陳愛(ài)國(guó)，殷恒嬋，王 君，李鑫楠，宋 爭(zhēng)

短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)改善兒童執(zhí)行功能的磁共振成像研究

陳愛(ài)國(guó)1，2，殷恒嬋2，王 君3，李鑫楠2，宋 爭(zhēng)3

目的：探討短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能腦激活模式的影響，從腦系統(tǒng)的角度揭示短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)影響兒童執(zhí)行功能的腦機(jī)制。方法：選擇10歲兒童為研究對(duì)象，使用Flanker任務(wù)評(píng)價(jià)執(zhí)行功能，綜合利用體育測(cè)量技術(shù)、心理測(cè)量技術(shù)和功能磁共振成像技術(shù)檢測(cè)一次30min的短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)前、后兒童執(zhí)行功能及其腦激活模式的特征性變化。結(jié)果：1）短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能產(chǎn)生積極的改善效應(yīng)；2）短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)能使兒童執(zhí)行功能腦激活模式發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為兒童執(zhí)行功能腦激活模式中的雙側(cè)額上回、雙側(cè)額中回、雙側(cè)頂上小葉和左側(cè)頂下小葉激活程度增加，左側(cè)前扣帶回激活減弱。結(jié)論：一次30min的短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)能改善兒童的執(zhí)行功能，其腦機(jī)制是短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)誘發(fā)兒童執(zhí)行功能腦激活模式的變化。

中等強(qiáng)度；有氧運(yùn)動(dòng)；兒童；執(zhí)行功能；功能磁共振成像；腦機(jī)制

1 前言

執(zhí)行功能（Executive Function，EF），是指在完成復(fù)雜的認(rèn)知任務(wù)時(shí)，對(duì)各種基本認(rèn)知過(guò)程進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制的高級(jí)認(rèn)知過(guò)程［18］。它作為認(rèn)知、情緒和社會(huì)功能的核心，是兒童學(xué)習(xí)、推理、問(wèn)題解決和智力活動(dòng)的重要成分，執(zhí)行功能不良的兒童不僅學(xué)習(xí)能力受損，還常繼發(fā)行為和情緒方面的問(wèn)題，如攻擊性、注意缺陷多動(dòng)障礙、學(xué)習(xí)障礙、孤獨(dú)、抑郁等癥狀的兒童都會(huì)表現(xiàn)出不同程度的執(zhí)行功能異常［14，16］。這些現(xiàn)象引起各方面專家的關(guān)注，成為多學(xué)科領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)，他們開始研究如何能令兒童執(zhí)行功能健康發(fā)展，如何改善有問(wèn)題兒童。

短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)（acute moderate aerobic exercise），是指持續(xù)時(shí)間為10～60min、強(qiáng)度為50%～70%最大攝氧量（˙VO2max）、以增加體內(nèi)氧氣的吸入、輸送及利用為主要目的運(yùn)動(dòng)［22，26］。大量的研究結(jié)果表明，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)是一種有效的維護(hù)身心健康和預(yù)防疾病的方式［24］。那么，其對(duì)兒童執(zhí)行功能是否有改善作用？其腦機(jī)制如何？最近的一些研究結(jié)果表明，以短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)為內(nèi)容的干預(yù)方案可提高和改善兒童執(zhí)行功能［15，20，21］，為采用運(yùn)動(dòng)手段干預(yù)兒童執(zhí)行功能發(fā)展提供了初步基礎(chǔ)，但是，目前尚不清楚其改善作用的腦機(jī)制。

