近期，深圳大學鄒立業(yè)教授（通訊作者）及其團隊在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)，在久坐期間進行短暫運動干預能夠改善執(zhí)行功能，對提高認知表現(xiàn)有積極影響。
摘要
本研究旨在探討在長時間久坐期間，進行短暫運動鍛煉干預對執(zhí)行功能、大腦皮層血流動力學以及微血管狀態(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分鐘中等強度騎行鍛煉（moderate-intensity cycling break, MIC）和15分鐘高強度騎行鍛煉（vigorous-intensity cycling break, VIC）。同時使用近紅外腦功能成像記錄大腦活動。研究發(fā)現(xiàn)，運動干預顯著改善了stroop任務的行為反應（反應時response time, RT; 錯誤率error rate，ER和逆效能得分inverse efficiency score, IES），運動組的行為指標較久坐組有明顯的改善。進行運動后，視網(wǎng)膜動脈(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，且任務狀態(tài)和靜息狀態(tài)下的因果密度增加。
注：
逆效能得分IES能夠綜合評估反應時間和準確性，IES低表示反應時短，正確率高。
因果密度是評估皮層網(wǎng)絡中因果相互作用的強度和分布的綜合指標，在本研究中采用格蘭杰因果關系分析衡量。
研究背景
為了在更具生態(tài)效度的學校環(huán)境中研究急性體育鍛煉對認知表現(xiàn)的影響，研究人員考察了短暫體育鍛煉（如在久坐期間進行運動干預）對年輕人（如大學生）認知表現(xiàn)的影響。fNIRS對于運動相關的偽影具有相對的魯棒性，并且能夠以良好的空間和時間分辨率監(jiān)測功能性腦變化，能夠幫助更好地理解短暫體育鍛煉引起的認知表現(xiàn)變化背后的神經(jīng)生物學機制。
在此背景下，本研究通過雙Stroop任務測量、fNIRS皮層血流動力學和視網(wǎng)膜微血管狀態(tài)測量，研究久坐期間體育鍛煉干預對執(zhí)行功能的影響。為了模擬現(xiàn)實世界的場景，兩段久坐和運動休息的時間被設定為與國內(nèi)大學的連續(xù)兩節(jié)課和休息時長一致。
研究假設
高強度的運動循環(huán)將對行為和神經(jīng)生物學結果產(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)血流動力學的改變介導的。
研究方法
本研究采用了單盲隨機交叉設計，并進行了干預前后比較。被試按偽平衡順序完成以下實驗條件，每兩個條件之間至少有7天的洗脫期（見圖1）：
115分鐘的不間斷久坐（對照組）；
50分鐘久坐 + 15分鐘中等強度騎行 + 50分鐘久坐（實驗組1：中等強度騎行）；
50分鐘久坐 + 15分鐘高強度騎行 + 50分鐘久坐（實驗組2：高強度騎行）
為了提高生態(tài)效度，模擬大多數(shù)國內(nèi)大學的典型課堂（50分鐘）和休息時長（15分鐘），在兩個50分鐘久坐期之間實驗組進行了15分鐘的短暫體育鍛煉。
圖1：實驗流程說明
A、視網(wǎng)膜血管直徑測量，隨后用fNIRS記錄5分鐘靜息態(tài)大腦活動。
B、完成雙任務Stroop任務，同時記錄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50分鐘后的靜坐時間后進行了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，并避免可能導致情緒變化的活動（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度或高強度連續(xù)循環(huán)15分鐘體育鍛煉。
D、重新測量視網(wǎng)膜血管直徑（10:30-10:35）、記錄靜息態(tài)fNIRS（10:35-10:40）、雙任務Stroop任務態(tài)fNIRS（10:40-11:05）。
認知范式——改進的雙任務Stroop任務
使用Ward等人開發(fā)的改進雙Stroop任務（見圖1）。雙Stroop任務由三個block組成：(1)基線Stroop 任務block，(2)顏色雙Stroop任務block，以及(3)詞匯雙Stroop任務block。后兩個block的順序是平衡的。每個block包括一個練習序列和三個測試序列，每個序列有12個試次。每個block有25%的不一致刺激，25%的中性刺激和50%的一致刺激。在每次試驗中，注視點持續(xù)8000 ms。刺激呈現(xiàn)時間為3000毫秒，間隔為500毫秒。每個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，同時記錄看到“藍色”這個詞的次數(shù)。
近紅外數(shù)據(jù)采集
fNIRS數(shù)據(jù)由NIRSport2設備（NIRx Medical Technologies， LLC，瀚翔腦科學代理）記錄（圖2）。在本研究中使用16個LED光源和16個探測器，覆蓋9個感興趣區(qū)域（ROI），即內(nèi)側額葉，左側額上回，左側額中回，左側中央前回，左側頂葉，右側額上回，右側額中回，右側中央前回，右側頂葉。
圖2：近紅外采集與通道布局
研究結果
行為認知結果的線性混合模型
LMM分析發(fā)現(xiàn)，實驗組別、不同Stroop條件和評估時間對行為結果有顯著的主要影響（圖3）。與假設一致，從干預前到干預后，中等強度騎行（MIC）組比久坐（SIT）組更能降低RT、ER和IES。
圖3：不同實驗條件、運動干預前后、不同stroop任務行為結果（RT、ER、IES）圖
視網(wǎng)膜血管直徑的線性混合模型
與SIT相比，MIC和高強度騎行組（VIC）CRAE和CRVE均顯著增加，與MIC組相比，VIC組在干預前后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
實驗組別、評估時間以及它們的交互作用的顯著效應。與SIT組相比，MIC組和VIC組均從干預前到干預后的因果密度顯著增加。
基于任務的因果密度及Granger因果分析的線性混合模型
實驗組別與評估時間之間的顯著交互作用、實驗組別與Stroop條件之間的顯著交互作用，以及評估時間與Stroop條件之間的顯著交互作用。與SIT組相比，MIC組和VIC組從干預前到干預后的任務因果密度均有所增強。干預前后，VIC組比MIC組因果密度顯著提高。
與SIT相比，MIC在干預前后顯著誘導了從ROI 1到ROI 3和從ROI 4到ROI 7的連接組；VIC在干預前后顯著誘導了從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：任務相關的HBO因果密度；不同ROI的定向連接
中介效應
研究建立了一個標準中介模型，旨在探討AVR對反應時間（RT）的影響是否通過基于任務的氧合血紅蛋白（oxyhemoglobin, HbO）因果密度起作用（見圖5）。結果顯示，在控制了任務相關的HbO因果密度的影響后，AVR對RT的直接效應仍然顯著。通過計算間接效應，任務相關的HbO因果密度在AVR與RT之間起到了中介作用，中介效應顯著。
圖5.中介模型
總結
研究結果表明，在久坐期間進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。未來的研究應旨在闡明短暫體育鍛煉中斷與認知表現(xiàn)之間潛在的劑量反應關系，包括但不限于最佳持續(xù)時間和類型（如騎自行車、散步、跑步），以全面評估急性體育鍛煉干預在增強認知表現(xiàn)和大腦健康方面的多功能性和有效性。
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