基礎抗荷體能訓練對飛行學員認知能力的影響

馬嘉悅， 陳芷妍， 張 禹， 李 杰， 張 新， 姜智東， 任 翔， 王 靜，車 翔， 鄒志康， 王安利

（1.北京體育大學心理學院， 北京 100084； 2.杭州師范大學附屬醫院認知與腦疾病研究中心， 杭州 311121；3.杭州師范大學心理科學研究院， 杭州 311121； 4.空軍航空大學， 長春 130022；5.空軍特色醫學中心， 北京 100142；6.陜西職業技術學院，西安 710038）

1 引言

飛行員工作環境特殊，具有高載荷、高認知負荷的特點，高性能戰斗機加速度載荷的G 值高、增長率快、持續時間長，飛行員既要面臨大強度的體力載荷，又要應對大量的信息加工，面臨較高的心理載荷。 隨著先進導航和飛行控制系統的廣泛應用，飛行員的信息處理能力成為飛行安全技術的重要組成部分。 飛行員的飛行感知、決策與執行等認知能力在飛行中起著至關重要的作用，機敏的感知與迅速的行為響應保障安全的駕駛操作。 因此，強壯的抗荷體質是精英飛行員必備的身心素質，抗荷體能訓練是提高飛行員抗載荷能力的手段。 如何在飛行員日常的訓練中提高身體抗載荷能力的同時保證其心理素質的提高，就顯得十分重要。

已有研究發現，在認知方面，主要涉及有氧運動與高強度間歇運動（High?intensity Interval Training， HIIT）的心理效益。 個體的記憶、執行功能以及執行抑制功能可通過有氧運動的訓練或干預提高；Drigny 等研究表明，高強度間歇運動能夠提高受試者在數字符號替換測驗、記憶測試等認知任務的績效表現，并改善注意缺陷多動癥兒童的注意水平。 目前力量訓練在認知方面的研究較少，且主要涉及與自尊和幸福感的關系等相關問題。 而國內專門針對抗荷心理的研究也少見報道，鄒志康等提出了肌肉適能、心肺功能、空間定向和抗荷心理能力是航空學校學生加強基礎性抗荷體質訓練的主要內容，為心理領域相關研究提供了參考。

本文采用基礎性抗荷體能高效訓練方案，對實驗組進行為期12 周的力量訓練以及功率自行車的HIIT 訓練，且在訓練期間加以抗荷營養支持和抗荷心理干預，研究其對飛行學員認知能力的改善，認知測試包括注意、認知、工作記憶以及自我控制4 個方面，以期為飛行學員訓練方案設計提供實驗參考依據。

2 方法

2.1 受試者

某飛行學院飛行學員55 名，男性，年齡（19.4±0.7）歲，裸眼或矯正視力正常。 以班級為單位隨機分配為實驗組（25 人）與對照組（28人）。 其中2 名受試者由于身體原因造成數據缺失，因此最終有效數據來自53 人。

2.2 實驗范式

1）注意網絡測驗（Attention Network Task，ANT）。 注意網絡功能采用注意網絡測驗任務，包括3 個指標：警覺功能、定向功能以及執行控制功能。 警覺是指維持一個靈敏狀態以接受信息的傳入，定向是指從傳入的感覺中選擇信息，執行控制是指解決反應中的沖突，實驗流程如圖1所示。

圖1 ANT 程序示例圖Fig.1 Diagram of an ANT program example

線索信息分為4 種情況：中心提示、雙重提示、空間提示以及無提示。 空間提示能夠提示受試者目標刺激的位置，其他3 種提示線索無法預測目標信號出現的位置。 目標刺激分為3 種情況：一致，即箭頭方向相同；不一致，即中間箭頭的方向與其他箭頭相反；中性，即只有中間箭頭有方向，其余均為線段。 要求判斷中間箭頭的方向。

