短时有氧锻炼对认知控制功能影响的近红外脑光谱研究.doc

短时有氧锻炼对认知控制功能影响的近红外脑光谱研究 　　摘要：采用近红外脑成像技术并结合行为任务，考察中等强度有氧锻炼对认知控制功能的影响及其大脑的血氧变化特征。方法：22名大学生被试通过功率自行车完成20 min的中等强度有氧锻炼，在锻炼前及锻炼后被试心率恢复到锻炼前水平时，分别完成认知控制任务。采用多通道近红外脑光谱成像系统记录被试大脑额区的血氧变化。结果：本研究行为结果发现，与基线状态相比，锻炼后，被试对认知任务中涉及认知控制的子成分的反应准确性提高，而对于不涉及认知控制的子成分则没有出现这一效应。这一结果提示短时有氧锻炼对于认知影响具有选择性，即有氧锻炼对于涉及认知控制的任务表现促进更大；近红外脑成像结果发现，与基线状态相比，20 min的中等强度有氧锻炼后，被试前额叶的含氧血红蛋白提高，而且被试在完成认知控制任务时前额叶的含氧血红蛋白提高更大，表明大脑额叶脑区激活更大。这一结果提示有氧锻炼后被试在对不断增长的任务需求反应中，大脑额区调制行动控制加工能力更强。结论：20 min的中等强度有氧锻炼对认知控制和脑功能有着积极影响，这一影响通过提高抑制任务表现和增强大脑额叶脑区激活而实现。 　　关键词： 有氧锻炼；近红外脑成像；认知控制功能；近红外脑光谱 　　中图分类号： G 804.8文章编号：1009783X（2016献标志码： A 　　认知控制又称执行控制，是一种高级的认知功能，它是个体学习和智力活动的核心成分。已有研究发现，有氧锻炼在认知控制功能发展和维持中扮演着重要角色。例如Davis等[1]采用随机控制实验方法考察有氧锻炼干预对于身体超重儿童执行功能的表现影响。研究者将94位平均年龄9岁的身体超重儿童随机分配至高有氧锻炼组、低有氧锻炼组或控制组中，高低有氧锻炼组均参与为期15周、每周5 d的锻炼，其中高有氧锻炼组每天锻炼40 min，低有氧锻炼组每天锻炼20 min，控制组不参加锻炼干预。研究发现，与20 min的低有氧锻炼组和控制组相比，高有氧锻炼组的锻炼干预对于执行控制功能有着显著的积极影响。 　　除了上述的长期锻炼干预研究，一些研究者也考察了短时锻炼对认知控制功能的影响。一些研究发现，短时锻炼同样能够促进执行控制[24]。例如，陈爱国等选取30名大学生，使用功率自行车实施30 min的不同强度有氧运动，并采用flanker任务、2back任务和数字Moreodd shifting任务，分别测查被试基线、小强度短时有氧运动、中强度短时有氧运动和大强度短时有氧运动后执行功能的抑制、刷新和转换3个子功能的变化。结果发现，不同强度的短时有氧锻炼对执行功能产生选择性具有积极影响[3]。 　　但是也有研究发现一次性有氧锻炼不能促进一些认知控制功能。如有研究者考察了一次性锻炼与年龄对过重儿童作业转换能力的影响。该研究招募69位平均年龄为9.2岁的身体过重儿童，并将他们随机分派至锻炼组或控制组。锻炼组做3 min中等强度的快走锻炼，采用作业转换任务考察被试的认知功能，认知测验在锻炼前与锻炼后即刻完成。结果显示，年龄在整体转换成本分数上有显著影响，然而短时锻炼对测验的整体转换成本分数与错误率的影响并无差异[5]。可见，当前关于短时有氧锻炼对执行控制影响的研究结果存在较大的分歧，有必要做进一步探讨。 　　另一方面，既往研究对于有氧锻炼认知功效的脑神经机制探讨不多，有限的研究主要集中于脑电和功能磁共振研究上。脑电有空间精度不足的局限，功能磁共振有生态效度不足的局限，而近红外脑成像（near infrared spectroscopy，NIRS）技术空间分辨率优于脑电，时间分辨率优于磁共振，更重要的是其能在自然的运动情境下使用，研究的生态效度更高，因而更适合锻炼认知效益的研究[6]；故本研究采用近红外脑光谱成像技术考察锻炼对认知控制功能影响的脑神经机制。 　　本研究采用被试内设计，被试完成20 min中等强度的锻炼，以静息状态作为控制刺激。在锻炼期间和静息状态的前后20 min，采用Flanker认知任务测量，记录练习前、期间和恢复后的指标和认知任务所对应的脑区血氧变化，通过比较基线和20 min的一次性锻炼后的相关变量的变化值，考察一次性锻炼对脑区功能激活的影响。综合分析一次性有氧锻炼对学习和认知的影响。 　　1研究对象与方法 　　1.1研究对象 　　22名被试（男11人，女11人）参加本实验，被试平均年龄20.6岁，均为右利手，视力或矫正视力正常。所有被试均身体健康状况良好，无精神病或神经疾病、物质滥用历史。实验前，被试须填写知情同意书。 　　1.2实验过程 　　被试半卧式躺在功率车上，固定好头部后，先测定2 min基准值、心率，然后受试者以中等强度进行20 min运动，最后进行3