不同類型運動干預對大學生認知能力影響的ERP研究

趙敬國，孫倩云，何繼霞，李煥玲，韓珊珊，郭芳，花小艷，梁清

（山東師范大學體育學院運動人體科學實驗室，濟南250014）

1 引 言

在運動與認知的研究領域中，研究的焦點已集中在運動與認知關系的特定方面，無論在急性運動還是在慢性運動的研究中，均表現出了向特定性發展的趨勢。研究中不僅關注了運動對認知表現的選擇性作用，同時也關注了運動任務本身對認知功能的影響。先前的研究中主要關注了運動任務本身的定量特征，如運動的強度、持續時間、運動頻率、運動干預的長度等，且試圖探討運動與認知表現之間的劑量關系。現今的研究已逐漸開始由只關注運動任務本身的定量特征，開始轉向既關注運動的定量特征，同時又關注其定性特征對認知功能的影響作用[1-2]。運動的定性特征就是指運動的類型，也就是運動認知任務的復雜性和運動動作協調復雜性的不同。運動類型可根據不同的標準分為不同的類型，如不同項群等。美國運動醫學學會將健身運動鍛煉的方式分為了有氧運動、抗阻練習、柔韌性練習和神經運動練習四類。新近的研究中強調指出，需要進一步探索運動對認知的作用是否會因運動任務的協調性和認知任務的復雜性不同而不同[2]？認知功能是腦的重要功能之一，主要是指腦對信息的加工功能。事件相關電位（ERP）是對刺激發生反應時腦電生理活動的變化，因其具有高的時間分別率以及無創、可重復且測試成本低廉的特點，近年來廣泛應用于運動神經科學領域尤其是運動與腦認知功能的研究中。P300是事件相關電位中研究最為廣泛的成分之一，它是指出現在刺激后300～800 ms的一個正向波。研究表明P300是與注意、辨認、決策以及記憶等認知功能有關的事件相關電位的內源性成分，被認為是“窺視”心理活動的“窗口”之一，P300波幅反映了注意資源分配的數量，P300潛伏期反映了腦對刺激的檢測、模式識別、評估和記憶等認知過程的時間變量[3-5]。以往的研究認為，慢性運動對認知功能的影響機制可能是通過心血管適能、大腦結構和血液循環、神經營養刺激、神經網絡中較高級的功能性連接與前額皮質中較大的灰質量等中介來改變大腦的“硬件”部分予以介導。近來也認為，與運動相關的認知益處也可能是由于運動動作任務在協調性和認知任務的復雜性引起的神經刺激帶來的，這種復雜性可能影響了大腦“軟件”的運行效率[6]。不同的運動類型由于運動動作的協調性要求以及運動認知任務的復雜性不同，長期運動干預后，在對認知功能帶來共性的作用以外，可能還表現出一定的運動影響的特殊性或對認知功能影響的選擇性。基于這一假設，本研究對實驗室多年來采用隨機對照縱向跟蹤的方法考察的運動干預對大學生事件相關電位P300成分的影響規律進行了進一步的分析研究，以探討不同類型運動干預對大學生認知能力的影響規律。

2 對象與方法

2.1 實驗對象

采用隨機招募的方法，通過PARQ＆you問卷和健康篩查，選取山東師范大學在校健康大學生共146人為受試對象。女生91人，平均身高為162.79±2.20 cm，平均體重為56.55±3.45 Kg，平均年齡為20.10±0.40歲；男生55人，平均身高為179±1.64 cm，平均體重為71.29±3.48 Kg，平均年齡為20.32±1.21歲。其中對照組女生12人、太極拳組女生11人、北歐健步走組女生12人、核心穩定性訓練組女生12人、傳統穩定性訓練組女生11人、跑步組男生12人、繞障礙組男生9人、帶球繞障礙組男生10人、花毽組女生12人、第二套中學生廣播體操組女生10人、第八套廣播體操組女生11人、核心力量訓練組男生13人、傳統力量訓練組男生11人。實驗方案得到倫理委員會許可，所有受試者均書面知情同意。

2.2 實驗方法

2.2.1 運動干預方案 對照組學生遵循正常的學習生活規律。太極拳組學生從事為期7周的二十四式太極拳鍛煉，每周三次，每次40 min，運動時盡量降低重心且保持水平運動；北歐健步走組學生持手杖從事為期7周的北歐健步走鍛煉，每周三次，每次40 min，運動時平均心率為（133.75±7.72次／分）。核心穩定性訓練組學生從事為期7周的瑞士球上高跪姿抬臂訓練，每周三次，每次30 min；傳統穩定性訓練組學生從事地面上的單腳平衡站立訓練，每周三次，每次30 min，為期7周。跑步組學生進行跑步運動、繞障礙組學生進行繞障礙運動、帶球繞障礙組學生進行帶球繞障礙運動，每周三次，每次30 min，為期6周。花毽組學生進行為期6周的踢花毽運動，每周三次，每次30 min。第二套中學生廣播體操組學生進行為期6周的中學生廣播體操（青春的活力）鍛煉，每周三次，每次40 min。第八套廣播體操組學生從事為期8周的第八套廣播體操鍛煉，每周5次，每次兩遍（運動約8 min）。核心力量訓練組學生進行為期7周的瑞士球上的俯臥撐和仰臥起坐鍛煉，每周3次，每次30 min；每個動作做三組，每組動作持續60 s，共六組，組間間隔5 min。傳統力量訓練組學生進行為期7周的地面上的俯臥撐和仰臥起坐鍛煉，每周3次，每次30 min；每個動作做三組，每組動作持續60 s，共六組，組間間隔5 min。

