急性有氧運動對大學生執行功能的影響:來自fNIRS和行為實驗的證據

文世林，夏樹花，李憐軍，楊 陽，譚正則，蔣長好

●博士（生）論壇 Doctor Forum

急性有氧運動對大學生執行功能的影響:來自fNIRS和行為實驗的證據

文世林1，夏樹花2，李憐軍3，楊 陽1，譚正則1，蔣長好1

目的:研究急性有氧運動對大學生執行功能的影響，探討運動負荷引起執行功能變化的腦機制。方法:通過近紅外光譜功能成像（fNIRS），測量短時中等強度有氧運動對16名大學生局部腦區的血液動力學變化的影響，并考察神經激活與行為表現的關系。結果:行為試驗中，運動任務的反應時顯著低于對照任務（t（1，15）=-4.93，P＜0.001）。近紅外光譜試驗中，右側前額葉皮質區（R-DLPFC），運動任務的oxy-Hb信號顯著高于對照任務（t（1，15）=4.25，P＜0.001）；右側額極區（R-FPA）上，運動條件下的oxy-Hb信號也顯著高于對照任務（t（1，15）=4.06，P＜0.001）。結論:中等強度有氧運動可短暫提升大學生的執行功能水平，其中，Flanker任務的行為操作表現有所提高，右側背外側前額葉皮質區（R-DLPFC）與右側額極區（R-FPA）的神經激活水平有所增加，且局部腦區的血液動力學變化與行為操作表現的提高具有一致性。

有氧運動；大學生；執行功能；Flanker效應；近紅外光譜；腦激活模式

執行功能（executive functions）是對認知過程管理的一種概括性描述，包括工作記憶、推理、任務彈性、決策[1]、計劃和抑制等[2]，其中，A.MIYAKE等[3]的三子成分理論（抑制、刷新、轉換）是最經典的理論模型之一。近年來，體育鍛煉與執行功能關系的研究逐漸引起了研究者的重視，有研究表明，不同強度有氧運動對執行功能產生顯著影響，且選擇性地影響抑制、刷新和轉換3個不同的子成分[4]。

由于執行功能結構復雜，子成分較多，研究中需通過特定的神經心理任務來進行測量，如Flanker任務。在體育運動與執行功能的研究中，Flanker任務有廣泛的應用，如通過Flanker任務測量沖突控制能力（interference control）來探討體育運動對不同年齡階段人群認知水平的影響[5]；測量注意控制（cognition control of attention）評價急性有氧運動對認知健康的影響[6]；測量執行控制能力（executive control）評價有氧體能與認知發展的關系[7]；測量注意抑制（attentional inhibition）評價短期身體訓練對執行功能的影響[8]等。可見，Flanker任務是評價體育鍛煉對執行功能影響的有效手段之一。

雖說，現有研究積累了大量關于有氧運動對執行功能影響的實驗證據，但有氧運動影響執行控制過程的神經機制仍有待進一步探索。若要探討有氧運動對執行功能影響的神經機制，需通過神經影像學方法來監測執行心理任務過程中的神經活性，從而獲得與行為表現同步變化的腦激活模式。有元分析將執行功能各子成分的腦激活模式繪制成一個整體分布圖，結果顯示，執行功能的大腦激活區域主要出現在雙側前額葉皮質（PFC）[9]。可見，PFC是執行功能最重要的功能腦區，也是神經影像研究中主要的“感興趣區”（region of interest，ROIs）[10]。有研究將PFC劃分為3個感興趣區[11]:背外側前額葉皮質（DLPFC），主要參與決策[12]、工作記憶[13]過程；額極區（FPA），主要與決策有關[14]；腹外側前額葉皮質（VLPFC），與運動抑制有關[15]。這樣就可在行為實驗的基礎上，對執行功能的相關功能腦區進行同步監測。

局部腦區的功能測量主要通過如核磁共振技術（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、單光子發射體層攝影術（single photon emission tomography，SPET）和近紅外光譜功能成像（functional near infrared spectroscopy，fNIRS）等功能成像技術。多通道fNIRS是近10年來發展和應用迅速[16]，具有較高的生態效度[17]，可實時測量腦區微血管血氧信號來反映局部腦區神經激活水平的非介人性方法[18]。基于上述腦成像技術的發展和應用，有氧運動與執行功能關系的探討就有了可能。

