近期，深圳大學(xué)鄒立業(yè)教授（通訊作者）及其團(tuán)隊(duì)在Advanced Science期刊（IF= 14.3）發(fā)表了題為“Effects of Physical Exercise Breaks on Executive Function in a Simulated Classroom Setting: Uncovering a Window into the Brain” 的文章，研究發(fā)現(xiàn)，在久坐期間進(jìn)行短暫運(yùn)動(dòng)干預(yù)能夠改善執(zhí)行功能，對(duì)提高認(rèn)知表現(xiàn)有積極影響。

摘要

本研究旨在探討在長(zhǎng)時(shí)間久坐期間，進(jìn)行短暫運(yùn)動(dòng)鍛煉干預(yù)對(duì)執(zhí)行功能、大腦皮層血流動(dòng)力學(xué)以及微血管狀態(tài)的影響。研究考察了三種不同的情境：不間斷久坐（uninterrupted sitting, SIT）、15分鐘中等強(qiáng)度騎行鍛煉（moderate-intensity cycling break, MIC）和15分鐘高強(qiáng)度騎行鍛煉（vigorous-intensity cycling break, VIC）。同時(shí)使用近紅外腦功能成像記錄大腦活動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)干預(yù)顯著改善了stroop任務(wù)的行為反應(yīng)（反應(yīng)時(shí)response time, RT; 錯(cuò)誤率error rate，ER和逆效能得分inverse efficiency score, IES），運(yùn)動(dòng)組的行為指標(biāo)較久坐組有明顯的改善。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)后，視網(wǎng)膜動(dòng)脈(Central Retinal Artery Equivalents, CRAE)和靜脈的直徑（Central Retinal Vein Equivalents, CRVE）增加，前額區(qū)域的皮層激活增強(qiáng)，且任務(wù)狀態(tài)和靜息狀態(tài)下的因果密度增加。

注：

逆效能得分IES能夠綜合評(píng)估反應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)確性，IES低表示反應(yīng)時(shí)短，正確率高。

因果密度是評(píng)估皮層網(wǎng)絡(luò)中因果相互作用的強(qiáng)度和分布的綜合指標(biāo)，在本研究中采用格蘭杰因果關(guān)系分析衡量。

研究背景

為了在更具生態(tài)效度的學(xué)校環(huán)境中研究急性體育鍛煉對(duì)認(rèn)知表現(xiàn)的影響，研究人員考察了短暫體育鍛煉（如在久坐期間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù)）對(duì)年輕人（如大學(xué)生）認(rèn)知表現(xiàn)的影響。fNIRS對(duì)于運(yùn)動(dòng)相關(guān)的偽影具有相對(duì)的魯棒性，并且能夠以良好的空間和時(shí)間分辨率監(jiān)測(cè)功能性腦變化，能夠幫助更好地理解短暫體育鍛煉引起的認(rèn)知表現(xiàn)變化背后的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制。

在此背景下，本研究通過雙Stroop任務(wù)測(cè)量、fNIRS皮層血流動(dòng)力學(xué)和視網(wǎng)膜微血管狀態(tài)測(cè)量，研究久坐期間體育鍛煉干預(yù)對(duì)執(zhí)行功能的影響。為了模擬現(xiàn)實(shí)世界的場(chǎng)景，兩段久坐和運(yùn)動(dòng)休息的時(shí)間被設(shè)定為與國(guó)內(nèi)大學(xué)的連續(xù)兩節(jié)課和休息時(shí)長(zhǎng)一致。

研究假設(shè)

高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)循環(huán)將對(duì)行為和神經(jīng)生物學(xué)結(jié)果產(chǎn)生更大的益處。此外，執(zhí)行功能和微血管狀態(tài)的改善可能是由皮質(zhì)血流動(dòng)力學(xué)的改變介導(dǎo)的。

研究方法

本研究采用了單盲隨機(jī)交叉設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了干預(yù)前后比較。被試按偽平衡順序完成以下實(shí)驗(yàn)條件，每?jī)蓚€(gè)條件之間至少有7天的洗脫期（見圖1）：

115分鐘的不間斷久坐（對(duì)照組）；

50分鐘久坐 + 15分鐘中等強(qiáng)度騎行 + 50分鐘久坐（實(shí)驗(yàn)組1：中等強(qiáng)度騎行）；

50分鐘久坐 + 15分鐘高強(qiáng)度騎行 + 50分鐘久坐（實(shí)驗(yàn)組2：高強(qiáng)度騎行）

為了提高生態(tài)效度，模擬大多數(shù)國(guó)內(nèi)大學(xué)的典型課堂（50分鐘）和休息時(shí)長(zhǎng)（15分鐘），在兩個(gè)50分鐘久坐期之間實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行了15分鐘的短暫體育鍛煉。

圖1：實(shí)驗(yàn)流程說明

A、視網(wǎng)膜血管直徑測(cè)量，隨后用fNIRS記錄5分鐘靜息態(tài)大腦活動(dòng)。

B、完成雙任務(wù)Stroop任務(wù)，同時(shí)記錄fNIRS數(shù)據(jù)。

C、SIT組被試在08:35到10:30之間開始115分鐘不間斷久坐。MIC和VIC組被試在第一個(gè)50分鐘后的靜坐時(shí)間后進(jìn)行了15分鐘的騎行。久坐期間，被試可以閱讀書籍或雜志，在筆記本電腦上工作，做作業(yè)或發(fā)送電子郵件，并避免可能導(dǎo)致情緒變化的活動(dòng)（如看情感類電影）。