2） 自適應 3D?MOT （ Three?dimensional Multiple Object Tracking）任務。 三維立體形式呈現運動客體更接近于現實情境，實驗任務更具生態性。 采用自適應的方式因變量可以在連續比率范圍內變化，更具有敏感性。 采用自適應3D?MOT 測量動態追蹤能力，關注動態場景中視覺信息的注意加工，是研究同時追蹤多個客體的注意機制較常用的范式，包括3 個階段（圖2）：①目標標記階段，10 個3D 立體小球圓球作為運動客體，其中的4 個客體通過閃動被標記為目標客體；②運動階段，標記停止后所有客體恢復到原有的狀態，在立方體空間中進行隨機獨立的運動；③反應階段，當客體運動停止后，用手柄選出追蹤被標記過的目標客體，并同時給予反饋。 整個實驗過程采用自適應程序控制客體的運動速度，當在某次追蹤時反應正確，下一次追蹤任務中客體的運動速度將上調30%；而反應錯誤時，客體的運動速度會下調20%。

圖2 自適應3D?MOT 流程圖Fig.2 Flow chart of adaptive 3D?MOT

3）工作記憶。 采用n?back 范式進行測量，要求將當前出現的刺激與之前出現的第個刺激進行比較。 本實驗采用英文字母（如：W、R、E、Q）作為實驗材料，在實驗過程中，首先呈現1 s 的注視點，隨后呈現2 s 的英文字母，要求將當前字母與當前字母之前的第（2，3）個字母相比較。 如果2 s 內無按鍵則自動開始下一試次。 采用2?back 與3?back 任務中的正確率作為基線成績的指標，即正確反應的試次數占整個任務所有試次的比率。

4）Go／No go。 該范式用于測量執行抑制功能。 要求實驗對Go 刺激做出“按1 鍵”的反應，No go 刺激不做任何反應。 實驗共50 個試次，為了增強實驗的按鍵沖動，其中Go 試次40 個，占試次總數的80%，No go 試次為10 個，占試次總數的20%，Go 和No go 刺激順序隨機呈現。 實驗流程如圖3 所示。

圖3 Go／No go 程序示例圖Fig.3 Diagram of a Go／No go program example

2.3 實驗儀器

自適應3D?MOT 范式采用虛擬現實頭戴式顯示器（HTC VIVE，上海）呈現，分辨率2160×1200（單眼1080×1200 ） pixels，刷新率90 Hz，視場角10°，針對每個受試者可調整瞳孔間距。 計算機顯示屏為15.6 英寸，刷新率為60 Hz，分辨率1920×1080 pixels，該計算機連接頭戴式顯示器呈現虛擬現實場景。 受試者操控手柄控制實驗開始、目標選中和結果反饋。 實驗程序控制和數據記錄通過SteamVR1.2.3 軟件完成。

2.4 實驗設計

對實驗組進行為期12 周的力量訓練以及功率自行車的HIIT 訓練作為干預手段，同時干預期間對受試者加以抗荷營養支持和抗荷心理干預。力量訓練以單腿蹲、臥推、深蹲、俯身劃船等為主要訓練內容。 HIIT 訓練采用功率自行車進行，沖刺時間為60 s ，間歇時間為60 s，比例為1 ∶1。 2種訓練均每周3 次，每次10 min。

心理干預包括3 個步驟：①訓練前的注意訓練為腹式呼吸加身體掃描。 身體掃描是正念訓練的基礎與核心部分， 可以提高對于身體內部感覺的關注度，提高身體的感覺注意程度。 用時約4 min；②正式身體訓練——積極詞暗示，每次訓練前由教練說明本次訓練課內容，并提示受試者在訓練中養成自我暗示的習慣，如動作開始、結束以及疲勞狀態時，積極調整呼吸，盡量深長呼吸3 次，調整狀態，并進行自我激勵和暗示。 用時約1 min；③放松訓練——漸進性肌肉放松訓練，用時約7 min。

對實驗組實施營養干預方案，提供運動營養補劑，包括生力君膠囊、磷脂酰絲氨酸片糖、阿膠黃芪當歸鐵制劑。 在每周的2 次訓練課上提供乳清蛋白粉和能量固體飲料，于訓練前、中、后指導受試者服用。 對照組受試者不進行干預，只參加學校的常規體育活動。

在干預前、干預6 周以及12 周時分別進行認知能力的測試。 采用3（測試時間：0 周、6 周、12周） × 2（組別：實驗組、對照組）的混合實驗設計，其中測試時間為組內變量，組別為組間變量。 因變量是受試者動態注意、注意網絡功能、工作記憶、執行抑制功能等認知指標。

