高強度間歇運動對青少年心血管健康和認知功能的影響研究

喻伯海，黃強年，王曉磊，徐盛嘉，田 東，王 巍

1 前言

目前青少年人群的身體活動水平出現明顯的下降趨勢[1]。在美國只有27%的青少年(5-19歲)，在英國只有21%的男孩和16%的女孩(5-15歲)能夠滿足身體活動指南中每天進行60min中等或高強度身體活動的要求[2,3]。這一低水平的身體活動表現與青少年中大量出現的超重或者肥胖現象有著直接的關聯。據調查，美國有31%的青少年，英國有29%的青少年正處于超重或者肥胖的狀態[4,5]，因此，提高身體活動水平已經成為一個重要的公共健康戰略。運動訓練是一個生理性的刺激，長期訓練可產生生理上的適應。特異性原則作為運動訓練和評定的基本原則之一，一直受到廣泛的關注和研究[6]。有證據證明基礎性耐力運動對青少年的身體健康有益，但是身體健康的益處不僅僅是身體健康方面，還包括個人的心理健康等，主要表現在認知功能的增強，學業成績的提高等方面。

盡管目前大部分關于運動對青少年影響的文獻都集中在耐力性運動上，但其實青少年進行大量耐力性運動的情況并不多見，相反，青少年的運動模式相對比較零散，很少出現集中的中等強度或者高強度活動[7]，具體來說青少年在運動強度達到95%以上的時間每次不足15秒，青少年主要的運動模式應該是強度高，持續性短，間歇性強。高強度間歇運動能夠產生較大的生理反應[8,9]，不僅符合青少年的正常活動習慣，而且還是一種具有吸引力的運動模式，因為它可以融入青少年的游戲活動中，從而增強相互交流與活動樂趣。需要注意的是，如果當運動被青少年當成是一種挑戰時，身體活動就會出現相反的作用。本文重點主要關于高強度間歇運動對青少年健康的兩個關鍵影響方面：心血管健康和認知功能，并且介紹高強度間歇運動對青少年其他潛在益處。

2 心血管健康

對成年人來說，身體活動水平與許多非傳染性疾病有關，包括心血管疾病，2型糖尿病和代謝綜合癥等，這些疾病通常發生在中老年時期[10]，但是其相關風險因素在兒童時期就已經存在，只不過需要到成年之后才會表現出來[11]。運動強度可能是影響心臟功能的一個非常重要的運動學參數，并且運動誘導心肌抗氧化能力提高可能在運動誘導心肌細胞保護起著重要的作用[12,13]，因此進行高強度間歇運動對青少年中存在的這些風險因素的影響是非常有意義的。

2.1 體重控制管理

已知連續的有氧運動形式，例如行走、跑步和騎自行車等，都能夠降低青少年超重和肥胖水平，可以被歸類為體重控制管理方面的運動模式[14]。此外，由于更高水平的外周血管和細胞應激誘導，高強度間歇運動由于其連續、間歇的運動形式，能夠產生比普通有氧運動形式更優越的生理健康效應。

區別對待兒童和青少年的正常體重、超重和肥胖三種狀態能夠準確評估高強度間歇運動對于體重控制管理的益處。目前為止，高強度間歇運動對正常體重的兒童和青少年身體特征的影響尚不明確，但Buchan等人[15,16]進行的研究評估了七周的高強度間歇運動對于健康體重青少年(16.7 ± 0.6歲)心肺功能、力量、速度和體重調節的影響。結果顯示，七周的高強度間歇運動并不能誘導身體成分發生改變，但完成七周高強度間歇運動的參與者心肺功能出現了明顯的提高，Buchan認為身體成分未出現變化是正常的，因為青少年均處于正常健康體重范圍內，并且七周的運動介入過程相對較為短暫，但這一研究顯示，心肺功能提高對青少年的心血管疾病風險降低提出了有力的證據[17]。

Lambrick等人[18]進一步研究了高強度間歇運動訓練對于正常體重和肥胖體重兒童(8-10歲)身體成分的影響。這些兒童分為兩組，一組進行持續時間為六周的高強度間歇運動，另一組則進行與其正常運動習慣相符合的運動訓練。對正常體重的兒童來說，體重和腰圍并沒有出現明顯變化，但是肥胖兒童完成六周訓練后腰圍平均降低了原來的3.2%，肌肉量平均增加了原來的5.8%。需要注意的是，該研究將高強度間歇運動與兒童常用游戲結合在一起，這可能對兒童的身體活動有一定程度上的暗示或者激勵作用。

