有效影響認知抑制功能的運動負荷域研究

趙敬國，周潔

（山東師范大學體育學院體質測評與健康促進中心，濟南250014）

1 引 言

2008年約翰·瑞迪《運動改造大腦》的新理念，使人們認識到運動的價值不僅在于健身，更在于健腦[1]。運動通過腦源性神經營養因子等一系列中介變量，誘發海馬體區等腦區神經新生，通過使用-依賴可塑性，改善腦結構、增進腦功能[1-4]。調節變量的研究顯示，受試者的體適能水平[5-8]、年齡與文化程度[8-9]以及評價指標不同均對研究結果產生影響。就運動干預本身而言，不同運動方式（定性指標）對認知功能的影響既有其普遍性也有其選擇性[4，7-11]。運動量（定量指標）的影響雖有大量的研究文獻[12-19]，但結論不一甚至相互矛盾，究其原因是許多研究僅僅是通過改變不同的運動強度或不同的運動時間進行運動干預研究，而未嚴格控制受試者的運動總量，即能耗量，無法回答造成差異的原因是由于運動強度不同或運動時間不同所致，還是由于運動量不同而產生的，也無法回答有效改進認知功能的運動負荷域值。Stroop效應是指字義對字體顏色的干擾效應，Stroop Word-Color任務中的反應時常用以測評認知加工速度和執行控制功能[20]。為了進一步探討不同運動負荷量對認知功能尤其是認知抑制功能的影響規律，確定有效改進認知抑制功能運動干預的運動負荷域值，便于健腦運動的處方制定和指導，本研究采用自身前后對照實驗設計，以Stroop Color-Word Test反應時為認知抑制功能評價指標，以健康在校研究生為實驗對象，以功率自行車為運動負荷工具，觀察比較了不同能耗量的運動對認知抑制能力的即刻影響；并在此基礎上，進一步探討了運動強度或運動時間的影響作用。

2 對象與方法

2.1 實驗對象

選取山東師范大學體育學院運動人體科學專業在校健康研究生11人（女8人，男3人），平均年齡（23.33±0.50）歲，平均身高（167.21±6.53）cm，平均體重（61.10±11.23）Kg。實驗前告知受試者本次研究的有關事項，所有受試者均知情同意并愿意配合完成本實驗，且書面簽訂受試者知情同意書。

2.2 實驗方法

2.2.1 實驗內容 本實驗有兩部分組成，實驗1：不同能耗量（0～300 Kcal、級差為25 Kcal）功率車運動后即刻Stroop Color-Word Test反應時的測定；實驗2：等能耗量不同強度（10～100 watt、級差為10 watt）功率車運動后即刻Stroop Color-Word Test反應時的測定。

2.2.2 運動方案 以瑞典產MONARK 839E功率自行車為負荷工具，隨機抽取所要完成的運動能耗量值（實驗1）或運動強度等級（實驗2）。相鄰兩次運動間隔2 d以上。

2.2.3 Stroop Color-Word Test反應時測定 每次運動后即刻測定Stroop Color-Word Test反應時值。Stroop Color-Word Test測試是在E-Prime2.0實驗生成系統環境下進行的，分別計算其準確率和反應時，只有準確率在95%以上者反應時納入統計分析。每次測試共出現64個刺激，計算其平均反應時。

2.3 統計學處理

采用SPSS 15.0 for windows分別進行了描述性統計和推斷性統計。組內差異顯著性檢驗采用重復測量的方差分析，兩兩比較采用LSD。差異顯著性標準選用P＜0.05，所有結果均用平均數±標準差（mean±SD）表示。

實驗于2018年10～11月在山東師范大學體育學院體質測評與健康促進中心完成，實驗設計得到該中心相應倫理委員會認可。

3 結果

3.1 不同能耗量功率車運動后即刻反應時的比較

對每位受試者不同時間點、不同能耗量（0～300 Kcal，級差為25 Kcal）運動后即刻所測 Stroop Color-Word Test反應時值進行了重復測量的方差分析和LSD兩兩比較，結果見圖1和表1。

圖1 不同能耗量功率車運動后即刻反應時的變化規律Fig 1 The change features of reaction time immediately after ergometry cycle exercise with different energy consumptions

表1 不同能耗量功率車運動后即刻反應時的兩兩比較（mean±SD）（n=11）Table1 The pairwise comparison of reaction timeimmediately after ergometry cycle exercise with different energy consumptions（mean±SD）（n=11）

以功率自行車運動時的能耗量為劑量指標，以運動后即刻Stroop Color-Word Test反應時較安靜（0 Kcal）時反應時值的差值（變化量）為運動對認知抑制能力影響的效應指標，繪制其劑量-效應關系曲線，見圖2。

3.2 不同強度等能耗量功率車運動后即刻反應時的比較

對每位受試者不同時間點、不同運動強度（10～100 watt，級差為10 watt）完成 100 Kcal能耗量運動后即刻所測Stroop Color-Word Test反應時值進行了重復測量的方差分析和LSD兩兩比較，結果見表2和圖3。

