體育鍛煉對青少年執行功能影響的研究進展

摘要：執行功能是認知功能的重要組成部分，對青少年身心發展至關重要。體育鍛煉是促進青少年執行功能發展的天然手段，對執行功能提升存在多方面效益。基于此，本研究從青少年執行功能發展特點出發，首先闡明了其發展特點，隨后分別從體育鍛煉對青少年執行功能的三個子功能（抑制控制、工作記憶、認知靈活性）的影響展開論述，系統分析了體育鍛煉在不同運動強度、運動類型下的具體影響，及其影響的神經生理學機制。以期為該領域的后續研究提供參考信息，為青少年認知和心理發展提供理論上的參考，為更好促進青少年執行功能發展提供實踐上的指導。

關鍵詞：體育鍛煉；青少年；執行功能；認知發展；生理機制

Research Progress on the Impact of Physical Exercise on Executive Function in Adolescents

Abstract： Executive function is an essential component of cognitive function and crucial for the psychosocial development of adolescents. Physical exercise serves as a natural means to promote the development of executive functions in adolescents， offering various benefits for their enhancement. In this study， starting from the developmental characteristics of executive functions in adolescents， we first elucidate these characteristics. Subsequently， we discuss the impact of physical exercise on three sub-functions of executive functions in adolescents （inhibition control， working memory， and cognitive flexibility）， systematically analyzing the specific effects of physical exercise under different intensities and types of sports， as well as the neurophysiological mechanisms involved. This study aims to provide reference information for subsequent research in this field， theoretical insights for the cognitive and psychological development of adolescents， and practical guidance for better promoting the development of executive functions in adolescents.

KeyWords： Physical exercise; Adolescents; Executive function; Cognitive development; Physiological mechanisms

青少年時期認知功能得到進一步發展，其增長的效益對未來思維、情感和行為的塑造至關重要[1]。因此，青少年的認知功能提升成為學術界備受關注的話題。其中作為高階認知的“執行功能”更是被譽為“管弦樂隊的指揮”，其本質是通過自下而上的心理調控過程，使個體靈活且高效的實現任務目標。不同運動時間、運動強度、運動方式、以及不同的運動組合模式均會對執行功能的提升產生不同效益[2]。相關研究的探討由短時運動逐漸過渡至長時間運動，不同運動形式的干預研究也逐漸豐富。盡管研究者在探討運動對執行功能的提升方面取得了一定進展，但相關研究及理論缺乏必要的整合，以形成系統且全面的解釋。基于此，系統探討體育鍛煉對青少年執行功能的具體影響。闡述體育鍛煉對執行功能的影響及其潛在影響機制。以期為促進青少年執行功能提升提供理論和實踐上的參考。

1青少年執行功能發展特點

1.1青少年執行功能發展的年齡階段特點

青少年時期是大腦發育的重要階段，伴隨年齡的增長，大腦各腦區及結構得到進一步的發展，認知能力進而提高。此時期獲得的認知效益關乎其未來的發展趨勢。而執行功能作為認知功能的重要組成部分，在青春期得到長足發展。較高的執行功能使得個體能夠更好的控制自身情緒和感知他人情緒，并保持積極的心理狀態。

青少年時期標志著生理和心理領域的顯著變革。在青春期的起始階段，身體快速生長并伴隨著性征的發育，在這一時期，注意力和工作記憶能力呈現增強趨勢，然而，決策和自我控制能力相對較為薄弱。與此同時，青少年經歷個性形成、自我認知及社交關系調整等多重心理挑戰。尤其值得注意的是，個體對自我認知的需求和自身所承擔的認知負荷在這一階段也顯著上升，腦結構的發育，尤其是前額葉皮質的逐漸發展，對于青少年時期的行為和認知功能發展至關重要。

