體力活動對兒童青少年執行功能和人生益處影響的研究進展9

白熠皓 徐 凱

（南京體育學院，江蘇南京 210014）

體力活動被定義為“由骨骼肌產生并消耗能量的任何身體運動”[1]，已被證明對兒童青少年的身體[2]、心理[3]、學習成績[4]和社會心理指標[5]都有益。人們對體育活動對認知結果的影響越來越感興趣，最近5 -8 年間關于這一主題的大量綜述和薈萃分析證明了這一點[6][7]。盡管“認知”和“認知功能”這兩個術語有時被用來描述不同的心理過程，但在身體活動研究中，認知功能通常被操作化為基本信息處理和執行功能[8]執行功能是一組目標導向的行為，包括信息更新和監測、心理定勢轉換和預效反應抑制[9]。認知功能在人類的思想和行為中起著重要的作用。他們是復雜的心理鏈接和情緒調節過程[10],以及心理健康和疾病的一個重要組成[11]。成功地采用飲食和鍛煉已被證明可以改善認知功能，減少問題行為和冒險性行為的發生概率[12]，以及提高在學校的學習成績[13]。而執行功能（executive functions）代表了更高階的認知過程，有助于有目的的、目標導向的行為。EFs 的三個核心要素是抑制、工作記憶和轉換功能[9]。抑制控制指的是一個人抵抗誘惑的能力，而不是沖動或不成熟的行為。它可以幫助個人獨立選擇或改變自己的行為，擺脫沖動或習慣的影響;作記憶使個體能夠將信息保存在大腦中，并在大腦中處理和使用信息，這對推理和解決問題至關重要[14]。

童年和青春期的特點是大腦成熟時間延長，環境和生物的影響不斷相互作用，微調和參與認知功能的大腦回路[15]。目前的證據表明，體育活動對兒童和青少年的大腦結構和功能有積極的影響[16]。執行功能與兒童青少年的發展高度相關，是行為功能、學術成就甚至其他結果(如運動成就、學習成績、心理健康、社會福利、健康、財富和生活質量)的重要預測因素。現代對兒童和青少年大腦適應性的理解，加上目前對身體活動對大腦健康和認知的影響的知識，使人們對這一領域的興趣達到了頂峰[17]。

研究傾向于表明，鍛煉對執行功能的有益影響更大、更明顯[18]。例如，在兒童和青少年中，更高水平的身體健康與更好的執行功能和學習表現有關[13]。體育鍛煉干預方案可以通過不同強度度不同類型不同時間的運動干預來提高兒童的執行功能表現[19]。此外，目前的證據表明，不同類型的體育鍛煉可能對執行功能的改善和心理健康產生不同的影響[20]。然而，對于哪種體育鍛煉可能更有效地改善認知功能，仍存在一些爭議。

盡管人們的興趣越來越大，但目前的已有的證據受到了體育活動研究中認知測量方法使用不一致的阻礙[19]。這方面的證據可以在一項關于急性運動(定義為短時間內單回合運動)對EFs影響的mate分析中找到，其中包括使用44 種不同的認知測量方法來測試6 個不同的認知領域的研究。用于測量認知功能的工具存在相當大的可變性，這可能增加了綜合現有證據的難度。關于體育活動對認知結果影響的證據力度的持續爭論就是一個例證[22]。同時，現有的研究以交叉對比研究與橫斷面研究為主，缺乏生理和影像學方面的證據支持，也是現今相關研究證據力度受到爭議的原因之一。

本文對運動對兒童青少年執行功能的和相關人生益處的研究進展進行綜述。

1 運動對青少年執行功能的影響研究現狀

采用：“運動”“執行功能”“青少年”及近義詞和中國知網對應英文翻譯為關鍵詞組合，檢索的數據庫包括Pubmed 數據庫、EBSCOhost 數據庫、中國知網數據庫、萬方數據庫；文獻檢索的時間跨度為2016 年1 月~2021 年12 月，共檢索到中英文文獻256 篇。納入符合以下標準的研究:(1)實驗研究設計(如RCT、隨機交叉研究)；(2)平均年齡5-18歲；(3)在研究中納入體育活動成分；(4)納入績效認知測試;(5)在同行評議的期刊上發表；(6)在線提供全文；(7)調查對象明顯健康(沒有認知、精神或身體損傷，包括受傷)，共計納入20 篇中英文文獻。（附錄1、2）

