體育鍛煉對(duì)青少年執(zhí)行功能影響的研究進(jìn)展

摘要：執(zhí)行功能是認(rèn)知功能的重要組成部分，對(duì)青少年身心發(fā)展至關(guān)重要。體育鍛煉是促進(jìn)青少年執(zhí)行功能發(fā)展的天然手段，對(duì)執(zhí)行功能提升存在多方面效益。基于此，本研究從青少年執(zhí)行功能發(fā)展特點(diǎn)出發(fā)，首先闡明了其發(fā)展特點(diǎn)，隨后分別從體育鍛煉對(duì)青少年執(zhí)行功能的三個(gè)子功能（抑制控制、工作記憶、認(rèn)知靈活性）的影響展開論述，系統(tǒng)分析了體育鍛煉在不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)類型下的具體影響，及其影響的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制。以期為該領(lǐng)域的后續(xù)研究提供參考信息，為青少年認(rèn)知和心理發(fā)展提供理論上的參考，為更好促進(jìn)青少年執(zhí)行功能發(fā)展提供實(shí)踐上的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：體育鍛煉；青少年；執(zhí)行功能；認(rèn)知發(fā)展；生理機(jī)制

Research Progress on the Impact of Physical Exercise on Executive Function in Adolescents

Abstract： Executive function is an essential component of cognitive function and crucial for the psychosocial development of adolescents. Physical exercise serves as a natural means to promote the development of executive functions in adolescents， offering various benefits for their enhancement. In this study， starting from the developmental characteristics of executive functions in adolescents， we first elucidate these characteristics. Subsequently， we discuss the impact of physical exercise on three sub-functions of executive functions in adolescents （inhibition control， working memory， and cognitive flexibility）， systematically analyzing the specific effects of physical exercise under different intensities and types of sports， as well as the neurophysiological mechanisms involved. This study aims to provide reference information for subsequent research in this field， theoretical insights for the cognitive and psychological development of adolescents， and practical guidance for better promoting the development of executive functions in adolescents.

KeyWords： Physical exercise; Adolescents; Executive function; Cognitive development; Physiological mechanisms

青少年時(shí)期認(rèn)知功能得到進(jìn)一步發(fā)展，其增長(zhǎng)的效益對(duì)未來思維、情感和行為的塑造至關(guān)重要[1]。因此，青少年的認(rèn)知功能提升成為學(xué)術(shù)界備受關(guān)注的話題。其中作為高階認(rèn)知的“執(zhí)行功能”更是被譽(yù)為“管弦樂隊(duì)的指揮”，其本質(zhì)是通過自下而上的心理調(diào)控過程，使個(gè)體靈活且高效的實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)。不同運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)方式、以及不同的運(yùn)動(dòng)組合模式均會(huì)對(duì)執(zhí)行功能的提升產(chǎn)生不同效益[2]。相關(guān)研究的探討由短時(shí)運(yùn)動(dòng)逐漸過渡至長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)，不同運(yùn)動(dòng)形式的干預(yù)研究也逐漸豐富。盡管研究者在探討運(yùn)動(dòng)對(duì)執(zhí)行功能的提升方面取得了一定進(jìn)展，但相關(guān)研究及理論缺乏必要的整合，以形成系統(tǒng)且全面的解釋。基于此，系統(tǒng)探討體育鍛煉對(duì)青少年執(zhí)行功能的具體影響。闡述體育鍛煉對(duì)執(zhí)行功能的影響及其潛在影響機(jī)制。以期為促進(jìn)青少年執(zhí)行功能提升提供理論和實(shí)踐上的參考。

1青少年執(zhí)行功能發(fā)展特點(diǎn)

1.1青少年執(zhí)行功能發(fā)展的年齡階段特點(diǎn)

青少年時(shí)期是大腦發(fā)育的重要階段，伴隨年齡的增長(zhǎng)，大腦各腦區(qū)及結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步的發(fā)展，認(rèn)知能力進(jìn)而提高。此時(shí)期獲得的認(rèn)知效益關(guān)乎其未來的發(fā)展趨勢(shì)。而執(zhí)行功能作為認(rèn)知功能的重要組成部分，在青春期得到長(zhǎng)足發(fā)展。較高的執(zhí)行功能使得個(gè)體能夠更好的控制自身情緒和感知他人情緒，并保持積極的心理狀態(tài)。