隨著年齡的增加以及大腦的逐步發育，青少年逐漸展現出獨立思考、決策和解決問題的能力。盡管仍需成人的引導和支持，但其自我控制和抗壓能力得到提升；雖然仍存在沖動和冒險行為，但其在認知行為方面的表現逐漸趨于成熟。到青春期末期，青少年的執行功能基本趨于穩定，表現出獨立的思考、決策和問題解決能力。注意力和工作記憶能力達到巔峰水平，然而，仍需通過持續的訓練來鞏固這一水平。相關研究證實，當個體的情緒和心理狀態得到發展時，執行功能呈現出顯著的提升。這一時序變化體現了青少年執行功能發展的年齡特征。

1.2青少年執行功能發展的性別差異特點

青少年時期，執行功能的發展除在年齡上表現出差異外，男女由于生長發育的速度、身體結構等方面的不同，執行功能的發展速度及特點也有所不同，表現出一定的性別差異。此差異緊密關聯于生理和認知成長。青春期初期，女性往往先于男性進入生理成熟階段，這導致了大腦結構、智力水平以及神經機制的發展上不同于男性，從而在認知功能上呈現性別特異性。

執行功能作為高級認知活動，在性別層面亦呈現出分異。在相同年齡段內，青少年男女在情緒控制和思維靈活性方面存在顯著差異。初期青春期階段，女性表現出更高的認知靈活性，相較于男性在自我控制和情緒調控方面表現更為優越。

而男性在抑制控制和工作記憶等方面的表現則相較于同時期的女性更為優越。

在發展速度上，相關研究證實，青少年女性在認知方面的發展速度通常較快。這意味著她們在認知控制、計劃和決策等方面呈現出更為成熟的特質。相對應地，男性青少年在空間認知和運動控制上可能呈現出顯著優勢，這或與其大腦結構的發展及神經系統特性有關。此外，女性青少年在語言和情緒控制方面可能表現更為卓越，這或許與其大腦發育及社會化經驗的影響相關。然而，值得強調的是，這些性別差異并非普遍適用，個體差異在運動認知發展中同樣扮演著重要角色。因此，性別差異僅代表一種普遍趨勢，而并非每個個體均適用。

2體育鍛煉對青少年執行功能的影響

2.1體育鍛煉對抑制控制的影響

抑制控制能力是指個體能夠通過抑制無關的行為或情緒反應，以實現目標導向的行為或情緒調節的能力。簡而言之，抑制控制能夠在個體處理沖突以及及時有效地抑制與主任務無關的信息時發揮重要作用。在處理沖突方面，這種沖突可能涉及刺激呈現或行為反應時的沖突，即刺激水平和反應水平的沖突。

抑制控制作為個體實現目標導向行為或情緒調節的重要能力，在個體發展的各個方面發揮重要作用，抑制控制能力的提升也間接的影響工作記憶和認知靈活性的發展。體育鍛煉對于抑制控制的提升具有顯著促進效果，其促進作用受多種因素的影響，包括運動形式、持續時間、強度和類型等。運動強度和運動類型的不同對抑制控制的發展影響較為顯著，因此從這兩個維度展開探討。

從運動強度來看，不同運動強度的體育鍛煉對抑制控制產生不同效益。在短時間內進行中等強度的運動能夠顯著促進抑制控制功能，相關研究也證實了這一結論。而在長時間的運動中，中等強度的體育鍛煉對提升抑制控制效果最佳，并且隨著運動時間的累積，其效果越來越顯著。相反，研究表明[3]，單次高強度間歇運動對抑制控制并未產生積極效果，而連續多次且持續一定時間的高強度間歇運動對抑制控制產生積極效果，這主要與青少年時期主導抑制控制的前額葉皮質的發展有關。由此發現當運動強度為中等強度時，運動時間的長短均會對抑制控制影響。因此，多項研究也證實，中等強度的運動是對抑制控制提升的最佳強度。