短時中等強度有氧運動能否短暫引發大學生執行功能的變化？研究根據上述問題提出假設1:急性有氧運動對大學生行為表現產生影響；假設2:急性有氧運動對大學生局部腦區的腦激活模式產生影響。為了檢驗上述假設，研究采用Flanker任務和fNIRS同步測量大學生群體的行為表現和腦區的神經激活。

1 研究對象與方法

1.1 試驗對象

在北京市某體育院校隨機挑選16名大學生，男生9人，女生7人，被試身高（172.0±7.8）cm，體重（65.1±10.0）kg，平均年齡（23.6±1.2）歲。被試應符合如下遴選標準:（1）無精神異常，無顯著智商差異，無呼吸道疾病；（2）非色盲；（3）被試的利手情況一致；（4）試驗前2天沒有大的情緒波動，沒有進行大運動量身體活動；（4）Flanker任務的錯誤率不超過40%；（5）不能完成試驗要求的運動強度和運動時間。研究中招募的15名被試在試驗開始前仔細閱讀符合倫理委員會要求的試驗實施知情協議書，以保證被試的合法權益。

1.2 試驗設計

采用2×2×2的被試內設計，其中每個自變量包括2個水平，Flanker任務包括一致任務與不一致任務，有氧運動包括對照任務和運動任務，前測和后測。

試驗中，每個被試接受所有試驗條件的作用，在對照任務和試驗任務的測試中按照ABBA的先后順序進行平衡處理。在運動任務時，每位被試進行10 min中等強度自行車蹬踏運動，休息，當心率恢復到靜息心率±10%以內時（大概休息時間為15 min左右）再參與后測試驗。為了評估被試在有氧運動前后的精神狀態，在運動前后均進行主觀疲勞感受（RPE）的測試。對照任務的被試在自行車上坐立休息25 min后直接進行后測。同一被試參加對照任務和運動任務測試的時間間隔不少于72 h，72 h可消除練習效應[19]。在每個session的測試中，被試進行Flanker任務，并同步測量大腦的血液動力學波動。

1.3 有氧運動方案

要求被試保持10 min中等強度的有氧運動。中等強度一般指，將運動中的最大心率保持在66%左右[4]，即66%HRmax=（220-年齡）×66%。被試通過功率自行車來完成試驗要求的運動負荷。有氧運動過程中，運動強度的調控主要通過調節功率自行車（功率自行車的型號為Ergoselect_II_1000）阻力大小，及被試自我控制運動的頻率來完成。預試驗的結果顯示，被試踏車頻率在60~70 r/min，功率自行車的阻力為110 w時，可保持中等強度的運動強度。被試可通過ALPHA心率監測儀來監控運動中目標心率的變化。運動中，被試應時刻關注心率檢測儀的數據變化，并根據心率變化與踏車頻率的關系來調控運動強度。通過上述方法，以確保有氧運動的強度保持在60%~69% HRmax的范圍。試驗開始前，被試先進行2~3 min的熱身運動，當心率水平達到相應數值后再開始10 min的有氧運動。有氧運動結束后，被試進行2 min左右的恢復練習（阻力大小為25 w）。

1.4 執行心理任務

執行功能的測量所采用的神經心理任務為Flanker箭頭任務。Flanker任務的原理如下:箭頭刺激包括一致任務（>>>>>，< <<<<）和不一致任務（<<><<，>><>>）2種類型，被試通過判斷不同任務的中央靶箭頭朝向來做按鍵反應。當屏幕中間的靶箭頭任務出現的是“>”圖形，被試應以最快的速度按鍵盤右側的“J”鍵；如果出現“<”圖形，被試按下鍵盤上的“F”鍵。這樣就可以進一步計算被試在不同任務水平下的反應時和錯誤率的差異。整個試驗環節包括2個session，每個session包括8個block，其中一致任務和不一致任務各包括4個block。每個block由30個trails的刺激任務組成，其中每個trail的持續時間為1 000 ms，即刺激呈現時間400 ms，間隔600 ms。

