急性有氧負荷對老年人執(zhí)行功能的影響：來自fNIRS和行為實驗的證據(jù)

文世林，夏樹花，李 思，蔣長好

?

急性有氧負荷對老年人執(zhí)行功能的影響：來自fNIRS和行為實驗的證據(jù)

文世林1，夏樹花2，李 思1，蔣長好1

目的：采用腦成像技術(shù)監(jiān)測心理學任務(wù)過程中腦激活模式的變化來反映有氧運動對執(zhí)行功能的影響，并結(jié)合認知行為表現(xiàn)來評價有氧運動對執(zhí)行功能所產(chǎn)生的訓練效益。方法：通過行為測量和近紅外光譜功能成像(fNIRS)的方法探討10 min中等強度自行車蹬踏運動對15名老年人在Flanker任務(wù)過程中的行為表現(xiàn)和腦激活模式的影響。結(jié)果：運動任務(wù)的Flanker效應(yīng)的反應(yīng)時顯著低于對照任務(wù)[t(1,14)=-2.64，P<0.05]。在左側(cè)額極區(qū)(L-FPA)上，運動任務(wù)的Flanker效應(yīng)的oxy-Hb信號顯著高于對照任務(wù)[t(1,14)=3.94，P<0.001]。結(jié)論：10 min中等強度有氧負荷顯著提高了老年人Flanker任務(wù)的行為操作表現(xiàn)，并增強了左側(cè)額極區(qū)(L-FPA)的神經(jīng)活性，且局部腦區(qū)神經(jīng)活性的增加與認知表現(xiàn)的提高同步出現(xiàn)。

有氧負荷;老年人;執(zhí)行功能;Flanker效應(yīng);近紅外光譜;腦激活模式

執(zhí)行功能是一種最高級和最復雜的認知能力[6]，包括刷新、抑制和轉(zhuǎn)換3個子功能[38]。身體活動的計劃、執(zhí)行和控制與執(zhí)行功能相關(guān)，同時，身體活動也會反過來影響執(zhí)行功能。來自心理學、運動機能學、認知神經(jīng)科學和生物心理學的證據(jù)表明，經(jīng)常從事有氧運動的兒童執(zhí)行控制能力顯著高于不運動的兒童[12]?？梢?，身體活動與執(zhí)行功能的關(guān)系密切，且近年來有氧運動對執(zhí)行功能影響的有關(guān)機制引起了研究者的廣泛關(guān)注。

國外主流研究表明，適宜的身體活動可改善人腦的認知功能[33,45]。該領(lǐng)域的研究內(nèi)容主要包括有氧運動對執(zhí)行功能[27]、記憶能力[43]、智力發(fā)展[26]、情商[48]、精神疾病[39]等方面的影響，特別是有氧運動與執(zhí)行功能關(guān)系的研究逐漸引起了研究者的重視。國外學者主要從如下方面進行了探索：有氧體能(aerobic fitness)與執(zhí)行功能的關(guān)系[7,50]；急性有氧運動(acute exercise)[15,51]、長期有氧運動(chronic exercise)[13,17]對執(zhí)行功能的影響。國內(nèi)學者也系統(tǒng)研究了不同強度[1]、不同持續(xù)時間[3]、不同運動類型[4]的急性有氧負荷，以及不同運動任務(wù)的長期有氧運動[5]對兒童執(zhí)行功能的影響。雖然前人的研究積累了大量關(guān)于有氧運動與執(zhí)行功能關(guān)系的實驗證據(jù)，但縱觀國內(nèi)外的現(xiàn)有文獻，有氧運動對老年人執(zhí)行功能影響的研究仍非常少。

有元分析對影響老年人執(zhí)行功能的多個變量的效果量進行了計算與權(quán)重，結(jié)果顯示，運動類型、鍛煉天數(shù)、一次鍛煉時間、性別、年齡階段(55～80歲)等調(diào)節(jié)變量對有氧體能和執(zhí)行控制產(chǎn)生作用[23]。上述結(jié)果說明，有氧體能是影響老年人腦功能較為敏感的變量之一[29,53]。雖然腦功能(如記憶能力)在老年期會隨年齡的增加而遞減，但遞減速度與體能水平相關(guān)，如記憶任務(wù)過程中不同體能水平人群的任務(wù)表現(xiàn)存在顯著差異[21]。另有一項長達6年的縱向研究發(fā)現(xiàn)，有氧體能可有效改善老年人腦功能的退行性衰退[9]。那么，有氧體能為何能緩解老年人腦功能的退行性衰退？首先，有氧體能可改善大腦的結(jié)構(gòu)，如有氧體能可增加老年人海馬的體積來保持良好的記憶功能[25]，或是增加老年人前額葉皮質(zhì)的灰質(zhì)體積來增強執(zhí)行功能[50]；其次，短期的有氧運動可降低由于年齡所引起的結(jié)構(gòu)和功能的下降[18]。因此，在老年人腦功能的退行性衰退、結(jié)構(gòu)的萎縮等方面來看，有氧運動對老年人的神經(jīng)可塑性和腦健康的意義顯著。

有氧運動與腦健康關(guān)系的研究得益于腦功能成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，如核磁共振技術(shù)(functional magnetic resonance imaging,fMRI)、事件相關(guān)電位(Event-Related Potentials,ERPs)以及近紅外光譜技術(shù)(functional near infrared spectroscopy,fNIRS)等。上述腦成像方法可直接觀測到心理任務(wù)過程中大腦的神經(jīng)活性、神經(jīng)電活動或血液動力學變化情況，并可通過功能成像為研究結(jié)果提供更直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，其中，多通道fNIRS是通過連續(xù)監(jiān)測腦組織微血管血氧信號的變化來反映局部腦區(qū)血液動力學波動的非介入性腦成像技術(shù)[19]。相比另外兩種成像技術(shù)(fMRI和ERPs)，fNIRS有較高的時間分辨率并可移動測量[24]，更適合于運動領(lǐng)域的研究，為運動負荷對認知表現(xiàn)及腦激活模式影響的研究提供了現(xiàn)實的條件。