從運動形式來看，不同類型的運動也對抑制控制產生不同效益。開放式運動技能相較于閉鎖式運動技能更有利于抑制控制的提升，因為開放式運動技能開展是，所遇環境刺激更豐富，個體在此過程中不斷進行復雜的認知處理活動，其變化且不可預測的特性被認為是促進腦認知發展的理想場所。從氧運輸的角度來看，有氧運動也被認為是促進抑制控制的有效方式，這與氧運輸效率有關。認知活動發生的腦區，氧氣充足的環境下，其儲存和處理信息的速度更快。不同類型的運動對抑制控制的改善效果依次為：抗阻運動、有氧運動、靈敏性運動。

2.2體育鍛煉對工作記憶的影響

工作記憶作為復雜認知活動的核心系統，在高級認知任務中扮演著至關重要的角色。其主要構成包括記憶容量和工作記憶的執行效率，因此從這兩方面入手有助于更加準確的了解體育鍛煉對工作記憶的影響。

記憶容量指個體在短時間內同時處理和存儲信息的認知能力。較好的記憶容量使得個體在完成認知任務時可以有效、快速和完整的儲存和處理信息，為后續個體需要完成復雜的認知任務時奠定基礎。相關研究指出，適度的有氧運動，例如跑步、游泳或騎自行車等，對工作記憶容量具有積極影響。特別是在中等強度的有氧運動中，大腦認知功能得到改善，其中包括工作記憶，這一效應的機制可能涉及到體育鍛煉促進大腦區域（例如前額葉皮層和海馬體）神經元的生長和連接[4]。使個腦區之間的聯系更加緊密，信息傳遞和處理的速度更加高效。此外，相較于閉鎖式運動技能的固定套路和結構化步驟，開放式運動技能由于此時刻變化的特點，使得來自于外界的信息輸入和更新較快，有助于個體鍛煉良好的信息接受能力，從而提高記憶容量。

工作記憶的執行效率衡量了大腦處理和操作短期信息的速度和準確性。高效的工作記憶執行意味著大腦能夠迅速提取和檢索信息，并在保持信息準確性的同時進行操作[5]。體育鍛煉通過提高個體的注意力和專注力，尤其是通過靜態體育鍛煉，如瑜伽和冥想，有助于提升個體的注意力水平和情緒調節能力，從而對工作記憶的執行效率產生積極影響。

2.3體育鍛煉對認知靈活性的影響

認知靈活性指面對新穎、復雜或多變任務時個體的適應性表現，其本質上即是個體面臨不斷變化的情景時，靈活的調整心理過程做出高效流暢反應的過程。在認知神經科學領域，認知靈活性被視為大腦靈活應對復雜環境的能力。青少年時期的認知靈活性發展較晚，往往在抑制控制和工作記憶的基礎上構建。因此，體育鍛煉對認知靈活性的影響進行深入探究，具有重要意義。

從運動強度來看，研究表明[6]，不同運動強度對認知靈活性的影響存在顯著差異。低強度體育運動對青少年認知靈活性的影響較為有限，主要原因在于低強度運動中的認知活動簡單。而中、高強度運動則顯示出明顯的促進效果。值得特別關注的是，中等強度運動在運動周期大于等于8周時，對青少年認知靈活性的促進效果較佳。高強度間歇運動（HIIT）也被證實為對認知靈活性產生積極影響的有效方式，其通過短時高強度運動和休息交替的模式，聯動提升心肺功能、代謝能力神經可塑性和認知功能的提高。此外，體育鍛煉類型的差異同樣會影響認知靈活性的效果。以有氧運動為例，如：跑步、游泳和跳繩，通過提升大腦氧氣供應，提升相關腦區的腦區活動度，進而促進認知靈活性的提高。同時，涉及靈敏和協調素質的活動，如球類運動，以及開放式技能動作的復雜性，如健美操和武術套路，均呈現出對認知靈活性積極促進的效應。這些活動能有效提高大腦皮層興奮與抑制轉換的精確性，從而為認知靈活性的進步提供支持。

