高原低氧环境下不同运动强度对藏汉大学生执行功能的影响
2024-01-14李冲
摘要：目的：考察高原低氧环境下不同强度运动对藏汉大学生执行功能的影响。方法：选取藏族大学生18名，汉族大学生19名，分别在跑步机上进行30分钟的小强度和中等强度有氧运动干预，采用Stroop任务、2-Back任务、more-Odd shifting任务测量被試的抑制、刷新、转换功能。结果：与藏族大学生相比，汉族大学生的抑制功能显著高于藏族大学生，转换功能和刷新无显著差异；与基线水平相比，藏汉大学生在小强度运动干预后、中等强度干预后，执行功能三个子成分都得到了显著改善。结论：高原低氧环境下不同强度运动对 藏汉大学生的执行功能都具有积极影响。
关键词：高原低氧；短时有氧运动；执行功能；运动强度
高原占据地球表面的五分之一，全世界有超过1.4亿人生活在2500米以上的高原地区，并且是各种活动的热门目的地，例如徒步、攀登、朝圣、采矿、科学实验和天体观测等，高原同时也吸引了大量的低海拔人群到高原地区旅游、经商、工作 。随着海拔高度的增加，大气压呈指数降低，人动脉血和组织中的氧分压也随之降低，由此产生的低氧状态导致氧摄入量减少，引起认知和生理的变化。
目前，大量实证研究表明，高原低氧环境会影响认知功能，导致反应时间变慢、反应准确性下降、记忆、思维与学习能力降低[1]。由于氧气对于大脑中神经元功能和生长是关键的，虽然人脑只占体重的约2％，但它消耗大约20％的氧气摄入，大脑功能需要持续的氧气供应，以获得有氧代谢。然而，当大脑处于缺氧状态时，其氧合代谢的减少可能会对认知功能造成损害。来自神经影像学的研究也发现，高原低氧对不同认知任务类型（包括n-back任务、Go-NoGo任务、Stroop任务等）的脑刺激模式和激活模式都会产生影响。
在缺氧环境下运动对认知功能的影响取决于缺氧的有害影响和运动的有益影响之间的平衡。缺氧和运动对认知功能的影响受到许多调节变量的影响，如缺氧严重程度、缺氧暴露时间、海拔上升速度、运动强度、运动持续时间、个体心肺功能水平、性别、年龄等，这些因素之间的独立和交互作用对认知功能的影响[2]，将成为未来高原脑认知科学研究的趋势。所以，本研究以生长在低海拔地区，成年后移居高海拔地区的汉族大学生和世居高原的藏族大学生为研究对象，以运动强度为自变量，探讨高原低氧环境下不同强度的短时有氧运动与执行功能的关系，并对比藏汉大学生执行功能的认知过程特征，为科学地制定高原体育活动提供理论依据。
1研究对象与方法
1.1研究对象
在西藏某高校公开招募实验被试，共招募37人，其中藏族18人，汉族19人。藏族大学生均来自海拔3650米以上地区，汉族大学生均来自内地四川、陕西、重庆等平原地区，被试平均年龄为20岁。
1.2研究方法
1.2.1运动干预方案
本研究的有氧运动强度的分级标准以美国运动医学会的标准为蓝本，针对中国大学生的实际情况进行调整，将有氧运动强度分为三个等级：小强度、中等强度和大强度。每个等级的运动负荷都根据个体的最大心率百分比来设定。因为每个人的健康状况和适应能力各不相同，在进行运动时如果感到不舒服或疼痛，应立刻停止活动并寻求专业支持。
1.2.2实验流程
本实验由三个部分组成，包括基线部分、小强度有氧运动部分和中强度有氧运动部分。
基线部分：被试首先需要休息10分钟，接着进行基本心率的测量。然后，我们会使用三项认知任务来评估他们的执行能力。
小强度有氧运动部分：被试在跑步机上进行小强度有氧运动，持续30分钟后停止运动并休息。当他们的心率恢复到基础心率的±10%以内时，再次使用三项认知任务测量其执行功能。
中强度有氧运动部分：这部分与小强度有氧运动部分的实验过程基本相同，唯一的区别是采用了不同的有氧运动强度负荷。