1.5 局部腦區血液動力學監測方案

多通道fNIRS（ETG-4000）是一種測量精度高，測量數據對噪聲敏感的設備，在測量過程中需要主試的熟練操作和被試的密切配合，fNIRS在操作過程中有如下注意事項。（1）確保光極帽在不同session水平上的位置一致。如何使前后2次試次的測量位置保持一致是保證試驗效果的關鍵一環。ETG-4000光極帽包括左右2塊測量面板，每塊測量面板光極為3×5排列方式，包括22個測量通道，左右測量面板共計44個通道。根據MNI空間“肉眼配準法”[20]，左側面板的第23號發射光極放置在FP1位置，右側面板的第11號發射光極放置在FP2位置（見圖3）。如果同一個session的前后2次測量之間，主試用彩色筆將光極放置的主要生理標志點在被試頭皮上做出標記；如果是不同session的2次測量之間，主試通過拍照的方式來比對2次光極帽佩戴的大致位置。（2）確保fNIRS各通道的光學信號正常。fNIRS通過發射和接收2種波長（785和830 nm）的近紅外光來推斷大腦皮層微細血管的血液動力學變化（采樣頻率為10 Hz）。由于近紅外光非常敏感，容易受光極和頭皮之間的毛發、油脂等非介質物的影響，這就需要主試對通道的信號強度進行檢查。如果發現有通道出現光學信號的異常情況，應及時調整光極與頭皮的接觸位置，或是毛發的遮擋等來提高通道的信號強度。在測量過程中，主試應時刻關注fNIRS系統顯示屏的數據信息，如有通道出現信號異常，主試應記錄下異常信號所在的被試、試次和通道等信息，并在后期的數據處理過程予以針對性處理。

1.6 統計學方法

2 研究結果

2.1 運動過程心率監控與RPE結果

為了確保被試在10 min的有氧運動過程中達到了中等強度水平，或是后測開始前被試心率恢復到靜息心率水平，對被試的運動前靜息心率、運動中每分心率、運動后15 min心率值進行紀錄。心率結果顯示，運動中被試10 min的平均心率達到（121.8± 17.4）次/min，已接近66%HRmax的目標心率值。RPE結果顯示，被試運動前后的RPE值差異不顯著（t（15）=-1.293，P>0.05），且RPE值所對應的主觀疲勞感覺區間為“很輕松”與“輕松”。上述結果表明，被試接受了中等強度運動負荷的刺激，且在運動過程中沒有出現由于運動疲勞所引起的精神狀態下降。

2.2 神經心理任務的行為表現

Flanker任務的行為數據包括反應時和錯誤率2個部分，預處理和計算結果見表1。

表1 大學生Flanker任務的行為數據Table1 Behavior data of flanker interference of college student

通過方差分析檢驗各自變量的主效應和交互作用。結果顯示，反應時的Flanker任務主效應顯著（F（1，15）=193.85，P<0.001，η2=0.93），同時，錯誤率的的主效應也顯著（F（1，15）=449.42，P< 0.001，η2=0.95）。這說明，研究所選擇的神經心理任務能有效反映各自變量的關系。

研究進一步考察了有氧運動對Flanker效應的影響，結果顯示，反應時的有氧運動和前后測的交互作用顯著（F（1，15）=24.25，P<0.05，η2=0.62），但錯誤率交互作用不顯著（F（1，15）=0.17，P> 0.05）。由上述神經心理任務的試驗結果表明，反應時比錯誤率對有氧運動的處理效應更為敏感（見圖1）。

圖1 有氧運動與前后測的交互作用示意圖Figure1 Interaction between aerobic exercise and session factors

配對樣本T檢驗進一步對有氧運動和前后測的交互作用進行計算，比較運動任務與對照任務的反應時（Flanker效應的后測-Flanker效應的前測）差異，顯示，前者的反應時顯著低于后者（t（1，15）=-4.93，P<0.001，r2pb=0.62）。表明，短時的自行車蹬踏運動可促進大學生認知神經任務的操作表現水平，原假設1成立（見圖2）。

保山市隆陽區丙麻鄉屬于山區，本地不出產煤炭，煤炭外購成本高昂，加之近年來地貌恢復和植樹護林形勢嚴峻。煙葉烘烤對于燃料的需求大，新鮮煙葉8～10 kg才可烤出來1 kg干煙，對于近2 000 t的種煙鄉，每年的燃料需求量巨大，可以說燃料成本已成為當地烤煙生產的重要支出。因此，能耗問題與行業發展、地方財稅與煙農增收的矛盾越來越激烈。