那么，急性有氧負荷對老年人的認知行為表現(xiàn)和腦激活模式有何影響？針對上述問題，本文提出假設(shè)1：行為實驗中，運動任務(wù)與對照任務(wù)之間Flanker效應(yīng)的反應(yīng)時差異顯著；假設(shè)2：近紅外光譜實驗中，運動任務(wù)與對照任務(wù)之間局部腦區(qū)Flanker效應(yīng)的oxy-Hb信號至少在一個功能腦區(qū)上差異顯著。

1 研究方法

1.1 實驗對象

實驗對象為北京市海淀區(qū)某小區(qū)的15名老年人(男6人，女9人)，身高161.0±7.8 cm，體重61.1±7.3 kg，年齡58.7±7.2歲。篩選的條件：1)無腦創(chuàng)傷、精神病史、心肺疾病、鼻炎等；2)右利手；3)辨色正常；4)實驗前2天不能飲酒、熬夜、大負荷運動；4)Flanker任務(wù)的錯誤率在40%以上的數(shù)據(jù)應(yīng)予以剔除；5)運動任務(wù)中未完成10 min有氧負荷的數(shù)據(jù)應(yīng)予以剔除；6)此外，存在較多頭動噪聲的血氧信號數(shù)據(jù)應(yīng)被剔除。研究中招募的15名被試均以中文為母語，且符合上述實驗要求。實驗開始前被試仔細閱讀研究知情協(xié)議書，并簽名確認。

1.2 實驗設(shè)計

采用重復測量3個因素的3因素被試內(nèi)設(shè)計，其中，自變量包括有氧負荷(對照任務(wù)和運動任務(wù)2個水平)、Flanker任務(wù)(一致任務(wù)與不一致任務(wù)2個水平)和前后測(前測和后測2個水平)。研究將有氧負荷、Flanker任務(wù)和前后測3個自變量均作為被試內(nèi)因素，這樣就構(gòu)成2×2×2重復測量3個因素的3因素實驗設(shè)計。

實驗中每名被試隨機參加運動任務(wù)和對照任務(wù)2個session的測試，每個session包括 4個處理水平：前測和后測，一致任務(wù)和不一致任務(wù)。運動任務(wù)被試在前測之后完成10 min中等強度自行車蹬踏運動，然后休息15 min再進行后測，并在運動前、后接受主觀疲勞感受(RPE)的測試。對照任務(wù)被試不進行有氧運動，而是在自行車上坐立休息25 min。兩個session之間的時間間隔不少于72 h。被試參加對照條件和運動條件測試的順序按照ABBA進行平衡處理。在每個水平的測試中，被試在靜息狀態(tài)下進行Flanker任務(wù)，并通過fNIRS監(jiān)測Flanker任務(wù)過程中的大腦活動。實驗中選擇10 min的有氧負荷，其依據(jù)為10 min66%HRmax有氧負荷可對認知水平產(chǎn)生增益效果[49]。運動后休息15 min再進行后測，被試的心率可恢復到靜息狀態(tài)水平[52]。一般而言，72 h的組間間隔可消除前一次運動效益對后測認知表現(xiàn)的影響[31]。

實驗通過Flanker任務(wù)來測量執(zhí)行功能。Flanker任務(wù)具有如下特點：在黑色屏幕的中間位置呈現(xiàn)白色的箭頭刺激，其中箭頭刺激共包括2種：一致的刺激(>>>>>，<<<<<)和不一致的刺激(<<><<，>><>>)。實驗開始后，被試對刺激中央的靶箭頭朝向做出反應(yīng)，如果靶箭頭是“<”就按鍵盤左側(cè)的“F”鍵，是“>”則按鍵盤右側(cè)的“J”鍵。每個session包括8個block，其中一致任務(wù)刺激4個block，不一致任務(wù)刺激4個block。每個block包括30個trail，每個trail的持續(xù)時間為1 000 ms，其中，任務(wù)呈現(xiàn)400 ms，間隙為600 ms。實驗過程中Flanker任務(wù)自動記錄被試的反應(yīng)時等相關(guān)的行為數(shù)據(jù)。

1.3 有氧運動方案

首先，計算中等強度有氧負荷的目標心率值。研究將66%最大心率(HRmax，中等強度)的負荷強度作為實驗中被試的目標負荷[2]。計算公式：66%HRmax=(220-年齡)×66%。其次，確定有氧負荷方式。通過以恒定負荷蹬踏功率自行車來完成有氧運動方案。功率自行車(Ergoselect_II_1000)可通過調(diào)節(jié)阻力大小和踏車頻率來調(diào)整運動強度。根據(jù)預實驗的結(jié)果，當功率自行車的阻力為110 W,踏車頻率為60～70 rpm時，被試可達到中等運動強度所對應(yīng)的目標心率。此外，監(jiān)控運動過程的實時心率。采用ALPHA心率監(jiān)測儀來監(jiān)控被試的目標心率(http://www.mioglobal.com/)。這樣，被試可根據(jù)心率監(jiān)測儀的實時心率來調(diào)節(jié)踏車頻率，將運動強度控制在60%～69%HRmax的范圍。有氧負荷開始前，先進行2 min的熱身活動，被試達到相應(yīng)心率水平后開始10 min的有氧負荷(保持66%HRmax的目標心率踏車時間不少于8 min)，在第8 min時主試將負荷調(diào)至25 W，讓被試進入恢復階段。主試記錄運動前靜息心率、運動中每分鐘的心率和運動結(jié)束15 min后的心率值。

