楊勇濤，萬敏，萬賢齊

執(zhí)行功能（Executive function），指個體在完成復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)時對各種認(rèn)知過程進(jìn)行協(xié)調(diào)，以保證認(rèn)知系統(tǒng)以靈活、優(yōu)化的方式實行特定目標(biāo)的一般性控制機(jī)制[1]。刷新、抑制和注意轉(zhuǎn)換是執(zhí)行功能的3個主要成分。體育運動和認(rèn)知功能的關(guān)系是心理學(xué)熱點研究領(lǐng)域，目前大量研究證實體育運動對人類認(rèn)知功能中執(zhí)行功能等認(rèn)知成分有積極影響[2-7]。大量研究探討步行、跑步、騎車等中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動對認(rèn)知功能的影響發(fā)現(xiàn)，對認(rèn)知功能的積極影響有限[8-9]。

大強(qiáng)度間歇訓(xùn)練（High Intensity Interval Training，HIIT）是一種新的身體運動方法。2018年全球健身趨勢調(diào)查結(jié)果表明，HIIT高居首位[10]。研究認(rèn)為，HIIT是能替代中等強(qiáng)度持續(xù)運動的運動方式[11]，且對健康和疾病人群都是安全有效的[12]。高強(qiáng)度間歇鍛煉，指以大于等于無氧閾或最大乳酸穩(wěn)態(tài)的負(fù)荷強(qiáng)度進(jìn)行多次持續(xù)時間為幾秒到幾分鐘的練習(xí)，且每兩次練習(xí)之間不足以完全恢復(fù)的靜息或低強(qiáng)度練習(xí)的訓(xùn)練方法[13]。它能誘發(fā)更大的外周血管和細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)[12]，因此HIIT比持續(xù)有氧運動有更好的生理和健康相關(guān)效益，目前高強(qiáng)度間歇運動相關(guān)研究也大量集中在生理健康效益方面。

有研究認(rèn)為，中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動對認(rèn)知功能的影響只有很小的積極效果[14]，因此研究者開始探討HIIT對青少年、中老年人認(rèn)知能力的影響。發(fā)現(xiàn)，即刻HIIT能夠顯著提高青少年[2，9，15]的認(rèn)知功能，長時間HIIT也顯著提高認(rèn)知功能[16-17]，HIIT的認(rèn)知效益優(yōu)于中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動[18]，認(rèn)知促進(jìn)效果持續(xù)時間更長[19]。目前，國外關(guān)于HIIT認(rèn)知效益的研究處于起步階段，并且大多研究比較HIIT和中等強(qiáng)度有氧運動對青少年認(rèn)知功能的影響；國內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)HIIT對青少年等群體認(rèn)知功能的相關(guān)研究。本研究以普通在校大學(xué)生為研究對象，采用1：1的間歇運動模式，探討30 min HIIT和中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動對大學(xué)生執(zhí)行功能的影響。假設(shè)：HIIT和中等強(qiáng)度有氧運動都能提高大學(xué)生執(zhí)行功能，但HIIT的認(rèn)知促進(jìn)效果更優(yōu)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

48名大學(xué)生，男女各24名，年齡（21.65±1.65）歲。所有被試身體健康，無心腦血管疾病家族史和病史，無精神疾病史，無色盲色弱，視力或矯正視力正常，且有一定運動經(jīng)歷（每周2~3次），自愿參加試驗。運動干預(yù)1周內(nèi)避免飲酒，無服藥記錄，干預(yù)前1天避免劇烈運動。所有被試被隨機(jī)分配到HIIT組、中等強(qiáng)度有氧運動組（MICE）和控制組（CG），每組各16名。試驗前，每名被試均簽署知情同意書，告知試驗?zāi)康?，并提醒被試運動過程中身體有任何不適可隨時停止試驗。

1.2 認(rèn)知任務(wù)

