体力活动对儿童青少年执行功能和人生益处影响的研究进展9

白熠皓 徐 凯

（南京体育学院，江苏南京 210014）

体力活动被定义为“由骨骼肌产生并消耗能量的任何身体运动”[1]，已被证明对儿童青少年的身体[2]、心理[3]、学习成绩[4]和社会心理指标[5]都有益。人们对体育活动对认知结果的影响越来越感兴趣，最近5 -8 年间关于这一主题的大量综述和荟萃分析证明了这一点[6][7]。尽管“认知”和“认知功能”这两个术语有时被用来描述不同的心理过程，但在身体活动研究中，认知功能通常被操作化为基本信息处理和执行功能[8]执行功能是一组目标导向的行为，包括信息更新和监测、心理定势转换和预效反应抑制[9]。认知功能在人类的思想和行为中起着重要的作用。他们是复杂的心理链接和情绪调节过程[10],以及心理健康和疾病的一个重要组成[11]。成功地采用饮食和锻炼已被证明可以改善认知功能，减少问题行为和冒险性行为的发生概率[12]，以及提高在学校的学习成绩[13]。而执行功能（executive functions）代表了更高阶的认知过程，有助于有目的的、目标导向的行为。EFs 的三个核心要素是抑制、工作记忆和转换功能[9]。抑制控制指的是一个人抵抗诱惑的能力，而不是冲动或不成熟的行为。它可以帮助个人独立选择或改变自己的行为，摆脱冲动或习惯的影响;作记忆使个体能够将信息保存在大脑中，并在大脑中处理和使用信息，这对推理和解决问题至关重要[14]。

童年和青春期的特点是大脑成熟时间延长，环境和生物的影响不断相互作用，微调和参与认知功能的大脑回路[15]。目前的证据表明，体育活动对儿童和青少年的大脑结构和功能有积极的影响[16]。执行功能与儿童青少年的发展高度相关，是行为功能、学术成就甚至其他结果(如运动成就、学习成绩、心理健康、社会福利、健康、财富和生活质量)的重要预测因素。现代对儿童和青少年大脑适应性的理解，加上目前对身体活动对大脑健康和认知的影响的知识，使人们对这一领域的兴趣达到了顶峰[17]。

研究倾向于表明，锻炼对执行功能的有益影响更大、更明显[18]。例如，在儿童和青少年中，更高水平的身体健康与更好的执行功能和学习表现有关[13]。体育锻炼干预方案可以通过不同强度度不同类型不同时间的运动干预来提高儿童的执行功能表现[19]。此外，目前的证据表明，不同类型的体育锻炼可能对执行功能的改善和心理健康产生不同的影响[20]。然而，对于哪种体育锻炼可能更有效地改善认知功能，仍存在一些争议。

尽管人们的兴趣越来越大，但目前的已有的证据受到了体育活动研究中认知测量方法使用不一致的阻碍[19]。这方面的证据可以在一项关于急性运动(定义为短时间内单回合运动)对EFs影响的mate分析中找到，其中包括使用44 种不同的认知测量方法来测试6 个不同的认知领域的研究。用于测量认知功能的工具存在相当大的可变性，这可能增加了综合现有证据的难度。关于体育活动对认知结果影响的证据力度的持续争论就是一个例证[22]。同时，现有的研究以交叉对比研究与横断面研究为主，缺乏生理和影像学方面的证据支持，也是现今相关研究证据力度受到争议的原因之一。

本文对运动对儿童青少年执行功能的和相关人生益处的研究进展进行综述。

1 运动对青少年执行功能的影响研究现状

采用：“运动”“执行功能”“青少年”及近义词和中国知网对应英文翻译为关键词组合，检索的数据库包括Pubmed 数据库、EBSCOhost 数据库、中国知网数据库、万方数据库；文献检索的时间跨度为2016 年1 月~2021 年12 月，共检索到中英文文献256 篇。纳入符合以下标准的研究:(1)实验研究设计(如RCT、随机交叉研究)；(2)平均年龄5-18岁；(3)在研究中纳入体育活动成分；(4)纳入绩效认知测试;(5)在同行评议的期刊上发表；(6)在线提供全文；(7)调查对象明显健康(没有认知、精神或身体损伤，包括受伤)，共计纳入20 篇中英文文献。（附录1、2）