青少年時(shí)期標(biāo)志著生理和心理領(lǐng)域的顯著變革。在青春期的起始階段，身體快速生長(zhǎng)并伴隨著性征的發(fā)育，在這一時(shí)期，注意力和工作記憶能力呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，然而，決策和自我控制能力相對(duì)較為薄弱。與此同時(shí)，青少年經(jīng)歷個(gè)性形成、自我認(rèn)知及社交關(guān)系調(diào)整等多重心理挑戰(zhàn)。尤其值得注意的是，個(gè)體對(duì)自我認(rèn)知的需求和自身所承擔(dān)的認(rèn)知負(fù)荷在這一階段也顯著上升，腦結(jié)構(gòu)的發(fā)育，尤其是前額葉皮質(zhì)的逐漸發(fā)展，對(duì)于青少年時(shí)期的行為和認(rèn)知功能發(fā)展至關(guān)重要。

隨著年齡的增加以及大腦的逐步發(fā)育，青少年逐漸展現(xiàn)出獨(dú)立思考、決策和解決問題的能力。盡管仍需成人的引導(dǎo)和支持，但其自我控制和抗壓能力得到提升；雖然仍存在沖動(dòng)和冒險(xiǎn)行為，但其在認(rèn)知行為方面的表現(xiàn)逐漸趨于成熟。到青春期末期，青少年的執(zhí)行功能基本趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出獨(dú)立的思考、決策和問題解決能力。注意力和工作記憶能力達(dá)到巔峰水平，然而，仍需通過持續(xù)的訓(xùn)練來鞏固這一水平。相關(guān)研究證實(shí)，當(dāng)個(gè)體的情緒和心理狀態(tài)得到發(fā)展時(shí)，執(zhí)行功能呈現(xiàn)出顯著的提升。這一時(shí)序變化體現(xiàn)了青少年執(zhí)行功能發(fā)展的年齡特征。

1.2青少年執(zhí)行功能發(fā)展的性別差異特點(diǎn)

青少年時(shí)期，執(zhí)行功能的發(fā)展除在年齡上表現(xiàn)出差異外，男女由于生長(zhǎng)發(fā)育的速度、身體結(jié)構(gòu)等方面的不同，執(zhí)行功能的發(fā)展速度及特點(diǎn)也有所不同，表現(xiàn)出一定的性別差異。此差異緊密關(guān)聯(lián)于生理和認(rèn)知成長(zhǎng)。青春期初期，女性往往先于男性進(jìn)入生理成熟階段，這導(dǎo)致了大腦結(jié)構(gòu)、智力水平以及神經(jīng)機(jī)制的發(fā)展上不同于男性，從而在認(rèn)知功能上呈現(xiàn)性別特異性。

執(zhí)行功能作為高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)，在性別層面亦呈現(xiàn)出分異。在相同年齡段內(nèi)，青少年男女在情緒控制和思維靈活性方面存在顯著差異。初期青春期階段，女性表現(xiàn)出更高的認(rèn)知靈活性，相較于男性在自我控制和情緒調(diào)控方面表現(xiàn)更為優(yōu)越。

而男性在抑制控制和工作記憶等方面的表現(xiàn)則相較于同時(shí)期的女性更為優(yōu)越。

在發(fā)展速度上，相關(guān)研究證實(shí)，青少年女性在認(rèn)知方面的發(fā)展速度通常較快。這意味著她們?cè)谡J(rèn)知控制、計(jì)劃和決策等方面呈現(xiàn)出更為成熟的特質(zhì)。相對(duì)應(yīng)地，男性青少年在空間認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)控制上可能呈現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，這或與其大腦結(jié)構(gòu)的發(fā)展及神經(jīng)系統(tǒng)特性有關(guān)。此外，女性青少年在語言和情緒控制方面可能表現(xiàn)更為卓越，這或許與其大腦發(fā)育及社會(huì)化經(jīng)驗(yàn)的影響相關(guān)。然而，值得強(qiáng)調(diào)的是，這些性別差異并非普遍適用，個(gè)體差異在運(yùn)動(dòng)認(rèn)知發(fā)展中同樣扮演著重要角色。因此，性別差異僅代表一種普遍趨勢(shì)，而并非每個(gè)個(gè)體均適用。

2體育鍛煉對(duì)青少年執(zhí)行功能的影響

2.1體育鍛煉對(duì)抑制控制的影響

抑制控制能力是指?jìng)€(gè)體能夠通過抑制無關(guān)的行為或情緒反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)導(dǎo)向的行為或情緒調(diào)節(jié)的能力。簡(jiǎn)而言之，抑制控制能夠在個(gè)體處理沖突以及及時(shí)有效地抑制與主任務(wù)無關(guān)的信息時(shí)發(fā)揮重要作用。在處理沖突方面，這種沖突可能涉及刺激呈現(xiàn)或行為反應(yīng)時(shí)的沖突，即刺激水平和反應(yīng)水平的沖突。

