身体活动干预儿童青少年执行功能效果的系统综述

王宇， 贺刚， 黎东升， 马恺悦， 王超

首都体育学院运动科学与健康学院，北京市 100191

目的 系统分析身体活动对儿童青少年执行功能的干预效果，并对影响干预效果的因素进行梳理。

方法 检索2010年1月1日至2021年6月30日中国知网、万方数据库、Google Scholar、Wiley Online Library、PubMed中对儿童青少年执行功能进行身体活动干预的文献，经筛选、质量评定后，进行系统综述。

结果 最终纳入21篇文献，来自11个国家，包含13项随机对照试验，涉及2 496例研究对象，年龄5～18岁，文献发表日期主要集中在2010年至2019年，物理治疗证据数据库量表平均分5.57分。身体活动类型主要包括体能、技能和运动项目三类，活动强度为低至高强度，每次8～120 min，每周1～5次，时间最长10个月。身体活动可以有效改善执行功能，主要改善抑制控制、工作记忆和认知可塑性，体现在完成认知任务的准确率提高、反应时缩短，双侧前额叶皮质活动增加等。影响干预效果的因素包括身体活动类型、活动组织形式、活动强度、单次活动持续时间、活动频率和周期、干预对象的选取、执行功能指标的选取等。

结论 身体活动可以改善儿童青少年的抑制控制、工作记忆和认知可塑性。影响干预效果的因素主要为身体活动要素、研究对象自身因素以及试验设计因素。

0 引言

执行功能是指个体对思想、情感和行为进行有意识控制的心理过程，主要由抑制控制、工作记忆和认知可塑性三个子功能组成，是一种大脑高级别的认知过程[1]。执行功能在人的工作和生活中扮演重要角色[2]。儿童的执行功能不仅与学习能力、语言能力的发展密切相关，还能够一定程度预测后期学业表现[3]。

近年来我国儿童青少年身体活动现状并不乐观，久坐时间与身体活动时间比例不均衡可能是导致儿童青少年身体活动不足的主要原因之一[4]。一般认为，身体活动占用学习时间，可能引起学习成绩下降。但随着相关研究的开展，身体活动对儿童青少年执行功能的积极影响逐渐得到证实[5-6]。科学、合理的身体活动，可改善儿童青少年执行功能，使儿童青少年在体教融合过程中更多受益[7-8]。

本研究基于世界卫生组织国际家族分类(World Health Organization Family of International Classifications, WHO-FICs)架构，分析身体活动对儿童青少年执行功能的干预效果，并对影响干预效果的因素进行梳理。

1 资料与方法

1.1 研究架构

本研究基于《国际功能、残疾和健康分类(儿童和青少年版)》(International Classification of Functioning, Disability and Health-Children and Youth Ⅴersion,ICF-CY)[9]和文献资料[10-11]，对儿童青少年身体活动相关干预策略和功能结局进行分类与编码，从干预方案设计、研究对象选取、试验设计角度分析执行功能干预效果。ICF将执行功能定义为特别依赖大脑额叶的高水平认知功能(b164)，包括复杂的目标定向行为，如决策、抽象思维、安排和执行计划、心理可塑性以及在什么环境下决定哪些行为是适当的。包括：观念的抽象和组织功能；时间管理、洞察力和判断力；概念形成、类化和认知可塑性(灵活性)；不包括：b144记忆功能、b160思维功能、b168语言精神功能、b172计算功能。本综述的PICO表见表1。

表1 纳入研究的PICO

1.2 文献检索策略

本研究遵循PRISMA声明[12]，运用Boolean逻辑运算法对下列检索词进行组合，检索中国知网、万方数 据 库 、 Google Scholar、 Wiley Online Library、PubMed中对儿童青少年执行功能进行身体活动干预的文献。时间范围：2010年1月1日至2021年6月30日。

中文检索式：(身体活动 OR 体力活动 OR 运动OR 活动 OR 锻炼) AND (儿童 OR青少年 OR 少年OR 青年 OR 学龄儿童 OR 少儿 OR 学生 OR 青春期OR 男孩 OR女孩) AND (认知 OR 执行 OR 工作记忆OR 抑制控制 OR 认知灵活性 OR 功能 OR 表现)