所有認(rèn)知任務(wù)均使用E-prime 2.0編輯和呈現(xiàn)，軟件自動記錄反應(yīng)時間。

1.2.1 Stroop色詞任務(wù) 首先在屏幕上呈現(xiàn)黃色“+”注視點，提醒開始試驗。然后，當(dāng)屏幕中央的顏色和字義一致時，按“F”鍵；當(dāng)顏色與字義不一致時，按“J”鍵。如出現(xiàn)紅色“綠”字，按“J”鍵，出現(xiàn)紅色“紅”字，按“F”鍵。刺激呈現(xiàn)時間很短，請集中注意力，又快又準(zhǔn)地做出判斷。明白上述指導(dǎo)語后，請被試坐好，雙手放在鍵盤上，開始準(zhǔn)備試驗。試驗分為練習(xí)試驗15次，正式試驗80次。試驗有4張刺激圖片，分別是紅色紅字、紅色綠字、綠色紅字和綠色綠字，每張圖片呈現(xiàn)時間1 000~1 500 ms。每次刺激圖片呈現(xiàn)后出現(xiàn)空白圖片，時間為1 000~2 000 ms隨機(jī)。試驗沖突任務(wù)反應(yīng)時減去一致任務(wù)反應(yīng)時，差值越小說明抑制能力越好。

1.2.2 2-back任務(wù) 使用5個英文字母（B、D、L、Y、P）圖片作為刺激在屏幕中央單獨呈現(xiàn)，時間為1 500 ms。如果呈現(xiàn)字母與前面呈現(xiàn)過的倒數(shù)第2個字母（即從第3個字母開始反應(yīng)）相同，按“F”鍵，不同按“L”鍵。正式測驗包括2部分，每部分40次，正式試驗前練習(xí)15次。反應(yīng)時間越短，刷新能力越好。

1.2.3 大小奇偶轉(zhuǎn)換任務(wù) 首先，一系列數(shù)字逐個呈現(xiàn)在電腦屏幕中央，呈現(xiàn)時間2 000 ms，要求被試對數(shù)字1~9（不包括5）進(jìn)行判斷，分別為大小、奇偶和大小奇偶混合判斷。大小判斷時，呈現(xiàn)紅色數(shù)字，小于5按“F”鍵，大于5按“L”鍵；奇偶判斷時，呈現(xiàn)綠色數(shù)字，奇數(shù)按“F”鍵，偶數(shù)按“L”鍵；大小奇偶混合判斷時，呈現(xiàn)紅色數(shù)字時進(jìn)行大小判斷，呈現(xiàn)綠色數(shù)字時進(jìn)行奇偶判斷。要求被試在保證準(zhǔn)確的前提下，盡快做出按鍵反應(yīng)。正式測驗6部分，采用ABCCBA順序。A和B不需要轉(zhuǎn)換，各16次（A為大小判斷，B為奇偶判斷）；C需要轉(zhuǎn)換32次，即C為大小奇偶混合判斷，包括16次轉(zhuǎn)換任務(wù)。A或B段練習(xí)8次，C段練習(xí)16次。轉(zhuǎn)換條件下的反應(yīng)時與不轉(zhuǎn)換條件下的反應(yīng)時差值越小，說明轉(zhuǎn)換能力越好。

1.3 運動干預(yù)方案

先以3名男大學(xué)生和3名女大學(xué)生為被試做HIIT運動強(qiáng)度控制預(yù)試驗。熱身5 min，然后佩戴心率表，最快速度全力從1樓上至6樓，每層樓均有1名試驗人員監(jiān)控被試上樓梯速度，同時預(yù)防可能出現(xiàn)的運動意外。上至6樓后，試驗人員記錄時間和心率，然后由試驗人員帶領(lǐng)被試乘坐電梯（需要在電梯內(nèi)保持步行運動狀態(tài)）至1樓，每名被試進(jìn)行3輪。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，男生約140 s完成爬樓梯任務(wù)，女生170 s左右。心率達(dá)到最大心率90%以上，恢復(fù)期心率在最大心率40%~50%左右。為了保持男女生運動時間一致，重新讓3名被試從1樓到5樓，約150 s完成運動任務(wù)，心率仍然保持在最大心率90%以上。因此，本研究最終采用1：1間歇運動模式，要求男生在150 s時間由1樓至6樓，女性則從1樓到5樓，心率達(dá)到85%HRmax以上，記錄即刻心率，然后步行自我調(diào)整恢復(fù)150 s（包括乘坐電梯下樓時間），恢復(fù)期心率至40%~50% HRmax左右。

正式試驗采用上述預(yù)試驗確定的間歇運動方案，該方案與美國運動醫(yī)學(xué)會（ACSM）提出的長間歇運動方法一致，即1~5 min大強(qiáng)度運動間隔1~5 min恢復(fù)。HIIT干預(yù)之前熱身5 min，讓被試有充分運動適應(yīng)時間，然后佩戴心率表，開始6輪共30 min大強(qiáng)度間歇運動。中等強(qiáng)度持續(xù)運動在跑臺上進(jìn)行，首先以自我控制速度熱身5 min，然后佩戴心率表，以60%~70%HRmax運動30 min。每名被試最大心率=220-年齡，運動期間使用Polar心率表監(jiān)控心率。