綜合在兒童和青少年人群的實驗體育活動研究中使用的執行功能測試的管理特征、信度和效度。本綜述包括的21 項研究使用了32 項獨特的執行功能測試。顯然，目前在運動對青少年的執行功能研究這一領域中使用的認知測量方法依然非常多樣，本綜述綜合了每種測量方法的操作執行以及管理特征和心理測量信息，測量方法在時間和操作便捷性上的特點將幫助我們確定在的未來研究中該使用什么樣的測量方法。運動干預的設計也是一個值得關注的點。本綜述納入的21 項研究中有11 項（52.3%）采用了運動干預時間周期超過一周以上的縱向體育運動計劃，另外10 項（47.7%）則采用了一次性的且運動總時間不超過3 小時的急性運動干預。有52.3%的研究對完成認知測試的時間進行了記錄和限制，這對提高執行功能測試的結果準確性是有益的。不過值得注意的是70.0%的采用急性運動干預對執行功能測試的研究都對執行共能的測試時間和過程做出了限制，而采用縱向體育運動計劃干預的研究中采明確執行功能時間限制的研究僅占45.5%。并且，40.0%的急性研究都將執行功能后測的與干預結束的時間間隔，這一點對急干預后執行功能的水平變化是有顯著的影響的[23]。而納入的所有縱向體育運動計劃干預的研究中均沒有明確這后測時間與干預結束時間的間隔設計，這些比例說明可能研究者認為長在周期的縱向體育運動計劃時間對執行功能水平變化的影響并不敏感，而急性運動干預的對時間的影響更加敏感。此外，60.0%的急性研究對被試的運動干預內容采取了單獨進行的形式，而91.0%的縱向研究卻采取了小組形式的運動干預。急性研究明顯傾向個體干預，而縱向研究明顯傾向于小組干預，這樣的差異可能同樣是由時間原因導致的，急性研究具有短時間敏感性，因此需要對每個被試單獨進行干預后盡快進行認知功能測試，若進行小組干預為避免后測時間間隔帶來的影響則應進行小組化的執行功能測試，這無疑提高了實驗成本與可操作性的難度。而縱向研究基本采用小組干預的形式的特點應該也是由于時間陳本和可操作性的限制，縱向研究通常樣本量較大干預周期長，出于時間和人力成本的限制不便進行個體化的干預。本次納入的研究均未具體說明執行功能測試是逐個個體進行還是小組同時進行。對于高度時間敏感性的急性研究來說這是一個在未來需要注意的問題，若采取小組干預那么執行測試也應盡可能以小組形式進行，而對時間敏感性較低的縱向研究也應將執行測試與干預分組盡可能對應以提高實驗的信效度和可重復性。

對于執行功能測試形式一致報告，57.1%的研究給出了執行功能測試的細節。值得注意的是，81.0%的測試是通過計算機實施的。比起傳統的筆和紙或由考官引導的任務，選擇計算機化考試有幾個潛在的優勢。主要優勢包括(a)管理和評分的一致性；(b)精確的刺激控制；(c)測量時間敏感研究時的準確性。計算機管理也可以通過降低與考試評分相關的成本，以及在同一設備上測試多人的能力來提高效率和降低成本。計算機化測試的日益普及也意味著更多在認知測試方面沒有受過培訓和專業知識的專業人員現在能夠使用和管理這些測試。而由考官指導的考試過程和對測試結果的解釋可能受到考官技能和執行上無法做到完全一致的不利影響[24]。

此外，對于運動干預的變量因素，21 項研究中干預變量的為運動類型7 項（33.3%），即采取不同的運動方式；運動劑量14 項（66.6%），即控制運動強度或時間或兩者皆有來控制運動的總劑量。De Waelle[38]等在一項跟蹤研究中發現參與團隊運動的兒童比參與自主節奏運動和非運動員兒童的表現出更好的執行功能。他們提出一種假設認為：與其他類型的體育運動和身體活動相比，參與團隊運動等具有認知吸引力的體育活動可能與執行功能表現出更強的關聯。這是一種非常有說服力的假設，畢竟團隊或兩人以上對抗性運動中需要的執行功能參與更多。從我們的分析中可以看出，對于不同運動類型運動的研究仍占少數，未來的研究對這一假設的論證和尋找對執行功能影響最大的運動方式與對兒童青少年成長過程中的影響有很大價值。

