不同时间的功率自行车运动对运动者认知功能的影响

　　前言

　　大量相关研究表明适当身体锻炼能够增强人体健康.经常进行身体锻炼能减少当前社会最常见流行病( 如癌症、心脏病、糖尿病、抑郁等与运动过少的生活方式关系密切的疾病)的发病率和死亡率.除了身体锻炼对健康的好处,身体锻炼对认知也有影响.尽管发达国家已经有相关报道[1、2],但目前国内还没有身体锻炼时间对认知功能影响的文章.因此笔者采用事件相关电位( Events Related Potentials,EPRs) 技术,对 25名在校大学生进行身体锻炼前后的认知功能进行测试,对比分析不同时间的功率自行车运动对认知功能的影响,为身体锻炼和认知情况提供定量的指标,探讨认知能力变化的机制.

　　1 对象与方法

　　1. 1 研究对象

　　经伦理委员会批准后,在郑州轻工业学院在校本科大学生中招募研究被试,签署知情同意书后完成实验并给与被试一定酬劳.被试纳入标准: ( l) 所有被试均视力正常或矫正后视力正常; ( 2) 右利手; ( 3) 身体健康,无不能正常进行体育锻炼的疾病及其他重大疾病; ( 4) 无颅脑损伤病史; ( 5) 无精神疾病史;( 6) 排除近期服用药物者; ( 7) 排除实验前 24 小时内饮酒者.

　　ERPs 测试过程中,2 人 EEG 波形漂移较大予以剔除,另有 1 名被试不能配合实验,予以剔除,故最终获得 22 名被试者的ERPs 数据进行统计分析.被试平均年龄( 20. 35 ± 1. 33) 岁,性别构成男性12 人,女性 10 人.所有被试在充足睡眠、精神状态良好的情况下进行测试.

　　1. 2 研究方法

　　1. 2. 1 实验流程

　　被试首次进入实验室先让被试熟悉实验室环境,了解实验内容和可能出现的不适,签署知情同意书.先向被试讲解实验整个过程,然后解释 EPRs 测试原理、过程和注意事项.先采集运动前脑电数据,再采用瑞典产 Monark Ergomedic 功率自行车,使用 Astrand 方案间接测定被试的最大摄氧量.然后进行三次运动,分别是15min、30min 和60min,每次安排在不同天的同一时间( 三次运动的间隔时间 M =15. 8 ±1. 6d) .运动时给被试佩戴 Polar 胸带在有氧功率自行车上开始蹬车 15min、30min 和 60min,强度为最大摄氧量的 75% ,运动后进行 EPRs测试采集脑电数据.

　　1. 2. 2 实验范式

　　实验任务选择 oddball 范式.实验共包括 400 个试次,每100 个试次为一组,每组实验完成后,被试可自主选择充分休息时间,然后开始下一组实验.实验中以正三角形和反三角形构成视觉任务刺激,三角形边框为黑色,背景为银灰色以减小色差.为平衡图形形状对脑电结果的影响,将4 组刺激分为两个部分,在指导语中告知被试在前2 组实验以正三角形为靶刺激,反三角形为非靶刺激; 后 2 组则反之.要求被试看到靶刺激后需尽快尽准确的按鼠标左键做出反应,非靶刺激则不作反应.实验任务中靶刺激概率为 20%,非靶刺激概率 80%.实验前要求被试进行充分练习,当被试熟悉实验操作后进行正式实验.实验中请被试选择舒适的坐姿坐定后,注视计算机屏幕,双眼距离屏幕80cm,视角约为 4°.由 E - prime2. 0 系统控制刺激呈现,呈现时间为 100ms,刺激间隔在 1000 -1400ms 间随机,完成全部四组刺激约需10 分钟.

　　1. 2. 3 数据记录

　　采用 NuAmps37 导脑电采集系统( Neuroscan Inc) 记录脑电,被试佩戴 32 导 Ag/AgCl 电极帽( Quick - Cap NeuroscanInc. ) .电极分布采用 10 - 20 扩展电极系统记录 30 个头皮电极( FP1,FP2,F7,F3,FZ,F4,F8,FT7,FC3,FCZ,FC4,FT8,T3,C3,CZ,C4,T4,TP7,CP3,CPZ,CP4,TP8,T5,P3,PZ,P4,T6,O1,OZ,O2) .以右侧乳突作参考电极,采集脑电后转换为双侧乳突参考,接地电极置于前额中线处,记录水平眼电( HorizontalElectro - oculogram,HEOG) 和垂直眼电( Vertical Electro - ocu-logram,VEOG) .注入导电膏使头皮阻抗小于 5kΩ,记录带通DC - 200Hz,采样率 1000Hz.Scan 系统同步记录连续 EEG,E- prime 系统记录行为学数据.

　　1. 2. 4 脑电数据离线处理

　　用 Scan4.5 软件对脑电数据进行离线分析.融合行为学数据后,相关法去除眼电.将连续的 EEG 数据分段,分析时程为: 刺激前200ms 至刺激后 800ms.刺激前 200ms 平均电压用于基线校正.基线校正后波幅超过 ±80μv 者在叠加前被自动剔除.30Hz( 24dB/oct) 低通无相移数字滤波后对反应正确的EEG 进行分类叠加,得到靶刺激产生 ERPs 数据.