1.4 試驗程序

根據(jù)被試時間確定具體試驗時間，正式試驗前1天告知被試試驗時間。所有被試進(jìn)入實驗室后首先靜坐5 min，然后進(jìn)行認(rèn)知能力（刷新、抑制和轉(zhuǎn)換）測試，測試時間約15 min。運動組被試熱身5 min，接著進(jìn)行30 min中等強(qiáng)度持續(xù)運動和HIIT。運動結(jié)束即刻開始準(zhǔn)備2次認(rèn)知能力測試?？刂平M進(jìn)行30 min簡單閱讀活動，30 min后進(jìn)行第2次認(rèn)知能力測試。測試完畢發(fā)放小禮品。大強(qiáng)度間歇運動組2名被試因身體原因沒有完成全部運動干預(yù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 20.0對3組被試心率、運動前后認(rèn)知任務(wù)反應(yīng)時差進(jìn)行單因素方差分析，顯著性水平為P＜0.05，剔除反應(yīng)時大于1 500 ms或小于300 ms的反應(yīng)試次。

2 結(jié)果

2.1 被試心率比較

以HIIT組大強(qiáng)度運動即刻時間為參照點，3組被試6個時間點心率均值進(jìn)行單因素方差分析顯示，HIIT組和MICE組顯著高于CG組，HIIT組被試心率高于MICE組（見圖1）。

圖1 3組被試運動中的心率Figure1 Heart rate During Exercise of Three Groups

2.2 抑制功能

3組被試運動前后反應(yīng)時差單因素方差分析顯示，組別主效應(yīng)顯著[F（2，44）=3.476，P=0.031]。事后多重比較表明，MICE組反應(yīng)時差顯著小于HIIT和控制組，其他組間沒有顯著差異（見圖2）。說明中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動能夠更好地改善大學(xué)生的抑制能力。

圖2 3組被試運動前后的抑制功能Figure2 Inhibition Function of Three Groups Before and After Exercise

2.3 刷新功能

3組被試運動前后反應(yīng)時差單因素方差分析顯示，組別主效應(yīng)顯著[F（2，44）=9.037，P=0.000]。多重比較表明，HIIT組和MICE組反應(yīng)時差均顯著少于CG組（P=0.000），但HIIT組和MICE組沒有顯著差異（P=0.451）（見圖3）。說明無論大強(qiáng)度間歇運動還是中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動均能顯著改善大學(xué)生刷新能力，但2種運動方式對刷新能力的影響沒有顯著差異。

圖3 3組被試運動前后的刷新功能Figure3 Updating function of three groups before and after exercise

2.4 轉(zhuǎn)換功能

3組被試運動前后反應(yīng)時差單因素方差分析顯示，組別主效應(yīng)不顯著[F（2，44）=0.712，P=0.495]。說明不同干預(yù)對轉(zhuǎn)換能力沒有顯著影響（見圖4）。但對比HIIT組和MICE組運動前后的應(yīng)時差發(fā)現(xiàn)，HIIT組運動后的反應(yīng)時比運動前縮短67.45 ms，MICE組縮短45.90 ms，說明運動能在一定程度上提高運動者的轉(zhuǎn)換功能，HIIT效果相對更好。

圖4 3組被試運動前后的轉(zhuǎn)換功能Figure4 Shifting function of three groups before and after exercise

3 討論

本研究探討30 min大強(qiáng)度間歇運動和中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動對大學(xué)生執(zhí)行功能的影響，發(fā)現(xiàn)中等強(qiáng)度有氧運動比大強(qiáng)度間歇運動更能改善大學(xué)生抑制能力。運動干預(yù)研究發(fā)現(xiàn)，中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動能夠顯著提高執(zhí)行功能[20]；元分析也發(fā)現(xiàn)，急性中等有氧運動能夠改善運動者的執(zhí)行功能[21]，并且影響認(rèn)知任務(wù)的效應(yīng)量顯著大于小強(qiáng)度和高強(qiáng)度急性有氧運動[22]。同時還有研究發(fā)現(xiàn)，中等強(qiáng)度有氧運動不能提高運動者的抑制能力[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動顯著提高大學(xué)生的抑制能力，進(jìn)一步支持中等強(qiáng)度在改善認(rèn)知能力方面的優(yōu)勢。但與先前研究結(jié)果不同，大強(qiáng)度間歇運動并未改善大學(xué)生抑制能力，且與安靜狀態(tài)沒有差異，沒有支持研究假設(shè)。諸多先前研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與控制組或中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動相比，大強(qiáng)度間歇運動能夠顯著提高鍛煉者的抑制能力[4，15，24]。也有研究發(fā)現(xiàn)，中等強(qiáng)度有氧運動對抑制能力的影響優(yōu)于大強(qiáng)度間歇運動，但信息加工速度不如大強(qiáng)度間歇運動[16]。對大強(qiáng)度運動影響抑制功能的研究也發(fā)現(xiàn)，60 min大強(qiáng)度急性有氧運動提高抑制能力，中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動對抑制能力的影響優(yōu)于大強(qiáng)度運動，但大強(qiáng)度運動的認(rèn)知效益仍優(yōu)于控制組[25]。