腦可塑性理論為探討運(yùn)動(dòng)干預(yù)改善兒童執(zhí)行功能的腦機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。腦的可塑性就是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性，是指腦在外界環(huán)境和經(jīng)驗(yàn)的作用下不斷塑造其結(jié)構(gòu)和功能的能力［5］。任何一種心理現(xiàn)象，簡(jiǎn)單或復(fù)雜，都是以中樞神經(jīng)系統(tǒng)，尤其大腦相關(guān)功能區(qū)的活動(dòng)為基礎(chǔ)的；同樣，運(yùn)動(dòng)干預(yù)產(chǎn)生的執(zhí)行功能改善效應(yīng)是腦的機(jī)能，是大腦相關(guān)功能區(qū)對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)，是大腦的可塑性變化的結(jié)果。20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）將神經(jīng)活動(dòng)和高分辨率磁共振成像技術(shù)結(jié)合，可用于定位和定量檢測(cè)被試在完成各種知覺(jué)、運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知任務(wù)時(shí)的大腦活動(dòng)，已成為揭示心理活動(dòng)腦機(jī)制的重要手段。近年來(lái)，借助于fMRI技術(shù)對(duì)執(zhí)行功能腦機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，前額葉皮層與其他皮層及皮層下區(qū)域之間的動(dòng)態(tài)的交互作用是執(zhí)行功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，執(zhí)行功能有其特定的腦激活模式，腦激活模式改變，其執(zhí)行功能相應(yīng)變化［12，25］。因此，闡明短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)改善兒童執(zhí)行功能腦機(jī)制的關(guān)鍵，在于揭示短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能腦激活模式的影響。而且，來(lái)自認(rèn)知心理學(xué)領(lǐng)域?qū)μ厥鈨和ㄗ⒁馊毕荻鄤?dòng)障礙兒童、肥胖兒童、學(xué)習(xí)障礙等）執(zhí)行功能的干預(yù)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：一些認(rèn)知干預(yù)訓(xùn)練任務(wù)，如腦工具課程（the tools of the mind curriculum）、工作記憶訓(xùn)練、注意控制訓(xùn)練、任務(wù)轉(zhuǎn)換訓(xùn)練等，對(duì)兒童執(zhí)行功能有顯著的提高作用，其腦機(jī)制是其執(zhí)行功能腦激活模式的改變［4，14，27］。

基于此，本研究擬選擇執(zhí)行功能發(fā)展關(guān)鍵期的兒童為研究對(duì)象，借助fMRI技術(shù)，探討短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)影響兒童執(zhí)行功能的腦機(jī)制，以期為深入理解運(yùn)動(dòng)—腦可塑性的問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)，也為采用運(yùn)動(dòng)手段改善兒童執(zhí)行功能發(fā)展，進(jìn)而指導(dǎo)教育和醫(yī)療活動(dòng)提供實(shí)踐基礎(chǔ)。且基于已有的研究成果，本研究預(yù)期：短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)通過(guò)影響兒童執(zhí)行功能腦激活模式的變化，改善兒童執(zhí)行功能。同意書。

本實(shí)驗(yàn)獲北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室腦成像中心倫理與人體保護(hù)委員會(huì)批準(zhǔn)。

2.2 研究方法

2.2.1 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)方案

有氧運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的設(shè)定。以美國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)會(huì)針對(duì)健康兒童的有氧運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（American College of Sports Medicine，2006）［6］為基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)內(nèi)以兒童為研究對(duì)象的相關(guān)研究結(jié)果［1］，確立參加實(shí)驗(yàn)兒童有氧運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)：中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)負(fù)荷設(shè)定為個(gè)體最大心率的60%～69%，其中，最大心率＝220－年齡。

在瑞典產(chǎn)MONARK 834型功率自行車實(shí)施中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)。依據(jù)兒童情況調(diào)整功率自行車阻力大小，阻力范圍0～150W，踏車節(jié)律≥30r／min。采用芬蘭產(chǎn)RS800CXSD型心率遙測(cè)儀監(jiān)控有氧運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到個(gè)體中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的心率目標(biāo)區(qū)開始計(jì)時(shí)，運(yùn)動(dòng)30 min。

2.2.2 執(zhí)行功能任務(wù)設(shè)計(jì)與呈現(xiàn)

