急性高強度運動對經(jīng)訓(xùn)練者個體認知功能的影響研究

王 巍，王曉磊，黃強年，金 洋，馮 煊，趙鳳雛

前言

規(guī)律性運動能提供有效的健康收益，大量證據(jù)證明高水平的身體練習(xí)能效促進身體代謝機能[1]。同時，當在合適的運動強度、運動次數(shù)和運動時間下進行身體活動，還會出現(xiàn)額外收益。研究發(fā)現(xiàn)運動收益不僅是對身體健康，還對大腦功能和認知表現(xiàn)存在益處[2]。許多研究發(fā)現(xiàn)相比未進行訓(xùn)練的人群而言，接受合適訓(xùn)練的人出現(xiàn)更好的認知表現(xiàn)[3,4]，并且高身體素質(zhì)水平對認知功能的影響更為顯著[5,6]。除此以外，大量神經(jīng)影像學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)研究支持了這一結(jié)果，認為運動以及有氧功能水平對大腦自主神經(jīng)功能，腦容量，大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及神經(jīng)可塑性的增長與個體感官和控制方面存在緊密的聯(lián)系[7-10]。

大量系統(tǒng)的綜述研究了急性運動和認知功能方面的關(guān)系，但是盡管研究數(shù)量非常多，但是尚沒有一致的意見，不同研究分別認為運動對認知功能存在積極影響[11]，消極影響[12]甚至是不存在任何影響[13]。出現(xiàn)這些不同的結(jié)果可能是由于變量調(diào)節(jié)不一致的原因，而想要得出一致的結(jié)果需要在合理控制的變量變化范圍內(nèi)，運動與認知功能的關(guān)系確實存在許多不清楚的地方，而且外周因素也是個重要的方面，需要更多更系統(tǒng)的研究來探索運動與認知功能表現(xiàn)方面的關(guān)系。

最近有兩個研究認為要想準確發(fā)現(xiàn)運動與認知功能之間的關(guān)系需要考慮以下幾個方面，主要為運動強度、運動持續(xù)時間、運動類型、測試認知功能的方法、受試者的身體機能水平和實驗研究設(shè)計[14]。目前高強度運動與認知相關(guān)干預(yù)試驗相對較少，尤其是與中等強度運動對認知影響研究的數(shù)量相比。一般而言，中等強度運動對認知功能表現(xiàn)出積極的影響[15]；但是尚不明確高強度運動對認知功能產(chǎn)生何種影響。

相比于低強度和中等強度運動，高強度運動會造成中樞神經(jīng)變化、外周代謝與體內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)紊亂[16,17]。主要變化變化包括：內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)破壞[18]、外周疲勞產(chǎn)生速率呈非線性增長[19]、兒茶酚胺(包括腎上腺素與去甲腎上腺素)釋放水平提高[20]。Gutin[21]的“倒U型假說”認為：運動強度越大，個體認知功能弱化程度更強，腎上腺素水平提高恰恰是導(dǎo)致這一結(jié)果的重要因素[21]，但一直未能有研究發(fā)現(xiàn)兩者之間的具體關(guān)系。雖然有大量證據(jù)支持Gutin的這一假說，但并不是每次都能在運動員或者高水平運動者中發(fā)現(xiàn)這一結(jié)果[22,23]。經(jīng)常用來解釋實驗結(jié)果多樣性的一個主要問題是實驗設(shè)計中未能合理控制受試者體能水平[24]。神經(jīng)影像學(xué)結(jié)果為該解釋提供了支撐，神經(jīng)影像學(xué)研究表明更大的代謝負荷要求增加了大腦中關(guān)于運動方面大腦皮層的激活，但由于大腦中有限的資源容量，導(dǎo)致犧牲其他腦區(qū)的活動來激活更多關(guān)于運動方面的大腦皮層[25]。這一發(fā)現(xiàn)表明身體活動對認知功能的調(diào)節(jié)是通過身體活動誘導(dǎo)的大腦皮層激活水平?jīng)Q定的。同時如果個體擁有高水體的身體素質(zhì)，那么他就可以在更高水平上合理分配花費在認知表現(xiàn)上的身體資源。