圖2 功率車運動能耗量與運動后即刻反應時變量的劑量-效應關系曲線Fig 2 The dose-effect curve between the energy consumption of ergometry cycle exercise and the reaction time immediately after exercise

表2 總能耗量為100 Kcal時不同強度運動后即刻反應時的比較 （mean±SD）（n=10）Table 2 Comparison of reaction time immediately after exercise of different intensities with total energy consumption 100 Kcal（mean±SD）（n=10）

圖3 總能耗量為100 Kcal時不同強度運動后即刻反應時的變化趨勢Fig 3 The change trend of reaction time immediately after different intensity exercise with total energy consumption 100 Kcal

4 討論

某項運動的運動量（做功量）取決于運動練習的強度（功率）和運動時間的乘積（W=P×t），此時運動強度與運動時間之間是緊密相關的變量。有關運動強度對認知功能影響的早期研究顯示，運動強度對認知功能的影響呈現“倒U型”關系，即中等強度的運動效果最佳[13，15-17]，然而近年來有研究顯示高強度運動對認知功能也具有顯著效應[21-23]，造成這些不一致的原因可能是運動量的不同所致。在運動對認知功能的影響中，究竟是運動強度重要還是運動量重要？如果運動量相等的情況下，運動強度的影響又如何？

認知抑制功能是腦認知功能的重要組成之一，主要受前額葉背外側皮層所調節[24]，該大腦區域的功能尤其容易受到老化的影響，但也是對運動影響最為敏感的區域。Stroop Color-Word Test是目前評估認知抑制功能的主要刺激方式之一[25]，其原理為目標字顏色與目標字字義之間產生的干擾對受試者做出選擇施加影響，借以評估受試者的認知抑制能力。

本研究采用自身前后對照實驗設計方案，以Stroop Color-Word Test反應時改變為認知抑制功能變化的評價指標，以健康在校研究生為實驗對象，以功率自行車為運動負荷工具，首先比較了不同能耗量（0～300 Kcal，級差為 25 Kcal）的運動對認知抑制能力即刻影響的規律。受試者通過隨機方式確定每次運動時的能耗量等級，運動強度自主確定，運動至目標能耗量停止，運動后即刻測定Stroop Color-Word Test反應時。統計分析結果顯示（見圖1、表1），25 Kcal能量消耗的運動后即刻，與安靜時（0 Kcal）相比，反應時雖有縮短，但并無顯著性改變（P＞0.05）。50 Kcal能量消耗的運動后即刻反應時繼續縮短，雖與25 Kcal時相比，差異無顯著性意義（P＞0.05），但與安靜時（0 Kcal）相比，則顯著性縮短（P＜0.05）。75 Kcal能量消耗的運動后即刻反應時繼續縮短，且與50 Kcal能量消耗的運動后即刻相比也顯著性縮短（P＜0.05）。100～275 Kcal能量消耗運動后即刻的反應時與75 Kcal能量消耗運動后即刻反應時之間均無顯著性差異（P＞0.05）。300 Kcal能量消耗運動后即刻反應時有所增加，且與275 Kcal能量消耗運動后即刻反應時相比顯著延長（P＜0.05）。若以功率自行車運動時的能耗量為劑量指標，以運動后即刻Stroop Color-Word Test反應時較安靜（0 Kcal）時反應時值的差值（變化量）為運動對認知抑制能力影響的效應指標，其劑量-效應關系曲線見圖2。上述結果顯示，對運動后即刻Stroop Color-Word Test反應時產生最大影響的最低運動負荷量值為75 Kcal，運動負荷量過大（300 Kcal）則導致運動后即刻反應時反而延長，顯示75～275 Kcal能量消耗的運動負荷量為有效改善認知抑制功能的運動負荷域值。

在此基礎上，進一步探討了等能耗量（100 Kcal）情況下不同強度的運動對認知抑制功能的影響。實驗采用10～100 watt、級差為10 watt的運動強度，受試者通過隨機方式確定每次運動的運動強度等級，運動至目標能耗量（100 Kcal）停止，運動后即刻測定Stroop Color-Word Test反應時。統計分析結果見表2、圖3，可見能耗量均為100 Kcal時，受試者采用10～100 watt（級差為10 watt）任一強度運動后即刻的反應時值之間兩兩比較（LSD），均顯示無顯著性差異（P＜0.05）。提示采用同一種方式的運動、不同強度（或不同時間）運動時，在運動能耗量相同的情況下對運動后即刻Stroop Color-Word Test反應時產生的影響是相似的，也即提示運動對認知抑制能力即刻影響的效果主要取決于運動練習的負荷量，即能耗量而非運動強度或運動時間。本結果一方面為健腦運動處方制定運動負荷的確定提供了參考，另一方面也為理解具有顯著時間效益的高強度間歇訓練在認知功能促進中的作用，提供了實驗依據或理論支持。

5 結論

在以功率車為工具的運動中，以Stroop Color-Word Test反應時為認知抑制功能評價指標時，每次運動消耗能量75～275 Kcal為有效改善認知抑制功能的運動負荷域值。且在該運動方式中，運動能耗量相同的情況下，不同強度運動后的即刻效應是相似的。