近些年來，大量研究證明高強度間歇運動在超重或者肥胖兒童的體重控制方面發揮了重要作用。許多研究對比了高強度間歇運動和傳統耐力運動之間的差別。有研究證明六個月的高強度間歇運動平均能夠降低青年肥胖人群6.7%的腰圍，而傳統的輕度有氧運動只能減少2.8%[19]。此外，12周的高強度間歇跑能夠降低肥胖兒童(10歲)平均2.6%的體重，而傳統耐力訓練只能降低大概1.3%[20]。上述研究表明耐力運動對于體重調節是有益的，而高強度間歇運動具有的優越的生理效應及細胞應激對于體重控制和腰圍的降低有著更為顯著的作用。

2.2 心血管疾病風險

在年輕人群中心血管疾病的風險主要包括高血壓，高血脂和慢性低度炎癥。大量關于身體活動和心血管疾病風險的研究主要集中于傳統的風險因素，例如血壓、血脂、血糖和胰島素等。相反，很少有關于高強度間歇運動對于身體活動的急性效應的研究，或者是高強度間歇訓練運動對于年輕人群體內新的炎癥標志物，心率變異性，運動后恢復能力以及血流介導的血管擴張方面的影響[21-23]。

目前尚不清楚高強度間歇運動對某些炎性因子和抗炎性因子的急性影響，但是高強度間歇運動誘導骨骼肌的表型變化可能和傳統耐力運動一致，但不同運動方式激活信號途徑可能存在信號間的交互方式[24,25]，運動誘導心肌這些代謝蛋白和結構蛋白的變化可能影響心臟的代謝、應激反應和信號途徑,從而整體上提高心血管系統的功能[26]。有研究發現中年人群進行高強度間歇運動后，出現對炎癥細胞因子的急性作用。在這些研究中均發現高強度間歇運動能夠顯著增加炎性細胞因子(白介素6和白介素10)以及抗炎性細胞因子(白介素1受體拮抗體)水平，但中等強度運動并不能影響炎性標志物水平。由此可知，高強度間歇運動在兒童，青少年和成年人群中的研究對高強度間歇運動的發展具有重要的生理學意義。

高強度間歇運動對年齡處于12至14歲的青少年人群的內皮細胞功能有著明顯的急性影響。已知食用高脂早餐和午餐會分別降低20%和27%的血流量，有趣的是，如果在吃這些高脂餐之前進行重復跑動，男孩中不會出現餐后內皮細胞障礙現象，這一結果與早前中等強度運動對青少年男性的作用相一致。但這并不能證明高強度間歇運動比中等強度運動更優越，需要進一步的研究發現，此外，目前暫時還沒有關于高強度間歇運動對青少年女性內皮細胞功能的影響研究。

有研究探索短期(兩周或兩周以內)的高強度間歇運動對于正常體重健康青少年的傳統或者新型心血管疾病風險的影響[27]。結果顯示，兩周的高強度間歇運動對傳統心血管疾病風險的標志物沒有表現出誘導作用，血壓、血脂(膽固醇和甘油三酯)和血糖并沒有受到影響。但是這一干預措施對內皮細胞功能和心率變異性起到了促進作用，而這一作用在運動結束后三天就消失，因此造成了一個疑問，是由于整個運動過程的作用還是最后一次急性運動作用造成了上述影響？

類似的研究發現長期(四周以上)的高強度間歇運動會對青少年人群中大量心血管疾病風險因素產生混合影響。14-15歲的男女孩在進行六個月的高強度間歇跑運動后，新的心血管疾病標志物受到影響，例如心率變異性的提高等，對于十歲左右的青少年來說，高強度間歇跑運動比耐力訓練方式能夠更有效的降低心臟收縮壓，這樣參與者能夠更好的控制并維持身體活動。但是，相同的運動形式對于16-17歲青少年是無效的，同樣的運動形式并不能降低血壓和炎性細胞因子，例如C反應蛋白、脂聯素、總膽固醇和甘油三酯等。因此，需要進一步合理驗證高強度間歇運動與實踐安排之間的相關關系。

2.3 餐后脂血癥

血漿甘油三酯濃度的升高與動脈粥樣硬化和其他心血管風險的增加存在相關關系，。西方國家的生活習慣表現在食用高脂餐，容易導致青少年餐后血脂濃度升高。研究發現女孩在食用高脂餐的前一天進行中等強度運動，第二天體內餐后血脂濃度會降低，同時在心血管風險監控方面發現，運動負荷的變化會導致心室運動出現變化，隨著運動負荷增加，左心室舒張功能提高，增加泵血量，從而維持運動過程中心血管系統處于穩定狀態[28-30]。同時高強度間歇運動也被證明在許多健康相關領域中比中等強度運動更優越，目前研究集中于探索高強度間歇運動對餐后血脂癥的影響作用。Sedgwick等人[31]發現，男性青少年在食用高脂餐前14小時進行高強度間歇運動可以顯著減少餐后血脂含量。這是第一次對男性青少年在重復性運動中獲益的研究，但是，同樣的研究團隊發現進行游戲性類型的運動也能降低男性青少年的餐后血脂含量。