任務(wù)設(shè)計(jì)：執(zhí)行功能任務(wù)設(shè)計(jì)參考Eriksen Flankers Task的范式［17，19］，使用Flanker任務(wù)測(cè)量?jī)和瘓?zhí)行功能，采用組塊（block）設(shè)計(jì)，共包括5個(gè)不一致條件block和6個(gè)一致條件block。在不一致條件block中，屏幕中央出現(xiàn)的字母有SSHSS和HHSHH兩種，各占不一致條件block的1／2；在一致條件block中，屏幕中央出現(xiàn)的字母有SSSSS和HHHHH兩種，各占一致條件block的1／2。每個(gè)trial 2s（SOA），刺激呈現(xiàn)的時(shí)間為1 500ms，兩個(gè)刺激之間間隔500ms，整個(gè)block持續(xù)時(shí)間為22s（包括1個(gè)提示和10個(gè)刺激）。不論是哪種block，屏幕中央都會(huì)隨機(jī)呈現(xiàn)一行

2 研究對(duì)象與方法

2.1 研究對(duì)象

從普通小學(xué)經(jīng)篩查選取10歲兒童9名（男4名，女5名）。選取標(biāo)準(zhǔn)：1）無(wú)嚴(yán)重軀體疾病，無(wú)腦創(chuàng)傷及神經(jīng)系統(tǒng)疾病病史，無(wú)藥物和酒精依賴史或其他有可能影響腦結(jié)構(gòu)與功能的疾??；2）無(wú)精神障礙及遺傳病史，且目前精神狀況良好；3）五年級(jí)學(xué)生；4）漢族；5）右利手；6）采用教師評(píng)價(jià)結(jié)合韋氏智力量表測(cè)查排除IQ＜90兒童；7）采用兒童注意力及行為評(píng)定量表排除注意缺陷多動(dòng)障礙兒童；8）被試視力或矯正視力＞0.8，無(wú)色盲和色弱；9）采用北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室腦成像中心被試檢查單（V2.0）檢查是否滿足磁共振掃描條件，如體內(nèi)無(wú)植入金屬（如金屬假牙等）、身上裝有電子的、磁的或機(jī)械的設(shè)備（如心臟起搏器）等；10）所有被試家長(zhǎng)簽署知情字母（共5個(gè)），要求被試判斷出現(xiàn)在中間的字母是H還是S。如果是“H”，則用食指按鍵盤上的“A”鍵，如果是“S”就按“B”鍵。執(zhí)行功能行為學(xué)的成績(jī)?yōu)椴灰恢聴l件block的平均反應(yīng)時(shí)減去一致條件block的反應(yīng)時(shí)，差異越小，執(zhí)行功能越好。

任務(wù)呈現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)應(yīng)用E－prime編程的刺激程序，通過(guò)認(rèn)知刺激儀呈現(xiàn)在固定于頭部線圈上的反光鏡中，被試兒童在MRI掃描儀內(nèi)可以看到刺激內(nèi)容，通過(guò)按鍵應(yīng)答。

2.2.3 fMRI掃描及圖像處理

fMRI掃描：使用德國(guó)西門子公司Trio 3.0T超導(dǎo)型MR掃描儀進(jìn)行圖像采集。T1－MPRAGE結(jié)構(gòu)像掃描參數(shù)：TR／TE＝2 000／3.39ms，TI＝1 100ms，層厚＝1.33 mm，翻轉(zhuǎn)角＝7°，采集矩陣＝256×256，F(xiàn)OV＝200×200 mm；任務(wù)fMRI掃描參數(shù)（平面回波脈沖序列掃描）：TR／TE＝2 000／30ms，層數(shù)＝30，層厚＝3.0mm，間距＝1 mm，翻轉(zhuǎn)角＝90°，采集矩陣＝64×64，F(xiàn)OV＝200×200 mm。

