有氧體能對執行功能的影響：一項fNIRS研究

文世林　王華

摘要：為了探討有氧體能對大學生執行功能的影響，檢驗在執行心理任務過程中有氧體能所引起的神經激活水平的變化。通過行為測量和近紅外光譜功能成像（fNIRS）方法探討高、低有氧體能的30名大學生在Flanker任務過程中的行為表現和腦區激活模式的差異。得出結果：高體能組Flanker效應的反應時顯著低于低體能組（t（28）=-2.31，P<0.05）。在左側前額葉皮質區（LDLPFC），高體能組Flanker效應的oxyHb信號顯著高于低體能組（t（28）=5.19，P<0.001）。結論：Flanker任務過程中LDLPFC的神經激活和行為操作表現與有氧體能有關，且有氧體能引起腦區oxyHb信號與認知表現的同步變化。研究結果為有氧體能對執行功能相關的神經基質和行為表現產生影響提供了實驗證據。

關鍵詞： 有氧體能；大學生；執行功能；腦激活模式；近紅外光譜

中圖分類號： G 804文章編號：1009783X（2016）02016106文獻標志碼： A

Abstract：Objective：The present study was to explore the effect of the aerobic fitness on the executive function （EF） of college students and its brain activation mechanism.Methods：The study examined the effect of aerobic fitness on the behavior performance and the brain activation pattern during the Flanker task of 30 college students （ high fitness and low fitness group） using the behavior experiments and the non-invasive functional near infrared spectroscopy （fNIRS） methods which is to identify the potential neural substrates activated by Flanker interference.Results：The Flanker interference of reaction time（RT） of the high fitness group was significant lower than the low fitness group（t（28）=-2.31，P<0.05）.And the oxyHb single in the left prefrontal cortex （LDLPFC） of the high fitness group was significant higher than the low fitness group （t（28）=5.19，P<0.001）.Conclusions：The EF behavior performance and the brain activation level of the young man during the Flanker task were significant effected by the aerobic fitness simultaneously.And the differences of the brain activation and the improved behavior performance of two groups were coincided.The experiment results provided new evidences to the effect of the aerobic fitness on EF of the young.

Keywords：aerobic fitness；college student；executive function；brain activation pattern；fNIRS

有氧體能（aerobic fitness，或 endurance fitness）是指盡可能長時間地維持肌肉力量或速度輸出的能力[1]，也有研究稱之為心血管適能（cardiovascular fitness）[2]。眾多研究表明定期的身體活動和良好的有氧體能有益于增進不同年齡段人群執行功能和腦健康。相比有氧體能低的兒童，有氧體能高者表現出更高的注意能力[3]、更快的信息處理速度[4]及在標準化學業成績測驗中獲得高分[56]。有氧體能可提高老年人大腦前額葉皮質的氧和反應水平[7]，可提高老年人多個腦區的灰質體積[8]。有關老人癡呆癥（alzheimer's disease，AD）的研究表明，有氧體能可增加與AD相關的腦區的灰質體積[9]，提高默認網絡（default mode network，DMN）的功能連接[10]。可見，有氧體能對兒童和老年人的執行功能和腦健康有顯著意義。

然而，有氧體能對某些特定執行控制過程的影響以及神經基質（neural substrates）變化的有關機制仍有待進一步探索。如何通過包括身體活動在內的健康行為方式獲得特定大腦結構和功能持續發展的機會，是運動科學和認知神經科學領域非常重要的課題之一[11]。該領域的研究大多在嚴格控制的實驗條件下完成，且需要借助先進的研究手段。特別是隨著神經影像技術的發展，如核磁共振技術（fMRI）、單光子發射斷層顯像（SPECT）、近紅外光譜技術（fNIRS）等，研究者可直接監測執行心理任務過程中大腦激活水平和大腦血液動力學等方面的特征。

基于上述論述提出如下假設：有氧體能對執行功能相關的神經基質和行為表現產生影響。根據上述假設，研究設計了行為實驗和光譜實驗，進一步檢驗行為實驗中高體能組與低體能組的反應時差異，以及近紅外光譜實驗中高體能組與低體能組局部腦區的oxy-Hb信號在功能腦區上的差異。

1研究方法

1.1實驗對象

實驗對象為北京市某體育院校30名大學生（15男，15女）。被試篩選的條件：1）無腦創傷、精神病史、心肺疾病、鼻炎等；2）右利手；3）辨色正常；4）實驗前2天不能飲酒、熬夜、大負荷運動；4）Flanker任務的錯誤率在40%以上的數據應予以剔除；5）運動任務中，未完成10 min有氧運動的被試數據應被剔除；6）此外，存在較多頭動噪聲的血氧信號數據應被剔除。研究中招募的30名被試均以中文為母語，且符合上述實驗要求。實驗開始前被試仔細閱讀研究知情協議書，并簽名確認。