综合在儿童和青少年人群的实验体育活动研究中使用的执行功能测试的管理特征、信度和效度。本综述包括的21 项研究使用了32 项独特的执行功能测试。显然，目前在运动对青少年的执行功能研究这一领域中使用的认知测量方法依然非常多样，本综述综合了每种测量方法的操作执行以及管理特征和心理测量信息，测量方法在时间和操作便捷性上的特点将帮助我们确定在的未来研究中该使用什么样的测量方法。运动干预的设计也是一个值得关注的点。本综述纳入的21 项研究中有11 项（52.3%）采用了运动干预时间周期超过一周以上的纵向体育运动计划，另外10 项（47.7%）则采用了一次性的且运动总时间不超过3 小时的急性运动干预。有52.3%的研究对完成认知测试的时间进行了记录和限制，这对提高执行功能测试的结果准确性是有益的。不过值得注意的是70.0%的采用急性运动干预对执行功能测试的研究都对执行共能的测试时间和过程做出了限制，而采用纵向体育运动计划干预的研究中采明确执行功能时间限制的研究仅占45.5%。并且，40.0%的急性研究都将执行功能后测的与干预结束的时间间隔，这一点对急干预后执行功能的水平变化是有显著的影响的[23]。而纳入的所有纵向体育运动计划干预的研究中均没有明确这后测时间与干预结束时间的间隔设计，这些比例说明可能研究者认为长在周期的纵向体育运动计划时间对执行功能水平变化的影响并不敏感，而急性运动干预的对时间的影响更加敏感。此外，60.0%的急性研究对被试的运动干预内容采取了单独进行的形式，而91.0%的纵向研究却采取了小组形式的运动干预。急性研究明显倾向个体干预，而纵向研究明显倾向于小组干预，这样的差异可能同样是由时间原因导致的，急性研究具有短时间敏感性，因此需要对每个被试单独进行干预后尽快进行认知功能测试，若进行小组干预为避免后测时间间隔带来的影响则应进行小组化的执行功能测试，这无疑提高了实验成本与可操作性的难度。而纵向研究基本采用小组干预的形式的特点应该也是由于时间陈本和可操作性的限制，纵向研究通常样本量较大干预周期长，出于时间和人力成本的限制不便进行个体化的干预。本次纳入的研究均未具体说明执行功能测试是逐个个体进行还是小组同时进行。对于高度时间敏感性的急性研究来说这是一个在未来需要注意的问题，若采取小组干预那么执行测试也应尽可能以小组形式进行，而对时间敏感性较低的纵向研究也应将执行测试与干预分组尽可能对应以提高实验的信效度和可重复性。

对于执行功能测试形式一致报告，57.1%的研究给出了执行功能测试的细节。值得注意的是，81.0%的测试是通过计算机实施的。比起传统的笔和纸或由考官引导的任务，选择计算机化考试有几个潜在的优势。主要优势包括(a)管理和评分的一致性；(b)精确的刺激控制；(c)测量时间敏感研究时的准确性。计算机管理也可以通过降低与考试评分相关的成本，以及在同一设备上测试多人的能力来提高效率和降低成本。计算机化测试的日益普及也意味着更多在认知测试方面没有受过培训和专业知识的专业人员现在能够使用和管理这些测试。而由考官指导的考试过程和对测试结果的解释可能受到考官技能和执行上无法做到完全一致的不利影响[24]。

此外，对于运动干预的变量因素，21 项研究中干预变量的为运动类型7 项（33.3%），即采取不同的运动方式；运动剂量14 项（66.6%），即控制运动强度或时间或两者皆有来控制运动的总剂量。De Waelle[38]等在一项跟踪研究中发现参与团队运动的儿童比参与自主节奏运动和非运动员儿童的表现出更好的执行功能。他们提出一种假设认为：与其他类型的体育运动和身体活动相比，参与团队运动等具有认知吸引力的体育活动可能与执行功能表现出更强的关联。这是一种非常有说服力的假设，毕竟团队或两人以上对抗性运动中需要的执行功能参与更多。从我们的分析中可以看出，对于不同运动类型运动的研究仍占少数，未来的研究对这一假设的论证和寻找对执行功能影响最大的运动方式与对儿童青少年成长过程中的影响有很大价值。