圖像處理：fMRI數(shù)據(jù)分析采用通用軟件Statistical parametric mapping（SPM5，Department of imaging neuroscience，London，UK）進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)每個(gè)被試fMRI數(shù)據(jù)時(shí)間校正、頭動(dòng)校正、標(biāo)準(zhǔn)化等預(yù)處理。預(yù)處理之后，利用軟件SPM5的一般線性模型（General Linear Model）對(duì)每個(gè)被試進(jìn)行執(zhí)行功能任務(wù)下激活區(qū)檢測(cè)（不一致＞一致條件）進(jìn)行一次統(tǒng)計(jì)分析。得到每個(gè)被試的激活圖之后，對(duì)所有被試的激活圖進(jìn)行二次統(tǒng)計(jì)分析——配對(duì)樣本檢驗(yàn)，從而得到組激活結(jié)果。t檢驗(yàn)差異顯著性的閾限水平選擇在P＜0.05。

2.3 實(shí)驗(yàn)程序

本實(shí)驗(yàn)采用被試內(nèi)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要由3個(gè)部分組成：基線部分、休息部分和短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)部分?；€部分：首先測(cè)量被試兒童基礎(chǔ)心率，然后，進(jìn)行執(zhí)行功能任務(wù)練習(xí)，接著休息30min，最后進(jìn)行執(zhí)行功能任務(wù)的MRI掃描。休息部分：休息至少30min，消除疲勞。短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)部分：實(shí)施短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)方案，休息，當(dāng)心率恢復(fù)到基礎(chǔ)心率±10%以內(nèi)時(shí)，進(jìn)行執(zhí)行功能任務(wù)的MRI掃描。其中，兒童參加執(zhí)行功能任務(wù)練習(xí)，要求兒童掌握后（正確率≥95%）才進(jìn)入MRI掃描，以減少潛在練習(xí)效應(yīng)的影響。整個(gè)實(shí)驗(yàn)中每個(gè)兒童接受1次短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)方案干預(yù)，進(jìn)行2次（基線、中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)后）執(zhí)行功能任務(wù)測(cè)試和掃描。實(shí)驗(yàn)程序示例：以某一被試的實(shí)驗(yàn)程序?yàn)槔?，如?所示。

表1 本研究實(shí)驗(yàn)程序示例一覽表

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

執(zhí)行功能的測(cè)驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)采用SPSS 15.0的配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析，腦激活結(jié)果采用SPM5統(tǒng)計(jì)軟件分析。

3 結(jié)果

3.1 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)前、后兒童執(zhí)行功能的結(jié)果分析

對(duì)兒童執(zhí)行功能前、后測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，后測(cè)執(zhí)行功能的行為學(xué)成績(jī)（47.22±44.36）顯著低于前測(cè)成績(jī)（95.41±31.55），t（8）＝3.31，P＜0.05＝0.58，而成績(jī)?cè)降停瑘?zhí)行功能越好，說(shuō)明短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)提高了兒童的執(zhí)行功能。

3.2 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)前、后執(zhí)行功能的腦激活模式的結(jié)果分析

短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)前、后兒童完成Flanker執(zhí)行功能任務(wù)時(shí)（不一致＞一致條件）腦激活的組分析均發(fā)現(xiàn)，前扣帶回（anterior cingulate cortex，ACC）；雙側(cè)背外側(cè)前額葉皮層葉（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC），主要為額中回（middle frontal gyrus，MFG）和額上回（superior frontal gyrus，SFG）；腹外側(cè)前額皮層（ventrolateral prefrontal cortex，VLPFC，又稱為額下回，inferior frontal gyrus，IFG）；雙側(cè)頂葉（parietal lobule）主要為頂上小葉（superior parietal lobules，SPL）和頂下小葉（inferior parietal lobules，IPL）；雙側(cè)顳葉（temporal lobe）和雙側(cè)小腦（cerebellum）腦區(qū)顯著激活。