1.4 fNIRS監(jiān)測方案

實驗采用多通道fNIRS系統(tǒng)(ETG-4000， Japan)監(jiān)測Flanker任務(wù)過程中局部腦區(qū)的血氧信號。fNIRS操作包括3個步驟：

正確佩戴fNIRS光極帽。根據(jù)10～20系統(tǒng)法和人腦生理解剖結(jié)構(gòu)來佩戴fNIRS光極帽。ETG-4000的光極帽由左右2塊測量面板組成，每塊測量面板包括8個發(fā)射光極和8個接收光極，光極間距為3 cm，測量面板的光極排列方式為3×5。每塊面板包括22個測量通道，共計44個通道。依據(jù)執(zhí)行功能的神經(jīng)激活腦區(qū)分布特征和fNIRS設(shè)備的功能特點，實驗中光極帽主要覆蓋大腦前額葉皮質(zhì)區(qū)，其中，左側(cè)面板的第23號發(fā)射光極放置在FP1位置，右側(cè)面板的第11號發(fā)射光極放置在FP2位置(圖3)。為了確保前、后測光極帽佩戴的位置一致，在前測結(jié)束后，主試用彩色筆將光極放置的主要生理標志點在被試頭皮上做出標記，以便后測時可將同一光極放置在原有的位置；可通過拍攝照片來對照不同session的光極帽佩戴位置。

檢查光譜儀各通道的信號強度。fNIRS系統(tǒng)通過785 nm和830 nm兩種波長的近紅外光來采集人腦活動時的光學數(shù)據(jù)(采樣頻率為10 Hz)。由于光極和頭皮之間存在毛發(fā)、油脂等非介質(zhì)物，在信號測試時個別通道的信號強度有可能出現(xiàn)偏弱的現(xiàn)象。主試需對通道的信號強度進行檢查，及時調(diào)整信號強度偏弱通道所對應(yīng)的光極與頭皮的接觸位置，提高通道的信號強度。如果調(diào)整后仍出現(xiàn)信號強度不正常的情況，主試記錄下該通道的代碼，以便數(shù)據(jù)分析時將該通道數(shù)據(jù)進行處理或剔除。

最后，數(shù)據(jù)的輸出與統(tǒng)計。實驗結(jié)束后直接將解算出的數(shù)據(jù)導出計算機進行離線分析。ETG-4000系統(tǒng)可通過Beer-Lambert定律對采集的光學數(shù)據(jù)進行解算，得到含氧血紅蛋白(oxygenated hemoglobin，oxy-Hb)、脫氧血紅蛋白(deoxygenated hemoglobin，deoxy-Hb)和總血紅蛋白(total hemoglobin，total-Hb)的血氧信號數(shù)據(jù)。應(yīng)用NFRI 2012軟件進行MNI空間坐標配準(virtual spatial registration)和功能成像[47]。

1.5 統(tǒng)計學分析

采用IBM SPSS Statistic 22對行為和fNIRS數(shù)據(jù)進行計算和統(tǒng)計分析：1)通過重復測量方差分析檢驗Flanker任務(wù)的主效應(yīng)，并檢驗Flanker效應(yīng)的有氧負荷和前后測的交互作用。2)配對樣本t檢驗比較運動條件和對照條件下Flanker效應(yīng)的反應(yīng)時和oxy-Hb信號的差異。

2 研究結(jié)果

2.1 運動過程心率監(jiān)控與RPE結(jié)果

為確保10 min有氧運動過程中達到中等負荷強度，運動中實時監(jiān)測被試的心率。結(jié)果顯示，被試運動中的平均心率為108.02±25.22次/min，已達到66%HRmax的目標心率值(106.47±4.85次/min)。為了評估運動前、后的主觀感覺疲勞程度，要求被試報告RPE值。結(jié)果顯示，運動后15 min與運動前即刻的RPE值分別為10.0±0.9和10.3±0.8，該數(shù)值所對應(yīng)的主觀疲勞感受處于“很輕松”與“輕松”之間。這說明，自行車蹬踏運動過程中達到了既定的運動負荷強度，且運動后沒有產(chǎn)生主觀疲勞感受。

2.2 Flanker任務(wù)的行為表現(xiàn)

首先，對行為數(shù)據(jù)進行預處理。統(tǒng)計一致任務(wù)和不一致任務(wù)條件下的反應(yīng)時(ms)和錯誤率的均值(圖1A、B)。

在此基礎(chǔ)上，檢驗Flanker任務(wù)的主效應(yīng)；通過重復測量方差分析對有氧負荷、Flanker任務(wù)與前后測進行統(tǒng)計分析。結(jié)果顯示，因變量為反應(yīng)時時，F(xiàn)lanker任務(wù)的主效應(yīng)十分顯著[F(1,14)=188.38，P<0.001，η2=0.93]；因變量為錯誤率時，F(xiàn)lanker任務(wù)的主效應(yīng)也十分顯著[F(1,14)=328.11，P<0.001，η2=0.96]，說明Flanker任務(wù)能有效地反映實驗中各自變量的處理效應(yīng)。