在體育鍛煉休息期間，MIC和VIC條件下的被試分別在功率車上以中等強(qiáng)度或高強(qiáng)度連續(xù)循環(huán)15分鐘體育鍛煉。

D、重新測(cè)量視網(wǎng)膜血管直徑（10:30-10:35）、記錄靜息態(tài)fNIRS（10:35-10:40）、雙任務(wù)Stroop任務(wù)態(tài)fNIRS（10:40-11:05）。

認(rèn)知范式——改進(jìn)的雙任務(wù)Stroop任務(wù)

使用Ward等人開發(fā)的改進(jìn)雙Stroop任務(wù)（見圖1）。雙Stroop任務(wù)由三個(gè)block組成：(1)基線Stroop 任務(wù)block，(2)顏色雙Stroop任務(wù)block，以及(3)詞匯雙Stroop任務(wù)block。后兩個(gè)block的順序是平衡的。每個(gè)block包括一個(gè)練習(xí)序列和三個(gè)測(cè)試序列，每個(gè)序列有12個(gè)試次。每個(gè)block有25%的不一致刺激，25%的中性刺激和50%的一致刺激。在每次試驗(yàn)中，注視點(diǎn)持續(xù)8000 ms。刺激呈現(xiàn)時(shí)間為3000毫秒，間隔為500毫秒。每個(gè)block持續(xù)約504 s。

在基線Stroop條件下，要求被試盡可能快速判斷字體顏色，同時(shí)記錄看到“藍(lán)色”這個(gè)詞的次數(shù)。

近紅外數(shù)據(jù)采集

fNIRS數(shù)據(jù)由NIRSport2設(shè)備（NIRx Medical Technologies， LLC，瀚翔腦科學(xué)代理）記錄（圖2）。在本研究中使用16個(gè)LED光源和16個(gè)探測(cè)器，覆蓋9個(gè)感興趣區(qū)域（ROI），即內(nèi)側(cè)額葉，左側(cè)額上回，左側(cè)額中回，左側(cè)中央前回，左側(cè)頂葉，右側(cè)額上回，右側(cè)額中回，右側(cè)中央前回，右側(cè)頂葉。

圖2：近紅外采集與通道布局

研究結(jié)果

行為認(rèn)知結(jié)果的線性混合模型

LMM分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組別、不同Stroop條件和評(píng)估時(shí)間對(duì)行為結(jié)果有顯著的主要影響（圖3）。與假設(shè)一致，從干預(yù)前到干預(yù)后，中等強(qiáng)度騎行（MIC）組比久坐（SIT）組更能降低RT、ER和IES。

圖3：不同實(shí)驗(yàn)條件、運(yùn)動(dòng)干預(yù)前后、不同stroop任務(wù)行為結(jié)果（RT、ER、IES）圖

視網(wǎng)膜血管直徑的線性混合模型

與SIT相比，MIC和高強(qiáng)度騎行組（VIC）CRAE和CRVE均顯著增加，與MIC組相比，VIC組在干預(yù)前后CRVE顯著增加。

靜息狀態(tài)下的因果密度和Granger因果分析的線性混合模型

實(shí)驗(yàn)組別、評(píng)估時(shí)間以及它們的交互作用的顯著效應(yīng)。與SIT組相比，MIC組和VIC組均從干預(yù)前到干預(yù)后的因果密度顯著增加。

基于任務(wù)的因果密度及Granger因果分析的線性混合模型

實(shí)驗(yàn)組別與評(píng)估時(shí)間之間的顯著交互作用、實(shí)驗(yàn)組別與Stroop條件之間的顯著交互作用，以及評(píng)估時(shí)間與Stroop條件之間的顯著交互作用。與SIT組相比，MIC組和VIC組從干預(yù)前到干預(yù)后的任務(wù)因果密度均有所增強(qiáng)。干預(yù)前后，VIC組比MIC組因果密度顯著提高。

與SIT相比，MIC在干預(yù)前后顯著誘導(dǎo)了從ROI 1到ROI 3和從ROI 4到ROI 7的連接組；VIC在干預(yù)前后顯著誘導(dǎo)了從ROI 1到ROI 3、從ROI 2到ROI 9、從ROI 4到ROI 1以及從ROI 4到ROI 7的連接組（見圖4）。

圖4. 格蘭杰因果分析：任務(wù)相關(guān)的HBO因果密度；不同ROI的定向連接

中介效應(yīng)

研究建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中介模型，旨在探討AVR對(duì)反應(yīng)時(shí)間（RT）的影響是否通過基于任務(wù)的氧合血紅蛋白（oxyhemoglobin, HbO）因果密度起作用（見圖5）。結(jié)果顯示，在控制了任務(wù)相關(guān)的HbO因果密度的影響后，AVR對(duì)RT的直接效應(yīng)仍然顯著。通過計(jì)算間接效應(yīng)，任務(wù)相關(guān)的HbO因果密度在AVR與RT之間起到了中介作用，中介效應(yīng)顯著。

圖5.中介模型

總結(jié)

研究結(jié)果表明，在久坐期間進(jìn)行短暫體育鍛煉可以立即改善執(zhí)行功能，伴隨著視網(wǎng)膜血管直徑的變化，皮質(zhì)激活和有效連接，所有這些都表明微血管和大腦功能得到改善。未來的研究應(yīng)旨在闡明短暫體育鍛煉中斷與認(rèn)知表現(xiàn)之間潛在的劑量反應(yīng)關(guān)系，包括但不限于最佳持續(xù)時(shí)間和類型（如騎自行車、散步、跑步），以全面評(píng)估急性體育鍛煉干預(yù)在增強(qiáng)認(rèn)知表現(xiàn)和大腦健康方面的多功能性和有效性。