比較短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)前、后兒童完成Flanker任務(wù)時(shí)（不一致＞一致條件）腦激活的組分析發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行功能激活模式中的一些腦區(qū)激活程度存在強(qiáng)度上不同（圖1）。因此，對(duì)前、后測(cè)腦激活區(qū)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，研究短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童完成執(zhí)行功能任務(wù)時(shí)腦激活差異的影響（表2）。

從表2可以發(fā)現(xiàn)，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能腦激活模式的影響顯著，具體表現(xiàn)為兒童完成執(zhí)行功能任務(wù)時(shí)雙側(cè)額上回、雙側(cè)額中回、雙側(cè)頂上小葉和左側(cè)頂下小葉激活程度增加，左側(cè)前扣帶回激活減弱。

圖1 本研究被試后測(cè)與前測(cè)比較兒童執(zhí)行功能的腦激活結(jié)果圖

表2 本研究短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)前、后執(zhí)行功能任務(wù)腦激活差異結(jié)果一覽表

4 討論

4.1 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能的影響

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)后測(cè)得的兒童執(zhí)行功能顯著好于運(yùn)動(dòng)前測(cè)得的兒童執(zhí)行功能，說(shuō)明短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)提高了兒童的執(zhí)行功能，研究結(jié)果與國(guó)內(nèi)外已有的研究結(jié)果一致。陳愛(ài)國(guó)（2011）以五年級(jí)兒童為研究對(duì)象，采用被試間設(shè)計(jì)，使用與本研究相同的Flanker任務(wù)檢測(cè)執(zhí)行功能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1次30min的中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)（跑步）能提高兒童的執(zhí)行功能［1］。Hillman等（2009）以20名9～10歲兒童為研究對(duì)象，采用被試內(nèi)設(shè)計(jì)，使用Flanker任務(wù)檢測(cè)執(zhí)行功能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1次20min中等強(qiáng)度（60%最大心率）有氧運(yùn)動(dòng)（跑臺(tái)）后兒童的任務(wù)反應(yīng)正確率顯著提高，即提高了兒童的執(zhí)行功能［20］?？梢?jiàn)，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能會(huì)產(chǎn)生積極影響的觀點(diǎn)再次得到驗(yàn)證，研究結(jié)果為今后選擇合理的運(yùn)動(dòng)干預(yù)方案改善兒童執(zhí)行功能提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。

4.2 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能腦激活模式的影響

研究采用的任務(wù)能否成功誘發(fā)兒童執(zhí)行功能是本研究的關(guān)鍵。已有研究表明，執(zhí)行功能不是單個(gè)腦區(qū)活動(dòng)的結(jié)果，而是其腦激活模式變化所致，即不同腦區(qū)共同合作的結(jié)果，前額葉、頂葉、前扣帶回、皮層下結(jié)構(gòu)（基底節(jié)、丘腦、小腦）組成的皮層——皮層下網(wǎng)絡(luò)都參與執(zhí)行控制。Casey等（2000）和Botvinick等（2001）先后采用fMRI研究Flanker任務(wù)的腦激活情況，都發(fā)現(xiàn)除了前額皮層的激活，還有扣帶回的激活［9、10］。龐高峰等（2009）采用fMRI結(jié)合持續(xù)性操作測(cè)試（CPT）探討正常兒童執(zhí)行功能的特點(diǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正常兒童完成非靶任務(wù)，主要腦激活區(qū)在扣帶回、背外側(cè)前額葉皮層、腹外側(cè)前額皮層和小腦［2］。本研究發(fā)現(xiàn)，兒童完成Flanker執(zhí)行功能任務(wù)時(shí)激活了前扣帶回、背外側(cè)前額葉皮層葉、腹外側(cè)前額皮層、頂葉、顳葉和小腦等腦區(qū)。研究結(jié)果與已有研究一致，說(shuō)明本研究使用的flanker任務(wù)成功的誘發(fā)了兒童執(zhí)行功能，激活了其腦激活模式。