對于外部因素的控制，本綜述納入的研究主要采取控制被試BMI、心率、心肺功能水平、體力活動水平、認知水平基線等因素，其中以BMI 出現頻次最高（42.9%），說明在青少年執行功能研究領域BMI 是公認的影響因素。這一點已有研究證實[25]。但不足的是對于營養水平和睡眠質量這兩種已被證實對青少年執行功能有影響的外部因素卻未被本次納入的研究所考慮[26][27][28]，尤其是在長期的縱向研究中，僅Williams，Ryan[29]等在對60 分鐘足球比賽干預的急性研究中嚴格考慮了所有被試當天的營養攝入情況。營養攝入和睡眠質量情況是今后進行縱向青少年執行功能研究時應當被考慮的外部干預因素之二。此外對于縱向體育運動計劃干預來就說，如何實現在長周期的跟蹤中盡可能多的監控各類控制變量的影響也是一個值得探討的問題，或許今年來不斷完善的商用可穿戴便攜設備（如智能手環等）是一個可行的解決方向。

之前的幾篇文獻綜述指出，由于使用的認知測試種類繁多，不便于同類實驗間的結果對比與檢驗，體力活動對認知結果的影響這一證據的說服力受到了阻礙。這些問題已在對成人人群的研究中報道過，因此建議研究人員盡可能采取相同的執行功能測試方案，以使研究之間有更大的可比性[30][31]。鑒于在本次審查所納入的研究中使用的不同測試的數量，類似的方法可能有助于對青年人口的研究。當選擇一項認知測量時，必須考慮任務是否可行(測試格式，個體vs.群體管理，管理時間)，是否測量問題中的結構(效度)，以及在這樣做時它是如何準確和一致的(可靠性)。有趣的是，在這篇綜述中， 我們發現了五個最常用的測試(Stroop 、 N-back 、 Flanker 、 Sternberg 、More-odd shifting 測試；(附錄4)占納入研究中使用的所有認知測試的42.6%。這些測試具有一些共同的特性，可能有助于它們的頻繁使用，包括:由于心理執行功能測試范式的廣泛使用，它們相對容易理解和管理，可以由非專業人員進行操作(一些認知測試需要某些認證才能進行操作)，而且有證據表明它們在兒童和青少年人群中使用的效果。

我們總結了納入研究的執行功能測試細節，包括操作時間、操作形式、管理類型。揭示了納入研究報告中的幾個局限性，其中最顯著的是缺乏測試是否小組執行以及測試管理時間報告。干預細節和測試細節的缺失會降低了研究結果的可解釋性、可重復性和通用性。而且這些內容在新冠疫情仍未結束學校及各類社區相對封閉人員流動困難的的當下，對今后該領域研究的實驗設計與執行有重要的參考意義。盡管這篇綜述包含了61 次執行測試任務，但以上5 種最常用的測試占了這篇綜述中所有研究中所做測試的近50%。更一致地使用較少相同的執行功能測試有助于提高研究結果的可比性，提供測試心理計量學有助于加強關于體育活動對執行功能影響的結論。應爭取就更小范圍的執行功能測試達成一致，以提高研究之間結果的可解釋性。這些測試的選擇應仔細考慮操作時間和當下操作難度的結合，以及測試的有效性、可靠性和可行性。以上提供的信息可為未來運動干預執行功能測試的實驗設計提供參考。

2 運動對青少年執行功能和人生益處的影響研究

2.1 執行功能與青少年運動成功的研究

毋庸置疑，兒童青少年時期的運動成功與身體健康、運動技能和專項運動技能有關。現今也有眾多文獻研究認為執行功能可能也與青少年的未來運動成功相關。Toru Ishihara[32]等采取了一種非常有趣的研究方式：選取了日本40 名定期參加縣網球錦標賽的9-15 歲男女青少年網球運動員，2015 年7 月進行了執行功能評估并記錄了他們在2015 年8 月和2017 年2 月的州網球錦標賽排名。控制了年齡和性別后，統計結果顯示基線執行功能表現顯著預測了18 個月后的比賽排名，而2015 年8 月的基線排名預測18 個月后的排名卻不顯著。在控制了年齡、性別和基線排名后，執行功能表現顯著預測了排名的變化。這項研究雖然沒有采取任何的干預措施，也未在18 個月期間控制其他的干預因素，但長達18 個月的周期后執行功能水平高低與競標賽排名變化統計學上的顯著關系仍能在一定程度上說明執行功能的高低能夠影響兒童青少年網球運動的成功。2018 年Shota Sakamoto[33]等測試了497 名8—11 歲申請加入日本青少年聯賽正賽俱樂部的備選球員（被試均有數年足球訓練經驗），結果顯示：雖然被試是否獲批進入俱樂部是由比賽表現和專業教練團隊評判決定的，但是獲批成為正式球員組在執行功能測試中的結果顯著優于比被拒絕組。同時研究人員還測試了所有被試的心理健康情況，心里問卷的結果與最終入選結果并不相關，排除了心理因素的影響。在其他對比高水平青少年足球運動員與較低水平運動員或普通青少年的研究中[34][35][36]均得到了精英青少年球員的執行功能與業余水平運動員或一般同齡人相比執行功能水平有顯著差異的結果。其中Torbjorn Vestberg[34][35]等對瑞典精英青少年球員的研究中還發現，球員執行功能的水平與球員賽季進球數有顯著的關系。

