何反应。 实验共50 个试次，为了增强实验的按键冲动，其中Go 试次40 个，占试次总数的80%，No go 试次为10 个，占试次总数的20%，Go 和No go 刺激顺序随机呈现。 实验流程如图3 所示。

图3 Go／No go 程序示例图Fig.3 Diagram of a Go／No go program example

2.3 实验仪器

自适应3D⁃MOT 范式采用虚拟现实头戴式显示器（HTC VIVE，上海）呈现，分辨率2160×1200（单眼1080×1200 ） pixels，刷新率90 Hz，视场角10°，针对每个受试者可调整瞳孔间距。 计算机显示屏为15.6 英寸，刷新率为60 Hz，分辨率1920×1080 pixels，该计算机连接头戴式显示器呈现虚拟现实场景。 受试者操控手柄控制实验开始、目标选中和结果反馈。 实验程序控制和数据记录通过SteamVR1.2.3 软件完成。

2.4 实验设计

对实验组进行为期12 周的力量训练以及功率自行车的HIIT 训练作为干预手段，同时干预期间对受试者加以抗荷营养支持和抗荷心理干预。力量训练以单腿蹲、卧推、深蹲、俯身划船等为主要训练内容。 HIIT 训练采用功率自行车进行，冲刺时间为60 s ，间歇时间为60 s，比例为1 ∶1。 2种训练均每周3 次，每次10 min。

心理干预包括3 个步骤：①训练前的注意训练为腹式呼吸加身体扫描。 身体扫描是正念训练的基础与核心部分， 可以提高对于身体内部感觉的关注度，提高身体的感觉注意程度。 用时约4 min；②正式身体训练——积极词暗示，每次训练前由教练说明本次训练课内容，并提示受试者在训练中养成自我暗示的习惯，如动作开始、结束以及疲劳状态时，积极调整呼吸，尽量深长呼吸3 次，调整状态，并进行自我激励和暗示。 用时约1 min；③放松训练——渐进性肌肉放松训练，用时约7 min。

对实验组实施营养干预方案，提供运动营养补剂，包括生力君胶囊、磷脂酰丝氨酸片糖、阿胶黄芪当归铁制剂。 在每周的2 次训练课上提供乳清蛋白粉和能量固体饮料，于训练前、中、后指导受试者服用。 对照组受试者不进行干预，只参加学校的常规体育活动。

在干预前、干预6 周以及12 周时分别进行认知能力的测试。 采用3（测试时间：0 周、6 周、12周） × 2（组别：实验组、对照组）的混合实验设计，其中测试时间为组内变量，组别为组间变量。 因变量是受试者动态注意、注意网络功能、工作记忆、执行抑制功能等认知指标。

2.5 统计分析

通过Excel 和SPSS20.0 对数据进行分析，为了防止实验组与对照组前测数据差异产生的影响，优先选择重复测量协方差分析，如果不符合协方差分析的前提性检验，即自变量与协变量存在交互作用，再采用重复测量方差分析。＜0.05 认为差异具有统计学意义。

3 结果

3.1 注意网络功能

基于反应时的差值可以计算出注意网络功能的各项效率值，警觉功能的指标是无提示条件下的平均反应时减去双重提示条件下的反应时，定向功能的指标是中心提示条件下的平均反应时减去空间提示条件下的反应时，执行控制功能的指标是靶刺激不一致条件下的平均反应时减去靶刺激一致条件下的平均反应时。

对于警觉功能和定向功能，反应时差值越大代表该网络功能效率越高；对于执行控制网络功能，反应时差值越小代表该网络功能效率越高。 实验组与对照组在干预进行第0 周、6周、12 周时的注意网络功能结果如表1 所示。

表1 注意网络功能描述性统计结果（±s，n＝53）Table 1 Descriptive statistics of attention network func⁃tions （±s，n＝53）ms

将前测作为协变量，组别、干预时间作为自变量，中测、后测作为因变量进行重复测量协方差分析。 分析结果如下：

图4 定向功能组别与干预时间的交互作用图Fig.4 Interaction diagram of directional function and intervention time

3.2 动态注意能力

将自适应3D⁃MOT 任务中受试者在追踪目标客体时能够达到的客体运动速度值作为因变量，极值是所有正确追踪任务中客体运动速度的最大值，表征受试者的最大追踪能力；平均阈值是指正确追踪和错误追踪试次转折点处所对应的客体运动速度值的平均值，体现受试者的平均追踪能力；最后4 次阈值是指在追踪过程中最后4次转折点（正确追踪试次和错误追踪试次的转折）处的客体运动速度的平均值，体现受试者的稳定追踪能力。 实验组与对照组在干预进行第0周、6 周、12 周时的追踪速度如表2 所示。

表2 追踪速度描述性统计结果（xˉ±s，n＝53）Table 2 Descriptive statistics of tracking speed （xˉ±s，n＝53）m／s

3.2.1 极值

由于极值的前测（协变量）与组别（自变量）交互作用显著（＝0.006），不符合协方差分析的前提，因此极值作为因变量，进行3（0 周、6 周、12周） × 2（实验组、对照组）重复测量方差分析。

极值结果表明，组别与干预时间的交互作用边缘显著（（2，102） ＝2.25，＝0.085，＝0.047），经进一步简单效应检验后发现（图5），后测时实验组的追踪速度极值显著高于对照组（＝0.015）；实验组中测（＝0.085）与后测（＜0.001）的追踪表现显著高于前测，对照组中测的追踪表现显著高于前测（＝0.013）。