圖2 大學生的行為數據和Flanker效應Figure2 Behavior data and flanker interference of college student

2.3 fNIRS結果

對血氧信號數據進行預處理。（1）濾波處理:保留0.04~0.7 Hz之間的成分；（2）整合處理:根據任務類型依次統計在一致任務和不一致任務水平上的oxy-Hb信號。通過SPSS數據包對oxy-Hb信號進行統計分析。近紅外光譜設備可獲得oxy-Hb，deoxy-Hb以及二者之和（total-Hb）3項指標。相比deoxy-Hb和total-Hb信號，oxy-Hb信號更能反映大腦神經激活水平的變化[21]。因此，研究中通過計算oxy-Hb信號的變化來反映認知過程的神經激活水平。研究所采用的感興趣區劃分方法與對老年人群體的研究一致[22]（見圖3）。

各ROIs的oxy-Hb信號均值即為該ROI所包含所有通道的信號均值。這樣，便可以在ROI水平上比較血氧信號的差異（見圖4）。

圖3 fNIRS光極分布與腦區ROIs劃分的示意圖Figure 3 Placement of fNIRS probes and region of interests（ROIs）

圖4 一致任務與不一致任務血氧信號變化的整合圖Figure4 Amplitude of hemoglobin（HB）single of integrated congruent（left）and incongruent（right）task

采用重復測量方差，分別對6個ROIs的有氧運動與前后測的Flanker效應進行檢驗，結果顯示，R-DLPFC腦區有氧運動和前后測之間的交互作用顯著（F（1，15）=18.02，P<0.001，η2=0.55），同時，R-FPA腦區有氧運動和前后測之間的交互作用也顯著（F（1，15）=16.50，P<0.001，η2=0.52）。結果表明，有氧運動與前后測各水平的處理效應引發了上述2個腦區Flanker效應的oxy-Hb信號顯著變化（見圖5）。

配對樣本T檢驗進一步比較運動任務與對照任務的oxy-Hb信號的差異（Flanker效應的后測-Flanker效應的前測），結果顯示:在L-DLPFC腦區上，運動任務的oxy-Hb信號顯著高于對照任務（t（1，15）=4.25，P<0.001，r2pb=0.55）；在L-FPA腦區上，運動任務的oxy-Hb信號也顯著高于對照任務（t（1，15）=4.06，P<0.001，r2pb= 0.52）。這就表明，急性有氧運動可顯著提高右側背外側前額葉皮質（R-DLPFC）和右側額極區（R-FPA）的神經激活水平，接受原假設2（見圖6）。

3 分析討論

圖5 L-DLPFC和L-FPA腦區有氧運動和前后測交互作用示意圖Figure5 Interaction between aerobic exercise and session factors of L-DLPFC and L-FPA

圖6 運動負荷對大學生神經激活水平的影響Figure6 Effect of aerobic exercise on Oxy-Hb singles and cerebral activation pattern of college student

3.1 行為和fNIRS實驗結果的含義

研究旨在探討急性中等強度有氧運動對大學生Flanker任務表現和神經激活水平的影響，并通過行為數據和血氧信號的同步變化來反映有氧運動與執行功能的關系。

從行為表現來看，一致任務的RT比不一致任務更短，且這種變化在有氧運動和前后測各水平上重復出現，這就說明，Flanker任務可以有效反映試驗條件所預期的處理效應。Flanker效應的反應時差值越小，說明相應的執行功能就越好。Flanker效應的結果顯示，運動任務反應時在后測水平出現了顯著降低，相反，對照任務的反應時卻出現了增加。可見，中等強度有氧運動提高了大學生Flanker任務的操作表現，這就為急性有氧運動增進執行功能的觀點提供了行為試驗證據。

從fNIRS的結果來看，急性有氧運動對Flanker任務所引起的oxy-Hb信號產生了顯著影響。fNIRS結果顯示，有氧運動過程中各通道的oxy-Hb信號出現了明顯增強，且R-DLPFC和RFPA腦區由Flanker效應所引發的oxy-Hb信號也顯著增加。而且，運動后R-DLPFC和R-FPA腦區激活水平的增加，與Flanker任務過程中行為操作表現的提高同步出現，這就為急性有氧運動提高大學生執行功能提供了神經生理證據。

