急性高強度運動對經訓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

規律性運動能提供有效的健康收益，大量證據證明高水平的身體練習能效促進身體代謝機能[1]。同時，當在合適的運動強度、運動次數和運動時間下進行身體活動，還會出現額外收益。研究發現運動收益不僅是對身體健康，還對大腦功能和認知表現存在益處[2]。許多研究發現相比未進行訓練的人群而言，接受合適訓練的人出現更好的認知表現[3,4]，并且高身體素質水平對認知功能的影響更為顯著[5,6]。除此以外，大量神經影像學和神經生理學研究支持了這一結果，認為運動以及有氧功能水平對大腦自主神經功能，腦容量，大腦神經網絡以及神經可塑性的增長與個體感官和控制方面存在緊密的聯系[7-10]。

大量系統的綜述研究了急性運動和認知功能方面的關系，但是盡管研究數量非常多，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]。出現這些不同的結果可能是由于變量調節不一致的原因，而想要得出一致的結果需要在合理控制的變量變化范圍內，運動與認知功能的關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，需要更多更系統的研究來探索運動與認知功能表現方面的關系。

最近有兩個研究認為要想準確發現運動與認知功能之間的關系需要考慮以下幾個方面，主要為運動強度、運動持續時間、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計[14]。目前高強度運動與認知相關干預試驗相對較少，尤其是與中等強度運動對認知影響研究的數量相比。一般而言，中等強度運動對認知功能表現出積極的影響[15]；但是尚不明確高強度運動對認知功能產生何種影響。

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變化、外周代謝與體內神經遞質紊亂[16,17]。主要變化變化包括：內環境穩態破壞[18]、外周疲勞產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致這一結果的重要因素[21]，但一直未能有研究發現兩者之間的具體關系。雖然有大量證據支持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現這一結果[22,23]。經常用來解釋實驗結果多樣性的一個主要問題是實驗設計中未能合理控制受試者體能水平[24]。神經影像學結果為該解釋提供了支撐，神經影像學研究表明更大的代謝負荷要求增加了大腦中關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，導致犧牲其他腦區的活動來激活更多關于運動方面的大腦皮層[25]。這一發現表明身體活動對認知功能的調節是通過身體活動誘導的大腦皮層激活水平決定的。同時如果個體擁有高水體的身體素質，那么他就可以在更高水平上合理分配花費在認知表現上的身體資源。

不同背景下的人員，如體育、軍事院校與緊急救援部門等領域的個體，必須在高強度負荷運動期及之后快速反應并做出重要相關決策[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，那么能夠更高效率的完成相關任務，因此需要提高關于高強度運動認知功能領域影響的理解，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系之間存在的影響因素時，需要更強調研究中對相關影響因素的控制，通過該方式來關注研究內容，將有助于提供更多有關不同運動強度對特定人群認知功能領域影響的細節，本文旨在探索急性高強度運動對高水平訓練人員認知功能表現的影響。

1 研究方法

根據系統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、對比、結果)標準作為相關文獻的篩查標準。主要包括：(1)受試者為受訓練人員，評價標準為美國運動醫學學會指南(American College of Sports Medicine)歸類為“優秀”或“優越”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“一天內的運動表現”，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)實驗設計采用實驗組與對照組設計；(4)因變量至少包括一項成熟的認知測試任務；(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

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

2 結果

2.1 檢索結果分析

經過系統檢索以及非標準因素排除，總結并分析相關研究的受試者、運動干預與認知測試特征方面因素，符合本文“經訓練者”標準的130名(男性89名、女性29名)受試者數據。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的影響

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

認知測試任務執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表明認知功能的影響與時間有關，鑒于運動后與運動期間相對比的測量結果較少，目前尚不能建立關于認知測試時間與認知功能結果之間關系的明確結論。

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)與聯合性瑞文測試(CRT)評估反應時，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任務完成速度提升。采用PRT測試則發現運動對認知功能存在一定的消極影響。共18個測量結果：11個是反應速度結果，7個是反應精度結果。總的說來，觀察多數測量結果表明高強度運動對個體信息反應處理的速度與精度無影響。

2.2.2 復雜認知功能

執行功能方面，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行功能的速度與精度，結果表明高強度運動對執行功能無影響。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(視為精度)，這一研究的結果卻表明高強度運動后執行功能表現出現降低的情況。Smith等人采用a Go/NoGo task測試以測量執行功能中的速度與兩種決策精度(遺漏和決策錯誤)，三個方面結果均表明高強度運動期間，認知功能出現弱化，個體表現能力下降。

記憶力方面，Lo Bue-Estes等人采用了自主神經心理評估指標(ANAM)認知測試系統評估記憶力，ANAM的結果提供測量一段時間內的正確反應的數量得出的反應速率。主要評估運動后記憶力的四個領域(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(視為精度)表現出積極的結果，這些結果表明高強度運動對SDMT的速度與精度均無影響。