图5 追踪速度极值组别与干预时间的交互作用Fig.5 Interaction of tracking speed extreme value and intervention time

3.2.2 平均阈值

将平均阈值的前测作为协变量，组别、干预时间作为自变量。 平均阈值作为因变量进行重复测量协方差分析。 组别与干预时间的交互作用均不显著（（1，50）＝0.917，＝0.343，p ＝0.018）。干预时间（（1，50）＝0.005，＝0.944，p ＝0.000）的主效应不显著。

3.2.3 最后4 次阈值

3.3 工作记忆

采用2⁃back 与3⁃back 任务中的正确率作为因变量。 实验组与对照组在干预进行第0 周、6周、12 周时的工作记忆结果如表3 所示。

表3 工作记忆任务正确率描述性统计结果（±s，n＝53）Table 3 Descriptive statistics of correct rate in working memory tasks（±s，n＝53）%

3.4 执行抑制功能

实验组与对照组执行抑制功能结果如表4所示。

表4 Go／No go 任务正确反应时描述性统计结果（±s，n＝53）Table 4 Descriptive statistics of correct response time in Go／No go task （±s，n＝53）ms

4 讨论

4.1 注意网络功能

通过重复测量协方差分析结果发现，定向功能组别与干预时间的交互作用显著，后测时对照组的定向功能相比于中测的成绩显著降低；后测时实验组的定向功能显著高于对照组。 可能在这一阶段，某些因素对受试者的定向功能产生了负性影响，实验组的训练仍能使受试者保持相应水平的定向功能。

Laura 等研究发现长期体育锻炼可以有效提高执行控制网络的功能。 Alves 等研究表明，采用HITT 对中年人进行10 min 干预，采用stroop 任务测试受试者选择注意功能，发现高强度间歇训练方式增强了受试者的选择注意功能。庄晓伟等关于心理训练与注意定向网络功能的研究发现，腹式呼吸训练干预对老年人认知功能的改善有积极效应。 而选取健康的年轻人作为受试者，研究结果多为警觉与定向网络功能受体育锻炼的影响不显著，这可能是健康年轻人的警觉与定向网络功能处于较高水平，不易进一步提高。

4.2 动态注意能力

动态注意能力是指个体同时注意多个运动目标的能力，包括持续的、动态的视觉注意和记忆能力。 极值的重复测量方差分析结果显示，组别与测试时间的交互作用边缘显著，实验组的后测成绩可能存在高于对照组的趋势，且实验组后测与中测的成绩可能存在高于前测的趋势，即为期12周的基础性抗荷体能高效训练对飞行受试者的动态追踪能力可能存在促进效应。

本文在力量训练前加入了腹式呼吸训练和身体扫描，能够在训练前使受试者的注意更加集中且更加专注于训练本身，由此提高训练效果。而训练后的放松训练能够缓减力量训练带来的疲劳感与运动中的高度紧张状态，使运动训练过程中的亢奋状态慢慢得以平复，有效克服运动员身心紧张的状态。 其次简单效应分析的结果表明在后测与中测之间，实验组的成绩存在上升趋势，而对照组在这一期间的成绩不仅没有提高反而下降。 说明基础性抗荷体能高效训练的效果可能体现在后6 周，这对干预方案的实际应用也有一定的现实意义。

4.3 工作记忆

根据重复测量协方差分析结果发现，n⁃back任务中实验组与对照组在前测，中测以及后测均无显著差异。

Kao 等研究了高强度间歇训练（HIIT） 和中等强度连续运动（MICE） 对行为表现和工作记忆神经相关性的影响。 结果发现HIIT 提高了记忆检索过程中的处理速度和大脑激活。 可见HIIT 可以暂时性增强工作记忆。 运动对记忆的影响作用受到运动强度和干预时间的调节。利用PET 影像技术研究发现，空间和客体的信息分别储存在工作记忆的不同缓冲器中。 所以在未来的研究中，可以增加对视觉空间工作记忆的测量指标，调整运动干预的强度与时间，以探讨基础性抗荷体能高效训练对于工作记忆是否会产生积极影响。

4.4 执行抑制功能

执行抑制功能是指个体克制和调节冲动、欲望和习惯性行为的能力。 重复测量协方差分析结果发现实验组与对照组在前测、中测以及后测均无显著差异。 郑雨晴研究发现，2 周的HIIT干预后，运动组的 SSRT（Stop⁃Signal Reaction Time）显著性降低，两周的HIIT 干预对停止信号（Stop⁃Signal）的反应抑制有一定的改善效果，但效果尚不明显，可能与具体的运动强度和运动时间有关。 在运动干预提高了抑制执行功能的研究中，干预手段多采用有氧运动或传统体育活动，而本文所使用的干预方法是力量训练，以此类运动方式训练时多强调核心区力量的爆发，未来的研究可采用不同类型的干预方法对这一问题进一步探讨。

5 结论

为期12 周的基础性抗荷体能高效训练对受试者的注意能力可能有积极效应，结论如下：

1） 为期12 周的基础性抗荷体能高效训练有效维持了受试者注意网络功能中的定向功能。

2） 为期12 周的基础性抗荷体能高效训练有提高受试者动态注意所能达到的最高能力的趋势，且这种趋势主要体现在后6 周中。

3） 为期12 周的基础性抗荷体能高效训练对受试者的工作记忆与执行抑制功能未见显著影响。