為了考察急性有氧負荷對行為表現(xiàn)的影響，接下來對Flanker任務(wù)的沖突效應(yīng)(Flanker interference，簡稱Flanker效應(yīng))進行分析。Flanker效應(yīng)是指由周邊分心刺激對中央靶刺激所引起的干擾，通常以不一致任務(wù)與一致任務(wù)的行為數(shù)據(jù)的差值來表示[2]。通過重復測量方差分析對有氧負荷和前、后測的Flanker效應(yīng)的統(tǒng)計結(jié)果顯示，反應(yīng)時的有氧負荷和前后測的交互作用顯著[F(1,14)=6.97，P<0.05，η2=0.33，圖2]，但錯誤率的交互作用不顯著[F(1,14)=0.22，P>0.05]，說明反應(yīng)時比錯誤率能更有效地反映Flanker效應(yīng)的變化。

接下來進一步檢驗有氧負荷和前后測的交互作用：通過配對樣本t檢驗比較運動任務(wù)與對照任務(wù)之間(后測Flanker效應(yīng)-前測Flanker效應(yīng))的反應(yīng)時差異。結(jié)果顯示，運動任務(wù)的反應(yīng)時顯著低于對照任務(wù)[t(1,14)=-2.64，P<0.05，η2=0.33，圖1C、D]。結(jié)果表明,急性有氧負荷促進了老年人Flanker任務(wù)的行為操作表現(xiàn)，接受原假設(shè)1。

圖1 本研究老年人的行為數(shù)據(jù)和Flanker效應(yīng)示意圖

注：圖1A和圖1B：對照任務(wù)和運動任務(wù)各水平上的反應(yīng)時與錯誤率均值，其中**代表P<0.001,n.s.代表P>0.05，congruent為一致任務(wù)，incongruent為不一致任務(wù)。圖1C：各組前、后測Flanker效應(yīng)的反應(yīng)時變化。圖1D：對照任務(wù)與運動任務(wù)之間Flanker效應(yīng)的反應(yīng)時差異(P<0.05)。

圖2 本研究有氧負荷與前、后測的交互作用示意圖

注：n.s.表示P>0.05；**表示P<0.05；control為對照任務(wù)，exercise為運動任務(wù)，pre為前側(cè)，post為后測，RT為反應(yīng)時。

2.3 fNIRS結(jié)果

對fNIRS原始數(shù)據(jù)進行預處理，將頻率小于0.04 Hz和大于0.7 Hz 的成分濾除。預處理之后，計算不同任務(wù)水平和實驗條件下的oxy-Hb信號均值。

根據(jù)已有的解剖標定體系(anatomical labeling systems,LBPA40)來劃分感興趣區(qū)(ROIs)[46]，共劃分出6個ROIs(圖3A)：左側(cè)腦區(qū)：背外側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)(L-DLPFC,由通道12、16、17、21組成)，腹外側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)(L-VLPFC,由通道3、7、8組成)，額極區(qū)(L-FPA,由通道4、9、13組成)。同理，右側(cè)腦區(qū)：背外側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)(R-DLPFC，由通道33、37、38、42組成)，腹外側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)(R-VLPFC，由通道24、28、29組成)，額極區(qū)(R-FPA,由通道23、27、32組成)。根據(jù)多通道fNIRS數(shù)據(jù)空間配準到MNI空間的方法[47]，上述感興趣區(qū)的所有通道均分布在前額葉皮質(zhì)區(qū)(圖3B)。

其次，計算ROIs的oxy-Hb信號均值。將ROIs所包含的3～4個通道的oxy-Hb信號進行平均，該均值即為該ROI的血氧信號(圖4)。這樣，就可進一步對比不同ROIs之間血氧信號的差異。

在ROIs水平上檢驗有氧負荷和前后測對Flanker效應(yīng)所引發(fā)的oxy-Hb信號變化的影響。同理，各ROIs的Flanker效應(yīng)為：不一致任務(wù)與一致任務(wù)的oxy-Hb信號的差值。分別對6個ROIs的有氧負荷與前后測的Flanker效應(yīng)的交互作用進行的檢驗結(jié)果顯示，R-PFA的有氧負荷與前后測的交互作用顯著[F(1，14)=15.51，P<0.001，η2=0.53，圖5]。

圖3 本研究fNIRS光極分布與ROIs劃分的影像圖

注：圖3A：圓形圖標表示測量光極，其中，紅色圖標代表發(fā)射光極，藍色圖標代表接收光極；正方型圖標代表測量通道位置；兩個測量面板的每個黑色框內(nèi)的通道組成一個感興趣區(qū)(ROI)。圖3B：第1～第44個通道在MNI空間投射的示意圖；紅色通道代表DLPFC，綠色通道代表FPA，黃色通道代表VLPFC。

圖4 本研究某通道一致任務(wù)(圖左)和不一致任務(wù)(圖右)整合后的波幅對比示意圖

最后，對L-FPA腦區(qū)的有氧負荷和前后測交互作用進行計算，通過配對樣本t檢驗比較運動任務(wù)與對照任務(wù)之間(后測Flanker效應(yīng)-前測Flanker效應(yīng))的oxy-Hb信號差異。結(jié)果顯示，運動任務(wù)oxy-Hb信號顯著高于對照任務(wù)[t(1,14)=3.94，P<0.001，η2=0.53，圖6B、C]。上述結(jié)果說明，在Flanker任務(wù)過程中，急性有氧負荷顯著提高了左側(cè)額極區(qū)(L-FPA)的神經(jīng)激活水平，接受原假設(shè)2(圖6D)。

3 分析討論

本研究旨在通過行為實驗和神經(jīng)影像學的方法來探討急性中等強度有氧負荷對老年人Flanker效應(yīng)的影響，并通過Flanker效應(yīng)的行為數(shù)據(jù)和血氧信號的同步變化來反映有氧負荷與執(zhí)行功能的關(guān)系。