3 認知功能與學術成就

除了以上這些有益影響之外，高強度間歇運動還對青少年認知功能和學業成就方面有益。認知功能是大腦思考并處理個體受外界刺激的功能，幫助我們發現，評估，收集，混合并且使用外部信息。認知功能可以分為六個方面：記憶，注意力，執行功能，視覺，精神方面和語言學習以及某些更深入的方面：例如視覺，口頭表達，空間感和后視覺記憶方面。對于青少年人群來說，認知功能的提高對學業成績的提高是顯而易見的，所以運動對認知功能的提高是值得注意的方面。下面的部分回顧了過去關于高強度間歇運動對青少年認知功能的急性和慢性影響的研究。

3.1 運動對認知功能的急性影響

研究人員認為一次劇烈運動對年輕人的認知功能是有益的[32]。但是，運動與認知之間的關系存在許多尚不清楚的問題，主要包括測試認知功能的哪個部分，采取何種準確的測試方法，運動中何時進行測試以及相關的運動學因素(持續時間，強度和運動方式等)的安排等。需要特別關注的是高強度間歇活動如何影響青少年的認知功能，因為這是青少年人群容易參與的一種運動形式。

許多研究發現對青少年認知功能有影響的運動形式主要集中于持續性運動模式，例如行走、跑步和騎自行車等。研究一致認為中等強度運動對年輕人的認知存在微弱但有效的急性作用。

考慮到運動與認知功能之間的相互作用機制，不同強度的運動對認知功能有不同作用這一結果是合理的。例如，Winter等人[33]在成年人群中的研究發現，高強度跑(2次，每次3分鐘)比中等強度跑(40分鐘勻速跑)和安靜狀態對于認知功能的影響更有益。有趣的是，Budde等人[34]發現高強度運動只在具有較好身體適能的年輕成人群中表現突出，主要是對基于d2測試的注意力方面。但是這些研究都是基于成年人群的，或許對于青少年人群來說運動與認知功能的關系是主要關于年齡變化造成的作用。

高強度運動對認知功能有特殊影響的一個重要原因可能是運動造成的高水平腦源性神經營養因子和兒茶酚胺濃度介導。但目前沒有研究通過具體數據表明急性運動對青少年腦源性神經營養因子濃度的影響。Lee等人[35]研究闡述了進行規律性運動的青少年具有更高水平的神經營養因子濃度，且比缺少規律運動的對照組表現出更好的認知功能。由此可知，例如腦源性神經營養因子這種細胞因子，對于認知功能提高方面起到了一定的作用，至少在青少年人群中表現如此，但還需要進一步細致的研究。

有研究證明高強度間歇運動對年輕人的認知功能有積極的影響。例如，13至15歲的青少年進行了85%最大心率的高強度跑運動后，表現出在上課的開始階段數學能力出現提高[36]。與之相似的是，數據證實受試者在完成10次每次10秒，間歇休息50秒的跑步訓練后和運動后休息45分鐘后的通過斯特魯普色詞測試評價執行功能的結果中表現出完成速度提高的現象[37]。

青少年的高強度間歇運動主要基于游戲形式，這些游戲方式也屬于一種運動模式，并且同樣能達到高強度運動的效果，同時對青少年的吸引力較強。研究發現基于游戲模式的高強度間歇運動對認知功能存在積極的影響，因為在這個過程中需要大量使用協調與決策能力。與正常的運動和休息控制條件相比，青少年十分適應這種高強度運動模式，同時研究發現，與有氧運動相比，男女孩的記憶力在游戲結束后有所改善，研究者認為這是在運動過程中進行大量反應與決策的后果。遺憾的是同樣的結果并沒能夠重復，并且研究人員發現運動時在認知功能范圍內大腦運動協調通路與靜態下控制條件并沒有存在差異。

Gallotta等人[38]比較了8-11歲男孩與女孩日常體力消耗，認知消耗(正常課程內)以及體力與認知協同(體育課程內)對于注意力的影響，結果發現，與基線結果相比，注意力是得到提高的，但是混合的體力與認知協同作用下的效果相對并不明顯，研究者推測可能是由于身體和認知壓力負荷對于青少年的認知功能水平超出了可以承受的范圍。

總之，證據表明了高強度間歇運動有利于提高青少年的認知功能，尤其是基于游戲的運動模式，但是目前研究較少，特別是不同年齡階段人群和不同認知功能領域之間的相互關系。此外，高強度間歇運動后認知功能如何變化也尚未得到證實，尤其是運動對認知功能提高效果能夠持續多久的問題，也需要更多的關注。