抑制控制作為個(gè)體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)導(dǎo)向行為或情緒調(diào)節(jié)的重要能力，在個(gè)體發(fā)展的各個(gè)方面發(fā)揮重要作用，抑制控制能力的提升也間接的影響工作記憶和認(rèn)知靈活性的發(fā)展。體育鍛煉對(duì)于抑制控制的提升具有顯著促進(jìn)效果，其促進(jìn)作用受多種因素的影響，包括運(yùn)動(dòng)形式、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度和類型等。運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)類型的不同對(duì)抑制控制的發(fā)展影響較為顯著，因此從這兩個(gè)維度展開探討。

從運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度來看，不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的體育鍛煉對(duì)抑制控制產(chǎn)生不同效益。在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)能夠顯著促進(jìn)抑制控制功能，相關(guān)研究也證實(shí)了這一結(jié)論。而在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)中，中等強(qiáng)度的體育鍛煉對(duì)提升抑制控制效果最佳，并且隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的累積，其效果越來越顯著。相反，研究表明[3]，單次高強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)對(duì)抑制控制并未產(chǎn)生積極效果，而連續(xù)多次且持續(xù)一定時(shí)間的高強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)對(duì)抑制控制產(chǎn)生積極效果，這主要與青少年時(shí)期主導(dǎo)抑制控制的前額葉皮質(zhì)的發(fā)展有關(guān)。由此發(fā)現(xiàn)當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度為中等強(qiáng)度時(shí)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短均會(huì)對(duì)抑制控制影響。因此，多項(xiàng)研究也證實(shí)，中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)是對(duì)抑制控制提升的最佳強(qiáng)度。

從運(yùn)動(dòng)形式來看，不同類型的運(yùn)動(dòng)也對(duì)抑制控制產(chǎn)生不同效益。開放式運(yùn)動(dòng)技能相較于閉鎖式運(yùn)動(dòng)技能更有利于抑制控制的提升，因?yàn)殚_放式運(yùn)動(dòng)技能開展是，所遇環(huán)境刺激更豐富，個(gè)體在此過程中不斷進(jìn)行復(fù)雜的認(rèn)知處理活動(dòng)，其變化且不可預(yù)測(cè)的特性被認(rèn)為是促進(jìn)腦認(rèn)知發(fā)展的理想場(chǎng)所。從氧運(yùn)輸?shù)慕嵌葋砜矗醒踹\(yùn)動(dòng)也被認(rèn)為是促進(jìn)抑制控制的有效方式，這與氧運(yùn)輸效率有關(guān)。認(rèn)知活動(dòng)發(fā)生的腦區(qū)，氧氣充足的環(huán)境下，其儲(chǔ)存和處理信息的速度更快。不同類型的運(yùn)動(dòng)對(duì)抑制控制的改善效果依次為：抗阻運(yùn)動(dòng)、有氧運(yùn)動(dòng)、靈敏性運(yùn)動(dòng)。

2.2體育鍛煉對(duì)工作記憶的影響

工作記憶作為復(fù)雜認(rèn)知活動(dòng)的核心系統(tǒng)，在高級(jí)認(rèn)知任務(wù)中扮演著至關(guān)重要的角色。其主要構(gòu)成包括記憶容量和工作記憶的執(zhí)行效率，因此從這兩方面入手有助于更加準(zhǔn)確的了解體育鍛煉對(duì)工作記憶的影響。

記憶容量指?jìng)€(gè)體在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)處理和存儲(chǔ)信息的認(rèn)知能力。較好的記憶容量使得個(gè)體在完成認(rèn)知任務(wù)時(shí)可以有效、快速和完整的儲(chǔ)存和處理信息，為后續(xù)個(gè)體需要完成復(fù)雜的認(rèn)知任務(wù)時(shí)奠定基礎(chǔ)。相關(guān)研究指出，適度的有氧運(yùn)動(dòng)，例如跑步、游泳或騎自行車等，對(duì)工作記憶容量具有積極影響。特別是在中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)中，大腦認(rèn)知功能得到改善，其中包括工作記憶，這一效應(yīng)的機(jī)制可能涉及到體育鍛煉促進(jìn)大腦區(qū)域（例如前額葉皮層和海馬體）神經(jīng)元的生長(zhǎng)和連接[4]。使個(gè)腦區(qū)之間的聯(lián)系更加緊密，信息傳遞和處理的速度更加高效。此外，相較于閉鎖式運(yùn)動(dòng)技能的固定套路和結(jié)構(gòu)化步驟，開放式運(yùn)動(dòng)技能由于此時(shí)刻變化的特點(diǎn)，使得來自于外界的信息輸入和更新較快，有助于個(gè)體鍛煉良好的信息接受能力，從而提高記憶容量。