目前，尚未有涉及短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)正常兒童執(zhí)行功能腦激活模式影響的研究，僅有一些以老年人和特殊兒童為對(duì)象的研究，Colcombe等（2004）采用完全隨機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用fMRI方法檢測(cè)老年人進(jìn)行6個(gè)月以短時(shí)中等強(qiáng)度為主要內(nèi)容的運(yùn)動(dòng)干預(yù)前后完成flanker任務(wù)時(shí)的腦激活的特征，采用感興趣區(qū)域分析發(fā)現(xiàn)，6個(gè)月的以短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)為主要內(nèi)容的運(yùn)動(dòng)干預(yù)能提高老年人的執(zhí)行功能，其主要機(jī)制是通過(guò)降低前扣帶回激活水平，提高額中回和頂上小葉腦區(qū)激活水平［11］。Davis等（2011）采用fMRI方法研究短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)為主要內(nèi)容的運(yùn)動(dòng)方案、Antisaccade task（一種執(zhí)行功能任務(wù)）和超重兒童腦皮層激活情況關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，15周、每周5次的以短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)為主要內(nèi)容的干預(yù)方案能夠提高超重兒童的執(zhí)行功能，采用感興趣區(qū)域分析發(fā)現(xiàn)，兒童雙側(cè)前額葉的激活水平增加、雙側(cè)后頂葉的激活水平下降［13］。這些研究結(jié)果提示，有氧運(yùn)動(dòng)可通過(guò)影響執(zhí)行功能腦激活模式的積極變化，改善執(zhí)行功能。本研究采用被試內(nèi)設(shè)計(jì)，選取正常兒童，使用fMRI技術(shù)檢測(cè)兒童短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)前、后完成執(zhí)行功能任務(wù)時(shí)的腦激活差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，30min中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)使得兒童完成執(zhí)行功能任務(wù)時(shí)雙側(cè)額上回、雙側(cè)額中回、雙側(cè)頂上小葉和左側(cè)頂下小葉激活程度增加，左側(cè)前扣帶回激活減弱。本研究結(jié)果與老年人和特殊兒童研究結(jié)果一致，全面揭示了短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)正常兒童執(zhí)行功能腦激活模式的影響。

4.3 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)改善兒童執(zhí)行功能的腦機(jī)制

短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)改善兒童的執(zhí)行功能，其腦機(jī)制是否與執(zhí)行功能腦激活模式的變化有關(guān)？已有研究表明，在Flanker任務(wù)的腦激活模式中，成功的完成不一致條件下的正確反應(yīng)，需要兒童激發(fā)前額葉和頂葉皮層控制的空間注意網(wǎng)絡(luò)，使視覺(jué)皮層關(guān)注中央線索，而忽略干擾線索［7，28］。背外側(cè)前額葉皮層（主要為額中回和額上回）、頂葉（主要為頂上小葉和頂下小葉）的激活一直伴隨著不一致條件下的注意的選擇和反應(yīng)抑制的解決。而前扣帶回可以對(duì)正在進(jìn)行的目標(biāo)定向行為實(shí)施在線監(jiān)控，在出現(xiàn)反應(yīng)沖突或錯(cuò)誤時(shí)提供信號(hào)，并傳遞信號(hào)給外側(cè)部的前額皮層來(lái)完成認(rèn)知控制（通過(guò)興奮或抑制機(jī)制）［8，22］，前扣帶回激活水平下降與反應(yīng)階段的沖突的減少相關(guān)［3］。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)使得兒童背外側(cè)前額葉皮層葉、頂葉激活增加，反應(yīng)抑制得到解決，進(jìn)而導(dǎo)致反應(yīng)階段的沖突減少；反應(yīng)階段的沖突的減少，有利于做出正確的反應(yīng)，使得前扣帶回激活水平下降，行為成績(jī)上表現(xiàn)為不一致條件下的反應(yīng)時(shí)降低，執(zhí)行功能得到提高。由此可知，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)改善正常兒童的執(zhí)行功能，其腦機(jī)制是執(zhí)行功能激活模式的改變。

