運動強度和能量消耗對認知表現的影響

楊勇濤 張新偉 冉靜 黃志劍

1 武漢體育學院研究生部（武漢 430079）

2 武漢體育學院健康科學學院（武漢 430079）

關于運動強度對認知功能影響的研究是國外研究者重點關注的一個領域，個體認知功能在不同運動情形下有什么變化對現實的運動訓練有著重要意義。因為在比賽中，尤其是在集體性和對抗性的比賽中，運動員通常需要在短時間內接收和處理大量的信息，并作出正確的決策。此種情形就對運動員的認知表現提出了很高的要求。運動員能否在瞬間對場上形勢作出判斷并盡快采取應對措施，往往成為左右比賽勝負的關鍵。而且在比賽中運動員往往承受著生理和心理上的雙重壓力，一場比賽下來往往會有非常大的能量消耗，那么運動員的認知表現會隨之發生什么變化，就成為國外運動心理學家關注的重點。目前，國內學者和教練員過多關注運動員大強度及大運動量訓練，而很少關注運動員在不同運動強度下尤其是大運動強度時個體認知功能的變化。也就是說，在充分重視運動強度（以及與之相關聯的運動量）對運動員生理生化水平、體能水平以及技戰術水平影響的同時，卻較少有研究考慮大強度運動對運動員在信息加工以及決策制定等方面的影響。

本文對目前這一領域的實證研究和理論發展進行了較為詳盡的回顧與綜述，以幫助研究者和實踐者提高對“運動強度對運動員心理（認知）功能的影響及（可能）機制”這一問題的重視和研究興趣。此類研究也可以幫助我們對影響個體認知功能的機制進行更為深入全面的了解，具有重要的心理學研究價值。

1 理論研究進展

關于運動強度對認知功能的影響，已有很多學者進行了廣泛的研究，但主要結果仍然存在爭論。而在對結果的解釋方面，研究者認為以下幾種理論可以在一定程度上解釋運動強度和認知功能的關系，它們分別為：線索利用理論、倒U型假說和能量—認知模型（cognitive-energetical model）。

1.1 線索利用理論

Easterbrook 于1959年提出了線索利用理論[1]。該理論認為，注意范圍縮小是可利用線索的函數。為了完成操作任務，個體總是在一定的環境線索中收集與任務相關的信息。在低喚醒水平下，個體注意到的相關或無關線索都很少，表現也就較差；而隨著喚醒水平的提升，注意范圍變窄并且會達到一個最佳水平，此時個體僅注意到與任務相關的線索，表現就會好；而如果喚醒水平進一步提升，個體注意到的線索范圍繼續縮小，就會遺失一些有關線索，表現反而會下降。對此，Easterbrook研究認為，中等運動強度提升認知表現，大運動強度降低認知表現。

1.2 耶克斯—道德森定律

1908年，耶克斯—道德森在研究大白鼠完成各種難度任務時的表現的基礎上提出了耶克斯—道德森定律，也叫倒U型假說。在運動領域，該理論是解釋喚醒水平和運動表現之間關系最著名的理論之一。其認為：當運動員處在較低喚醒水平時，運動表現較差；隨著喚醒水平的升高，表現會逐步提升。但當喚醒水平進一步升高時，運動表現反而下降。在運動強度和喚醒水平之間的關系上，有研究者認為運動強度是和喚醒水平相關的，中等運動強度會導致最佳的喚醒水平，進而利于運動表現。運動強度過低或過高都不利于運動員的運動表現[2]。

上述兩種理論在一定程度上是互補的。倒U型假說主要描述了喚醒水平與運動表現之間的關系。而線索利用理論則對這一關系提供了可能的解釋：運動強度對運動表現的這種影響是通過對運動員的信息加工能力的影響而實現的。雖然這兩種來自其它領域的理論對運動強度—認知功能關系問題的探討具有一定的借鑒價值，但研究者們越來越希望發展出一種專門化的，全面的理論模型，為運動強度對個體認知功能影響的有關研究提供更為準確、系統的解釋和指導。Sanders提出的能量—認知模型（cognitive-energetical model）[3]無疑具有相當明顯的優勢，并逐漸成為該領域內最受關注的理論模型之一。