工作記憶的執(zhí)行效率衡量了大腦處理和操作短期信息的速度和準(zhǔn)確性。高效的工作記憶執(zhí)行意味著大腦能夠迅速提取和檢索信息，并在保持信息準(zhǔn)確性的同時(shí)進(jìn)行操作[5]。體育鍛煉通過提高個(gè)體的注意力和專注力，尤其是通過靜態(tài)體育鍛煉，如瑜伽和冥想，有助于提升個(gè)體的注意力水平和情緒調(diào)節(jié)能力，從而對(duì)工作記憶的執(zhí)行效率產(chǎn)生積極影響。

2.3體育鍛煉對(duì)認(rèn)知靈活性的影響

認(rèn)知靈活性指面對(duì)新穎、復(fù)雜或多變?nèi)蝿?wù)時(shí)個(gè)體的適應(yīng)性表現(xiàn)，其本質(zhì)上即是個(gè)體面臨不斷變化的情景時(shí)，靈活的調(diào)整心理過程做出高效流暢反應(yīng)的過程。在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，認(rèn)知靈活性被視為大腦靈活應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的能力。青少年時(shí)期的認(rèn)知靈活性發(fā)展較晚，往往在抑制控制和工作記憶的基礎(chǔ)上構(gòu)建。因此，體育鍛煉對(duì)認(rèn)知靈活性的影響進(jìn)行深入探究，具有重要意義。

從運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度來看，研究表明[6]，不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)認(rèn)知靈活性的影響存在顯著差異。低強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)對(duì)青少年認(rèn)知靈活性的影響較為有限，主要原因在于低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中的認(rèn)知活動(dòng)簡(jiǎn)單。而中、高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)則顯示出明顯的促進(jìn)效果。值得特別關(guān)注的是，中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)在運(yùn)動(dòng)周期大于等于8周時(shí)，對(duì)青少年認(rèn)知靈活性的促進(jìn)效果較佳。高強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)（HIIT）也被證實(shí)為對(duì)認(rèn)知靈活性產(chǎn)生積極影響的有效方式，其通過短時(shí)高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)和休息交替的模式，聯(lián)動(dòng)提升心肺功能、代謝能力神經(jīng)可塑性和認(rèn)知功能的提高。此外，體育鍛煉類型的差異同樣會(huì)影響認(rèn)知靈活性的效果。以有氧運(yùn)動(dòng)為例，如：跑步、游泳和跳繩，通過提升大腦氧氣供應(yīng)，提升相關(guān)腦區(qū)的腦區(qū)活動(dòng)度，進(jìn)而促進(jìn)認(rèn)知靈活性的提高。同時(shí)，涉及靈敏和協(xié)調(diào)素質(zhì)的活動(dòng)，如球類運(yùn)動(dòng)，以及開放式技能動(dòng)作的復(fù)雜性，如健美操和武術(shù)套路，均呈現(xiàn)出對(duì)認(rèn)知靈活性積極促進(jìn)的效應(yīng)。這些活動(dòng)能有效提高大腦皮層興奮與抑制轉(zhuǎn)換的精確性，從而為認(rèn)知靈活性的進(jìn)步提供支持。

因此，有氧運(yùn)動(dòng)則主要是通過改善氧氣供應(yīng)間接提升認(rèn)知靈活性，而靜態(tài)體育鍛煉，例如瑜伽和冥想，通過提高注意力水平、情緒調(diào)節(jié)能力和壓力緩解，間接促進(jìn)認(rèn)知靈活性的進(jìn)步。綜合進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)和靜態(tài)體育鍛煉可更全面地促進(jìn)認(rèn)知靈活性，這為個(gè)體在需要提高認(rèn)知靈活性的場(chǎng)景中提供更多選擇和參考。認(rèn)知靈活性的提高同時(shí)也收到抑制控制和工作記憶的影響，由于認(rèn)知靈活性的發(fā)展相較于抑制控制和工作記憶滯后，因而當(dāng)抑制控制和工作記憶發(fā)展到一定階段時(shí)會(huì)帶動(dòng)認(rèn)知靈活性的發(fā)展。而認(rèn)知靈活性的提高使得個(gè)體處理問題和思維能力的提升，進(jìn)行認(rèn)知活動(dòng)時(shí)同樣會(huì)影響抑制控制和工作記憶的能力的發(fā)揮。三者之間的這種相互促進(jìn)及帶動(dòng)作用，促使執(zhí)行功能的不斷提高與成熟。