3 討論

系統回顧相關已知的文獻綜述，主要是圍繞高強度急性運動對訓練者認知功能表現的影響。多數研究表明，具有較高訓練水平的個人在經過高強度運動后，完成相關簡單認知處理過程任務的速度與精度不受影響。相反，當涉及更復雜的認知功能時，結果會出現分歧。這些結果支持其他強調需要特定認知的整合結論時評估的任務類型的理論，例如運動對認知的影響取決于特定的認知領域[32,33]。

盡管認知功能任務時由大腦前額葉皮層進行控制的，對簡單性質的任務來說，認知功能的評估、信息的處理只需要很少的資源，但面對較復雜任務，大腦前額葉皮層需要大幅度減少其他大腦區域的神經活動[34]。在信息處理的四項研究中，反應時是最常見的指標，含有包括速度與精度的17個主要測量結果。同時在關于運動與認知的研究中，反應時也是常用的測試，例如評估“倒U型假說”的實驗，此外，在簡單任務中，反應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致反應時出現改變，然而，在已知的11個測量結果中，9個結果表明運動強度對反應時速率無影響。

Lambourne和Tomporowski等人[32]對信息處理任務影響的觀察結果存在分歧，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練水平人員存在區別。還有研究者提出心血管健康假說，主要認為高素質訓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節身體機能變化，因而對認知功能表現影響較小。

很大程度上信息處理任務的精度結果均暗示了對認知功能中的信息處理無影響，這一結果令人驚訝，因為在運動條件下，全身性的運動會導致外周和中樞神經疲勞，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，或者認知測試任務的多樣性導致了觀察運動對其精度影響結果的失敗，所以為了避免這種情況的產生，有必要采用簡單與復雜認知功能測試任務共同應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，而不是一味的追求完成速度。Mcmorris等人[20]發現劇烈運動情況下全身性神經運動技能精度的評估會出現較大范圍的變化。運動中，隨著疲勞增加，精度降低，原因傾向于神經生理學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是探索降低整體表現的精確大腦區域這同樣也是未來研究的重要任務。

復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、多任務處理、認知靈活性與抽象思維等[36]。這些功能主要依靠皮質層最高水平的前額葉皮層的激活[37]。與簡單認知任務的評估相比，高強度運動對復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，所以結論尚不明確。記憶力方面結果與之類似，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，研究者并未發現具有說服力的結果，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。個體在不同訓練環境進行高強度運動后測試注意力與記憶力的結果卻令人驚訝評估未知環境中是否具有恰當的決策能力很大程度上依賴于中樞神經系統的執行功能，因此，想要建立改善決策能力的合理策略，需要進一步關注高負荷體力活動對認知表現功能的影響。

有趣的是，執行功能對運動的敏感性較其他認知領域的影響更為顯著。體能訓練與健身可極大影響老年人相關執行功能的弱化，表明執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，復雜任務較簡單任務更易受運動影響[38,39]。這些觀點極大程度是基于瞬時腦血流量理論，該理論假設高強度運動導致生理狀態變化，暫時破壞大腦內穩態從而引起大腦資源再分配[40]。基于這一理論，用于運動的神經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資源，并且會要求持續激活運動與感覺區域，所以基本代謝資源(如氧氣、葡萄糖等)在大腦其他區域供給就會減少[41,42]。神經資源再分配導致大腦在短時內抑制與運動表現相關的非必要腦區，例如大腦前額皮質層和其他參與調控高級認知功能的區域，最終結果導致認知能力表現降低，損害執行功能，記憶力和注意力等實際方面的功能。

過去的研究與最近Schapschroer等人的研究結果出現分歧，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生積極的影響。但是該研究只調查了高強度運動對一般認知表現的影響，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別，得出的一般結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于常人，尤其是心血管系統和骨骼肌系統，由于長期進行專業訓練[43-45]，所以在運動方面占據優勢，“專業表現方式”證明了運動員在進行專項運動后認知功能測試任務表現相對較好。因此存在一定局限性，需要更嚴謹的考慮各因數之間的相互關系[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的差異。自行車運動可產生相對更積極的影響，而跑臺運動則產生消極影響。主要原因可能是跑步運動需要調動更多肌群，產生更多能量代謝，感覺傳入中樞神經影響大腦皮質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計也需要更為合理，同時對于專業人群不能涉及其他專業的運動類型，在實驗設計環節需要考慮應用目標人群適應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。經顱磁刺激研究表明約6min的短時高強度運動主要導致外周疲勞，而超過30min的長時高強度運動則導致更多的中樞疲勞[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 結論

在此之前，未有關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的工具存在局限性。但體育或者軍事背景又恰恰需要高訓練水平人員在高強度運動下保持認知功能表現，避免因為認知水平下降導致任務失敗，因此，高強度運動對認知的影響研究是重要的，尤其對于復雜認知功能需要深入細致的研究。當前結果表明，高強度運動后，身體素質較高個體的簡單認知功能并未受明顯影響，但復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研究方面。