对于外部因素的控制，本综述纳入的研究主要采取控制被试BMI、心率、心肺功能水平、体力活动水平、认知水平基线等因素，其中以BMI 出现频次最高（42.9%），说明在青少年执行功能研究领域BMI 是公认的影响因素。这一点已有研究证实[25]。但不足的是对于营养水平和睡眠质量这两种已被证实对青少年执行功能有影响的外部因素却未被本次纳入的研究所考虑[26][27][28]，尤其是在长期的纵向研究中，仅Williams，Ryan[29]等在对60 分钟足球比赛干预的急性研究中严格考虑了所有被试当天的营养摄入情况。营养摄入和睡眠质量情况是今后进行纵向青少年执行功能研究时应当被考虑的外部干预因素之二。此外对于纵向体育运动计划干预来就说，如何实现在长周期的跟踪中尽可能多的监控各类控制变量的影响也是一个值得探讨的问题，或许今年来不断完善的商用可穿戴便携设备（如智能手环等）是一个可行的解决方向。

之前的几篇文献综述指出，由于使用的认知测试种类繁多，不便于同类实验间的结果对比与检验，体力活动对认知结果的影响这一证据的说服力受到了阻碍。这些问题已在对成人人群的研究中报道过，因此建议研究人员尽可能采取相同的执行功能测试方案，以使研究之间有更大的可比性[30][31]。鉴于在本次审查所纳入的研究中使用的不同测试的数量，类似的方法可能有助于对青年人口的研究。当选择一项认知测量时，必须考虑任务是否可行(测试格式，个体vs.群体管理，管理时间)，是否测量问题中的结构(效度)，以及在这样做时它是如何准确和一致的(可靠性)。有趣的是，在这篇综述中， 我们发现了五个最常用的测试(Stroop 、 N-back 、 Flanker 、 Sternberg 、More-odd shifting 测试；(附录4)占纳入研究中使用的所有认知测试的42.6%。这些测试具有一些共同的特性，可能有助于它们的频繁使用，包括:由于心理执行功能测试范式的广泛使用，它们相对容易理解和管理，可以由非专业人员进行操作(一些认知测试需要某些认证才能进行操作)，而且有证据表明它们在儿童和青少年人群中使用的效果。

我们总结了纳入研究的执行功能测试细节，包括操作时间、操作形式、管理类型。揭示了纳入研究报告中的几个局限性，其中最显著的是缺乏测试是否小组执行以及测试管理时间报告。干预细节和测试细节的缺失会降低了研究结果的可解释性、可重复性和通用性。而且这些内容在新冠疫情仍未结束学校及各类社区相对封闭人员流动困难的的当下，对今后该领域研究的实验设计与执行有重要的参考意义。尽管这篇综述包含了61 次执行测试任务，但以上5 种最常用的测试占了这篇综述中所有研究中所做测试的近50%。更一致地使用较少相同的执行功能测试有助于提高研究结果的可比性，提供测试心理计量学有助于加强关于体育活动对执行功能影响的结论。应争取就更小范围的执行功能测试达成一致，以提高研究之间结果的可解释性。这些测试的选择应仔细考虑操作时间和当下操作难度的结合，以及测试的有效性、可靠性和可行性。以上提供的信息可为未来运动干预执行功能测试的实验设计提供参考。

2 运动对青少年执行功能和人生益处的影响研究

2.1 执行功能与青少年运动成功的研究

毋庸置疑，儿童青少年时期的运动成功与身体健康、运动技能和专项运动技能有关。现今也有众多文献研究认为执行功能可能也与青少年的未来运动成功相关。Toru Ishihara[32]等采取了一种非常有趣的研究方式：选取了日本40 名定期参加县网球锦标赛的9-15 岁男女青少年网球运动员，2015 年7 月进行了执行功能评估并记录了他们在2015 年8 月和2017 年2 月的州网球锦标赛排名。控制了年龄和性别后，统计结果显示基线执行功能表现显著预测了18 个月后的比赛排名，而2015 年8 月的基线排名预测18 个月后的排名却不显著。在控制了年龄、性别和基线排名后，执行功能表现显著预测了排名的变化。这项研究虽然没有采取任何的干预措施，也未在18 个月期间控制其他的干预因素，但长达18 个月的周期后执行功能水平高低与竞标赛排名变化统计学上的显著关系仍能在一定程度上说明执行功能的高低能够影响儿童青少年网球运动的成功。2018 年Shota Sakamoto[33]等测试了497 名8—11 岁申请加入日本青少年联赛正赛俱乐部的备选球员（被试均有数年足球训练经验），结果显示：虽然被试是否获批进入俱乐部是由比赛表现和专业教练团队评判决定的，但是获批成为正式球员组在执行功能测试中的结果显著优于比被拒绝组。同时研究人员还测试了所有被试的心理健康情况，心里问卷的结果与最终入选结果并不相关，排除了心理因素的影响。在其他对比高水平青少年足球运动员与较低水平运动员或普通青少年的研究中[34][35][36]均得到了精英青少年球员的执行功能与业余水平运动员或一般同龄人相比执行功能水平有显著差异的结果。其中Torbjorn Vestberg[34][35]等对瑞典精英青少年球员的研究中还发现，球员执行功能的水平与球员赛季进球数有显著的关系。