不同背景下的人員，如體育、軍事院校與緊急救援部門等領(lǐng)域的個體，必須在高強度負荷運動期及之后快速反應(yīng)并做出重要相關(guān)決策[26,27]，在這樣的場合下如果個體能夠維持較高水平的認知功能表現(xiàn)，那么能夠更高效率的完成相關(guān)任務(wù)，因此需要提高關(guān)于高強度運動認知功能領(lǐng)域影響的理解，才能提出更好的建議，同時也要考慮已知的“倒U型假說”存在的不利影響。此外，當研究急性運動與認知關(guān)系之間存在的影響因素時，需要更強調(diào)研究中對相關(guān)影響因素的控制，通過該方式來關(guān)注研究內(nèi)容，將有助于提供更多有關(guān)不同運動強度對特定人群認知功能領(lǐng)域影響的細節(jié)，本文旨在探索急性高強度運動對高水平訓(xùn)練人員認知功能表現(xiàn)的影響。

1 研究方法

根據(jù)系統(tǒng)綜述與分析首選報告項目指南(the Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses, PRISMA)[28]。運用PICO(人群、干預(yù)、對比、結(jié)果)標準作為相關(guān)文獻的篩查標準。主要包括：(1)受試者為受訓(xùn)練人員，評價標準為美國運動醫(yī)學(xué)學(xué)會指南(American College of Sports Medicine)歸類為“優(yōu)秀”或“優(yōu)越”的人群；(2)實驗自變量為急性高強度運動，“急性”運動被定義為“一天內(nèi)的運動表現(xiàn)”，高強度運動被定義為80%最大輸出功率(Wmax)的運動或者受試者自感疲勞程度到達最大等級；(3)實驗設(shè)計采用實驗組與對照組設(shè)計；(4)因變量至少包括一項成熟的認知測試任務(wù)；(5)認知測試時間點為運動期間或運動后即刻。

1.1 信息來源

通過在線電子數(shù)據(jù)庫檢索，為避免數(shù)據(jù)庫范圍過小，在七個不同的數(shù)據(jù)庫進行了檢索，包括：Academic Search Complete, PsycARTICLES, PsycINFO, PubMed, Scopus, SPORTDiscus與Web of Science。同時根據(jù)特定測試確定認知測試任務(wù)，將其歸類于一般認知任務(wù)(因變量)，兩種最完善的神經(jīng)心理學(xué)評估被用于確定并分類任務(wù)[30]，既往綜述運用這些資源達到相同目的[31]，并提供不同領(lǐng)域的認知測試的定義與任務(wù)，劃分每一個認知任務(wù)與完成時間，作為一個測量結(jié)果并統(tǒng)計數(shù)量。

2 結(jié)果

2.1 檢索結(jié)果分析

經(jīng)過系統(tǒng)檢索以及非標準因素排除，總結(jié)并分析相關(guān)研究的受試者、運動干預(yù)與認知測試特征方面因素，符合本文“經(jīng)訓(xùn)練者”標準的130名(男性89名、女性29名)受試者數(shù)據(jù)。受試者平均年齡23.3±3.8歲；身體機能水平方面，平均最大攝氧量峰值為57.5mL/km·min；受試者類型包括：跑步、鐵人三項、足球、曲棍球、田徑、擊劍和橄欖球運動員；研究最常采用兩種運動模式，主要為自行車(n=6)，其次是跑步(n=4)，高強度運動平均維持時間為5.6±3.0min。

2.2 急性高強度運動對認知功能表現(xiàn)的影響

高強度運動對訓(xùn)練組認知表現(xiàn)的影響的結(jié)果存在差異，此次分析的研究共評估了4個認知領(lǐng)域，反應(yīng)時與信息處理同屬“信息處理”類別，被認為是簡單認知測試，而執(zhí)行功能、注意力與記憶力屬于復(fù)雜認知測試范疇。

