高淑青

天津體育學院教育與心理學院（天津 300381）

認知活動是對信息的加工處理過程，以及對客觀事物變化和特征的反映，也是對客觀事物之間相互作用和相互聯(lián)系的表征。認知能力是人們成功完成活動的最重要的心理條件，認知能力的高低是衡量個體生存和發(fā)展能力的重要指標之一。因此，如何促進認知水平的提高，延緩認知老化的發(fā)生成為諸多研究領(lǐng)域關(guān)注的課題，這其中不乏身體鍛煉認知效益的研究。適當、規(guī)律的身體鍛煉對個體的認知功能起到促進（或保持）作用，研究者們從生物學和心理學等多個視角對這種積極作用的機制進行了解釋[1-3]。本文從身體鍛煉認知效益研究的常用研究設(shè)計入手，對此類研究中的研究指標、研究工具以及一些具體研究方法進行了綜述，并對目前該領(lǐng)域研究中存在的問題及相應(yīng)對策進行分析，為后續(xù)研究提供方法指導和借鑒。

1 常用研究設(shè)計

在心理科學實證研究中，比較常用的兩種研究設(shè)計是調(diào)查研究和實驗（干預(yù)）研究，在鍛煉認知效益研究中，調(diào)查研究主要通過大樣本的橫斷調(diào)查，獲得參與者身體鍛煉和認知功能等方面的資料，以明確二者之間的關(guān)系。這種研究雖然可以短期獲得大量相關(guān)數(shù)據(jù)，但對變量的因果關(guān)系很難進行推斷，因此，若想明確身體鍛煉對認知能力的積極影響，就需要采用短期或長期的實驗干預(yù)處理來加以探索或驗證，這在鍛煉認知效益研究領(lǐng)域表現(xiàn)為對短期（即刻）認知效益和長期認知效益的研究。

短期認知效益是考察一次性身體鍛煉后的認知任務(wù)表現(xiàn)，顯示了身體鍛煉對認知功能的即刻影響，往往這種影響效應(yīng)是短暫且不穩(wěn)定的。如Linde等的研究以70名健康的老年人（年齡60～75歲）為研究參與者，考察其在不同訓練后即刻的流體認知能力水平（信息加工速度、短時記憶、空間關(guān)系、專注以及推理和認知速度），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與控制組相比，在身體鍛煉后即刻，老年人出現(xiàn)專注能力提高的現(xiàn)象，身體鍛煉與認知訓練聯(lián)合干預(yù)組即刻出現(xiàn)了認知速度加快的現(xiàn)象[4]。Lambourne等[5]的研究發(fā)現(xiàn)，即刻的身體鍛煉可以提高鍛煉者的感知加工，促進其覺察能力的提高，但是提高的認知能力很快又會恢復到鍛煉前的水平。

長期認知效益是考察長期身體鍛煉對認知功能的影響，這種影響效應(yīng)可能會維持較長時間，對個體更具積極意義。如Chang等[6]的縱向研究發(fā)現(xiàn)，在控制了人口統(tǒng)計學以及心腦血管等影響因素以后，中等強度身體鍛煉組在加工速度、記憶以及執(zhí)行功能等方面表現(xiàn)更好，且身體鍛煉可以減少或者延緩晚年癡呆的發(fā)生。殷恒嬋等[7]采用兩種運動干預(yù)方案（“武術(shù)+跳繩+8字跑”和“花樣跑步”）對326名小學生進行了為期20周的鍛煉干預(yù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種運動方案均能改善小學生的執(zhí)行功能，且隨干預(yù)時間增加，效果更為顯著?？傊?，無論一次性身體鍛煉還是長期鍛煉對認知功能都有一定促進作用，但為了獲得較穩(wěn)定的認知效益，還需要個體通過長期規(guī)律性鍛煉來實現(xiàn)。

綜上，通過控制性的實驗研究能夠明確身體鍛煉與認知功能之間的因果關(guān)系，獲得更可靠的身體鍛煉認知效益的證據(jù)，但在研究過程中應(yīng)該盡量考慮到控制變量的影響，盡可能通過實驗設(shè)計或統(tǒng)計方法等途徑將這種影響降到最小。