以往的研究表明，執行功能與某些類型的開放技能運動如網球、足球和冰球等即要求參與者在動態變化、不可預測和外部節奏的環境中做出反應的運動中發揮著重要作用[36][37]。相比之下，在需要較少認知活動的封閉式技能運動(如跑步和游泳)中，則不見類似的報道。最近De Waelle[38]等的研究證明了參與開放式技能團隊運動的兒童青少年相比參與封閉式個人運動的兒童青少年表現出更優越的執行功能。這寫證據都能夠說明在網球與足球這類開放式團隊運動項目中，兒童青少年執行功能的高低與青少年未來的運動成功有顯著的聯系。將執行功能的水平作為今后開放式團隊運動項目兒童青少年隊員選材標準之一或許是今后一個有非常高應用價值的研究方向。在這些運動中，選材鑒定通常是由教練在比賽過程中客觀測量身體素質和技術表現，主觀測量認知表現來進行的。今后將客觀身體素質×主管技能水平評價×客觀測量執行功能表現作為開放式團隊運動項目選材依據的可行性和在其他類型項目領域應用的價值值得繼續探索。

最后，現有的研究還有兩個問題無法解決：（A）擁有更高運動成就的青少年運動員更高執行功能水平的來源到底是由兒童青少年時期更高強度或更特殊化的運動訓練導致，還是他們由遺傳因素而得到先天更優秀的執行功能。（B）團隊運動運動員在兒童青少年時期的這種卓越的執行功能表現是否會在青春期持續到成年。這兩個問題還有待今后做更多基線條件控制更加嚴格，跟蹤周期更長的縱向的對比研究來進一步解決。

2.2 運動對兒童青少年執行功能和學習成績的影響

學齡兒童從運動中獲得許多益處，包括改善健身、心血管適能、代謝功能和骨骼健康[5]。然而，因為學校首先考慮的目標是學生的學業成績，所以許多兒童仍然達不到體力活動的建議水平。為了增加學齡兒童的體力活動水平，政府和學界都在努力強調學校體育活動（體育活動是體力活動的下屬概念）對學生身心健康的好處，但收效甚微。如果增加體育活動能夠提高那么體育活動在校園和家庭的推廣就會得到大力支持。因此，學齡兒童青少年體力活動促進學業成績的研究開始成為多個學科的熱點[39]。通常，大部分人都持有這么一個觀點：即大腦和身體的功能是分開的。然而，在幾個學科中都出現了具身認知理論來挑戰這種傳統的二元論方法[40][41][42]。這些理論認為身體是形成我們認知的關鍵因素，其中提供身體體驗的“非認知”過程是重要認知功能發展的基礎，且不可分割。這強調了在學習過程中，感覺-運動與環境相互作用的重要性，從而使知識更持久、更豐富地鞏固。這些心理學和神經科學研究對教育具有啟示意義，它強調了在學習過程中適當的感覺和運動互動對人類認知發展的重要性。執行功能是高級認知功能，負責啟動、適應、調節、監測和控制信息處理和行為。這些功能通常被認為是青春期前兒童成功學習的重要先決條件。隨著體育鍛煉的增加，執行功能的改善可能反過來也會提高孩子的學習成績。

Mona Have[43]等創造性的等將體力活動融入學校數學課程中，探索體育活動融入課堂是否能夠提高兒童認知功能和創造力。在我們綜合檢索近5 年來針對健康兒童青少年運動與認知功能和學業成績相關文獻發現，對于體力活動與學習成績之間的關系，大多數橫斷面研究都給出了這么一個觀點：即體力活動與學習成績之間沒有直接的聯系，但是執行功能和心肺功能的兩者之間起到了中介作用[4][13][44][45][46][46][47][48][49][50][51]。即更多的身體活動不能直接提高學習成績，但是通過對執行功能和心肺功能的提高間接的提高學習成績。在這些研究中，對學習成績的測試通常選擇數學，閱讀理解與第二語言（英語）作為學習成績的測試項目，而數學與閱讀理解與執行功能中的抑制功能和認知靈活性的關系表現更加突出。此外，Xiangli Gu[47]等對體力活動對學習成績的促進作用的橫斷面研究中提出了一種獨特的切入角度，運動能力與學校出勤率之間的關系完全被基于學校的體力活動所介導，提示運動對學習成績的促進不止于執行功能與心肺功能的中介作用。

