有氧健身有利于提高儿童的认知控制能力

    李明珠

    〔摘要〕本文回顾了近几年有关有氧健身与儿童认知控制之间关系的研究。结果显示，有氧健身有利于提高儿童的认知控制能力，主要在于有氧健身能够提高儿童的抑制控制能力，提高儿童的工作记忆能力，使儿童能够在任务过程中更好地分配注意资源，在反应选择中减少冲突，从而获得更好的认知控制能力。

    〔关键词〕有氧健身；认知控制；工作记忆

    〔中图分类号〕G44 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1671-2684（2017）08-0007-04

    一、引言

    近些年来，随着社会的发展，儿童的学习压力日益增加，而由于交通运输的便利，儿童的静坐行为越来越多，运动量越来越少。同时，在当前的教育形势下，很多老师家长更加注重儿童的学习，而忽视体育健身对于儿童发展的重要作用。心理学家则越来越关注运动对于儿童的影响，并进行一系列的相关研究，尤其是有氧运动对于儿童认知功能方面的影响。

    认知控制又称执行控制，是指对于目标导向行为的调节与控制，即在知觉选择、反应控制等任务中实时的调整自己，以达到顺利完成特定任务的目的。认知控制包括三个核心成分，分别为工作记忆、抑制控制和认知灵活性。

    同时作为中央执行系统的核心部分，认知控制能力也是儿童知识学习、解决问题、智力活动和逻辑推理能力发展的重要影响因素[1]。認知控制能力不良的儿童在日常学习生活中注意力集中困难，难以抑制无关信息的干扰，使学习能力受损，影响学业成就[2]。认知控制能力也是新概念知识学习及对新环境适应的重要条件，会影响学生日常行为的各个方面[3]。就儿童的身体健康方面，有研究表明肥胖症与认知控制有着选择性的消极关联。提高儿童认知控制能力能够帮助儿童在学习和生活中适应得更好，得到更好的发展。

    有氧健身是指长时间进行运动，使心肺得到充分的有效刺激，提高心肺功能，从而让全身各组织、器官得到良好的氧气和营养供应，维持最佳的功能状况[4]。有关人类和动物的生理和心理研究均指出运动对认知和大脑功能有积极影响，近几年一些研究也表明有氧运动对于认知控制具有积极影响。

    二、有氧健身与认知控制的关系研究

    （一）研究方法概述

    在有氧运动与认知控制的研究中，研究者大多选择有氧体能（Aerobic Fitness）作为衡量有氧健身效果的重要指标。而对于有氧体能的评估则多使用有氧心血管耐力跑（Progressive Aerobic Cardiovascular En-durance Run，PACER）体质测验，也有研究使用其他指标来评估儿童的有氧体能，如身体质量指数（Body Mass Index，BMI）；而研究中的认知任务则主要使用侧抑制任务（Flanker）和空间n-back任务等。

    （二）有氧健身促进认知控制

    有氧健身与儿童的认知控制能力成正相关，Scudder，Lambourne和Drollette等人[5]发现，在评估抑制控制功能的侧抑制任务（Flanker）中，有氧体能越高的儿童其任务表现越好，具体表现为更短的反应时和更高的准确率。此外，研究者发现侧抑制任务中，高体能的儿童有更稳定的表现，而低体能儿童在一致任务中的表现较好，但不一致任务中表现较差，任务表现随任务难度增加而显著下降，表现出更大的个体内差异。Chaddock，Erickson和Parkash等人[6]也发现，高有氧体能的儿童在任务中能始终保持较高的准确率，而低有氧体能的儿童只能在任务早期保持较高的准确率。这些结果均表明，有氧体能的提高有利于儿童认知控制能力的发展，使儿童在难度增加的任务中，也能有较好的表现，有更好的适应新问题、新环境的能力。

    但是有氧体能的提高对于儿童认知控制功能的影响也不尽相同，有氧体能对于儿童需要更多认知控制能力的任务中的作用更加突出。如在空间n-back任务中，研究者发现当任务中要求更多的工作记忆时，有氧体能水平的高低与任务表现存在更加紧密的关联[5]。Wu，Pontifex和Raine等人[7]也发现在多种认知控制要求的任务中，有氧体能的高低与儿童认知控制之间的关系更密切。这些研究都证明有氧体能有利于提高儿童的认知控制能力，同时也表明有氧体能高的儿童在应对困难问题时，能够更有效地解决冲突，较好地完成任务。