以往的研究表明，执行功能与某些类型的开放技能运动如网球、足球和冰球等即要求参与者在动态变化、不可预测和外部节奏的环境中做出反应的运动中发挥着重要作用[36][37]。相比之下，在需要较少认知活动的封闭式技能运动(如跑步和游泳)中，则不见类似的报道。最近De Waelle[38]等的研究证明了参与开放式技能团队运动的儿童青少年相比参与封闭式个人运动的儿童青少年表现出更优越的执行功能。这写证据都能够说明在网球与足球这类开放式团队运动项目中，儿童青少年执行功能的高低与青少年未来的运动成功有显著的联系。将执行功能的水平作为今后开放式团队运动项目儿童青少年队员选材标准之一或许是今后一个有非常高应用价值的研究方向。在这些运动中，选材鉴定通常是由教练在比赛过程中客观测量身体素质和技术表现，主观测量认知表现来进行的。今后将客观身体素质×主管技能水平评价×客观测量执行功能表现作为开放式团队运动项目选材依据的可行性和在其他类型项目领域应用的价值值得继续探索。

最后，现有的研究还有两个问题无法解决：（A）拥有更高运动成就的青少年运动员更高执行功能水平的来源到底是由儿童青少年时期更高强度或更特殊化的运动训练导致，还是他们由遗传因素而得到先天更优秀的执行功能。（B）团队运动运动员在儿童青少年时期的这种卓越的执行功能表现是否会在青春期持续到成年。这两个问题还有待今后做更多基线条件控制更加严格，跟踪周期更长的纵向的对比研究来进一步解决。

2.2 运动对儿童青少年执行功能和学习成绩的影响

学龄儿童从运动中获得许多益处，包括改善健身、心血管适能、代谢功能和骨骼健康[5]。然而，因为学校首先考虑的目标是学生的学业成绩，所以许多儿童仍然达不到体力活动的建议水平。为了增加学龄儿童的体力活动水平，政府和学界都在努力强调学校体育活动（体育活动是体力活动的下属概念）对学生身心健康的好处，但收效甚微。如果增加体育活动能够提高那么体育活动在校园和家庭的推广就会得到大力支持。因此，学龄儿童青少年体力活动促进学业成绩的研究开始成为多个学科的热点[39]。通常，大部分人都持有这么一个观点：即大脑和身体的功能是分开的。然而，在几个学科中都出现了具身认知理论来挑战这种传统的二元论方法[40][41][42]。这些理论认为身体是形成我们认知的关键因素，其中提供身体体验的“非认知”过程是重要认知功能发展的基础，且不可分割。这强调了在学习过程中，感觉-运动与环境相互作用的重要性，从而使知识更持久、更丰富地巩固。这些心理学和神经科学研究对教育具有启示意义，它强调了在学习过程中适当的感觉和运动互动对人类认知发展的重要性。执行功能是高级认知功能，负责启动、适应、调节、监测和控制信息处理和行为。这些功能通常被认为是青春期前儿童成功学习的重要先决条件。随着体育锻炼的增加，执行功能的改善可能反过来也会提高孩子的学习成绩。

Mona Have[43]等创造性的等将体力活动融入学校数学课程中，探索体育活动融入课堂是否能够提高儿童认知功能和创造力。在我们综合检索近5 年来针对健康儿童青少年运动与认知功能和学业成绩相关文献发现，对于体力活动与学习成绩之间的关系，大多数横断面研究都给出了这么一个观点：即体力活动与学习成绩之间没有直接的联系，但是执行功能和心肺功能的两者之间起到了中介作用[4][13][44][45][46][46][47][48][49][50][51]。即更多的身体活动不能直接提高学习成绩，但是通过对执行功能和心肺功能的提高间接的提高学习成绩。在这些研究中，对学习成绩的测试通常选择数学，阅读理解与第二语言（英语）作为学习成绩的测试项目，而数学与阅读理解与执行功能中的抑制功能和认知灵活性的关系表现更加突出。此外，Xiangli Gu[47]等对体力活动对学习成绩的促进作用的横断面研究中提出了一种独特的切入角度，运动能力与学校出勤率之间的关系完全被基于学校的体力活动所介导，提示运动对学习成绩的促进不止于执行功能与心肺功能的中介作用。