英文检索式：(physical activity OR exercise OR activity OR sports OR plays) AND (child OR children OR youth OR adolescents OR students OR primary school OR secondary school OR high school OR boys OR girls OR school age OR teenagers) AND (cognitive OR executive OR execution OR working memory OR inhibitory control OR cognitive flexibility OR function OR performance)

1.3 文献筛选标准

纳入标准：①研究对象年龄5～18岁；②干预措施为身体活动；③结果变量包含执行功能；④中、英文文献。

排除标准：①横断面研究；②研究对象为特殊人群，如专业运动员、残疾人或有慢性病患者；③会议论文及摘要、学位论文以及综述类文献。

1.4 文献筛选与数据提取

研究人员通过阅读标题及摘要进行初筛，然后阅读全文，最后根据已检索到的参考文献，进行文献的追溯。提取纳入文献关键信息：第一作者、发文时间、研究对象基本信息、测量工具及测量指标、干预设计要素等。文献筛选流程见图1。

图1 文献筛选流程图

1.5 文献质量评价

由两名研究人员使用2010版物理治疗证据数据库(Physiotherapy Evidence Database, PEDro)量表独立对每篇文献进行质量评价[13]，出现分歧时，由第三名研究人员评估并达成共识。质量评价共11项内容，后10项符合标准计1分，不符合标准或不确定计0分，总分9～10分为高质量，6～8分质量较好，4～5分质量中等，＜ 4分质量差。

2 结果

2.1 文献特征

最终纳入21篇文献[14-34]，来自11个国家，发表日期主要集中在2010年至2019年，研究设计主要包括13项随机对照试验(randomized controlled trial, RCT)、2项病例对照研究(case-control study, CCS)和6项对照研究(controlled study, CS)，涉及2 496例研究对象。文献的基本特征见表2。

表2 纳入文献基本特征

续表

续表

2.2 文献质量

所有文献PEDro量表评分5～7分，平均5.57分。其中6～8分11篇，4～5分10篇，研究质量中等或较好。

2.3 研究方案

影响儿童青少年执行功能干预效果的因素包括活动类型、活动强度、单次活动持续时间、活动频率及周期、研究对象以及执行功能指标的选取。

本研究中，身体活动类型包括体能、技能和运动项目3类，具体包括有氧体育课程、协调性训练、运动技能练习、跆拳道、篮球、足球、网球、跳绳、高强度间歇训练、功率自行车、课堂站立、跑步和课间体育活动。活动强度以中等强度为主，2项研究选择了较高强度活动；单次活动8～120 min，每周1～5次，持续1～10个月，5项研究选择了单次干预。干预环境多为学校体育馆、操场、运动馆或其他运动场地。

研究对象年龄5～18岁，包括超重儿童197例，学习困难儿童45例和留守儿童21例。

在结局指标方面，6项研究选用执行功能的3个子成分，4项研究选用2个子成分，10项研究选用1个子成分，1项研究选用成套认知范式整体评价执行功能。

2.4 效果

身体活动对儿童青少年抑制控制、工作记忆和认知可塑性方面有改善作用，体现在完成执行相应认知任务的准确率提高，反应时缩短，相应大脑区域(如双侧前额叶皮质)激活增加等。

抑制控制是个体过滤无关信息、抑制自身习惯性反应的能力。针对抑制控制的研究较多。Crova等[17]发现，与常规体育课程相比，运动技能结合网球练习可以增强儿童的抑制控制能力。

工作记忆是个体对信息进行暂时加工、贮存的容量有限的记忆系统，与儿童青少年的智力、阅读、推理和解决问题能力息息相关。Koutsandreou等[21]分别对儿童进行跑步、运动技能练习和不干预，发现只有运动技能练习改善儿童的工作记忆。

认知可塑性是个体根据任务变化的需要灵活调整工作记忆、注意和反应选择的能力。相比抑制控制和工作记忆，身体活动改善认知可塑性的难度较大。陈爱国等[27]发现，与常规足球运动相比，结合了游戏和比赛等形式的足球运动才能额外改善儿童青少年的认知可塑性。