所有被試先參加800 m測試，并根據800 m成績（按高考評分標準換算分值）進行排序和實驗分組，前15位（8男，7女）作為高體能組，后15位（7男，8女）作為低體能組（見表1）。其中，800 m成績高體能組顯著高于低體能組（t（28）=5.50，P<0.001），高體能組每周鍛煉次數顯著高于低體能組（t（28）=2.35，P<0.001）。此外，每周鍛煉次數與800 m成績具有較高的相關性（r=0.59，P<0.001，n=30）。這就進一步說明按800 m成績來劃分有氧體能具有一定的合理性。800 m跑是無氧功能與有氧功能的混合耐力跑，對心血管能力有一定的要求，是一種檢驗心血管能力（cardiovascular fitness）的測試。有研究以800 m跑成績評判女大學生的耐力水平，并以此來評判體育專業女大學生和普通女生的有氧體能[12]。有限元分析認為大腦血氧相對穩定，出現顯著差異的年齡區間為25歲以下、25～54歲、54歲以上3個等級[13]。雖說高低體能組的年齡存在臨界差異（t（28）=-2.27，P<0.05），但2組的年齡均值小于25歲，可認為高低體能組在年齡上的差異不是引起腦區oxyHb信號變化的主要因素。研究中的被試均為體育專業學生，其800 m成績相對較高，被試800 m平均得分所對應的成績為：男子133 s 74 ms，女子161 s 12 ms，該分組的成績標準不一定適合普通的大學生。

1.2實驗設計

采用重復測量兩因素混合實驗設計。其中自變量Flanker任務（一致任務與不一致任務）和有氧體能（高體能組和低體能組）。Flanker任務為被試內因素，有氧體能作為被試間因素，這樣就可做一個2×2的重復測量兩因素的混合實驗設計。

實驗程序：1）有氧體能測試。30名被試隨機分成2組參加800 m測試，采用手動計時記錄成績。所記錄成績根據體育高考800 m評分標準換算分值，并按從高到低的順序進行排序，其中前15位為高體能組，后15位為低體能組。2）心理實驗。高、低體能組的每個被試隨機參加Flanker任務測試，并用fNIRS同步監測大腦活動。其中，Flanker任務具有如下特點：在黑色屏幕的中間位置呈現白色的箭頭刺激，其中箭頭刺激共包括2種：一致的刺激（>>>>>，<<<<<）和不一致的刺激（<<><<，>><>>）。實驗開始后，被試對刺激中央的靶箭頭朝向做出反應，如果靶箭頭是“<”就按鍵盤左側的“F”鍵，是“>”則按鍵盤右側的“J”鍵。每個session包括8個block，其中一致任務刺激4個block，不一致任務刺激4個block。每個block包括30個trail，每個trail的持續時間為1 s，其中任務呈現400 ms，間隙為600 ms。實驗過程中Flanker任務自動記錄被試的反應時等相關的行為數據。

1.3fNIRS監測方案

實驗采用多通道fNIRS系統（ETG4000，Japan）監測Flanker任務過程中局部腦區的血氧信號。fNIRS監測方案如下。

1）佩戴fNIRS光極帽。根據10～20系統法和人腦生理解剖結構來佩戴fNIRS光極帽。ETG4000的光極帽由左右2塊測量面板組成，每塊測量面板包括8個發射光極和8個接收光極，光極間距為3 cm，測量面板的光極排列方式為3×5。每塊面板包括22個測量通道，共計44個通道。依據執行功能的神經激活腦區分布特征和fNIRS設備的功能特點，實驗中光極帽主要覆蓋大腦前額葉皮質區。其中，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（如圖3所示）。為了確保前、后測光極帽佩戴的位置一致，一般在前測結束后，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，以便后測時可將同一光極放置在原有的位置。

2）檢查光譜儀各通道的信號強度。fNIRS系統通過785和830 nm 2種波長的近紅外光來采集人腦活動時的光學數據（采樣頻率為10 Hz）。由于光極和頭皮之間存在毛發、油脂等非介質物，在信號測試時個別通道的信號強度有可能會出現偏弱的現象。這就需要主試對通道的信號強度進行檢查，及時調整信號強度偏弱通道所對應的光極與頭皮的接觸位置，提高通道的信號強度。如果調整后仍出現信號強度不正常的情況，主試記錄該通道的代碼，以便數據分析時將該通道數據進行處理或剔除。