此外，文中还提到了实验的一些细节设计，采用拉丁方设计以抵消练习效应，三项执行功能任务采用平衡设计，以消除顺序效应。
1.2.3执行功能测量
利用Eprime工具设计了Stroop试验：我们提供了四个颜色（红色、绿色、蓝色和黄色）的汉字"红"、"绿"、"蓝"、"黄"作为测试素材，共有16个不同的样本，包括与词汇颜色相匹配的4个样例，以及12个与之相反的样例。被试的任务是忽略字的意义，仅对字的颜色做反应，如果字的颜色是红色则按“D”键，绿色按“F”键，蓝色按“J”键，黄色按“K”键。通过stroop干扰效应来衡量被试的冲突控制能力，不一致试次与一致试次反应时间的差距越小，表明抑制能力越强。
2-back任务测量工作记忆刷新功能。该任务要求被试根据电脑屏幕上依次呈现的数字，按照数字呈现的顺序，当第三个数字出现时，被试需要将其与第一个呈现过的数字进行比较，第四个数字与第二个呈现过的数字进行比较，第五个与第三个比较，以此类推，数字比较结果一致时按“F”键，不一致时配按“J”键，任务材料为数字1到9，以伪随机的方式呈现[3]。测验成绩为正确率，正确率越高，刷新能力越好。
More-oddshifting任务测量转换功能。在实验过程中，被试需要在两种不同颜色的数字之间进行快速切换，并分别进行大/小和奇/偶的判断。他们需要在看到数字后的很短的时间内做出决定，这就测试了他们的认知速度和灵活性。对于转换条件与不转换条件下的平均反应时的差异，如果差异越小，说明被试在任务之间切换得越快，他们的转换能力就越好。
1.2.4数据统计与分析
本实验数据采用spss26.0统计软件进行处理，采用独立样本t检验对基线水平的藏汉大学生执行功能进行比较分析，采用配对样本t检验对不同运动强度干预下的藏汉大学生执行功能进行分析。结果用平均数±标准差表示，以P＜0.05为显著性差异。
2研究结果与分析
2.1藏族和汉族大学生执行功能基线水平比较
采用独立样本t检验对藏汉族大学生的执行功能进行分析，见表1。结果显示，藏汉大学生基线水平的抑制功能（P=0.34＞0.05）没有显著性差异；转换功能（P=0.035＜0.05）和刷新功能（P=0.007＜0.05）存在显著差异，藏族大学生转换功能反应时显著高于汉族，藏族大学生的刷新功能正确率显著低于汉族。
2.2小强度短时有氧运动干预对藏汉大学生执行功能影响
分别对藏族和汉族大学生执行功能基线水平和小强度运动干预后进行配对样本t检验，见表2。结果显示，与基线水平相比，藏族大学生的刷新（P=0.000<0.05）正确率显著提高，抑制功能（P=0.006<0.05）和转换功能（P=0.000<0.05）反应时显著下降。与基线水平相比，汉族大学生的刷新（P=0.003<0.05）正确率显著提高，抑制功能（P=0.000<0.05）和转换功能（P=0.000<0.05）反应时显著下降。
2.3中等强度短时有氧运动干预对藏汉族大学生执行功能影响
分别对藏族和汉族大学生执行功能基线水平和中等强度干预后进行配对样本t检验，见表3。结果显示，藏族大学生的抑制功能（ P=0.000＜0.05）和转换功能（P=0.000＜0.05）反应时显著降低，刷新功能（P=0.000＜0.05）正确率显著提高。汉族大学生的刷新任务（P=0.000＜0.05）正確率显著提高;抑制功能（P=0.043＜0.05）和转换功能（P=0.000＜0.05）任务反应时显著降低。
3讨论
本研究探讨了在海拔3650米高原上小强度和中等强度运动干预对藏族和汉族大学生执行功能的影响。由于藏族大学生从小生活在拉萨、那曲、日喀则等高原地区，并且汉族被试是移居高原1年后的大学生，对高原低氧环境已经产生了习服。因此，在静息状态下，通过比较藏族和汉族大学生的执行功能发现，藏族大学生的抑制反应时显著高于汉族大学生，但刷新和转换功能没有显著性差异。这可能是由于藏族大学生长期生活在缺氧环境下，较低的脑氧代谢率影响了抑制功能的发挥[4]。