認知測試任務(wù)執(zhí)行時間是不同研究之間的主要方法差異之一。評估急性運動對認知功能的影響時，時間可選在運動期間或運動停止后。總的來說并沒有明顯證據(jù)表明認知功能的影響與時間有關(guān)，鑒于運動后與運動期間相對比的測量結(jié)果較少，目前尚不能建立關(guān)于認知測試時間與認知功能結(jié)果之間關(guān)系的明確結(jié)論。

2.2.1 簡單認知功能

信息處理方面主要通過站立坐下測試(SRT)與聯(lián)合性瑞文測試(CRT)評估反應(yīng)時，額外一項研究采用追蹤測試(PRT)，這些研究表明高強度運動對SRT測試中的速度與精度無影響，但是在高強度運動后，CRT任務(wù)完成速度提升。采用PRT測試則發(fā)現(xiàn)運動對認知功能存在一定的消極影響。共18個測量結(jié)果：11個是反應(yīng)速度結(jié)果，7個是反應(yīng)精度結(jié)果。總的說來，觀察多數(shù)測量結(jié)果表明高強度運動對個體信息反應(yīng)處理的速度與精度無影響。

2.2.2 復(fù)雜認知功能

執(zhí)行功能方面，Labelle等人[42]采用斯特魯普色詞測試評估個體在運動過程中執(zhí)行功能的速度與精度，結(jié)果表明高強度運動對執(zhí)行功能無影響。與之相似，Whyte等人同樣采用斯特魯普色詞測試，但只測量了運動前后的正確反應(yīng)(視為精度)，這一研究的結(jié)果卻表明高強度運動后執(zhí)行功能表現(xiàn)出現(xiàn)降低的情況。Smith等人采用a Go/NoGo task測試以測量執(zhí)行功能中的速度與兩種決策精度(遺漏和決策錯誤)，三個方面結(jié)果均表明高強度運動期間，認知功能出現(xiàn)弱化，個體表現(xiàn)能力下降。

記憶力方面，Lo Bue-Estes等人采用了自主神經(jīng)心理評估指標(ANAM)認知測試系統(tǒng)評估記憶力，ANAM的結(jié)果提供測量一段時間內(nèi)的正確反應(yīng)的數(shù)量得出的反應(yīng)速率。主要評估運動后記憶力的四個領(lǐng)域(短時記憶、長時記憶、視覺空間處理、工作記憶)，此外在運動前同樣評估了工作記憶。所有結(jié)果顯示除了工作記憶外，其他記憶力方面不受高強度運動影響。

注意力方面使用處理任務(wù)評估精度測試(與ANAM相似的測試)和空間注意力測試進行評估，結(jié)果顯示高強度運動對注意力速度與精度影響不明顯。此外符號數(shù)字模式測試(SDMT)評估高強度間歇跑與跳躍運動后的正確反應(yīng)(視為精度)表現(xiàn)出積極的結(jié)果，這些結(jié)果表明高強度運動對SDMT的速度與精度均無影響。

3 討論

系統(tǒng)回顧相關(guān)已知的文獻綜述，主要是圍繞高強度急性運動對訓(xùn)練者認知功能表現(xiàn)的影響。多數(shù)研究表明，具有較高訓(xùn)練水平的個人在經(jīng)過高強度運動后，完成相關(guān)簡單認知處理過程任務(wù)的速度與精度不受影響。相反，當涉及更復(fù)雜的認知功能時，結(jié)果會出現(xiàn)分歧。這些結(jié)果支持其他強調(diào)需要特定認知的整合結(jié)論時評估的任務(wù)類型的理論，例如運動對認知的影響取決于特定的認知領(lǐng)域[32,33]。

盡管認知功能任務(wù)時由大腦前額葉皮層進行控制的，對簡單性質(zhì)的任務(wù)來說，認知功能的評估、信息的處理只需要很少的資源，但面對較復(fù)雜任務(wù)，大腦前額葉皮層需要大幅度減少其他大腦區(qū)域的神經(jīng)活動[34]。在信息處理的四項研究中，反應(yīng)時是最常見的指標，含有包括速度與精度的17個主要測量結(jié)果。同時在關(guān)于運動與認知的研究中，反應(yīng)時也是常用的測試，例如評估“倒U型假說”的實驗，此外，在簡單任務(wù)中，反應(yīng)時也曾被認為是對急性運動的影響最敏感的測試指標[35]。最新的急性運動與認知功能之間的綜合分析提出運動對反應(yīng)時并無顯著影響，但是運動強度的改變可能在一定程度上會導(dǎo)致反應(yīng)時出現(xiàn)改變，然而，在已知的11個測量結(jié)果中，9個結(jié)果表明運動強度對反應(yīng)時速率無影響。