干預保真：為保證運動干預的準確實施，每次運動均有相應的教練進行指導督促完成，每次課點名，做訓練記錄，缺勤者補練。每次課前后均進行相應的準備活動和整理活動。

2.2.2 事件相關電位的記錄與分析 分別于運動干預前后安靜狀態下記錄分析受試者的事件相關電位，事件相關電位記錄采用上海海神醫療電子儀器廠生產的NDI-092／NDI-200型誘發電位儀，記錄電極和接地電極均采用Ag／AgC1電極，參考電極采用一次性心電電極。電極安放參照國際腦電學會10／20系統，記錄電極置于Cz點，參考電極位于右側耳垂，接地電極位于前額Fpz點，電極電阻均小于5 KΩ。事件相關電位 P300測試采用聽覺／視覺oddball刺激模式，靶刺激出現頻率占30%，非靶刺激出現頻率占70%。在正式測試之前讓受試者進行一次練習，使其能夠準確地分辨出靶刺激與非靶刺激，當靶刺激出現時，要求受試者用其優勢手盡可能快地按下按鍵開關；而當出現非靶刺激時，則不需要做任何反應。

P300波形識別及指標測量：根據潛伏期范圍及波形對P300進行識別和指標測量，潛伏期測量是指從刺激開始到P300波峰最高點之間的時間（ms），波幅測量是由基線到波峰點的垂直幅度（μV）。反應時測量是指從刺激開始到按鍵反應完成的總時間（ms）。

整個測試過程均在山東師范大學體育學院運動人體科學實驗室完成，測試者均經過培訓。

2.2.3 統計學處理 將所得數據核實無誤后，建立相應的SPSS數據庫，采用SPSS 15.0 for windows統計軟件對數據進行相應的統計學處理，分別進行了描述性統計和推斷性統計。組內鍛煉干預前后的差異顯著性檢驗采用配對t檢驗。差異顯著性標準選用P＜0.05，極顯著性差異標準采用P＜0.01。所有結果均用平均數±標準差（mean±SD）表示。

3 結果

不同類型運動干預前后大學生事件相關電位P300指標的比較，見表1。

表1中可見，只有6周的繞障礙跑、花毽運動、第二套中學生廣播體操；七周的核心力量訓練以及8周的第八套廣播體操鍛煉干預后Cz點P300波幅較干預前有顯著性增加（P＜0.05）。Cz點P300潛伏期只在7周的太極拳運動、傳統穩定性訓練；6周的第二套中學生廣播體操以及8周的第八套廣播體操鍛煉干預后較干預前顯著性縮短（P＜0.05）。而Cz點P300反應時，則除6周第二套中學生廣播體操以及7周傳統力量訓練組外，其余各運動干預組均表現為干預后反應時顯著性縮短（P＜0.05）。對照組前后測量各指標均無顯著性改變（P＞0.05）。

表1 不同類型運動干預前后大學生事件相關電位Cz點P300指標的比較（mean±SD）Table 1 Comparison of event-related potential P300 indexes at Cz site after and before different types of exercise intervention in college students（mean±SD）

4 討論

在運動與認知功能領域的研究中，影響運動與認知關系的因素主要包括運動任務本身、受試者的特征、認知能力的類型及評價指標。受試者的特征主要是指受試者的年齡、性別、體適能水平（尤其是有氧適能水平）、運動認知專門知識水平和運動協調技能的個體差異。認知能力的類型及評價指標主要是指認知任務中含有的執行功能（自我調節、自我抑制）成分和非執行功能成分；評價的指標分為行為學指標、電生理學指標以及神經影像學指標。如選擇性注意通常被認為是腦的高級執行功能，其注意控制是腦的前額葉皮層介導的，中等強度的有氧運動可增進前額葉區域的功能，進而增進了需要選擇性注意的認知表現[7]。研究顯示運動對注意功能的影響并非影響注意的全部（廣度、穩定性、分配、轉移），而僅選擇性地影響了其中的某個方面[7]。評價認知功能的指標眾多，事件相關電位作為反應腦內信息加工的電生理學指標，因其具有高的時間分別率以及無創、可重復且測試成本低廉等特點，近年來在運動與腦認知功能的研究中得以廣泛應用。在“oddball”模型刺激下產生的內源性成分P300，成為事件相關電位中最為經典且研究最為廣泛的成分之一，其波幅反映了注意資源分配的數量，而其潛伏期則反映了腦對刺激信息進行檢測、模式識別、評估和記憶等認知過程的時間變量。反應時則反映了對信息進行檢測、模式識別、評估、決策形成以及動作完成的整個時間，反應時常作為認知功能評價的行為學指標[8]，三個指標分別反映了認知過程中腦對信息加工的不同側面。