1.3 能量—認知模型

Sanders的能量—認知模型以Sternberg的信息加工理論為基礎，將對認知功能影響的機制分為三個水平（由低到高，由表層到深層）[4]。第一水平包括四個信息加工階段，它們構成了一個具體的連續性模型，四個信息加工階段分別為刺激前加工階段、特征抽取階段、選擇反應階段和運動調節階段；第二水平包括三個能量注意控制機制，包括喚醒、努力和激活，其中喚醒和激活為兩個基礎機制，而努力為更高一級水平的機制，它可以監督和調控喚醒和激活水平。這三個機制分別給相應的信息加工階段提供能量資源。其中喚醒機制通過刺激前階段獲取能量，然后供給特征提取階段，激活機制提供運動調節階段所需能量，當決策任務復雜時努力機制就會為選擇反應階段分配能量資源，以彌補兩個基礎機制的不足。而借助第三水平的評估，努力機制可以監控喚醒、激活水平。

在此模型中，能量的動員影響喚醒、激活和努力水平，而由于喚醒、激活、努力和認知表現有密切的關系，因此能量就有可能通過喚醒、激活、努力機制影響個體認知表現。換句話說，個體認知表現的下降可能與自身可利用的能量資源的缺乏有關，并且能量資源缺乏會影響個體運動中的動機水平，進而影響認知表現。另外，刺激強度、信號質量、刺激—反應一致性和時間不確定性等因素也會影響個體的認知表現，這種影響或許是直接的，也可能是通過影響個體的喚醒或激活水平間接影響個體的認知表現。已有研究證實，如果上述這些因素同時存在，身體活動因素對認知表現的影響相對而言作用更大，這時就可以忽略刺激強度等因素的影響[4]。

不管是線索利用理論、倒U型理論，還是認知—能量模型，都強調了喚醒在信息加工過程中所起的作用。即便如此，雖然由運動誘發的喚醒影響認知表現，但它們之間的關系并不一定符合線索利用理論和倒U型曲線理論[5，6]。而且，喚醒并不是一個單一的概念，它與其它一些概念如動機和注意有著復雜的相互作用[7]。此外，隨著運動強度的增大，能量消耗就越多，此時個體控制運動需要的注意資源就越多，身體活動對信息加工的影響就越大。或許可以說：能量分配或激活會影響到運動過程中個體對刺激信息的注意和加工，從而影響認知表現。

還有一些研究者提出了生理假說來解釋運動強度和認知功能表現兩者之間的關系。比如Chmura等[8]提出的腎上腺素閾值的概念，該假設就認為腎上腺素濃度與認知表現有關，在運動過程中，腎上腺素濃度會逐漸升高，而個體的認知表現也隨著腎上腺素濃度的升高而相應提升。

2 運動強度對認知表現的影響

關于運動強度對認知表現的影響，研究者很早就對它們之間的關系進行了深入廣泛的研究，其中研究主要集中在運動中注意、決策制定、反應時等幾個方面。大部分研究認為，中等運動強度可以促進認知表現的提升。也有少部分研究認為平靜狀態和中等運動強度下個體在認知任務上的表現沒有區別[9]。