Lambourne和Tomporowski等人[32]對信息處理任務(wù)影響的觀察結(jié)果存在分歧，認為其并不符合“倒U型假說”。潛在原因可能是嚴格的篩查標準使他們研究中的對象與其他高訓(xùn)練水平人員存在區(qū)別。還有研究者提出心血管健康假說，主要認為高素質(zhì)訓(xùn)練水平個體的心血管功能相對較高，當進行高強度運動后，相比于低水平個體能夠更好的調(diào)節(jié)身體機能變化，因而對認知功能表現(xiàn)影響較小。

很大程度上信息處理任務(wù)的精度結(jié)果均暗示了對認知功能中的信息處理無影響，這一結(jié)果令人驚訝，因為在運動條件下，全身性的運動會導(dǎo)致外周和中樞神經(jīng)疲勞，進而影響運動機能精度水平的降低。有解釋認為是個體信息處理能力存在上限，或者認知測試任務(wù)的多樣性導(dǎo)致了觀察運動對其精度影響結(jié)果的失敗，所以為了避免這種情況的產(chǎn)生，有必要采用簡單與復(fù)雜認知功能測試任務(wù)共同應(yīng)用于處理速度與精度，并且控制受試者集中于正確完成測試任務(wù)，而不是一味的追求完成速度。Mcmorris等人[20]發(fā)現(xiàn)劇烈運動情況下全身性神經(jīng)運動技能精度的評估會出現(xiàn)較大范圍的變化。運動中，隨著疲勞增加，精度降低，原因傾向于神經(jīng)生理學(xué)的機制變化而不是認知功能成分的減少，因此目前重要的挑戰(zhàn)是探索降低整體表現(xiàn)的精確大腦區(qū)域這同樣也是未來研究的重要任務(wù)。

復(fù)雜認知功能被認為是認知功能的中心部分，涉及多個功能，包括計劃、時間安排、工作記憶、多任務(wù)處理、認知靈活性與抽象思維等[36]。這些功能主要依靠皮質(zhì)層最高水平的前額葉皮層的激活[37]。與簡單認知任務(wù)的評估相比，高強度運動對復(fù)雜認知處理的影響尚不明確。三項研究評估了注意力方面，但是只有一項研究評估了注意力的速度，所以結(jié)論尚不明確。記憶力方面結(jié)果與之類似，主要傾向于高強度運動對記憶力方面無影響。通過急性運動后的記憶力測試，研究者并未發(fā)現(xiàn)具有說服力的結(jié)果，課件記憶力方面并不是急性運動影響認知功能的敏感指標。正如上文闡述的不同形式運動對不同類型的記憶有不同的影響，因此研究者在評價該指標時，重點需要考慮測試得到記憶類型。個體在不同訓(xùn)練環(huán)境進行高強度運動后測試注意力與記憶力的結(jié)果卻令人驚訝評估未知環(huán)境中是否具有恰當?shù)臎Q策能力很大程度上依賴于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的執(zhí)行功能，因此，想要建立改善決策能力的合理策略，需要進一步關(guān)注高負荷體力活動對認知表現(xiàn)功能的影響。