    但是有氧运动影响认知控制的具体方面尚有争议，如Hillman，Pontifex和Raine等人[8]发现，中等程度的有氧锻炼（跑步机上20分钟竞走）之后，儿童的注意认知控制能力有所提高，从而提高了儿童在认知任务中的反应准确率；但Drollette，Shishido和Protifek等人[9]的研究表明，短期锻炼对于认知控制的影响主要在于对抑制控制的影响，而对于工作记忆的影响则不显著。

    三、有氧健身对认知控制作用的神经基础

    已有研究结果已经证实有氧健身有利于提高儿童的认知控制能力，那么有氧健身影响认知控制的机制又是什么呢？近年来，随着电生理及神经影像学技术的发展，研究者可以通过使用脑电（ERP），功能性磁共振成像技术（fMRI）等技术更加深入地了解大脑的神经机制。

    Voss，Chaddock和Kim等人[10]的功能磁共振成像（fMRI）研究结果表明，健身与涉及认知控制过程的大脑区域不同激活模式有关。高健康水平（BMI）的儿童能够更有效地激活带状盖网络区域。健身不止会在一定程度上影响因任务需要而激活的相关脑区，还会影响认知控制大脑系统的基础功能体系结构。在侧抑制任务中，刺激一致条件下，低健康水平（BMI）儿童的激活反应了更多的无效控制，高健康水平的儿童很少需要努力主动控制。而刺激不一致条件下，低健康水平的儿童难以有效地使用反应策略，从而引起了大脑网络更多的激活，反映了认知控制的无效调节。反之，高健康水平的儿童能够使用有效的反应策略，能够在更困难的任务中充分调整主动策略，从而更加有效地加工，引起较少的大脑网络激活。

    同样地，Chaddock，Erickson和Prakash等人[6]的研究也发现，高体能儿童在完成不一致任务（即难度较高的任务）时与低体能儿童表现出不同的大脑激活模式，高低体能儿童在不一致任务早期前额叶与顶叶激活增加；但是在任务后期，高体能儿童激活减少，而低体能儿童未发现明显差异。这一结果表明高体能儿童在任务后期已不需要调用更多资源处理任务，而低体能儿童依然需要更多的认知资源才能保证任务的完成。

    此外，一些研究表明，有氧体能与儿童的大脑结构相关，Chaddock-Heyman，Hillman和Cohen[11]发现，与低有氧体能的同伴相比，高有氧体能的儿童有更大的基底神经节和海马容量，而基底神经节与海马结构与个体的认知控制和记忆能力的大小相关。Chaddock，Erickson和Prakash[12]发现，高体能儿童的背侧纹状体体积大于低体能的儿童，而背侧纹状体体积与行为干扰之间成负相关，更大的背侧纹状体体积可以促进冲突解决。

    在ERP研究中，与认知控制相关的脑电波成分中，比较具有代表性的是P300，P300与冲突水平呈正相关，能够反映注意资源的分配，而P300的潜伏期则可以反映认知处理速度。此外错误相关负波（ERN）——人类被试在错误动作反应发生之后100～150ms产生的一种负波，也是ERP成分中冲突監控与错误评估的指标。Hillman，Buck和Themanson等人[13]关于儿童有氧运动与认知发展的ERP研究结果表明，在侧抑制任务中，较高健康水平儿童的P300波振幅大于健康水平较低的儿童，且P300的潜伏期较短，这说明高健康水平的儿童在任务中能够更好地分配注意资源，更快地进行认知处理，从而有更好的认知控制表现。

    Pontifex，Raine和Johnson等人[14]的研究也发现，高体能儿童表现出增加的P300振幅和更短的P300潜伏期，以及在兼容与不兼容刺激反应条件中，有更好的P300振幅调节。同时还发现，在侧抑制任务中，高健康水平的儿童在刺激一致条件下呈现更小的错误相关负电（ERN）的振幅，在刺激一致和不一致条件之间也能更好地调整ERN；而低健康水平的儿童则反之，在两种条件下都呈现更大的ERN振幅。这些结果表明高健康水平的儿童在任务中能够更灵活地调整认知控制过程。