3）數據的輸出與統計。實驗結束后直接將解算出的數據導出計算機進行離線分析。ETG4000系統可通過BeerLambert定律對采集的光學數據進行解算，得到含氧血紅蛋白（oxygenated hemoglobin，oxyHb）、脫氧血紅蛋白（deoxygenated hemoglobin，deoxyHb）和總血紅蛋白（total hemoglobin，totalHb）的血氧信號數據。通過TOPO軟件對血氧信號數據進行預處理，應用NFRI軟件進行MNI腦區空間坐標配準（virtual registration）和功能成像[14]。

1.4統計學分析

通過IBM SPSS Statictic 22.0對行為和fNIRS數據進行計算和統計分析：獨立樣本t檢驗來比較各組間Flanker效應的反應時和oxyHb信號的差異。

2研究結果

2.1Flanker任務的行為表現

首先，對行為數據進行預處理。統計一致任務和不一致任務條件下的反應時和錯誤率的均值，見表2。

為了考察不同有氧體能對執行功能的影響，先對Flanker任務的效應進行分析。Flanker效應（Flanker interference，簡稱Flanker效應）是指由周邊刺激對中央靶刺激所引起的干擾，行為數據的效應以不一致任務與一致任務的差值來表示[15]。通過獨立樣本t檢驗對比高、低體能組的Flanker效應差異，結果顯示：高體能組的反應時顯著低于低體能組（t（28）=-2.31，P<0.05，r2pb=0.16，見圖1A/C），但錯誤率的組間差異不顯著（t（28）=-0.18，P>0.05，見圖1B/D）。結果表明，有氧體能對反應時產生影響。

從有氧體能和Flanker任務的交互作用（如圖2所示）來看，有氧體能對行為操作主要表現在不一致任務水平上。

2.2fNIRS結果

對血氧信號數據進行預處理：將頻率小于0.04 Hz和大于0.7 Hz的成分濾除，其中包括心臟、呼吸和頭動等噪聲。預處理之后，根據任務類型進一步統計出一致任務和不一致任務水平上的oxyHb信號。接下來通過SPSS數據包對oxyHb信號進行統計分析。近紅外光譜設備可獲得oxyHb、deoxyHb以及二者之和totalHb3項指標。相比deoxyHb和totalHb信號，oxyHb信號更能反映大腦神經激活水平的變化[1618]，因此，研究中通過計算oxyHb信號的變化來反映認知過程的神經激活水平。

研究將各通道所在腦區的位置劃分了6個感興趣區，劃分的方法與老年人的研究一致[19]，如圖3所示。

隨后在ROIs水平上檢驗有氧體能對Flanker效應所引發的oxyHb信號的影響（見圖4A）。同樣，在ROIs水平上Flanker效應為：不一致任務與一致任務的oxyHb信號的差值。之后，對高、低體能組的效應進行檢驗（獨立樣本t檢驗），結果顯示：僅在LDLPFC腦區上高體能組Flanker效應的oxyHb信號顯著大于低體能組（t（28）= 5.19，P<0.001，r2pb=0.49，如圖4B和4C所示）。結果表明，有氧體能對L-DLPFC腦區的神經激活產生顯著的影響。

從交互作用結果（見圖4D）來看，面對不同的認知任務，有氧體能高低會引發的神經激活水平的差異，其中不一致任務水平上高體能組的神經激活水平高于低體能組，但在一致性任務水平上二者的差異不顯著。

2.3行為數據與fNIRS數據的關系

有研究通過McNemar檢驗推斷反應時與局部腦區OxyHb信號變化的關系來反映有氧運動的效益[20]。那么，研究將以此方法來檢驗有氧體能對執行功能的作用。將[（不一致任務一致任務）高體能組 （不一致任務一致任務）低體能組]的反應時和OxyHb信號進行對比（見表3），統計分析的結果顯示，有氧體能引起的oxyHb信號的增加與反應時的降低顯著相關（χ2nk=4.26，P<0.05）。

3分析與討論

研究旨在探討有氧體能水平是否對大學生執行功能產生影響。為了論證上述問題，研究通過Flanker效應的行為數據和血氧信號的同步變化來反映有氧體能與執行功能的關系。

行為數據結果顯示，高、低體能組的行為表現有差異。其中，在一致性任務中，高、低體能組的反應時差異不顯著，但在不一致性任務中，低體能組的反應時顯著高于高體能組。不同有氧體能的反應時存在差異，這與Hillman等人的研究結果一致[34]，可見，有氧體能的高低與認知行為表現有直接關聯。行為表現之所以在一致任務與不一致性任務水平上存在差異，可能是因為處理不同難度認知任務的能力與有氧體能相關，比如，高體能組的反應操作速度顯著快于低體能組，可能是因為高體能組在認知控制過程中具有更好的認知彈性來應對更高難度的認知任務。