對于簡單反應時任務來說，在任何運動強度范圍內，個體的操作任務表現都會下降，即反應時延長，而在復雜決策任務中卻發現在中等或大強度運動情況下認知任務操作表現出現提升的情況[7]。Paas等研究發現，75%、85%VO2max運動強度下個體在決策任務上的表現有提升，研究者認為是個體在完成決策任務時注意的轉移（分配到決策任務上的注意資源的增多）導致了反應時的縮短[10]。Legros等針對專業籃球運動員的研究發現，在95%、125%VO2max情況下，被試在簡單反應時任務上的表現下降，而選擇反應時任務表現提升[11]。MacMorris等研究發現，最大運動負荷[100%MPO（maximal power output）]下被試在簡單反應時任務上的表現下降，而中等運動負荷（70%MPO）對簡單反應時沒有影響，70%MPO運動負荷時運動員的表現要優于安靜和100%MPO時，但并無顯著差異[12]。Brisswalter等針對田徑運動員和普通大學生的研究發現，運動強度對個體的簡單決策任務表現有不同影響。被試在40%和60% Pmax時的反應時表現要優于20%和80% Pmax時的反應時表現。田徑運動員在20% Pmax時的表現下降，相反40% Pmax時的表現提升了[13]。Chimura等針對足球運動員最大運動強度下反應時變化的研究認為，大強度運動之后被試的反應時顯著延長，并且錯誤率下降，但這種效應只是短暫的，運動停止后3～5分鐘后的反應時表現就和安靜狀態下沒有區別[14]。McMorris等針對足球運動員中等運動強度和大運動強度（70%、100%MPO）下的認知表現的研究顯示，運動員在最大能量輸出情況下的任務表現顯著優于安靜和中等能量輸出時的任務表現。而且運動不僅提升簡單任務的表現，如視覺搜索速度，而且還可以提升整體信息加工速度[15]。Yagi等針對中等運動強度下被試視覺和聽覺反應時的研究發現，與安靜狀態和運動后恢復期相比，運動中的視覺和聽覺反應時縮短。而且運動中被試的視覺和聽覺P300潛伏期縮短，波峰下降[16]。Mohr等研究了不同運動強度下（安靜、70%VO2max、100%VO2max）足球運動員的表現，結果顯示，70%運動強度下被試運動表現最好，但和其它兩種情況相比，表現并沒有顯著差異[17]。Arcelin等研究發現，在中等運動強度（60%Pmax）下被試的選擇反應時縮短，任務表現提升[18]。Karen Davranche等針對運動強度對反應時的影響的研究發現，中等運動強度(50%MAP)時被試的選擇反應時表現優于低運動強度（20%MAP）時的選擇反應時表現，反應時間大概快 20ms[4]。

概括起來，運動強度和認知表現之間的關系主要有三種，分別是：有益關系、有害關系、沒有關系。對于中等運動強度來說，絕大部分研究認為中等運動強度對個體的認知表現有促進作用，可能是中等運動強度能夠使喚醒水平達到最佳，導致反應速度加快[2]，或是中等運動強度的運動會增加大腦血流量，改變神經遞質水平，如去甲腎上腺素、血清基、內啡肽、兒茶酚胺分泌增加，而這可能會提高機體的反應速度。也可能是由于中等運動強度使身體中心溫度升高，進而加快神經系統傳輸速度，反應時也隨之縮短。但另外一些研究并沒有發現這種關系[6，19，20]。針對大運動強度對認知過程表現影響的研究較少，通常大家普遍認為大運動強度會導致機體疲勞感的出現，進而不利于認知表現，雖然少部分研究得出大運動強度下個體認知表現仍然處在最高水平上[19]（表 1）。

表1 不同研究中認知任務和運動強度及結果（部分引自Brisswalter，Collardeau & Arcelin，2002）[7]

3 運動中的能量消耗對認知表現的影響

上述研究就不同運動強度和認知表現之間關系進行了探討。通過以上研究我們可以在一定程度上了解能量消耗對認知功能的影響。因為在運動過程中，尤其是在長時間大強度運動過程中必然伴隨有很大的能量消耗，基于這一觀點，有研究者認為能量消耗也可以作為控制運動強度的一個很有潛力的指標[21]。那么運動中的能量消耗對認知表現有何影響呢？