3體育鍛煉促進(jìn)執(zhí)行功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制

體育鍛煉促進(jìn)執(zhí)行功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制涉及多個(gè)方面，了解促進(jìn)執(zhí)行功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制，有助于更加深刻的理解其促進(jìn)效果的內(nèi)部機(jī)制。體育運(yùn)動(dòng)通過引發(fā)大腦分子、細(xì)胞和系統(tǒng)水平的變化，對(duì)青少年的執(zhí)行功能改善起到關(guān)鍵作用[7]。關(guān)于運(yùn)動(dòng)改善認(rèn)知的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制，目前主要有兩種解釋，即“擴(kuò)展的額頂整合理論”和“神經(jīng)效率假說”[8]。前者認(rèn)為較高的認(rèn)知績(jī)效與更廣泛的腦區(qū)激活有關(guān)，而非僅限于額頂葉聯(lián)合區(qū)這一局部腦區(qū)；后者則支持“聰明的大腦更懶惰”的觀點(diǎn)，即在完成認(rèn)知任務(wù)過程中，個(gè)體動(dòng)用較少的神經(jīng)資源。

執(zhí)行功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制涉及多個(gè)生物學(xué)結(jié)構(gòu)和過程的相互作用。在鍛煉類型上存在差異，可分為持續(xù)性鍛煉和可變性鍛煉兩類，持續(xù)性鍛煉以周期性的重復(fù)練習(xí)為主，而可變性鍛煉則遵循練習(xí)的可變性原則。在分子和細(xì)胞水平上，規(guī)律的持續(xù)性鍛煉有助于提高心血管的健康，包括VO2的增加、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（BDNF）濃度的升高和腦血流量的增加。然而，研究也表明，具有開放環(huán)境、序列動(dòng)作屬性的運(yùn)動(dòng)更有助于提升BDNF濃度，刺激突觸和血管生成，以維持穩(wěn)定的毛細(xì)血管密度[9]。

在腦系統(tǒng)水平上，需要在特定時(shí)間、空間內(nèi)精確完成各種動(dòng)作任務(wù)的可變性鍛煉能夠調(diào)動(dòng)更多神經(jīng)回路，并通過神經(jīng)修剪促進(jìn)執(zhí)行功能任務(wù)相關(guān)腦結(jié)構(gòu)、功能的改善。這包括促進(jìn)灰質(zhì)、白質(zhì)體積的變化，增強(qiáng)前額葉等執(zhí)行控制依賴性腦區(qū)的激活。然而，相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)，類似的結(jié)果同樣在持續(xù)性鍛煉中得以體現(xiàn)。

在宏觀水平上，體育鍛煉不僅提升了海馬和小腦等腦結(jié)構(gòu)的體積，還影響了腦區(qū)激活水平和腦區(qū)間功能連接。需要注意的是，體育鍛煉對(duì)認(rèn)知的促進(jìn)效應(yīng)受到多種因素的影響，包括個(gè)體差異、時(shí)間因素，以及體育鍛煉和認(rèn)知刺激之間的相互作用等。因此，對(duì)于運(yùn)動(dòng)促進(jìn)執(zhí)行功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制及其在不同鍛煉類型上的差異性，仍需進(jìn)一步深入研究。

4結(jié)語

體育鍛煉在促進(jìn)青少年執(zhí)行功能方面的益處經(jīng)過廣泛研究已得到證實(shí)，本研究通過系統(tǒng)的梳理相關(guān)研究證據(jù)，分別闡述的不同運(yùn)動(dòng)類型及強(qiáng)度下體育鍛煉對(duì)青少年執(zhí)行功能各子功能發(fā)展的影響。然而，目前研究仍存在一些待解決的問題。不同類型、強(qiáng)度和時(shí)間的體育鍛煉可能對(duì)執(zhí)行功能產(chǎn)生差異性影響，而不同個(gè)體之間的差異及其影響機(jī)制也需要更深入的研究。未來研究應(yīng)更深入地探討體育鍛煉對(duì)青少年執(zhí)行功能的影響內(nèi)部機(jī)制，同時(shí)深入研究其不同運(yùn)動(dòng)方案帶來的具體效益。為設(shè)計(jì)更精準(zhǔn)的干預(yù)方案和教育策略提供科學(xué)依據(jù)。這一領(lǐng)域的深入研究有望為未來的干預(yù)措施提供更有效的指導(dǎo)。

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