3.2 Flanker任務的腦激活模式

那么，為何在研究結果中前額葉的神經激活出現在右側大腦半球？首先，神經激活在大腦半球所出現的位置與心理任務有關。大腦功能連接的研究表明，處理Flanker效應的認知控制網絡具有如下特征:由Flanker任務所引發的與注意控制相關的多個腦區之間的路徑（paths）表現出了顯著的右側優勢[23]。有研究采用元分析方法對多項與Flanker任務的腦區激活模式相關的研究進行了統計，統計結果顯示，激活部位主要出現在右側DLPFC[24]。其次，大腦偏側優勢與年齡密切相關。有fMRI研究表明，在箭頭Flanker任務試驗中，年輕人和老年人在前額葉皮質表現了顯著的偏側優勢，年輕人僅在右側額下回和額中回出現了顯著激活，但老年人在左側額上回和額中回也出現了神經激活，且后者在右側半球所出現的激活量比前者少[25]。可見，Flanker任務類型與年齡特征是影響半球偏側優勢的主要因素。

運動負荷對局部腦區神經激活的影響與該腦區所對應的執行功能有關。運動負荷之所以增進R-DLPFC和R-FPA腦區的神經活性是因為，DLPFC與工作記憶[13]、決策過程中信息的動態選擇[26]、自我控制選擇（self-control choices）等方面有關[27]，而FPA主要與整合多個高級行為目標[28]和決策（decisionmaking）[14，29]等功能相關。這為運動后DLPFC和FPA神經活性的增加以及右腦偏側優勢的出現提供了理論依據。

運動負荷對DLPFC和FPA的影響與已有研究具有一致性。彩詞Stroop任務的fNIRS研究發現，有氧運動可增強左側DLPFC[11]和FPA[10]腦區的神經激活水平，fMRI研究也支持彩詞Stroop任務引發DLPFC激活的觀點，但由Stroop任務所引起的半球偏側優勢與Flanker任務的結果相悖:彩詞Stroop任務（文字處理）引起右側半球出現更多的神經激活，而箭頭Stroop任務（空間處理）則引起左側半球的激活優勢[30]。雖說，Stroop和Flanker任務所對應的偏側優勢存在差異，但二者均說明DLPFC和FPA腦區在執行過程中起著非常重要的作用，為急性運動負荷增加2大腦區的神經激活水平提供了理論支撐。

3.3 腦區激活與認知功能的關系

那么，腦區激活水平增加與認知功能的變化是否存在關聯呢？運動負荷促進前額葉皮質的神經活性，可能與DLPFC和FPA腦區在應對注意控制或抑制過程需動用神經資源相關，同時，一致任務與不一致任務所引發的神經活性差異也說明，腦區在應對不同難度認知任務時所動用的神經資源存在差別[10-11]。有研究結果進一步表明，在急性中等有氧運動后，認知任務表現的提高與前額葉皮質的神經激活增加具有耦合性[10-11]。這就從神經激活變化與行為表現2方面進一步說明急性負荷增強了大腦在應對執行控制任務過程中動用神經資源的能力。

然而，在對照任務后測水平上，局部腦區的神經激活水平低于前測水平。試驗中，對對照條件進行嚴格的控制。對照任務在前測之后一直保持靜止坐立姿勢，在之后的25 min內幾乎沒有肢體運動，也幾乎沒有言語的交流。那么，相比運動任務，對照任務在后測時大腦處于一種抑制狀態。由此可見，運動后R-DLPFC和R-FPA激活水平的提高，可能與中等強度負荷促進被試的清醒程度有關。對于上述問題，有研究報道表明，在運動疲勞過程中DLPFC的神經活性會出現降低[31]；另有研究表明，在睡眠之后進行詞匯任務時被試的局部腦區也會出現下降[32]。可見，不同精神狀態可能會引起不同的認知表現。有研究通過ERP試驗對P300的變化進行了分析，并提出了如下觀點:自然狀態或是誘發狀態（包括運動）均會對認知過程速度產生顯著影響[33]。