　　1. 2. 5 成分确定

　　依据参考文献,以刺激出现后 300 ~700ms 时间窗内最大正向波峰值及其出现时间为 P300 幅值和峰潜伏期.

　　1. 2. 6 统计分析

　　所有资料均采用 SPSS17. 0 统计分析软件进行统计处理.

　　结果用 X ±SD 表示,检验水准 a =0. 05,以 P <0. 05 判断差异有统计学意义.

　　2 结果

　　被试在运动前后的反应时、命中率差异显着,运动后30 分钟的反应时长于运动前; 运动后60 分钟正确率显着降低,结果见表1.

　　3 讨论

　　事件相关电位( Event - Related Potentials,ERPs) 是指与一定心理活动( 即事件) 相关联的脑电位变化.经过多年研究,科学家们发现了与注意、感知、记忆、判断、决策等认知过程相关联的 ERPs 成分.而且 ERPs 具有毫秒级的时间分辨率、所需设备简单等显着优点,所以 ERPs 越来越受到科研人员的关注.自1965 年 Sutton 发现 P300 以来,P300 的研究一直都是ERPs 研究的重要内容,被广泛认为是反映认知功能的指标,其理论机制的解释中被广泛接受的是 1981 年 Donchin 提出的背景更新理论,该理论认为 P300 的波幅反映了认知背景的修正,背景修正的越大,P300 波幅越大,P300 的潜伏期和波幅反映了脑对刺激的评价和决策过程,也就是认知过程.内源性成分中的 P300 因其能较准确的反应记忆、决策、注意等认知过程,被国内外学者定为研究认知功能最有价值的电生理指标.同时有研究表明 P300 不是单一针对感知方式或某一脑区,而是能同时反映很多脑区的功能,是一个能全面反映认知功能的综合性指标.目前P300 经常用于反映认知能力[3].本研究期望通过应用 ERPs 这一具有高时间分辨率的无创性脑成像技术,探索身体锻炼的适合强度与持续时间.

　　运动锻炼后被试反应时延长,P300 潜伏期延长,波幅变大.潜伏期代表从被试受到刺激到作出反应的时间,是被试对不同刺激辨别分类的时间,波幅反映被试接受刺激后对刺激处理和加工过程中激活的神经元电活动强度,也就是被试的认知动员的加工资源.研究发现任务难度,注意力资源分配等均可影响 P300 潜伏期[4].P300 潜伏期的延长说明由于工作负荷过量导致感知觉信息处理速度减慢,P300 幅值和潜伏期是评估负荷的有限参数.运动15 分钟前后认知能力无明显统计学差异,说明15 分钟运动不会引起幅度变化,对人的认知能力没有影响.本研究发现,以 75% Vmax 强度锻炼 30min 可引起P300 潜伏期延长,这与 Charls H[5]的研究结果一致.这可能是因为适当运动可以使脑血供增加,神经元处理刺激进程加快,注意力集中,潜伏期延长.在本文中,30 分钟和 60 分钟P300 幅度的增加可以认为是运动导致认知能力即注意力分配的提高,这与近几年[6,7]的研究结果一致.有研究[7]运动中认知能力的改变可能和血儿茶酚胺浓度的增加有关,但神经递质和认知能力变化的机制还不清楚.运动 60min 后反应明显高于运动前,说明机体开始出现疲劳现象.

　　结论: 本研究探讨了不同运动强度和持续时间的体育锻炼对被试认知功能的影响,以 75% Vmax 强度进行 30min 以上的的运动才可以增强认知功能,促进注意集中,对于认知功能有明显的促进功能.但本研究也存在不足,如本研究主要研究了15min、30min 的中等强度运动对认知功能的影响,而没有进一步探讨持续多长时间会引起认知功能的下降,即运动锻炼的上限时间,另外本研究主要探讨了中等强度锻炼的影响,对高强度和低强度锻炼暂未涉及,也没有观察老年人运动选择等,这都是以后课题研究需要解决的问题.

　　参考文献:

　　[1] J. Brisswalter,M. Collardeau,R. Arcelin,Effects of acute physica-lexercise characteristics on cognitive performance[J]. Sports Med.2002,32: 555 – 566.

　　[2] P. D. Tomporowski,Effects of acute bouts of exercise on cognition[J]. Acta Psychol. 2003,112 :297 –324.

　　[3] J. Polich,A. Kok,Cognitive and biological determinants of P300: anintegrative review,Biol[J]. Psychol. 1995,41 : 103 – 146.

　　[4] Fowler B. P300 as a measure of workload during a simulated aircraftlanding task[J]. Human factors. 1994,36: 670.

　　[5] C. Cian,P. A. Barraud,B. Melin,C. Raphel,Effects of fluid in-gestion on cognitive function after heat stress or exercise - induceddehydration[J]. Int. J. Psychophysiol. 2001,42 : 243 – 251.

　　[6] C. H. Hilman,E. M. Snook,G. J. Jerome,Acute cardiovascular ex-erciseand executive control function[J]. Int. J. Psychophysiol.2003,48 : 307 – 314.

　　[7] J. Chmura,H. Krysztofiak,A. W. Ziemba,K. Nazar,H. Kaciuba- Uscilko,Psychomotor performance during prolonged exercise aboveand below the blood lactate threshold,Eur[J]. J. Appl. Physiol.1998,77: 77 – 80.