在刷新和轉(zhuǎn)換能力方面，目前還未發(fā)現(xiàn)有研究探討大強(qiáng)度間歇運動對刷新、轉(zhuǎn)換功能的影響。但有研究者探討了大強(qiáng)度急性運動對轉(zhuǎn)換和刷新功能的影響，發(fā)現(xiàn)中等強(qiáng)度運動對轉(zhuǎn)換功能的影響優(yōu)于大強(qiáng)度急性運動，中等強(qiáng)度運動對刷新功能的影響最好，而大強(qiáng)度急性運動抑制刷新功能[26]，大強(qiáng)度運動只提高了鍛煉者的注意能力，對執(zhí)行功能沒有影響[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，大強(qiáng)度間歇運動和中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動對刷新功能有顯著的積極影響，反應(yīng)時明顯縮短；大強(qiáng)度間歇運動和中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動對轉(zhuǎn)換功能的影響不顯著，但仍然提高了鍛煉者在轉(zhuǎn)換任務(wù)方面的表現(xiàn)，反應(yīng)時縮短；并且大強(qiáng)度間歇運動對刷新功能和轉(zhuǎn)換功能的促進(jìn)效果也優(yōu)于中等強(qiáng)度有氧運動，驗證了研究假設(shè)。

顯然，大強(qiáng)度運動、大強(qiáng)度間歇運動和中等強(qiáng)度有氧運動對認(rèn)知功能、執(zhí)行功能及其不同成分的影響結(jié)果并不一致。這可能是因為體育運動對認(rèn)知功能的促進(jìn)具有選擇性，如與執(zhí)行功能無關(guān)的認(rèn)知成分不受體育運動影響[28]。另外研究也發(fā)現(xiàn)，不同體育運動方式對認(rèn)知功能有不同影響[16，27，29]，如有氧舞蹈提高了轉(zhuǎn)換能力，但對抑制能力沒有影響[29]，大強(qiáng)度運動只提高鍛煉者的注意能力，對執(zhí)行功能沒有影響[27]。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，大強(qiáng)度間歇運動和中等強(qiáng)度有氧運動對執(zhí)行功能不同成分的影響有所差異，中等強(qiáng)度有氧運動對抑制和刷新能力更好，而大強(qiáng)度間歇運動對刷新和轉(zhuǎn)換能力的影響更大，與D.PREDOVAN等的結(jié)果較為一致，進(jìn)一步支持了運動后認(rèn)知功能的變化受體育運動類型的影響。

也有研究發(fā)現(xiàn)，體育運動對認(rèn)知功能的選擇促進(jìn)性可能與不同研究中被試特征（如性別、年齡、心血管適能水平）的差異有關(guān)[29]。研究發(fā)現(xiàn)，心血管適能水平的提高與抑制轉(zhuǎn)換過程呈負(fù)相關(guān)，但卻與單獨的抑制過程沒有關(guān)系[29-30]。另外，造成已有研究結(jié)果不一致的原因可能還有認(rèn)知任務(wù)施測時間有關(guān)，如有的研究是運動的同時完成認(rèn)知任務(wù)，有的是運動后2 min，或6~12 min，甚至更長時間。一般情況下，認(rèn)知任務(wù)測試需要一定完成時間，如果采用多個認(rèn)知任務(wù)測試，使用時間會更多，在這種情況下隨著測試時間的增加，一次體育運動的即刻認(rèn)知效益就會逐漸減少甚至消失。這是由于運動帶來的生理應(yīng)激在運動結(jié)束后會迅速恢復(fù)到基線水平，如中樞神經(jīng)系統(tǒng)兒茶酚胺和血漿兒茶酚胺濃度，以及多巴胺、腎上腺素、去甲腎上腺素等，因此運動后神經(jīng)遞質(zhì)濃度降低或恢復(fù)至基線水平，體育運動導(dǎo)致的積極認(rèn)知效益也就逐漸下降，不易觀察到顯著的運動效益。