2 變量的選擇與研究工具的發(fā)展

在身體鍛煉認知效益研究中，主要涉及兩個變量，即身體鍛煉和認知功能，前者可以以二分變量（鍛煉與非鍛煉；有氧鍛煉與無氧鍛煉，等）或連續(xù)變量（不同鍛煉量水平）的形式作為自變量，來獲得其對認知功能（因變量）影響的證據(jù)，而認知功能具有較為復雜的心理結(jié)構(gòu)，以下主要就認知功能指標的選擇及測量工具的發(fā)展進行論述。

2.1 認知功能指標的選擇

就目前體育鍛煉認知效益的實證研究而言，采用的認知功能指標主要受研究者的興趣和測試工具的限制，表現(xiàn)出研究指標較為零散，缺乏系統(tǒng)性的整合。例如，單越濤[8]采用隨機對照研究探討了簡化太極拳對社區(qū)中老年人記憶力、注意力和執(zhí)行功能的影響；戈成[9]通過實驗法，探討太極拳對老年人執(zhí)行功能的影響；Anderson-Hanley等[10]對阻力鍛煉對老年人的數(shù)字逆向測試（digits backward task）與Stroop任務(wù)的改善進行研究。那么，什么樣的認知指標能代表個體的整體認知功能水平呢？或者什么樣的認知指標對個體的生活、學習、工作更重要呢？

要回答上述問題，可能需要考慮到研究對象的年齡特征問題。對于兒童、青少年群體而言，學業(yè)表現(xiàn)似乎在一定程度上能代表其認知發(fā)展情況，有研究證實了體育鍛煉對青少年學業(yè)表現(xiàn)的促進作用[11]，但也有研究未發(fā)現(xiàn)青少年體力活動與學業(yè)表現(xiàn)的正相關(guān)關(guān)系。因此，正如溫煦[1]在綜述中提到，體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)影響的研究仍是比較零碎、缺乏系統(tǒng)性，需要由點帶面地將當前的研究不斷拓展，才能逐漸厘清變量之間影響的全貌。另外，執(zhí)行功能（executive function）是在完成復雜的認知任務(wù)時，對各種基本認知過程進行協(xié)調(diào)和控制的高級認知過程[12]。良好的執(zhí)行功能不僅幫助青少年有效地進行計劃、推理、實施多項任務(wù)，而且還增強他們對社會環(huán)境的適應(yīng)能力，約束自身行為，遵守社會規(guī)范以及促進學業(yè)進步[7,13,14]。因此，很多學者也開始關(guān)注和研究身體鍛煉對兒童、青少年執(zhí)行功能的促進作用。

有關(guān)成年期認知發(fā)展的研究主要集中于基本認知能力和日常認知能力兩大領(lǐng)域，前者是在一般認知活動中展現(xiàn)出的能力，后者是在解決日常生活遇到的問題時展現(xiàn)出的能力，前者是后者的基礎(chǔ)和核心[15,16]?；拘睦砟芰Γ╬rimary mental abilities）是由Thurstone（1938）[17]發(fā)現(xiàn)的，Thurstone最早檢驗出7種基本能力：知覺速度、數(shù)字、聯(lián)想記憶、推理、空間定向、詞匯流暢和詞語理解。Schaie[18]在著名的西雅圖追蹤研究中，在Thurstone工作的基礎(chǔ)上提出了5種具有代表性的基本心理能力，即數(shù)字能力、歸納推理能力、空間定向能力、詞語流暢能力和語義理解能力。作為個體所有日常活動核心的基本心理能力對個體的日常問題解決能力有著重要影響[16]。綜上，基本心理能力在認知功能中占有重要的基礎(chǔ)性地位，其發(fā)展水平直接關(guān)系到個體日常生活的質(zhì)量，因此，研究身體鍛煉對成年人基本認知能力的積極影響似乎更為合理和必要。

綜上，認知指標是身體鍛煉認知效益研究的核心變量，選擇單項認知指標還是綜合認知指標，似乎和另一個重要問題密切關(guān)聯(lián)，即身體鍛煉對認知功能的影響是廣泛的還是特異的？一些研究者支持鍛煉對認知功能的積極影響是有選擇性的，鍛煉對執(zhí)行控制任務(wù)的促進更加明顯[19-22]；而有研究支持鍛煉對認知功能有著廣泛的影響[23]。這或許應(yīng)該成為未來此領(lǐng)域中的一個研究方向。