2.5 統計分析

通過Excel 和SPSS20.0 對數據進行分析，為了防止實驗組與對照組前測數據差異產生的影響，優先選擇重復測量協方差分析，如果不符合協方差分析的前提性檢驗，即自變量與協變量存在交互作用，再采用重復測量方差分析。＜0.05 認為差異具有統計學意義。

3 結果

3.1 注意網絡功能

基于反應時的差值可以計算出注意網絡功能的各項效率值，警覺功能的指標是無提示條件下的平均反應時減去雙重提示條件下的反應時，定向功能的指標是中心提示條件下的平均反應時減去空間提示條件下的反應時，執行控制功能的指標是靶刺激不一致條件下的平均反應時減去靶刺激一致條件下的平均反應時。

對于警覺功能和定向功能，反應時差值越大代表該網絡功能效率越高；對于執行控制網絡功能，反應時差值越小代表該網絡功能效率越高。 實驗組與對照組在干預進行第0 周、6周、12 周時的注意網絡功能結果如表1 所示。

表1 注意網絡功能描述性統計結果（±s，n＝53）Table 1 Descriptive statistics of attention network func?tions （±s，n＝53）ms

將前測作為協變量，組別、干預時間作為自變量，中測、后測作為因變量進行重復測量協方差分析。 分析結果如下：

圖4 定向功能組別與干預時間的交互作用圖Fig.4 Interaction diagram of directional function and intervention time

3.2 動態注意能力

將自適應3D?MOT 任務中受試者在追蹤目標客體時能夠達到的客體運動速度值作為因變量，極值是所有正確追蹤任務中客體運動速度的最大值，表征受試者的最大追蹤能力；平均閾值是指正確追蹤和錯誤追蹤試次轉折點處所對應的客體運動速度值的平均值，體現受試者的平均追蹤能力；最后4 次閾值是指在追蹤過程中最后4次轉折點（正確追蹤試次和錯誤追蹤試次的轉折）處的客體運動速度的平均值，體現受試者的穩定追蹤能力。 實驗組與對照組在干預進行第0周、6 周、12 周時的追蹤速度如表2 所示。

表2 追蹤速度描述性統計結果（xˉ±s，n＝53）Table 2 Descriptive statistics of tracking speed （xˉ±s，n＝53）m／s

3.2.1 極值

由于極值的前測（協變量）與組別（自變量）交互作用顯著（＝0.006），不符合協方差分析的前提，因此極值作為因變量，進行3（0 周、6 周、12周） × 2（實驗組、對照組）重復測量方差分析。

極值結果表明，組別與干預時間的交互作用邊緣顯著（（2，102） ＝2.25，＝0.085，＝0.047），經進一步簡單效應檢驗后發現（圖5），后測時實驗組的追蹤速度極值顯著高于對照組（＝0.015）；實驗組中測（＝0.085）與后測（＜0.001）的追蹤表現顯著高于前測，對照組中測的追蹤表現顯著高于前測（＝0.013）。

圖5 追蹤速度極值組別與干預時間的交互作用Fig.5 Interaction of tracking speed extreme value and intervention time

3.2.2 平均閾值

將平均閾值的前測作為協變量，組別、干預時間作為自變量。 平均閾值作為因變量進行重復測量協方差分析。 組別與干預時間的交互作用均不顯著（（1，50）＝0.917，＝0.343，p ＝0.018）。干預時間（（1，50）＝0.005，＝0.944，p ＝0.000）的主效應不顯著。

3.2.3 最后4 次閾值

3.3 工作記憶

采用2?back 與3?back 任務中的正確率作為因變量。 實驗組與對照組在干預進行第0 周、6周、12 周時的工作記憶結果如表3 所示。

表3 工作記憶任務正確率描述性統計結果（±s，n＝53）Table 3 Descriptive statistics of correct rate in working memory tasks（±s，n＝53）%

3.4 執行抑制功能

實驗組與對照組執行抑制功能結果如表4所示。

表4 Go／No go 任務正確反應時描述性統計結果（±s，n＝53）Table 4 Descriptive statistics of correct response time in Go／No go task （±s，n＝53）ms