另外有研究發(fā)現(xiàn)，大強(qiáng)度運動導(dǎo)致的壓力反應(yīng)和伴隨的兒茶酚胺反應(yīng)對執(zhí)行功能會有不利影響[31]，并且伴隨運動強(qiáng)度強(qiáng)加導(dǎo)致能量消耗增多，個體控制運動消耗的注意資源就越多，由此對信息加工帶來的負(fù)面影響就越大[32]。根據(jù)倒U型假說，運動雖然可以刺激神經(jīng)系統(tǒng)活化，從而提高認(rèn)知表現(xiàn)，但隨著運動強(qiáng)度提高，神經(jīng)信號噪音的大量出現(xiàn)反而導(dǎo)致個體認(rèn)知表現(xiàn)下降[33]。線索利用理論也認(rèn)為，大強(qiáng)度運動導(dǎo)致的喚醒水平過高提升會導(dǎo)致個體注意到的線索范圍縮小，遺失有關(guān)信息，認(rèn)知表現(xiàn)反而下降[34]。還有研究認(rèn)為，大強(qiáng)度運動中體能大量消耗導(dǎo)致個體疲勞感過早出現(xiàn)，使個體注意力從當(dāng)前任務(wù)轉(zhuǎn)移到身體不舒服的感覺上，從而影響反應(yīng)時表現(xiàn)[35]。因此，對于心血管適能相對較差的普通大學(xué)生來說，大強(qiáng)度間歇運動對其執(zhí)行功能的影響可能不如中等強(qiáng)度運動明顯，這可能與大學(xué)生在大強(qiáng)度間歇運動后體能的大量消耗、喚醒水平過高有關(guān)。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動對抑制能力的積極影響優(yōu)于大強(qiáng)度間歇運動，但大強(qiáng)度間歇運動對刷新和轉(zhuǎn)換能力的影響有一定優(yōu)勢，且均優(yōu)于安靜狀態(tài)。研究結(jié)果進(jìn)一步為體育運動，尤其是HIIT的執(zhí)行功能促進(jìn)效益提供了實證支持。同時研究還發(fā)現(xiàn)，不同體育運動類型對執(zhí)行功能不同成分的影響存在差異，也提示未來研究需要進(jìn)一步探討不同運動類型對不同認(rèn)知功能成分的影響及其差異。需要注意的是，與先前研究不同，本研究大強(qiáng)度間歇運動采取全速爬樓梯的運動方式，這種方式可以視為一種克服自身重力的抗阻力運動，因此本研究大強(qiáng)度間歇運動同時包含抗阻力運動的內(nèi)容，與目前大多研究單獨采用跑臺或踩踏功率自行車有一定區(qū)別，這也可能是本研究結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)大強(qiáng)度間歇運動提升抑制能力的一方面原因。因此，未來研究可進(jìn)一步比較不同類型大強(qiáng)度間歇運動對執(zhí)行功能的影響及其原因。

最后，考慮到目前大強(qiáng)度間歇運動是全球運動愛好者最喜愛的身體鍛煉方式，并考慮到其耗時短，容易引起鍛煉者興趣，提高堅持性，未來研究需進(jìn)一步關(guān)注大強(qiáng)度間歇運動對不同人群（如健康人群、患者）執(zhí)行功能的影響，從多視角解釋大強(qiáng)度/間歇運動和執(zhí)行功能之間關(guān)系的內(nèi)在機(jī)制，如EEG、前額葉皮層、神經(jīng)生化和心血管適能等，為運動健康促進(jìn)的科學(xué)性提供更多實證證據(jù)。

4 結(jié)論

（1）大強(qiáng)度間歇運動和中等強(qiáng)度持續(xù)有氧運動對大學(xué)生的執(zhí)行功能均有積極影響。（2）中等強(qiáng)度有氧運動對執(zhí)行功能的抑制、刷新和轉(zhuǎn)換均有影響，尤其是對抑制和刷新有顯著促進(jìn)作用，大強(qiáng)度間歇運動則更有利于刷新和轉(zhuǎn)換功能的改善。