2.2 研究工具的發(fā)展

在2000年以前，體育鍛煉影響認知能力的主要研究方法是問卷調(diào)查，隨著近些年來神經(jīng)科學和心理學相關(guān)研究技術(shù)的應(yīng)用，體育鍛煉影響認知能力的相關(guān)研究取得了重要突破[1]。腦電成像（electro-encephalograph，EEG）、腦磁成像（magneto-en-cephalograph，MEG）、事件相關(guān)電位（event-related potentials，ERPs）、功能磁共振成像（functional magneticresonance imaging，fMRI）和經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）等技術(shù)的應(yīng)用，有助于研究者們觀測在認知過程中大腦的活動，揭示認知活動的腦工作特點，這為身體鍛煉認知效益的研究提供了重要的研究技術(shù)。

ERPs能夠反映出大腦信息處理的進程，ERPs是測量具體信息加工過程大腦神經(jīng)元活動的直接方法，而且個體的ERPs相當穩(wěn)定，這為認知功能的腦機制研究提供了可靠的技術(shù)支持和方法學依據(jù)[24,25]。fMRI具有較高的時間和空間分辨率，是一種測量特定腦區(qū)所消耗能量的手段，即神經(jīng)活動較強的腦區(qū)域信號較強。TMS是新近發(fā)現(xiàn)的抑制一個腦區(qū)的方法，是一種利用脈沖磁場作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，改變皮層神經(jīng)細胞膜電位，使之產(chǎn)生感應(yīng)電流，影響腦內(nèi)代謝和神經(jīng)電活動，從而引起一系列生理生化反應(yīng)的磁刺激技術(shù)，是安全且沒有持久影響的技術(shù)。

可見，利用認知神經(jīng)科學的這些技術(shù)手段不僅促進了研究者對鍛煉認知效益的認識，也為獲得這種積極效益的內(nèi)在機制，尤其是大腦機制提供了可能。有研究[13]使用fMRI技術(shù)考察了短時有氧運動對兒童執(zhí)行功能腦激活模式的影響，發(fā)現(xiàn)一次30 min的短時中等強度有氧運動能改善兒童的執(zhí)行功能，使兒童執(zhí)行功能腦激活模式發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為兒童執(zhí)行功能腦激活模式中的雙側(cè)額上回、雙側(cè)額中回、雙側(cè)頂上小葉和左側(cè)頂下小葉激活程度增加，左側(cè)前扣帶回激活減弱。另有研究選取了60名老年人被試，根據(jù)其之前的鍛煉情況，區(qū)分為開放技能鍛煉組、封閉技能鍛煉組以及無鍛煉組，然后在進行Flanker任務(wù)測試的同時進行事件相關(guān)電位測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是從事開放技能鍛煉還是封閉技能鍛煉項目，均能夠提高老年人在Flanker任務(wù)上的反應(yīng)時，開放技能鍛煉組老年人在ERPs的P300波幅的峰值在頂點比額葉更大，然而其他兩組沒有位置差異。老年人參與鍛煉會增加其認知需要，在干擾控制任務(wù)中資源分配的神經(jīng)效率更高[26]。

綜上，腦是個體認知活動的生理基礎(chǔ)，人腦的結(jié)構(gòu)和機能關(guān)系著認知活動的水平，借助認知神經(jīng)科學的研究技術(shù)，研究者能進一步明確身體鍛煉認知效益的大腦機制，即身體鍛煉對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性影響，這為探明身體鍛煉認知效益的內(nèi)部機制提供了技術(shù)準備，也為鍛煉認知效益研究的拓展和深入提供了可能。

3 劑量效應(yīng)的研究

在明確了身體鍛煉認知效益客觀存在的基礎(chǔ)上，學者們就會思考，什么樣的身體鍛煉能最有效地改善認知功能？是否存在著最小或最適宜的運動量？即身體鍛煉與認知功能的“劑量效應(yīng)”問題。 所謂“劑量效應(yīng)”是指體育鍛煉各構(gòu)成要素（類型、強度、頻率、每次持續(xù)時間、干預(yù)周期等）單獨和交互作用與認知功能的關(guān)系。不同的鍛煉要素對個體認知功能的影響不同，且這些要素常常對個體認知功能產(chǎn)生交互影響，因此，針對不同個體，選擇適宜的體育鍛煉形式，包括鍛煉類型、鍛煉強度和鍛煉時間等，是非常重要的。