4 討論

4.1 注意網絡功能

通過重復測量協方差分析結果發現，定向功能組別與干預時間的交互作用顯著，后測時對照組的定向功能相比于中測的成績顯著降低；后測時實驗組的定向功能顯著高于對照組。 可能在這一階段，某些因素對受試者的定向功能產生了負性影響，實驗組的訓練仍能使受試者保持相應水平的定向功能。

Laura 等研究發現長期體育鍛煉可以有效提高執行控制網絡的功能。 Alves 等研究表明，采用HITT 對中年人進行10 min 干預，采用stroop 任務測試受試者選擇注意功能，發現高強度間歇訓練方式增強了受試者的選擇注意功能。莊曉偉等關于心理訓練與注意定向網絡功能的研究發現，腹式呼吸訓練干預對老年人認知功能的改善有積極效應。 而選取健康的年輕人作為受試者，研究結果多為警覺與定向網絡功能受體育鍛煉的影響不顯著，這可能是健康年輕人的警覺與定向網絡功能處于較高水平，不易進一步提高。

4.2 動態注意能力

動態注意能力是指個體同時注意多個運動目標的能力，包括持續的、動態的視覺注意和記憶能力。 極值的重復測量方差分析結果顯示，組別與測試時間的交互作用邊緣顯著，實驗組的后測成績可能存在高于對照組的趨勢，且實驗組后測與中測的成績可能存在高于前測的趨勢，即為期12周的基礎性抗荷體能高效訓練對飛行受試者的動態追蹤能力可能存在促進效應。

本文在力量訓練前加入了腹式呼吸訓練和身體掃描，能夠在訓練前使受試者的注意更加集中且更加專注于訓練本身，由此提高訓練效果。而訓練后的放松訓練能夠緩減力量訓練帶來的疲勞感與運動中的高度緊張狀態，使運動訓練過程中的亢奮狀態慢慢得以平復，有效克服運動員身心緊張的狀態。 其次簡單效應分析的結果表明在后測與中測之間，實驗組的成績存在上升趨勢，而對照組在這一期間的成績不僅沒有提高反而下降。 說明基礎性抗荷體能高效訓練的效果可能體現在后6 周，這對干預方案的實際應用也有一定的現實意義。

4.3 工作記憶

根據重復測量協方差分析結果發現，n?back任務中實驗組與對照組在前測，中測以及后測均無顯著差異。

Kao 等研究了高強度間歇訓練（HIIT） 和中等強度連續運動（MICE） 對行為表現和工作記憶神經相關性的影響。 結果發現HIIT 提高了記憶檢索過程中的處理速度和大腦激活。 可見HIIT 可以暫時性增強工作記憶。 運動對記憶的影響作用受到運動強度和干預時間的調節。利用PET 影像技術研究發現，空間和客體的信息分別儲存在工作記憶的不同緩沖器中。 所以在未來的研究中，可以增加對視覺空間工作記憶的測量指標，調整運動干預的強度與時間，以探討基礎性抗荷體能高效訓練對于工作記憶是否會產生積極影響。

4.4 執行抑制功能

執行抑制功能是指個體克制和調節沖動、欲望和習慣性行為的能力。 重復測量協方差分析結果發現實驗組與對照組在前測、中測以及后測均無顯著差異。 鄭雨晴研究發現，2 周的HIIT干預后，運動組的 SSRT（Stop?Signal Reaction Time）顯著性降低，兩周的HIIT 干預對停止信號（Stop?Signal）的反應抑制有一定的改善效果，但效果尚不明顯，可能與具體的運動強度和運動時間有關。 在運動干預提高了抑制執行功能的研究中，干預手段多采用有氧運動或傳統體育活動，而本文所使用的干預方法是力量訓練，以此類運動方式訓練時多強調核心區力量的爆發，未來的研究可采用不同類型的干預方法對這一問題進一步探討。

5 結論

為期12 周的基礎性抗荷體能高效訓練對受試者的注意能力可能有積極效應，結論如下：

1） 為期12 周的基礎性抗荷體能高效訓練有效維持了受試者注意網絡功能中的定向功能。

2） 為期12 周的基礎性抗荷體能高效訓練有提高受試者動態注意所能達到的最高能力的趨勢，且這種趨勢主要體現在后6 周中。

3） 為期12 周的基礎性抗荷體能高效訓練對受試者的工作記憶與執行抑制功能未見顯著影響。