在已有的關于體能對個體認知表現影響的研究中，研究者大都把能量消耗作為一個直接的變量，也就是說研究目的是運動中能量消耗和認知表現之間的關系，而不是更廣意義上的體能。對于運動中的能量消耗會對個體認知表現有什么影響，研究者普遍認為，能量消耗會降低個體的認知表現。但關于能量消耗是直接影響認知表現還是通過某些因素間接影響個體認知表現，研究者并沒有給出明確的解釋。Flynn是較早關注體能對認知功能影響的專家，他認為體能或能量消耗對被試在反應時任務上的認知表現有負面影響[22]。而Bard等則認為，體能或能量消耗對反應時任務的表現沒有任何影響[23]。Tomporowski等針對不同體能被試的研究發現，在極其疲勞（能量大量消耗）狀況下，體能好的被試要比體能差的被試在認知任務上的表現好。這可能是由于那些經過良好訓練的運動員能夠彌補大強度運動后能量消耗所帶來的負面影響。而且運動后通過閃光融合頻率測試，研究者并沒有觀察到中樞神經系統的顯著疲勞，這與那些經過良好訓練的運動員的報告相符。即雖然他們報告說很累，但并未感到精疲力竭[2]。Brisswalter等的研究也支持了這一觀點。他們針對田徑運動員和普通大學生的研究發現，隨著運動強度的提高，田徑運動員的認知表現保持得比較穩定，而普通大學生的表現卻下降。研究者認為，這可能與田徑運動員有較好的體能有關[13]。Delignieres等研究認為，專業運動員在大強度體能消耗情況下的反應時任務表現顯著提升，而業余運動員的反應時任務表現卻下降。這或許與不同等級運動員能量儲備不同有關[24]。Durand等針對體育院校大學生的研究認為，35%、60%、90%VO2max情況下被試的簡單反應時和選擇反應時操作表現沒有差異，但那些集體運動項目中運動水平高的被試在高能量消耗情況下的選擇反應時任務表現反而提升了。而體操、田徑等項目的運動員被試在最大攝氧量提高的情況下，選擇反應時任務的表現沒有變化[25]。Brisswalter等研究了同樣能量輸出情況下，不同騎車頻率時被試的反應時表現[26]。結果發現，能量消耗，如VO2攝入和反應時之間呈線性關系。據此他認為在雙重任務中，能量系統和認知系統之間存在一個最佳的需求區間。Brisswalter等認為雙重任務條件下被試認知表現下降可能是由于體能較差導致的對運動中自身能否完成實驗任務的能力的擔憂，進而導致注意力的轉移，影響其在操作任務上的反應時表現。也可能是由于大強度運動中體能大量消耗導致個體疲勞感過早出現，使個體注意力從當前任務轉移到身體不舒服的感覺上，從而影響了反應時表現[13]。此外，一些研究者認為，如果體能或能量因素是影響個體認知功能的關鍵，那么，與安靜或運動前期相比，我們應該會在運動后期看到體能或能量對認知表現的顯著影響；而如果認知表現更多的是受任務變量如刺激強度、呈現時間等的影響，那么將不會發現個體在運動前期和后期認知表現的差異[3，27]。對此，Davranche等針對專業運動員（集體性或對抗性運動項目）中等次最大強度（90%最大通氣閾）下被試在選擇反應時任務上的表現的研究發現，運動過程中被試選擇反應時加快，但在運動開始階段和結束階段的反應時任務表現沒有區別[28]。

另一方面，長時間的持續運動往往會消耗大量的能量，通常人們認為隨著運動時間的延長，個體的運動表現會逐漸下降，這主要是由于長時間運動造成的能量過度消耗導致中樞神經系統功能受損，進而影響運動表現。如Arcelin發現在長于10分鐘的運動之后被試認知表現有了輕微的提升[29]。最近一項針對經過體能訓練的被試的研究發現，長時間的運動（超過20分鐘）對認知過程也有積極作用，被試在選擇反應時任務上的表現提升[30]。對此研究者認為，長時間運動過程中，代謝負擔增加導致喚醒水平提高，進而提升認知表現。另外，長時間運動中大腦血流速度加快或神經傳遞因子濃度升高，如兒茶酚胺和內啡肽，也可能導致認知表現的提升。有研究發現，在長達1小時的運動中，被試的認知表現提升，而且認知表現的提升與兒茶酚胺濃度水平的提升是一致的[14]。但Etnier等并沒有發現運動持續時間和認知表現之間的關系[31]。