研究身體鍛煉與認知功能之間劑量效應(yīng)關(guān)系的方法主要有流行病學調(diào)査研究和隨機控制性實驗研究，前者主要針對身體鍛煉活動量和認知效益的關(guān)系進行研究，例如，以梁德清[27]修訂的《體育活動等級量表》（Physical Activity Rating Scale-3，PARS-3）為測量工具，將參與者的鍛煉活動量按照標準區(qū)分為小、中、大3種，使用事后兩兩比較的方法來確定從事哪種活動量的參與者的認知功能水平更高，進而推測鍛煉認知效益的最佳活動量范圍。這種研究方法只能概括地了解鍛煉活動總量和認知功能之間的關(guān)系，對鍛煉的單個要素（強度、頻率、持續(xù)時間等）與認知功能的關(guān)系很難進行推斷，因此，需要進行實驗研究來探究單因素變化引起的運動劑量與認知效益之間的關(guān)系。這不僅有利于了解引起認知效益的具體劑量，還有利于了解鍛煉引起認知效益的外周機制，例如有研究在控制了鍛煉項目、鍛煉持續(xù)時間的基礎(chǔ)上，考察不同鍛煉強度（小、中、大）對大學生執(zhí)行功能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同強度的短時有氧運動對執(zhí)行功能產(chǎn)生選擇性的積極影響[14]。這提示鍛煉強度與執(zhí)行功能之間存在劑量效應(yīng)關(guān)系，促進執(zhí)行功能的3個子功能（抑制、刷新和轉(zhuǎn)換）的最佳鍛煉強度不同。

目前，尚未見身體鍛煉與認知功能之間劑量效應(yīng)關(guān)系的曲線模型研究，因此，在未來，學者們應(yīng)該致力于建構(gòu)二者的曲線模型，把握兩個變量之間的變化趨勢關(guān)系，探究身體鍛煉認知效益是否存在著某個閾值？以此更有效地指導大眾進行更科學有效的健身鍛煉。

4 存在問題與對策

目前關(guān)于鍛煉認知效益的研究中仍存在一些認知和測量上的弊端，以下對這些問題和相應(yīng)對策進行梳理、分析。

第一，研究的設(shè)計和控制問題。

目前，關(guān)于鍛煉的長期認知效益的干預(yù)研究中，鍛煉干預(yù)時間不一，干預(yù)時間從幾周到幾年不等[28,29]，到底鍛煉干預(yù)多久能夠獲得比較可靠的長期認知效益？幾周鍛煉干預(yù)的效果能夠維持多久？不同認知功能的改變對鍛煉干預(yù)時間的要求有何不同？對不同年齡參與者的干預(yù)時間確定是否不同？等等?？傊O(shè)計鍛煉認知效益的干預(yù)研究，就無法回避這些問題。針對鍛煉干預(yù)時間的設(shè)計問題，需要參考、借鑒大量前人的相關(guān)研究，并最好能結(jié)合一定的預(yù)實驗結(jié)果，來最終設(shè)置合理的鍛煉干預(yù)時間。

進行身體鍛煉認知效益的研究，不可避免地會遇到無法窮盡控制變量影響的問題，認知功能可能受到社會、生理和心理諸多因素的綜合影響，例如受教育程度、環(huán)境污染、睡眠、飲食[30]、社會經(jīng)濟地位、體重指數(shù)（BMI）、體質(zhì)健康水平[1]、年齡、性別、種族、吸煙狀態(tài)、能量攝入等[31]，這些環(huán)境變量和機體變量都不同程度調(diào)節(jié)著身體鍛煉與認知功能之間的關(guān)系，因此，要獲得身體鍛煉認知效益的純粹結(jié)果，研究設(shè)計時就務(wù)必考慮到可能存在的控制變量的干擾問題，并在設(shè)計或統(tǒng)計中加以有效控制，例如陳愛國等[14]關(guān)于有氧運動對執(zhí)行功能影響的研究就采用了組內(nèi)設(shè)計（within-group design），降低了機體變量對研究結(jié)果的干擾，盡量避免了自變量混淆的發(fā)生。