    总结上述研究，有氧体能可以通过改变儿童大脑激活模式以及大脑结构，提高儿童的认知控制能力。

    四、总结和建议

    各研究者的行为学研究结果都表明，相比有氧健身水平较低的儿童，有更高水平的有氧健身的儿童在认知控制任务中都会表现出更高的准确率和更短的反应时，这些结果都反映了有氧健身有利于儿童的认知控制。而神经电生理学的研究与神经影像学的研究结果也为有氧健身和认知控制的关系提供了相应的证据。

    当前在我国，不论学校与家庭，均更重视儿童的学业成就，忽视儿童的体育锻炼。有氧健身有利于提高儿童的认知控制能力，学校和家庭应重视增加儿童的有氧运动，减少儿童的静坐行为，避免因长时间的静坐行为影响儿童的认知控制能力，进而影响儿童的学习与生活，不利于儿童的健康成长。学校要合理安排学生课程，不可忽视儿童体育锻炼，学校的早操安排应该更加完善，使早操确实发挥其应有的作用。而父母也要重视孩子的身体锻炼，可在休息日带孩子多参与一些室外活动，增加儿童的运动量，减少当前儿童越来越多的静坐行为。广大社会应树立以“体育”促“心育”的意识，让儿童全面发展。

    参考文献

    [1]Diamond A. Executive functions[J]. Annual Review of Psychology. 2013，64（1）：135-168.

    [2]Borella E，Carretti B，Pelegrina S. The specific role of inhibition in reading comprehension in good and poor comprehenders[J]. Journal of Learning Disabilities. 2010，43（6）：541-552.

    [3]Morrison F J，Ponitz C C，Mcclelland M M. Selfre-gulation and academic achievement in the transition to school[C]In Calkins SD，Bell M A eds.

    .Child Development at the Intersection of Emotion and Cognition. Washingten，DC：American Psychological Association，2010：203-224.

    [4]蒋长好，陈婷婷，石长地. 有氧体能和儿童的认知神经功能[J]. 中国儿童保健杂志. 2013（08）：829-831.

    [5]Scudder M R，Lambourne K，Drollette E S，et al. Aerobic capacity and cognitive control in elementary schoolage children[J]. Medicine & Science in Sports & Exercise. 2014，46（5）：1025-1035.

    [6]Chaddock L，Erickson K I，Prakash R S，et al. A functional MRI investigation of the association between childhood aerobic fitness and neurocognitive control[J]. Biological Psychology. 2012，89（1）：260-268.

    [7]Wu C，Pontifex M B，Raine L B，et al. Aerobic fitness and response variability in preadolescent children performing a cognitive control task[J]. Neuropsychology. 2011，25（3）：333-341.

    [8]Hillman C H，Pontifex M B，Raine L B，et al. The effect of acute treadmill walking on cognitive control and academic achievement in preadolescent children[J]. Neuroscience. 2009，159（3）：1044-1054.

    [9]Drollette E S，Shishido T，Pontifex M B，et al. Maintenance of cognitive control during and after walking in preadolescent children[J]. Medicine & Science in Sports & Exercise. 2012，44（10）：2017-2024.

    [10]Voss M W，Chaddock L，Kim J S，et al. Aerobic fitness is associated with greater efficiency of the network underlying cognitive control in preadolescent children[J]. Neuroscience. 2011，199：166-176.

    [11]Chaddock-Heyman L，Hillman C H，Cohen N J，et al. The importance of physical activity and aerobic fitness for cognitive control and memory in children[J]. Monographs of the Society for Research in Child Development. 2014，79（4）：25-50.

    [12]Chaddock L，Erickson K I，Prakash R S，et al. Basal Ganglia Volume Is Associated with Aerobic Fitness in Preadolescent Children[J]. Developmental Neuroscience. 2010，32（3）：249-256.

    [13]Hillman C H，Buck S M，Themanson J R，et al. Aerobic fitness and cognitive development：Event-related brain potential and task performance indices of executive control in preadolescent children[J]. Developmental Psychology. 2009，45（1）：114-129.

    [14]Pontifex M，Raine L，Johnson C，et al. Cardiores-piratory fitness and the flexible modulation of cognitive control in preadolescent children[J]. Journal of Cognitive Neuroscience. 2011，23（6）：1332-1345.

    （作者單位：安徽师范大学教育科学学院，芜湖，240000）

    编辑/刘 扬 终校/于 洪