從近紅外光譜數據來看，在不一致任務水平上，低體能組前額葉皮質（LDLPFC）的神經激活水平比高體能組低，但在一致任務水平上，二者的差異不顯著。這說明：相比高體能組，低體能組在同等任務難度的情況下所面臨的反應沖突（response conflict）處理難度大，募集注意資源的能力偏低，同時刺激分類和大腦的處理速度延遲[21]；相反，高體能組可彈性地調節認知控制過程，且Flanker任務過程中oxyHb信號水平更高。因此，光譜實驗表明，有氧體能的高低會引起執行控制過程中神經激活水平的差異。

fNIRS和行為數據的結果顯示，高體能組的反應時低，oxyHb信號強，低體能組則相反。上述結果說明，有氧體能對認知資源的分配有影響。低體能組由于調用認知資源的能力差，所以在高難度認知任務時認知表現出現大幅降低，而高體能組卻能保持較高的認知表現，這與Hillman等的研究結果一致[22]。另外，有研究發現有氧體能對算術任務的信號編碼、認知資源分配和語義過程產生顯著影響，在算術任務中，高體能組的反應時和錯誤率顯著低于低體能組，且N170、P3和N400的幅度也存在顯著差異。還有研究者檢驗了不同有氧體能與語言過程的關系，研究發現高體能兒童應對各種句子類型時其N400幅度（代表語義信息）更大，潛伏期更短，而在句法錯誤方面P600幅度（代表語言結構）更大[23]。上述研究進一步將有氧體能與執行功能的關系外推到算術與語言等方面。

那么，有氧體能為何會對認知資源分配和執行功能產生影響？從神經生化角度來看，有氧體能可促進神經再生（neurogenesis）。有研究表明有氧運動可促進海馬齒狀回（dentate gyrus）的神經再生，并構建了一個用來解釋運動促進海馬功能提高的模型。有氧體能可促進神經營養因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）的分泌。神經營養因子是運動促進大腦功能和可塑性的核心變量之一[24]，比如BDNF可加快成年人大腦神經元的增值、分化和存活[25]。上述研究說明，有氧體能可促進大腦的神經再生，增加神經營養因子的分泌，從而為更好地分配認知資源以及維持腦功能提供生理條件。

從神經影像學角度來看，有氧體能可改變大腦激活模式。fMRI研究[26]發現在不一致任務的前半段高體能兒童的左、右側額中回，補償運動區，扣帶回和左側頂區皮質出現了較高的神經激活，后半段略有下降；相反，低體能兒童在整個任務過程中神經激活變化不顯著。另外，ERP研究的證據表明有氧體能與認知策略有關。有研究認為之所以高體能組P3幅度比低體能組大，潛伏期比低體能組短的原因是：低體能組在募集注意資源能力和處理環境刺激效率方面的能力不如高體能組[27]。另有ERP研究表明，相比高體能組，低體能組在一致任務過程能觀測到更大的ERN[28]。ERN由ACC產生，大腦區域的補償和認知控制的實時調整，ERN可作為反映認知控制策略的神經電指標[29]。在一致任務水平上，低體能組采用“reactive”認知策略，然而，這種“reactive”認知策略卻不能滿足不一致任務的認知難度需求；相比之下，高體能組的ERN幅度較小，說明高有氧體能被試不依賴于“reactive”認知策略來應對一致任務，以致在更高認知任務條件下可獲得更高的認知表現[28]。P3可檢測注意資源的大腦功能區域，且P3可反映如何通過調節注意投入來更出色地完成“proactive”認知控制目標[27]。在“proactive”認知控制過程中，如果這一過程持續時間較長則需提高局部功能腦區的代謝水平，由于低體能組不能調動更多的神經電活動資源來完成上述的認知控制過程，P3幅度偏小[28]。通過ERN和P3的潛伏期和幅度的變化揭示了高、低有氧體能人群的認知控制策略差異，并解釋了不同任務難度水平上行為表現差異的原因。

綜上所述，注意資源的分配、處理環境刺激的效率、認知策略的選擇等方面的差異可能是有氧體能引起執行功能變化的原因。

4結論

Flanker任務過程中左側背外側前額葉皮質的神經激活和行為操作表現與有氧體能有關，且有氧體能引起腦區oxy-Hb信號與認知表現的同步變化。研究結果為有氧體能對執行功能相關的神經基質和行為表現產生影響提供了實驗證據。

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