圖5 本研究L-FPA腦區(qū)有氧負荷和前、后測交互作用示意圖

注：n.s.表示P>0.05，**表示P<0.05；control為對照任務(wù)，exercise為運動任務(wù)，pre為前側(cè)，post為后測。

行為實驗的結(jié)果顯示，一致任務(wù)的反應(yīng)時相對較短，錯誤率較低，而不一致任務(wù)的反應(yīng)時則更長，錯誤率也更高，且這種差異出現(xiàn)在組別、前后測的各個水平。因此，可通過反應(yīng)時在各變量水平上的差異來評價運動負荷對老年人執(zhí)行功能的影響，其中，F(xiàn)lanker效應(yīng)的反應(yīng)時差值越小，說明相應(yīng)的執(zhí)行功能就要好。運動任務(wù)Flanker效應(yīng)的反應(yīng)時差值顯著低于對照任務(wù)，說明10 min中等強度的有氧負荷增進了老年人的認知操作表現(xiàn)，為中等強度有氧負荷促進老年人執(zhí)行功能提供了實驗證據(jù)。此外，錯誤率在各變量水平上變化不顯著，這一結(jié)果可能是因為錯誤率的變化不如反應(yīng)時那么敏感。

圖6 運動負荷對老年人oxy-Hb信號和腦激活模式的影響影像圖

注：圖6-A：Flanker任務(wù)過程中oxy-Hb信號的變化，其中，congruent為一致任務(wù)，incongruent為不一致任務(wù)(**P<0.05)。圖6-B：各組前后測水平上的Flanker效應(yīng)。圖6-C：對照任務(wù)和運動任務(wù)之間Flanker效應(yīng)的oxy-Hb信號差異(L-FPA，P<0.001)。圖6-D：各腦區(qū)oxy-Hb信號的組別與前后測交互作用的F值可視化圖。紅色通道代表運動負荷對L-FPA腦區(qū)oxy-Hb信號的影響[F(1,14)=15.51，P<0.001]，其中，藍色通道表示激活水平不顯著，灰色通道則表示被剔除的數(shù)據(jù)。

老年人大腦半球非對稱性減弱模型 (hemispheric asymmetry reduction in older adults,HAROLD)認為，老年人在認知過程中大腦的偏側(cè)優(yōu)勢比青年人有所降低，老年人之所以會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因為隨著年齡的增加，大腦功能所出現(xiàn)的下降需要對側(cè)腦區(qū)的激活來進行功能補償[16]。例如，在相同的認知任務(wù)下，青年成人只需募集左側(cè)的PFC腦區(qū)，但如果老年人要想獲得較高的認知表現(xiàn)則需動員雙側(cè)的PFC腦區(qū)[16]，且神經(jīng)影像研究已證明，HAROLD模式發(fā)生在工作記憶、語義記憶、抑制控制等認知過程中[16,41]。在詞匯記憶任務(wù)中，青年人的左側(cè)前額葉出現(xiàn)神經(jīng)激活，然而，老年人卻需募集雙側(cè)前額葉腦區(qū)的神經(jīng)元共同參與詞匯記憶任務(wù)[41]。此外，經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation ，rTMS)研究顯示，對青年人而言，只有出現(xiàn)在左側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)的刺激才會損害認知記憶，而出現(xiàn)在老年人雙側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)的刺激均會對其認知記憶產(chǎn)生影響[44]。這說明老年人右側(cè)前額葉皮質(zhì)的神經(jīng)激活對左側(cè)腦區(qū)具有補償效應(yīng)。近年來，在HAROLD理論的基礎(chǔ)上，有人提出代償相關(guān)神經(jīng)環(huán)路利用假說 (compensation-related utilisation of neural circuits hypothesis，CRUNCH)，即老年人可動員對側(cè)腦區(qū)之外的其他腦區(qū)來提供更多的認知策略以應(yīng)對認知問題[11]。fMRI研究結(jié)果顯示，老年人在認知過程中僅出現(xiàn)了少量HAROLD激活模式，而較多地發(fā)生了CRUNCH的補償激活模式[11]。那么，研究中之所以6個ROIs中L-FPA的神經(jīng)激活水平在運動后出現(xiàn)了顯著的增加，可能是因為運動負荷可短暫促進老年人動用L-FPA腦區(qū)資源彌補大腦認知功能的下降?？梢?，急性有氧負荷對腦區(qū)補償效應(yīng)的影響同樣適應(yīng)于CRUNCH理論。

PET[10]、fMRI[36]以及fNIRS[30]等神經(jīng)影像的研究曾報道，Stroop效應(yīng)可引起R-FPA腦區(qū)的神經(jīng)激活水平增加。大腦功能連接的研究表明，由Stroop效應(yīng)引發(fā)了L-DLPFC和R-FPA兩個腦區(qū)之間的與任務(wù)相關(guān)的功能連接增強[28]，說明R-FPA的激活與沖突效應(yīng)相關(guān)。另外，有一項關(guān)于猴腦的研究進一步為FPA參與認知控制提供證據(jù)，DLPFC和FPA富含抑制神經(jīng)元，ACC富含興奮性神經(jīng)元，DLPFC和FPA均受ACC的支配，且二者在認知控制中承擔了不同的角色[34]。還有研究認為，F(xiàn)PA是為完成復雜多任務(wù)操作而被募集的大腦功能腦區(qū)[8]。由此可見，F(xiàn)PA腦區(qū)在執(zhí)行控制過程中起著重要作用。這為運動負荷促進老年人L-FPA的神經(jīng)激活來補償其對側(cè)腦區(qū)的功能下降的觀點提供了依據(jù)。