除了精神狀態可引起腦區激活水平的變化，身體活動本身與認知表現關系密切。有研究指出，身體活動水平與認知表現的變化趨勢呈倒U型分布，即身體活動水平與認知表現的增加從開始階段逐漸增加到最高點，然后又出現下降[34]。有氧運動與大腦激活水平的研究認為，被試在66%最大心率[35]或50% V˙Ο2max強度[11，36]時激活水平最高，太大或太小的負荷強度不會出現大幅度的神經激活。有研究指出，在重復測量的Stroop任務中，大腦的激活水平仍然能保持較高水平[37]，這就說明，認知任務的練習效應不會導致神經激活水平的顯著降低。因此，急性中等強度的有氧運動可促使大腦處于一個良好的激活狀態，從而進一步提高大腦的認知功能。

綜上可知，急性運動負荷可提高認知表現和增加腦區激活水平（R-DLPFC和R-FPA），那么，長期有氧運動對腦功能所產生的影響是否跟每一次短時有氧運動的作用存在某種關聯度呢？根據神經影像所提供的證據，長期運動刺激會引起大腦局部腦區的功能增強，包括DLPFC[38]。最近有研究（大鼠實驗）表明，骨骼肌的長期運動可降低大腦衍生營養因子（Brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的閾值[39]，也有關于長期有氧運動可以提高老年人大腦中5-羥色胺活性的報道[40]。可見，長期有氧運動對執行功能產生積極影響，但長期有氧運動所帶來的功能增強與急性有氧運動短暫作用的關系仍需進一步證明。

4 結 論

中等強度有氧運動可短暫提升大學生的執行功能水平，其中Flanker任務的行為操作表現有所提高，右側背外側前額葉皮質區（R-DLPFC）與右側額極區（R-FPA）的神經激活水平有所增加，且腦區的神經激活增加與行為操作表現的提高具有一致性。

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Effect of a Bout of Acute Aerobic Exercise on Executive Function（EF）of College Student:Evidences from fNIRS andBehaviorExperiments

WEN Shilin1，XIA Shuhua2，LI Lianjun3，YANG Yang1，TAN Zhengze1，JIANG Changhao1
（1.School of PE，Capital University of Physical Education and Sports，Beijing 100086，China；2 School of PE，Henan Normal University，Xinxiang 453007，China；3.Hunan University of Humanities，Science and Technology，Loudi 417000，China）

Objective:The present study was to explore the effect of a bout of acute aerobic exercise on executive function（EF）of college students and its neural mechanism.Methods:The study examined the effect of 10min acute exercise on behavior performance and brain activation level during the Flanker task of 16 college students using behavior experiments and the non-invasive functional near infrared spectroscopy（fNIRS）methods which was to identify the potential neural substrates activated by the Flanker interference.Results:The Flanker interference of reaction time（RT）of the experimental group was significant lower than the control group（t（1，15）=-4.93，P＜0.001）.The flanker interference of oxy-Hb single of the experiment group was significant higher than the control group in the right dorsolateral prefrontal cortex（R-DLPFC）（t（1，15）=4.25，P＜0.001）and the right frontopolar area（R-FPA）（t（1，15）=4.06，P＜0.001）.Conclusions:The EF behavior performance and the activation level of contralateral brain regions of the young man during Flanker task were significant boomed by the aerobic exercise simultaneously.And the enhanced activation was significantly coincided with the improved cognitive performance. The experiment results provided new evidences of the effect of the aerobic exercise on the EF of the young.

aerobic exercise；college student；executive function；Flanker interference；fNIRS；cerebral activation pattern

G 804.8

：A

1005-0000（2015）06-526-06

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2015.06.011

2015-08-17；

2015-10-30；錄用日期：2015-10-31

首都大學生思想政治教育研究課題（項目編號:BJSZ2014ZL03）；湖南省教育廳科學研究優秀青年項目（項目編號:11B040）；北京市社科項目（項目編號:132HB008）

文世林（1980-），男，湖南桃江人，博士，講師，研究方向為運動促進身心健康發展。

1.首都體育學院體育教育訓練學院，北京100086；2.河南師范大學體育學院，河南新鄉453007；3.湖南人文科技學院，湖南婁底417000。