此外，在研究設(shè)計方面，似乎每種研究方法都有各自無法克服的弊端，因此，將觀察性研究與實驗性研究相結(jié)合，將量化研究與質(zhì)性研究結(jié)合使用，使得兩種方法互為補充，相互佐證，這或許是減少控制變量干擾、提高研究質(zhì)量的一條有效途徑。

第二，測量手段問題。

在身體鍛煉認知效益研究中涉及兩個主要變量，即身體鍛煉水平和認知功能，對前者的測量仍傾向以量表或問卷測量為主，后者則根據(jù)測量單項認知功能或綜合認知功能而采用標準化量表[（簡易智能精神狀態(tài)量表，mini-mental state examination，MMSE）；蒙特利爾認知評估量表（Montreal cognitive assessment，Mo-CA等）]或心理行為實驗（維也納心理測驗系統(tǒng)、信息加工測試系統(tǒng)或根據(jù)經(jīng)典范式自編研究程序等）等手段來實現(xiàn)測量，目前也流行用認知神經(jīng)科學的技術(shù)來測量認知功能的腦結(jié)構(gòu)和機能情況。

值得商榷的是，使用紙筆的形式來測量身體鍛煉情況是否客觀，正如有專家報告所言，使用量表法，能使我們準確地測量到身體活動和（或）鍛煉行為嗎？未來也許要改進身體活動或鍛煉行為的測量方法，紙筆與實測（如計步器、加速度計等）相結(jié)合，以減少測量誤差[32]。因此，為了準確測量參與者的鍛煉行為情況，從而區(qū)別于對其鍛煉意向的測量，研究者需要重視測量手段的有效性問題，可以使用紙筆與實測結(jié)合的方式，提高測量的效度。據(jù)此，越來越多的研究使用了佩戴加速度計等設(shè)備來更精確地記錄參與者的身體活動情況[33,34]。

第三，量效關(guān)系研究方法的誤用問題。

隨著研究的深入和對現(xiàn)實需要的考慮，研究者們基本得到一個共識，即未來對身體鍛煉與認知功能之間劑量效應(yīng)關(guān)系的研究將是一個重要的研究問題[1,35]。目前也已經(jīng)開展了很多身體鍛煉與認知功能之間量效關(guān)系的研究，但尚未取得一致性結(jié)論，而且部分研究還存在設(shè)計上的缺陷，例如在不控制其他鍛煉要素相等的情況下，考察某個鍛煉要素對認知功能的影響，這無疑是不嚴謹?shù)模贸龅慕Y(jié)論也缺少科學性，難以進行整合和比較。

針對身體鍛煉與認知功能的量效關(guān)系研究問題，有研究報告[36]指出，在鍛煉認知效益研究中，目前常見的劑量效應(yīng)的研究方案有4種：（1）相同運動持續(xù)時間情況下，運動強度的影響效應(yīng)；（2）相同運動負荷情況下，鍛煉堅持時間的影響效應(yīng)；（3）不同運動負荷量的影響效應(yīng)；（4）相同強度下，運動持續(xù)時間的影響效應(yīng)。

第四，研究效果與研究評價問題。

兩個變量的關(guān)系包括相關(guān)、因果和共變關(guān)系，鍛煉認知效益的研究是在考察兩變量的因果關(guān)系，要明確因果關(guān)系就需要滿足3個條件：一是時間上的因前果后，二是實證相關(guān)，三是排他解釋[37]。而實際研究中，常會通過橫斷調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)來說明身體鍛煉對認知功能的影響，陷入將相關(guān)關(guān)系解釋為因果關(guān)系的陷阱。要探明鍛煉與認知孰因孰果，還是互為因果，是需要通過隨機對照實驗去加以探索或驗證的，在研究設(shè)計時要兼顧研究的外部效度，以提高研究的應(yīng)用價值。

另外，影響認知功能的因素較多，且認知功能是相對穩(wěn)定的變量，那么身體鍛煉在改變認知功能時的功效有多大呢？能解釋認知功能變異方差的多少呢？這就涉及到效果量問題，目前很多研究都只報告顯著性，而忽略對效果量的報告，顯著性回答的是可靠程度問題，效果量回答的是差異大小問題[37]，因此，為了把握身體鍛煉對認知功能影響的實際意義，建議研究應(yīng)該報告出效果量數(shù)值。