近期，深圳大學鄒立業教授（通訊作者）及其團隊在Advanced Science期刊（IF= 14.3）發表了題為“Effects of Physical Exercise Breaks on Executive Function in a Simulated Classroom Setting: Uncovering a Window into the Brain” 的文章，研究發現，在久坐期間進行短暫運動干預能夠改善執行功能，對提高認知表現有積極影響。

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行功能、大腦皮層血流動力學以及微血管狀態的影響。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。研究發現，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，視網膜動脈(Central Retinal Artery Equivalents, CRAE)和靜脈的直徑（Central Retinal Vein Equivalents, CRVE）增加，前額區域的皮層激活增強，且任務狀態和靜息狀態下的因果密度增加。

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

為了在更具生態效度的學校環境中研究急性體育鍛煉對認知表現的影響，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變化背后的神經生物學機制。

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膜微血管狀態測量，研究久坐期間體育鍛煉干預對執行功能的影響。為了模擬現實世界的場景，兩段久坐和運動休息的時間被設定為與國內大學的連續兩節課和休息時長一致。

研究假設

高強度的運動循環將對行為和神經生物學結果產生更大的益處。此外，執行功能和微血管狀態的改善可能是由皮質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）

為了提高生態效度，模擬大多數國內大學的典型課堂（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、視網膜血管直徑測量，隨后用fNIRS記錄5分鐘靜息態大腦活動。

B、完成雙任務Stroop任務，同時記錄fNIRS數據。

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，做作業或發送電子郵件，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循環15分鐘體育鍛煉。

D、重新測量視網膜血管直徑（10:30-10:35）、記錄靜息態fNIRS（10:35-10:40）、雙任務Stroop任務態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8000 ms。刺激呈現時間為3000毫秒，間隔為500毫秒。每個block持續約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。

近紅外數據采集

fNIRS數據由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個感興趣區域（ROI），即內側額葉，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分析發現，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行功能，伴隨著視網膜血管直徑的變化，皮質激活和有效連接，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之間潛在的劑量反應關系，包括但不限于最佳持續時間和類型（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和大腦健康方面的多功能性和有效性。