現有的研究99.2%都采用了無干預的橫斷面研究或長期追蹤研究設計，缺乏交叉對照實驗研究，且大部分研究都在學生上學期間進行，采用學校考試成績作為學習成績評價指標。這樣的實驗設計可能無法確定這樣一個問題：學生學習成績的變化到底是體力活動與執行功能的中介效應，還是因為學生在校期間的文化課學習成果和考試題目難度的變化？正逢國家推行雙減政策，今后在寒暑假期間選取相同教育水平的被試進行有運動干預的隨機交叉對照實驗，并采用獨立設計的學習成績測試將是一種可行的研究思路，用于排除由文化課因素的影響。 同時，大部分的橫斷面研究沒有界定被試體力活動的形式，已有的大量證據表明與那些本質上不那么具有執行功能的運動相比，執行功能運動任務對認知的影響更大[17]。那么采用不同執行功的運動類型對學習成績的間接作用可能存在的差異也是一個值得進一步探討的問題。

2.3 運動對執行功能和兒童青少年心理健康的影響

體育活動對兒童和青少年身體健康的益處是眾所周知的[2]。也有強有力的證據表明，有規律的體育活動可以改善一系列的心理健康結果(如自尊、焦慮、抑郁和抑郁)[3]。除了體育活動對身體和心理健康的益處外，越來越多的證據表明，經常參加體育活動以改善心肺健康(CRF)可能會增強兒童和青少年的認知功能[52]。身體活動和健康似乎對認知功能的發展很重要，這可能是心理健康建立的核心基礎[53]。而執行功能代表了更高階的認知過程，有助于有目的的、目標導向的行為。等在對16—20 歲青少年的急性有氧運動后進行特里爾社會壓力測試時通過功能性近紅外光譜記錄到背外側前額葉皮層氧化反應的變化，證實了急性運動運動對心理壓力的緩解作用和提供了腦血流動力學的證據。Sarah A. Costigan[54]等在8 周的干預研究中發現縱向的間歇高強度有氧運動能提高青少年執行功能和幸福感，縱向間歇高強度阻力運動對青少年自我身體的自信也有提升，高強度間歇運動運動對青少年心理壓力的影響則不明顯。最近Giancarlo Condello[55]等在對181 名五年級學生的分層研究中發現體育強化組兒童在運動技能和親社會技能方面表現出優勢，統計結果顯示這與過去和實際體育經驗對決策的交互作用有關。而Stuart J.Fairclough[56]等則采用了24 小時跟蹤的橫斷面調查，發現將時間分配到更多低體力活動和久坐的兒童青少年存在更多的心理內化問題和較差的親社會性以及認知功能。

這些研究逐步向我們展示了體力活動和認知功能對兒童青少年心理健康的潛在積極影響。今后的研究應該積極發現并利用包含運動、認知和社會情緒結果的相關理論的關鍵交叉點，采取更科學的方式進一步探索體育運動對兒童執行功能和心理健康的促進作用效果和機制聯系研究。不同類型和特點（列如長期開放式團隊運動與個人封閉式運動）的運動能夠造成的影響是值得關注的地方之一。此外，結合近紅外腦功能成像等腦科學研究設備在隨機對照研究的基礎上探索體育活動作用機制的腦血流動力學證據也是一種值得進一步嘗試的研究思路。

3 討論

運動與腦科學的結合是當今運動科學研究的重點方向之一。運動對兒童青少年執行功能的影響和相關人生的研究對體育學科教學，專業運動員的訓練與選材以及大眾健身和運動康復事業的發展都有積極的促進作用。本文綜述的結果發現運動的積極作用已被廣泛的證明，建議今后的研究還應該探索兩個問題。首先，具體什么特征的運動能造成更積極的影響；其次，借助更多交叉學科的現今設備與手段設計更加嚴謹的實驗尋找運動積極作用的更加有力的證據。這篇綜述還有幾個不足的地方。首先，只包含對兒童和青少年進行的研究。鑒于兒童和青少年獨特的認知狀況，以及整個發育階段的認知成熟期，這些年齡組使用的測試、驗證的證據以及它們的實施方式可能與成人人群不同。因此，需要更多的研究來探索成年人使用的認知測量的心理測量特性。其次，本綜述著重于測試體育活動對兒童和青少年認知功能的急性和慢性影響的實驗研究。排除非實驗性研究意味著結果和建議可能不直接適用于該領域的所有研究。例如以社會學樣本區分的對照研究無法被納入。本綜述中包括的測試，以及操作和心理計量學信息并不是對文獻的詳盡描述，以上內容均摘自納入的研究，以及它們引用的材料。