有趣的是，執(zhí)行功能對運動的敏感性較其他認知領(lǐng)域的影響更為顯著。體能訓(xùn)練與健身可極大影響老年人相關(guān)執(zhí)行功能的弱化，表明執(zhí)行功能是急性運動中認知功能變化的一個顯著指標。既往研究表明在高強度運動期間，復(fù)雜任務(wù)較簡單任務(wù)更易受運動影響[38,39]。這些觀點極大程度是基于瞬時腦血流量理論，該理論假設(shè)高強度運動導(dǎo)致生理狀態(tài)變化，暫時破壞大腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)從而引起大腦資源再分配[40]?；谶@一理論，用于運動的神經(jīng)資源等同于認知處理所必要的資源，但維持高強度運動需要消耗大量神經(jīng)資源，并且會要求持續(xù)激活運動與感覺區(qū)域，所以基本代謝資源(如氧氣、葡萄糖等)在大腦其他區(qū)域供給就會減少[41,42]。神經(jīng)資源再分配導(dǎo)致大腦在短時內(nèi)抑制與運動表現(xiàn)相關(guān)的非必要腦區(qū)，例如大腦前額皮質(zhì)層和其他參與調(diào)控高級認知功能的區(qū)域，最終結(jié)果導(dǎo)致認知能力表現(xiàn)降低，損害執(zhí)行功能，記憶力和注意力等實際方面的功能。

過去的研究與最近Schapschroer等人的研究結(jié)果出現(xiàn)分歧，Schapschroer等人認為高強度運動對一般性運動或者專項性運動會產(chǎn)生積極的影響。但是該研究只調(diào)查了高強度運動對一般認知表現(xiàn)的影響，而本文中所研究的文章均已涵蓋這一研究。兩篇綜述之間的差異可能是源于研究方法的區(qū)別，得出的一般結(jié)論包括一般性運動與專項性運動的認知測試，并且研究對象是該專項性運動中的高水平運動員。高水平運動員在各方面均優(yōu)于常人，尤其是心血管系統(tǒng)和骨骼肌系統(tǒng)，由于長期進行專業(yè)訓(xùn)練[43-45]，所以在運動方面占據(jù)優(yōu)勢，“專業(yè)表現(xiàn)方式”證明了運動員在進行專項運動后認知功能測試任務(wù)表現(xiàn)相對較好。因此存在一定局限性，需要更嚴謹?shù)目紤]各因數(shù)之間的相互關(guān)系[46]。

未來的研究需要重點注意高強度運動中采用的運動形式，在實際生活中存在許多不同形式的高強度運動。Lambourne等人[32]評估了自行車與跑步機運動對認知功能表現(xiàn)的差異。自行車運動可產(chǎn)生相對更積極的影響，而跑臺運動則產(chǎn)生消極影響。主要原因可能是跑步運動需要調(diào)動更多肌群，產(chǎn)生更多能量代謝，感覺傳入中樞神經(jīng)影響大腦皮質(zhì)層激活并極大程度的降低信息傳遞，進而降低認知功能處理的效率。這同樣也表明實驗設(shè)計也需要更為合理，同時對于專業(yè)人群不能涉及其他專業(yè)的運動類型，在實驗設(shè)計環(huán)節(jié)需要考慮應(yīng)用目標人群適應(yīng)或者需要的運動模式。

過去的這些研究中，高強度運動平均持續(xù)時間為5.6min。高強度運動并不能長時間維持，但許多運動需要在長時間高強度中間歇性爆發(fā)。經(jīng)顱磁刺激研究表明約6min的短時高強度運動主要導(dǎo)致外周疲勞，而超過30min的長時高強度運動則導(dǎo)致更多的中樞疲勞[46]。長時高強度運動引起的中樞疲勞對認知功能造成長期影響，可作為下一步研究方向。

4 結(jié)論

在此之前，未有關(guān)于高強度運動對認知功能影響的明確共識。這可能是由于評估高強度運動期間及之后的認知表現(xiàn)的工具存在局限性。但體育或者軍事背景又恰恰需要高訓(xùn)練水平人員在高強度運動下保持認知功能表現(xiàn)，避免因為認知水平下降導(dǎo)致任務(wù)失敗，因此，高強度運動對認知的影響研究是重要的，尤其對于復(fù)雜認知功能需要深入細致的研究。當前結(jié)果表明，高強度運動后，身體素質(zhì)較高個體的簡單認知功能并未受明顯影響，但復(fù)雜認知受到何種影響尚不明確。由于多種因素影響急性運動與認知功能之間的關(guān)系，需要明確定義運動強度、受試人員的身體機能水平與以及認知相關(guān)研究方面。