運動任務本身的定量和定性特征，尤其是定性特征對認知功能的影響如何，已成為近年來運動與認知研究領域的焦點之一。早期的研究主要關注了運動任務的定量特征，如運動的強度、持續時間、運動頻率、運動干預的長度等。現今的研究則呼吁需要進一步探索運動對認知功能的影響作用是否會因運動任務的定性特征的不同而不同[9]。運動任務的定性特征就是指運動的類型，也就是指運動任務的協調性、運動認知任務的復雜性以及運動技能的新穎性。不同的運動類型由于運動動作的協調性要求以及運動認知任務的復雜性不同，長期運動干預后，在對認知功能帶來共性的作用以外，可能還表現出一定的運動影響的特殊性或對認知功能影響的選擇性。為了探討不同類型運動干預對認知功能選擇性影響的差異，本研究總結了實驗室多年來多屆研究生采用隨機對照縱向跟蹤的方法觀察的運動干預對大學生事件相關電位P300成分的影響規律。受試者均為我校在校大學生，認知能力評價采用在“oddball”模型刺激下產生的事件相關電位的P300成分，評價指標為Cz點P300的波幅、潛伏期和反應時。運動干預的運動類型包括有氧運動（跑步、繞障礙跑、帶球繞障礙跑、北歐健步走）、抗阻練習（傳統力量訓練、核心力量訓練）、神經運動練習（太極拳、第二套中學生廣播操、第八套廣播操、踢花毽、傳統穩定訓練和核心穩定性訓練），干預時間分別為6～8周。

比較結果顯示，除第二套中學生廣播體操（青春的活力）和傳統力量訓練組外，其余各組均表現為干預后Cz點P300反應時呈現顯著性縮短（P＜0.05）。說明不同形式的運動干預對人體認知功能的行為學指標的影響較為普遍和廣泛，提示行為學指標體現了運動對認知功能影響的共性特點，究其原因，可能是運動干預通過提高心血管適能、提高神經營養刺激、改善腦循環、改進腦結構、提高神經網絡中的功能性連接水平，增進神經肌肉功能，進而促進了行為能力的提高。

核心力量訓練、繞障礙跑、花毽運動、第二套中學生廣播體操和第八套廣播體操鍛煉干預后Cz點P300波幅較干預前有了顯著性增加（P＜0.05）。P300波幅反映了受試者對認知任務所分配的注意資源的數量。廣播操、花毽運動以及核心力量訓練的運動動作的協調性要求較高，繞障礙運動過程中既需要運動同時又需要注意障礙物，運動認知任務相對復雜，同時需要一定的身體靈活性和協調性要求，通過上述運動的干預后，除了運動對認知功能影響的共性作用之外，還表現出了對認知資源分配能力的特殊的選擇性影響。

P300潛伏期反映了腦對刺激的檢測、模式識別、評估和記憶等認知過程的時間變量。本文結果顯示Cz點P300潛伏期只在太極拳運動、傳統的穩定性訓練、第二套中學生廣播體操、第八套廣播體操鍛煉干預后較干預前顯著性縮短（P＜0.05）。以上四種運動的共同特點是運動時要求注意力集中，完成動作連貫性強，長時間的運動鍛煉后可顯著提升腦對信息的認知加工處理速度。

就現有的運動類型和評價指標而言，廣播操鍛煉干預帶來的電生理學指標（P300波幅和潛伏期）改變最為全面；尤其是第八套廣播體操，既能改善行為學指標（反應時），同時又能改善電生理學指標。廣播操的這些認知益處可能是該類型運動中既包含了身體活動要求，如運動時注意力集中，完成動作連貫性強，動作轉換迅速，動作遵循節拍，動作的認知任務相對復雜，動作的協調性要求較高等；同時又包含了生活技能（自我技能和人際技能）要求，如運動時的整齊劃一，運動時群體間的協調與配合等。

總之，本文結果顯示，不同類型的運動干預對認知表現的行為學指標（反應時）表現出較為普遍的提升，而對P300的波幅和潛伏期則表現出了不同的選擇性影響，說明不同類型的運動干預對認知功能的影響會因運動任務的定性特征的不同而不同，既表現出影響效果的普遍性，又表現出影響效果的選擇性和特殊性。由于本研究中不同類型運動干預的時間長度不同，不同類型運動干預間的定量成分難以均等，因此造成這些差異的原因和機制還有待今后進一步的深入研究探討。

5 結論

不同類型的運動干預，因其運動任務的定性特征不同，對認知功能的影響作用既表現出行為指標的普遍性或共性又表現出電生理學指標的特殊性或選擇性。