本研究结果还发现，小强度运动和中等强度运动干预都显著改善了藏族和汉族大学生的执行功能。在低海拔地区的大量研究发现，短时运动可以改善认知功能，尤其，中等强度的运动最有利于认知功能[5]。运动强度可划分为高强度运动、中等强度运动、小强度运动。唤醒理论认为，运动导致的唤醒反应会影响清醒时的生理和心理状态，这被认为与网状激活系统（RAS）的激活有关，RAS调节对大脑前额叶皮层的上行投射，唤醒诱导的神经调节反应发生在神经系统，当觉醒增加时，认知表现提高到最佳点。虽然，随着海拔升高，空气中的氧含量也在降低，当海拔3700米时，空气中的氧含量是海平面的70%，当海拔4000米时，空气中的氧含量仅占50%，但人的机体会通过心率加快、血压升高、呼吸加深加快方式增加氧气供应，以满足身体各器官和组织的正常运作。
本研究起初也对高强度运动进行了测试，但由于高强度运动过程中，有两名学生分别出现了摔伤和膝关节脱臼，最终放弃了高强度运动，因此本研究只显示小强度运动和中等强度运动。
另外，本研究发现，藏族大学生和汉族大学生无论是小强度运动，还是中等强度运动，执行功能都得到显著改善，这和王成志的研究结果一致[6]，可能的原因是藏汉学生都已经习服了3650米的高原缺氧环境。Ma等的研究指出，人的心理功能存在一定的海拔阈值，与居住在海拔2700米和3700米的人群相比，居住在海拔4500米人群在Flanker任务中的N2差异波更小，表明4000米以上海拔对冲突监控阶段加工的损害影响更显著[7]。未来研究可以在海拔4000米以上环境进行小强度和中等强度运动干预，来检测海拔高度和运动强度的交互作用对执行功能的影响。
4结论
在高原低氧环境下，藏汉大学生在小强度运动干预后、中等强度干预后，执行功能三个子成分都得到了显著改善。这说明在高原低氧环境下，运动可以产生唤醒反应、加快心率、提升血压、呼吸加深加快等方式增加机体的氧气供应，以满足身体各器官和组织的正常运作，以此改善执行功能。
参考文献
[1]宗咏花.高原环境诱发认知功能障碍的病理机制研究进展[J].神经解剖学杂志，2022，38（06）：709-712.
[2] Jung M ， Zou L ， Yu J J ，et al.Does Exercise Have a Protective Effect on Cognitive Function under Hypoxia？ A Systematic Review with Meta-Analysis[J].Journal of Sport and Health Science， 2020 ， 9（6）： 562-577.
[3]张文彦.工作记忆刷新训练对青少年创造性思维的影响[D].西北师范大学，2021.
[4]马强，侯会生，李佳鑫.高海拔环境中短时有氧运动与大学生执行功能的实验研究[J].中央民族大学学报（自然科学版），2020，29（01）：81-86.
[5]周志强，吕中凡，史鹏等.不同强度短时有氧运动对久坐大学生自我控制的影响及时程特点[J].湖北体育科技，2023，42（03）：189-192+229.
[6]王成志.不同强度有氧运动对高原移居者注意功能的影响[D].西藏大学，2023.
[7] Ma H ， Han B ， Wang Y .Different Neurocognitive Patterns of Conflict Control in Tibetans Living Above and Below 4，000 m[J].PeerJ， 2019， 7： e7269.
基金项目：西藏藏医药大学2021年度校级科研项目（2021ZRYB12）。