3 讨论

3.1 身体活动干预执行功能的机制

身体活动可以通过增加神经递质含量，对大脑产生一系列积极效应，如改善脑血流、促进神经胶质细胞再生，提高突触可塑性等[35]。身体活动促进小鼠海马体神经生长，突触可塑性增强，脊神经密度、神经营养蛋白水平和空间记忆能力提高[36-37]。其中，脑源性神经营养因子、血管内皮生长因子以及胰岛素样生长因子-1起着重要作用。有氧运动能调节脑源性神经营养因子和血管内皮生长因子[38]。脑源性神经营养因子引起细胞内的生物化学反应，进而扩展神经结构，如树突棘和轴突等[39]；血管内皮生长因子作用于血管内皮细胞，促使新血管形成[40]；胰岛素样生长因子-1可以促使血流环境优化[8]。抗阻力运动诱导组织蛋白酶B和鸢尾素穿过血脑屏障，改善神经发生，达到强化认知的效益[41]。某些身体活动的产物，如乳酸，也可能影响脑功能[42]。

海马结构是执行功能必不可少的大脑区域，具有高度可塑性[43]。身体活动可使海马体积和血管结构发生变化[38]，从而影响记忆和空间导向[8]。Chaddock等[44]通过MRI发现，最大摄氧量较高的儿童，海马体积更大。

前额叶、顶叶、前扣带回、皮质下结构都参与执行功能。身体活动通过相关脑区的激活模式和功能连接影响执行功能[45]，如增加双侧前额叶皮质活动、减少双侧后顶叶皮质活动[6]，增强大脑整体神经回路的效率[8,46]等。

3.2 不同身体活动方案的效果

不同类型身体活动的干预效果和干预机制存在差异。Mehta等[47]研究显示，用课堂站立行为替代久坐对儿童青少年抑制控制和认知可塑性的提高有利，可能与站立行为提高机体能量消耗，或改变周围环境，减少注意力分散有关；李琳等[48]研究显示，抗阻运动不仅可以有效改善女性青少年的抑制控制，还能一定程度优化工作记忆，但有氧运动只对工作记忆有效，可能由于肌肉收缩改变脑源性神经营养因子、白细胞介素-6等细胞因子或乳酸[42]含量，通过影响大脑新陈代谢诱导执行功能变化[49]，而有氧运动对工作记忆的积极效应可能是通过改变海马结构的体积实现[44]。

相较单一活动，形式丰富的活动对执行功能的干预效果可能更佳。如足球运动，如果融合技、战术练习，演练和比赛形式，对儿童抑制控制和工作记忆皆有改善；而常规足球教学只改善儿童的抑制控制[19]。

运动强度对干预效果存在影响。只有达到中等强度的活动，干预效果才显著[18,23,26,31]，与前人的结论相似[50]。在认知强度方面，具有高认知参与度的活动对执行功能更为有效[51]。但由于当前研究普遍缺乏对于认知功能参与程度的测量，不同认知强度活动的干预效果差异还不明确。

活动的干预效果存在显著量效关系。长时间身体活动对执行功能，尤其是工作记忆的促进效果要好于短时活动[18]。高频、长期干预的效果优于短期，但其变化规律还不明确。

3.3 其他影响干预效果的因素

研究对象的年龄会影响干预效果。身体活动对平均4.4岁的学龄前儿童基本无效[52]；对5～6岁儿童的抑制控制和认知可塑性逐渐起效[19,28]；而对5岁以上儿童青少年，年龄的影响显著降低。

不同基础认知水平也会影响干预效果。潘家礼等[22]发现，运动对学习困难小学生执行功能的干预效果优于普通小学生；王瑞萌等[28]发现，跆拳道练习对抑制控制水平较低的儿童效果更为显著。与Erickson等[53]的结果一致。

测量多个子成分或对执行功能进行整体研究的有效性高于其他研究。由于认知可塑性是建立在工作记忆和抑制控制基础上的衍生概念，所以有学者只测量抑制控制和工作记忆两个方面，尽管子功能之间可能存在共性因子，但在测量时还应尽量保证全面。

日常生活中的一些因素，如睡眠、噪音、家庭教养方式、饮食习惯、营养、个体情绪或压力激素等，均可能影响执行功能，然而针对上述可能影响因素的协变量控制却较少提及。未来应该尽量控制此类干扰因素。

4 结论

身体活动可以改善儿童青少年的抑制控制、工作记忆和认知可塑性，主要体现在其完成认知任务的反应时缩短、准确率增加以及执行功能相关大脑区域的活动增加等方面。影响干预效果的因素主要为身体活动要素、研究对象自身因素以及试验设计因素。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。