现有的研究99.2%都采用了无干预的横断面研究或长期追踪研究设计，缺乏交叉对照实验研究，且大部分研究都在学生上学期间进行，采用学校考试成绩作为学习成绩评价指标。这样的实验设计可能无法确定这样一个问题：学生学习成绩的变化到底是体力活动与执行功能的中介效应，还是因为学生在校期间的文化课学习成果和考试题目难度的变化？正逢国家推行双减政策，今后在寒暑假期间选取相同教育水平的被试进行有运动干预的随机交叉对照实验，并采用独立设计的学习成绩测试将是一种可行的研究思路，用于排除由文化课因素的影响。 同时，大部分的横断面研究没有界定被试体力活动的形式，已有的大量证据表明与那些本质上不那么具有执行功能的运动相比，执行功能运动任务对认知的影响更大[17]。那么采用不同执行功的运动类型对学习成绩的间接作用可能存在的差异也是一个值得进一步探讨的问题。

2.3 运动对执行功能和儿童青少年心理健康的影响

体育活动对儿童和青少年身体健康的益处是众所周知的[2]。也有强有力的证据表明，有规律的体育活动可以改善一系列的心理健康结果(如自尊、焦虑、抑郁和抑郁)[3]。除了体育活动对身体和心理健康的益处外，越来越多的证据表明，经常参加体育活动以改善心肺健康(CRF)可能会增强儿童和青少年的认知功能[52]。身体活动和健康似乎对认知功能的发展很重要，这可能是心理健康建立的核心基础[53]。而执行功能代表了更高阶的认知过程，有助于有目的的、目标导向的行为。等在对16—20 岁青少年的急性有氧运动后进行特里尔社会压力测试时通过功能性近红外光谱记录到背外侧前额叶皮层氧化反应的变化，证实了急性运动运动对心理压力的缓解作用和提供了脑血流动力学的证据。Sarah A. Costigan[54]等在8 周的干预研究中发现纵向的间歇高强度有氧运动能提高青少年执行功能和幸福感，纵向间歇高强度阻力运动对青少年自我身体的自信也有提升，高强度间歇运动运动对青少年心理压力的影响则不明显。最近Giancarlo Condello[55]等在对181 名五年级学生的分层研究中发现体育强化组儿童在运动技能和亲社会技能方面表现出优势，统计结果显示这与过去和实际体育经验对决策的交互作用有关。而Stuart J.Fairclough[56]等则采用了24 小时跟踪的横断面调查，发现将时间分配到更多低体力活动和久坐的儿童青少年存在更多的心理内化问题和较差的亲社会性以及认知功能。

这些研究逐步向我们展示了体力活动和认知功能对儿童青少年心理健康的潜在积极影响。今后的研究应该积极发现并利用包含运动、认知和社会情绪结果的相关理论的关键交叉点，采取更科学的方式进一步探索体育运动对儿童执行功能和心理健康的促进作用效果和机制联系研究。不同类型和特点（列如长期开放式团队运动与个人封闭式运动）的运动能够造成的影响是值得关注的地方之一。此外，结合近红外脑功能成像等脑科学研究设备在随机对照研究的基础上探索体育活动作用机制的脑血流动力学证据也是一种值得进一步尝试的研究思路。

3 讨论

运动与脑科学的结合是当今运动科学研究的重点方向之一。运动对儿童青少年执行功能的影响和相关人生的研究对体育学科教学，专业运动员的训练与选材以及大众健身和运动康复事业的发展都有积极的促进作用。本文综述的结果发现运动的积极作用已被广泛的证明，建议今后的研究还应该探索两个问题。首先，具体什么特征的运动能造成更积极的影响；其次，借助更多交叉学科的现今设备与手段设计更加严谨的实验寻找运动积极作用的更加有力的证据。这篇综述还有几个不足的地方。首先，只包含对儿童和青少年进行的研究。鉴于儿童和青少年独特的认知状况，以及整个发育阶段的认知成熟期，这些年龄组使用的测试、验证的证据以及它们的实施方式可能与成人人群不同。因此，需要更多的研究来探索成年人使用的认知测量的心理测量特性。其次，本综述着重于测试体育活动对儿童和青少年认知功能的急性和慢性影响的实验研究。排除非实验性研究意味着结果和建议可能不直接适用于该领域的所有研究。例如以社会学样本区分的对照研究无法被纳入。本综述中包括的测试，以及操作和心理计量学信息并不是对文献的详尽描述，以上内容均摘自纳入的研究，以及它们引用的材料。