因此，有氧運動則主要是通過改善氧氣供應間接提升認知靈活性，而靜態體育鍛煉，例如瑜伽和冥想，通過提高注意力水平、情緒調節能力和壓力緩解，間接促進認知靈活性的進步。綜合進行有氧運動和靜態體育鍛煉可更全面地促進認知靈活性，這為個體在需要提高認知靈活性的場景中提供更多選擇和參考。認知靈活性的提高同時也收到抑制控制和工作記憶的影響，由于認知靈活性的發展相較于抑制控制和工作記憶滯后，因而當抑制控制和工作記憶發展到一定階段時會帶動認知靈活性的發展。而認知靈活性的提高使得個體處理問題和思維能力的提升，進行認知活動時同樣會影響抑制控制和工作記憶的能力的發揮。三者之間的這種相互促進及帶動作用，促使執行功能的不斷提高與成熟。

3體育鍛煉促進執行功能的神經生理學機制

體育鍛煉促進執行功能的神經生理學機制涉及多個方面，了解促進執行功能的神經生理學機制，有助于更加深刻的理解其促進效果的內部機制。體育運動通過引發大腦分子、細胞和系統水平的變化，對青少年的執行功能改善起到關鍵作用[7]。關于運動改善認知的神經生理學機制，目前主要有兩種解釋，即“擴展的額頂整合理論”和“神經效率假說”[8]。前者認為較高的認知績效與更廣泛的腦區激活有關，而非僅限于額頂葉聯合區這一局部腦區；后者則支持“聰明的大腦更懶惰”的觀點，即在完成認知任務過程中，個體動用較少的神經資源。

執行功能的神經生理學機制涉及多個生物學結構和過程的相互作用。在鍛煉類型上存在差異，可分為持續性鍛煉和可變性鍛煉兩類，持續性鍛煉以周期性的重復練習為主，而可變性鍛煉則遵循練習的可變性原則。在分子和細胞水平上，規律的持續性鍛煉有助于提高心血管的健康，包括VO2的增加、腦源性神經營養因子（BDNF）濃度的升高和腦血流量的增加。然而，研究也表明，具有開放環境、序列動作屬性的運動更有助于提升BDNF濃度，刺激突觸和血管生成，以維持穩定的毛細血管密度[9]。

在腦系統水平上，需要在特定時間、空間內精確完成各種動作任務的可變性鍛煉能夠調動更多神經回路，并通過神經修剪促進執行功能任務相關腦結構、功能的改善。這包括促進灰質、白質體積的變化，增強前額葉等執行控制依賴性腦區的激活。然而，相關研究也發現，類似的結果同樣在持續性鍛煉中得以體現。

在宏觀水平上，體育鍛煉不僅提升了海馬和小腦等腦結構的體積，還影響了腦區激活水平和腦區間功能連接。需要注意的是，體育鍛煉對認知的促進效應受到多種因素的影響，包括個體差異、時間因素，以及體育鍛煉和認知刺激之間的相互作用等。因此，對于運動促進執行功能的神經生理學機制及其在不同鍛煉類型上的差異性，仍需進一步深入研究。

4結語

體育鍛煉在促進青少年執行功能方面的益處經過廣泛研究已得到證實，本研究通過系統的梳理相關研究證據，分別闡述的不同運動類型及強度下體育鍛煉對青少年執行功能各子功能發展的影響。然而，目前研究仍存在一些待解決的問題。不同類型、強度和時間的體育鍛煉可能對執行功能產生差異性影響，而不同個體之間的差異及其影響機制也需要更深入的研究。未來研究應更深入地探討體育鍛煉對青少年執行功能的影響內部機制，同時深入研究其不同運動方案帶來的具體效益。為設計更精準的干預方案和教育策略提供科學依據。這一領域的深入研究有望為未來的干預措施提供更有效的指導。

參考文獻

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