4 結果不一致的原因

雖然研究者對運動強度和認知表現之間的關系進行了深入廣泛的探討，但研究結果并不一致。造成研究結果不一致的原因大致有實驗設計和被試兩個方面。在實驗設計方面，不同的實驗使用的認知任務不同，如字母探測任務、短時程記憶、簡單反應時、選擇反應時等。此外還有視覺搜索、決策執行等。另外，在運動強度的操作定義上，不同研究也不相同，如騎車運動直到力竭；以0%、30%、60%VO2max騎 車 運 動；以20%、40%、60%、80%VO2max騎車運動；以0%、25%、50%、75%騎車運動；以80%VO2max跑步運動50分鐘；以0%、70%、100%MPO騎車運動等。這些實驗設計和操作化定義方面的不一致都可能對結果的不一致造成一定影響。

另外，操作任務的施測時間也會對結果造成一定干擾。如有些研究是在運動后即刻測被試的認知表現[32]，有些研究是在運動中測被試的認知表現[20]。針對這一點，有研究者認為，在運動中測被試的認知表現會更有說服力，因為運動后生理上的變化會迅速恢復到基線水平，比如中樞神經系統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[33]。最后，實驗材料如刺激呈現時間、刺激物的大小、對比度以及被試實驗前及實驗中的身體條件、動機（對實驗任務是否有興趣）都會對結果造成一定的影響。如很多研究者沒有考慮到實驗中被試在體重上的差異，因為通常情況下運動員比普通人有更大的體重和強壯的身體，這種在被試體重上的不匹配或許也會影響實驗結果。如Larry Isaacs等認為，在使用功率自行車作為達到運動強度工具的實驗中，由于騎功率自行車是一項無承重的運動，體重大的被試就會有一定的優勢[34]。

5 總結

中等運動強度能夠促進認知表現的提升，這是大多數研究者公認的結論，這也在一定程度上符合上文提到的線索利用理論和喚醒理論。而關于大運動強度對認知表現的影響，研究者雖然也進行了一定的研究，但并沒有得出相一致的結論，而且由于研究中使用的實驗設計和對概念的操作定義的不同以及被試個體情況的差異，甚至在結果的信服程度上也有待進一步考證。

另外，多數學者研究的是不同運動強度之間的效果差異，針對單一運動強度下個體認知表現變化的研究并不多，而且研究者往往是在運動中某一時間或者運動結束后來考察個體的認知表現，很少有人研究持續運動過程中不同階段個體的認知變化。而且，實驗室環境和真實的訓練比賽環境有著很大的不同，在不同環境中考察個體不同運動強度下的認知表現以及表現提高的持久性也是值得研究的一個內容。

運動過程中必然伴隨著能量的消耗，關于運動過程中體能或能量機制對認知表現的影響，雖然已有研究者對此進行了考察，但結果并不很明晰。實際上，體能或能量機制對認知表現影響的研究尤為重要，因為對這方面研究的結論不僅僅能夠在競技體育運動中得到運用，同樣也適合身體鍛煉領域（比如青少年兒童、老年人等的研究），且更有意義。因為運動員畢竟只是一個相對較小的群體。由于運動員和普通人群在體能以及身體素質方面的顯著差異，使之前針對運動員的研究結果能否推廣到普通人群身上還不得而知。所以，日后研究者應該把研究重點逐漸轉移到身體鍛煉普通人群身上，如青少年，甚至是身體器官功能異常的病人。

總之，研究者對運動強度和能耗對認知表現影響的討論已經持續了很長時間，雖然到目前為止在主要結論上仍存在異議，但通過之前的許多研究還是可以為之后的研究和身體活動或訓練提供借鑒或指導。

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