一直以來，研究者在尋找有氧運動可提高認知水平和改善腦功能的證據(jù)，包括分子、細胞、系統(tǒng)和行為水平等維度[23,29]。有研究認為，有氧運動可引起大腦多巴胺和去腎上腺激素等神經(jīng)遞質(zhì)水平的增加，這兩種物質(zhì)可激發(fā)大腦神經(jīng)活性，從而提高認知功能[14]。但有氧運動提高認知功能與負荷強度有關(guān)，只有中等強度有氧運動才能獲得最佳的認知表現(xiàn)，而太小或是太大的運動負荷都不能引起認知水平的增益效果[20]，相反，大強度有氧運動還會損害認知功能[31]。所以，在研究中，雖然沒有采用實驗方法來監(jiān)控大腦中神經(jīng)遞質(zhì)的變化，但當被試運動到66%HRmax強度水平時，實驗結(jié)果顯示，此時被試的認知表現(xiàn)提高了，且局部腦區(qū)oxy-Hb信號的增加與認知表現(xiàn)的提高同步出現(xiàn)。

在后測水平上，對照任務(wù)多個ROIs的oxy-Hb信號出現(xiàn)了降低，這可能是由于對照任務(wù)被試在休息時間里幾乎沒有肢體活動，神經(jīng)系統(tǒng)處于抑制狀態(tài)，因此，大腦的激活水平出現(xiàn)了降低。而運動任務(wù)的被試，各腦區(qū)的oxy-Hb信號在后測水平上均有提高，說明運動負荷讓被試保持著清醒的狀態(tài)，從而增加了大腦神經(jīng)活性。這也進一步支持了急性中等強度有氧負荷可促進大腦功能的觀點。

那么，急性有氧負荷對執(zhí)行功能的影響是否與長期有氧運動具有相似的機制呢？二者既有聯(lián)系又有差異。急性有氧負荷對老年人左側(cè)腦區(qū)神經(jīng)激活的影響驗證了CRUNCH理論，支持了老年人的認知任務(wù)表現(xiàn)的提高與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間相互補償相關(guān)的觀點。由于急性有氧負荷可短暫地增加大腦的神經(jīng)激活水平，可以推斷，急性運動負荷對神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)的有效利用起到了短暫的作用。然而，有fMRI研究對老年人(無對照組)集中注意力任務(wù)的變化進行了縱向跟蹤，結(jié)果表明，在通過6個月有氧負荷之后，被試額區(qū)和顳區(qū)的腦神經(jīng)自動參與到了執(zhí)行控制過程，同時，對沖突行為特別敏感的背側(cè)ACC出現(xiàn)了激活水平的降低[22,23]。由此可見，長期有氧運動促進了功能腦區(qū)自身的神經(jīng)活性，而不僅僅是功能補償。上述觀點不適應(yīng)急性有氧負荷促進老年人大腦的補償功能及其相應(yīng)的HAROLD和CRUNCH理論。

另外，Park等[40]在HAROLD研究中提出了老化和認知的腳手架理論(scaffolding theory of aging and cognition，STAC)。該理論認為，隨著年齡的增加，人腦的結(jié)構(gòu)和功能逐漸下降，大腦會自適應(yīng)地產(chǎn)生補償神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來增加原有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能，但補償神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有原有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)那么高的處理效率。可見，維持和增強原有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能才能長久地保持大腦的工作效率。后來研究者又提出了STAC-r理論，引入了壽命因素來縱向評估人腦的結(jié)構(gòu)和功能的變化，以及運動因素對神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)的干預作用[42]。綜上可知，無論是急性有氧負荷對神經(jīng)活性所產(chǎn)生的短暫作用，還是長期有氧運動對腦部結(jié)構(gòu)和功能所帶來的影響，均說明有氧負荷有益于老年人的腦健康。那么，長期有氧運動所獲得的運動受益是否為若干次急性有氧負荷累積刺激的結(jié)果？這一假設(shè)需在今后的研究中作進一步論證。

4 結(jié)論

10 min中等強度有氧負荷顯著提高了老年人Flanker任務(wù)過程中的行為操作表現(xiàn)，并增強了左側(cè)額極區(qū)(L-FPA)由Flanker效應(yīng)所引發(fā)的神經(jīng)激活水平，且腦區(qū)神經(jīng)激活的增加與認知表現(xiàn)的提高同步出現(xiàn)。研究結(jié)果為急性有氧負荷增進老年人執(zhí)行功能提供了新的實驗證據(jù)。

[1]陳愛國，殷恒嬋，顏軍，等.不同強度短時有氧運動對執(zhí)行功能的影響[J].心理學報,2011，(9):1055-1062.

[2]李暢，陳加，何春紅，等.Flanker任務(wù)中純凈的沖突適應(yīng)效應(yīng)[J].西南大學學報(自然科學版),2010，(4):152-156.

[3]顏軍，馬山山，陳愛國，等.不同持續(xù)時間健美操鍛煉對大學女生執(zhí)行功能影響的實驗研究[J].體育與科學,2012，(6):88-91.

[4]顏軍，王源，陳愛國，等.短時中等強度不同類型運動對小學生執(zhí)行功能的影響[J].體育與科學,2014，(6):94-100.

[5]殷恒嬋，陳愛國，馬錚，等.兩種運動干預方案對小學生執(zhí)行功能影響的追蹤研究[J].體育科學,2014，34(3):24-28.

[6]Guidelines for psychiatric practice in public sector psychiatric inpatient facilities.Committee on State and Community Psychiatric Systems of the Council on Psychiatric Services.American Psychiatric Association[J].Am J Psychiatry,1994,151(5):797-798.

[7]ALBINET C T,MANDRICK K,BERNARD P L,etal.Improved cerebral oxygenation response and executive performance as a function of cardiorespiratory fitness in older women:a fNIRS study[J].Front Aging Neurosci,2014,(6):272.