綜上所述，本研究綜合運(yùn)用體育測(cè)量技術(shù)、心理測(cè)量技術(shù)和腦成像技術(shù)，揭示了短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能的影響及其腦機(jī)制。未來(lái)研究應(yīng)進(jìn)一步探索長(zhǎng)期的、不同項(xiàng)目的、不同強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能的改善效應(yīng)及其機(jī)制，以全面揭示有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能的影響。

5 結(jié)論

1.一次30min的短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)能改善兒童的執(zhí)行功能。

2.短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)通過(guò)影響兒童執(zhí)行功能腦激活模式的積極變化，改善兒童執(zhí)行功能，具體表現(xiàn)為：短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)使得兒童執(zhí)行功能腦激活模式中的雙側(cè)額上回、雙側(cè)額中回、雙側(cè)頂上小葉和左側(cè)頂下小葉激活程度增加，左側(cè)前扣帶回激活減弱。

［1］陳愛(ài)國(guó).短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能的影響及其腦機(jī)制研究［D］.北京師范大學(xué)，2011：39－57.

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The FMRI Study of Acute Moderate Exercise on Children’s Executive Function

CHEN Ai－guo1，2，YIN Heng－chan2，WANG Jun3，LI Xin－nan2，SONG Zheng3

Objective：To investigate the effect of acute moderate exercise on brain activation pattern of children’s executive function（EF），and further explore the brain mechanism of acute moderate exercise on children’s EF.Methods：Before and after a single 30－min acute moderate aerobic exercise，nine right handed healthy volunteers aged at 10were scanned with a Siemens MAGNETOM Trio 3.0Tesla magnetic resonance imaging scanner during performing the Flanker task.Results：1）The beneficial effect of acute moderate exercise on children’s EF was significant.2）The effects of acute moderate exercise on brain activation pattern of children’s EF were significant.The findings were as followings：acute moderate exercise increased the level of activity in dorsolateral prefrontal cortex（middle frontal gyrus and superior frontal gyrus），and parietal lobule（superior parietal lobules and inferior parietal lobules），meanwhile，significantly reduced the level of activity in the anterior cingulate cortex.Conclusion：The beneficial effect of a single 30－min acute moderate exercise on children’s EF was significant，moreover，brain mechanisms of the improved Flanker performance is was the change of children’s brain activation pattern elicited by it.

mediumintensity；aerobicexercise；children；executivefunction；fMRI；brain mechanism

G804.8

A

1000－677X（2011）10－0035－06

2011－07－01；

2011－09－26

全國(guó)教育科學(xué)規(guī)劃教育部重點(diǎn)課題（DLA100338）；北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（CNKOPYB0919）；江蘇省高校自然科學(xué)基金研究項(xiàng)目（11KJD180005）。

陳愛(ài)國(guó)（1978－），男，江蘇沛縣人，講師，博士，研究方向?yàn)轶w育運(yùn)動(dòng)與心理健康、體育運(yùn)動(dòng)與腦可塑性，Tel：（0514）87991075，E－mail：chenaiguo11＠sina.com；殷恒嬋（1963－），女，山東龍口人，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)轶w育運(yùn)動(dòng)心理學(xué)、體育運(yùn)動(dòng)與心理健康及體育運(yùn)動(dòng)與腦可塑性，Tel：（010）58805083，E－mail：yinhengchan＠tyx.bnu.edu.cn；王君（1975－），女，遼寧沈陽(yáng)人，博士，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)康復(fù)，Tel：（010）58802060，E－mail：jun＿wang＠bnu.edu.cn。

1.揚(yáng)州大學(xué)體育學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009；2.北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院，北京100875；3.北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875

1.School of Physical Education，Yangzhou University，Yangzhou 225009，China；2.School of Physical Education and Sports Science，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；3.State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning，Beijing Normal University，Beijing 100875，China.