3.2 運動對認知功能的慢性影響和對學業成績的作用

運動除了對認知功能有急性影響外，其慢性影響也是需要注意的，特別是與非運動員相比的運動員，因此本文接下來探求高強度間歇運動訓練對青少年認知功能益處的慢性影響，由于該研究在普通青少年人群中難以進行，因此對具有良好訓練的兒童和青少年進行了研究。

運動訓練對于認知的慢性影響與急性影響相類似，受到許多方面的因素作用，例如認知功能測試方法，身體活動的類型和水平等，目前已知運動訓練對于兒童和青少年的認知功能益處存在慢性影響，但這一特異性受預設方案(運動方式，強度和持續時間)的影響[39]，目前大部分研究都是橫向研究，很容易因為許多混雜的變量影響研究結果。

有研究探索運動對青少年認知功能和學業成就的影響，學業成就對于學校和學校決策者來說是非常重要的。美國疾病預防控制中心對這一方面進行了大規模的審查，得出結論是在以往研究中確定的251種效應，一半以上(50.5%)的結果表現出運動對學業成績的積極影響，很少有研究結果(1.5%)顯示出運動對于學業成績的負面影響，并且這種影響在學校、課堂和課外干預中持續存在。雖然沒有確鑿證據證明運動提高了青少年學業成績，但也沒有證據顯示出運動對于學業成績的負面影響，因此需要進一步的研究。有趣的是，最近的一項研究表明，慢性運動訓練本身對15至17歲男孩的學業成績沒有影響，但是身體素質的提高(通過更高水平的運動訓練實現)與較高的學業成績之間是有一定的聯系[40]。進一步的研究也表明，與低適應和超重學生相比，高適應和正常體重的學生(12-14歲)能夠更容易取得較高水平的學業成績[41]。但是運動與學術成績之間關系的因果性質是無法確定的。

除了上述研究運動對學業成績的慢性影響外，有研究通過一系列的測試直接檢查了運動對認知功能的影響。 Ruiz等人[42]使用科學研究協會的教育能力測試記錄了13至18歲的青少年在休閑時間參與運動后認知功能出現的變化情況，但結果未能表明學習時間、觀看電視、玩視頻游戲和認知功能直接的聯系。具體來說，12至17歲的青少年人群中已經被證實中等強度至高強度的身體活動與注意力之間存在關聯(基于d2測試)，尤其是閾值為41分鐘的中等強度身體活動和12分鐘高強度身體活動被認為是改善注意能力的基礎[43]。然而這兩項研究本質上都是同一水平上的研究，無法有效證明青少年人群中運動與認知表現之間的因果關系。

為了解決這個問題，有研究實施了持續的運動干預措施，并研究對認知功能的影響。 例如，研究者設置了一項為期9個月運動干預措施，重點進行有氧運動，使用修改型斯特魯普色詞測試和Flanker測試對認知功能進行評價，結果發現7-9歲的青少年在認知靈活性，抑制控制和執行能力方面出現明顯提高[44]。Castelli等人[45]類似的研究也發現高強度運動相比中等強度運動對于注意力和執行功能的影響更有效。

總之，上述證據表明，除了之前討論的運動對于認知功能的急性影響之外，運動還對青少年的認知功能和學業成績有長期積極的效果。盡管在大量文獻中存在基于高強度間歇運動的干預措施將有助于認知功能和學業成就的建議，但目前鮮有研究具體解決這一問題，尤其是在青少年人群中進行相關的研究。

4 總結及展望

目前的證據表明，高強度間歇運動對青少年人群的心血管健康是非常有益的，表現在許多因素(體重調節、內分泌功能和餐后脂肪血癥)的積極變化方面。 然而，高強度間歇運動對諸如血壓，血脂變化以及促炎和抗炎細胞因子等其他因素的影響仍然不明確或者未被探索。 因此在這方面需要進一步的研究。同時證據表明，高強度間歇運動對認知功能和學業成績具有不同程度的急性和慢性影響。需要更多的研究來闡明高強度間歇運動對認知功能各個方面的影響，并明確高強度間歇運動對認知功能積極的影響能夠持續多久。

高強度間歇運動對青少年心血管健康和認知功能的影響需要更多基于實際的研究，但是這方面存在許多挑戰，目前比較理想的干預方案可以在學校中實行，因為大量的青少年適用于合理的干預措施，同時可以以課堂為基礎，延伸至課外學習與活動時間，便于探索高強度間歇運動對認知功能方面和學業成績的影響。同時需要更多關于較大年齡的青少年方面的研究。

總體來說，高強度間歇運動對于青少年的心血管健康和認知功能與學業成績的影響是積極的，特別是這一運動在青少年可以接受的強度與范圍內表現更為明顯。建議在進一步探索高強度間歇運動對青少年影響同時將該運動模式與學校課余游戲結合，便于實施干預且容易得到令人滿意的結果。