[8]BADRE D,WAGNER A D.Selection,integration,and conflict monitoring;assessing the nature and generality of prefrontal cognitive control mechanisms[J].Neuron,2004,41(3):473-487.

[9]BARNES D E,YAFFE K,SATARIANO W A,etal.A longitudinal study of cardiorespiratory fitness and cognitive function in healthy older adults[J].J Am Geriatr Soc,2003,51(4):459-465.

[10]BENCH C J,FRITH C D,GRASBY P M,etal.Investigations of the functional anatomy of attention using the Stroop test[J].Neuropsychologia,1993,31(9):907-922.

[11]BERLINGERI M,DANELLI L,BOTTINI G,etal.Reassessing the HAROLD model:is the hemispheric asymmetry reduction in older adults a special case of compensatory-related utilisation of neural circuits?[J].Exp Brain Res,2013,224(3):393-410.

[12]BEST J R.Effects of physical activity on children's executive function:Contributions of experimental research on aerobic exercise[J].Dev Rev,2010,30(4):331-551.

[13]BEST J R,NAGAMATSU L S,LIU-AMBROSE T.Improvements to executive function during exercise training predict maintenance of physical activity over the following year[J].Front Hum Neurosci,2014,(8):353.

[14]BRACKEN R M,LINNANE D M,BROOKS S.Plasma catecholamine and nephrine responses to brief intermittent maximal intensity exercise[J].Amino Acids,2009,36(2):209-217.

[15]BYUN K,HYODO K,SUWABE K,etal.Positive effect of acute mild exercise on executive function via arousal-related prefrontal activations:an fNIRS study[J].Neuroimage,2014,98:336-345.

[16]CABEZA R.Hemispheric asymmetry reduction in older adults:the HAROLD model[J].Psychol Aging,2002,17(1):85-100.

[17]CHANG Y K,TSAI Y J,CHEN T T,etal.The impacts of coordinative exercise on executive function in kindergarten children:an ERP study[J].Exp Brain Res,2013,225(2):187-196.

[18]CHAPMAN S B,ASLAN S,SPENCE J S,etal.Shorter term aerobic exercise improves brain,cognition,and cardiovascular fitness in aging[J].Front Aging Neurosci,2013,5:75.

[19]CHEN L C,SANDMANN P,THORNE J D,etal.Association of concurrent fNIRS and EEG signatures in response to auditory and visual stimuli[J].Brain Topogr,2015,28(5):710-725.

[20]CHMURA J,NAZAR K,KACIUBA-USCILKO H.Choice reaction time during graded exercise in relation to blood lactate and plasma catecholamine thresholds[J].Int J Sports Med,1994,15(4):172-176.

[21]CHODZKO-ZAJKO W J,SCHULER P,SOLOMON J,etal.The influence of physical fitness on automatic and effortful memory changes in aging[J].Int J Aging Hum Dev,1992,35(4):265-285.

[22]COLCOMBE S J,ERICKSON K I,SCALF P E,etal.Aerobic exercise training increases brain volume in aging humans[J].J Gerontol A Biol Sci Med Sci,2006,61(11):1166-1170.

[23]COLCOMBE S,KRAMER A F.Fitness effects on the cognitive function of older adults:a meta-analytic study[J].Psychol Sci,2003,14(2):125-130.

[24]CUI X,BAKER J M,LIU N,etal.Sensitivity of fNIRS measurement to head motion:An applied use of smartphones in the lab[J].J Neurosci Methods,2015,245(4):37-43.

[25]ERICKSON K I,PRAKASH R S,VOSS M W,etal.Aerobic fitness is associated with hippocampal volume in elderly humans[J].Hippocampus,2009,19(10):1030-1039.

[26]ETNIER J L,BERRY M.Fluid intelligence in an older COPD sample after short- or long-term exercise[J].Med Sci Sports Exe,2001,33(10):1620-1628.

[27]FONG D Y,CHI L K,LI F,etal.The benefits of endurance exercise and Tai Chi Chuan for the task-switching aspect of executive function in older adults:an ERP study[J].Front Aging Neurosci,2014,6:295.

[28]HARRISON B J,SHAW M,YUCEL M,etal.Functional connectivity during Stroop task performance[J].Neuroimage,2005,24(1):181-191.

[29]HILLMAN C H,ERICKSON K I,KRAMER A F.Be smart,exercise your heart:exercise effects on brain and cognition[J].Nat Rev Neurosci,2008,9(1):58-65.

[30]HYODO K,DAN I,SUWABE K,etal.Acute moderate exercise enhances compensatory brain activation in older adults[J].Neurobiol Aging,2012,33(11):2621-2632.

[31]LABELLE V,BOSQUET L,MEKARY S,etal.Decline in executive control during acute bouts of exercise as a function of exercise intensity and fitness level[J].Brain Cogn,2013,81(1):10-17.

[32]LANGENECKER S A,NIELSON K A,RAO S M.fMRI of healthy older adults during Stroop interference[J].Neuroimage,2004,21(1):192-200.

[33]LAW L L,BARNETT F,YAU M K,etal.Effects of combined cognitive and exercise interventions on cognition in older adults with and without cognitive impairment:a systematic review[J].Ageing Res Rev,2014,15:61-75.

[34]MEDALLA M,BARBAS H.Anterior cingulate synapses in prefrontal areas 10 and 46 suggest differential influence in cognitive control[J].J Neurosci,2010,30(48):16068-16081.

[35]MILHAM M P,BANICH M T,BARAD V.Competition for priority in processing increases prefrontal cortex's involvement in top-down control:an event-related fMRI study of the stroop task[J].Brain Res Cogn Brain Res,2003,17(2):212-222.

[36]MILHAM M P,BANICH M T,WEBB A,etal.The relative involvement of anterior cingulate and prefrontal cortex in attentional control depends on nature of conflict[J].Brain Res Cogn Brain Res,2001,12(3):467-473.

[37]MITCHELL K J,RAYE C L,JOHNSON M K,etal.An fMRI investigation of short-term source memory in young and older adults[J].Neuroimage,2006,30(2):627-633.

[38]MIYAKE A,FRIEDMAN N P,EMERSON M J,etal.The unity and diversity of executive functions and their contributions to complex "Frontal Lobe" tasks:a latent variable analysis[J].Cogn Psychol,2000,41(1):49-100.

[39]MURRAY D K,SACHELI M A,ENG J J,etal.The effects of exercise on cognition in Parkinson's disease:a systematic review[J].Transl Neurodegener,2014,3(1):5.

[40]PARK D C,REUTER-LORENZ P.The adaptive brain:aging and neurocognitive scaffolding[J].Annu Rev Psychol,2009,60:173-196.

[41]REUTER-LORENZ P A,JONIDES J,SMITH E E,etal.Age differences in the frontal lateralization of verbal and spatial working memory revealed by PET[J].J Cogn Neurosci,2000,12(1):174-187.

[42]REUTER-LORENZ P A,PARK D C.How does it STAC up? Revisiting the scaffolding theory of aging and cognition[J].Neuropsychol Rev,2014,24(3):355-370.

[43]ROIG M,NORDBRANDT S,GEERTSEN S S,etal.The effects of cardiovascular exercise on human memory:a review with meta-analysis[J].Neurosci Biobehav Rev,2013,37(8):1645-1666.

[44]ROSSI S,MINIUSSI C,PASQUALETTI P,etal.Age-related functional changes of prefrontal cortex in long-term memory:a repetitive transcranial magnetic stimulation study[J].J Neurosci,2004,24(36):7939-7944.

[45]SANDROFF B M,HILLMAN C H,BENEDICT R H,etal.Acute effects of walking,cycling,and yoga exercise on cognition in persons with relapsing-remitting multiple sclerosis without impaired cognitive processing speed[J].J Clin Exp Neuropsychol,2015,37(2):209-219.

[46]SHATTUCK D W,MIRZA M,ADISETIYO V,etal.Construction of a 3D probabilistic atlas of human cortical structures[J].Neuroimage,2008,39(3):1064-1080.

[47]SINGH A K,OKAMOTO M,DAN H,etal.Spatial registration of multichannel multi-subject fNIRS data to MNI space without MRI[J].Neuroimage,2005,27(4):842-851.

[48]SOLANKI D,LANE A M.Relationships between exercise as a mood regulation strategy and trait emotional intelligence[J].Asian J Sports Med,2010,1(4):195-200.

[49]WANG C C,CHU C H,CHU I H,etal.Executive function during acute exercise:the role of exercise intensity[J].J Sport Exe Psychol,2013,35(4):358-367.

[50]WEINSTEIN A M,VOSS M W,PRAKASH R S,etal.The association between aerobic fitness and executive function is mediated by prefrontal cortex volume[J].Brain Behav Immun,2012,26(5):811-819.

[51]WENG T B,PIERCE G L,DARLING W G,etal.Differential effects of acute exercise on distinct aspects of executive function[J].Med Sci Sports Exe,2015,47(1):1460-1469.

[52]YANAGISAWA H,DAN I,TSUZUKI D,etal.Acute moderate exercise elicits increased dorsolateral prefrontal activation and improves cognitive performance with Stroop test[J].Neuroimage,2010,50(4):1702-1710.

[53]ZHANG X,NI X,CHEN P.Study about the effects of different fitness sports on cognitive function and emotion of the aged[J].Cell Biochem Biophys,2014,70(3):1591-1596.

Effect of Acute Aerobic Exercise on Executive Function (EF) of Elderly People:Evidences from fNIRS and Behavior Experiments

WEN Shi-lin1,XIA Shu-hua2,LI Si1,JIANG Chang-hao1

Objective:Brain imaging technique was used to monitor the changes of the brain activation patterns in the process of psychological task to reflect the effect of the aerobic exercise on the executive function and to evaluate the training effect of the aerobic exercise on the performance of the executive function.Methods:The behavior and brain activation patterns of 15 elderly people with 10min moderate intensity cycling were discussed by means of behavioral measurement and near infrared spectroscopy (fNIRS).Results:The Flanker interference of reaction time (RT) of the experiment group was significant lower than the control group (t(1,14)=-2.64，P<0.05).The flanker interference of oxy-Hb single of experiment group was significant higher than the control group in left frontopolar area (L-FPA) (t(1,14)=3.94，P<0.001),Conclusions:10min moderate intensity aerobic load can significantly improve the operation behaviors of the elderly flanker task,and enhance the neural activity in the left frontal pole (L-FPA) and the improvement of local regions of the brain neural activity increased with cognitive performance synchronization occurs.

aerobicexercise;elderlypeople;executivefunction;Flankerinterference;fNIRS;cerebralactivationpatterns

2015-03-18；

2015-08-10

教育部人文社會科學研究課題(11YJA190008)。

文世林(1980-)，男，湖南桃江人，講師，博士，主要研究方向為體育運動與身心和諧發(fā)展，Tel：(010)82099055，E-mail:313811819@qq.com。

1.首都體育學院 教育訓練學院，北京 10086；2.河南師范大學 體育學院，河南 新鄉(xiāng) 453007 1.Capital University of Physical Education,Beijing 10086,China;2.Henan Normal University,Xinxiang 453007,China.

1000-677X(2015)10-0037-09

10.16469/j.css.201510006

G804.8

A