張育愷，周成林，陳愛國，顏 軍，洪聰敏

慢性鍛煉與認(rèn)知功能關(guān)系的回顧與展望
——國際歷史發(fā)展的視角

張育愷1，周成林2，陳愛國3，顏 軍3，洪聰敏4

鍛煉與認(rèn)知功能已成為鍛煉心理學(xué)領(lǐng)域中最受到矚目的議題。相對于國際學(xué)術(shù)社群的蓬勃發(fā)展，華人學(xué)術(shù)社群在此議題仍屬于具有潛力，但發(fā)展處于初期階段。為加快與國際學(xué)術(shù)社群接軌，以國際歷史發(fā)展的觀點(diǎn)，針對鍛煉與認(rèn)知功能主題，進(jìn)行過去研究的回顧并提出未來的展望。具體而言，以1975—1997年之萌發(fā)階段、1998—2008年之多樣化元分析與跨領(lǐng)域階段，以及2009—2016年之多元主題蓬勃階段的特點(diǎn)，進(jìn)行各階段中重要主題或發(fā)展趨勢的分析。最后以6個面向提供未來展望，為華人社群后續(xù)在該議題的探究提供參考依據(jù)，期盼以對該議題國際間過去與現(xiàn)在發(fā)展趨勢的探討，達(dá)到最終使得華人學(xué)術(shù)社群與國際接軌繼而超越的目的。

慢性鍛煉；體適能；認(rèn)知控制；執(zhí)行功能；認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)

1 前言

鍛煉（exercise）與認(rèn)知功能（cognitive function）已成為鍛煉心理學(xué)（exercise psychology）中最受到矚目的研究議題之一。在Pubmed數(shù)據(jù)庫中查找相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)（圖1），鍛煉與認(rèn)知功能相關(guān)的研究始于1975年，之后逐步增加，到2010年則開始呈現(xiàn)大幅增加的趨勢；其中，發(fā)表的刊物不乏國際頂尖期刊，如Nature［101］、Nature Review Neuroscience［83］等。另外，以“鍛煉心理學(xué)”為名的國際教科書，如《鍛煉心理學(xué)基礎(chǔ)》［22］、《鍛煉心理學(xué)：理論與實(shí)務(wù)之整合》［108］、《鍛煉心理學(xué)》［25］等，這些教科書雖在2000年代的初版中并未涉及鍛煉與認(rèn)知功能的議題，但在后續(xù)的修訂版中均以專門章節(jié)將該議題納入。2005年后還開始陸續(xù)有針對該主題的書籍出版，如《鍛煉與其中介對認(rèn)知的影響》［138］、《鍛煉與認(rèn)知功能》［113］、《鍛煉與認(rèn)知功能整合：神經(jīng)科學(xué)觀點(diǎn)》［112］等。上述學(xué)術(shù)研究的發(fā)表與專業(yè)書籍的出版彰顯了“鍛煉與認(rèn)知功能”在當(dāng)代國際學(xué)術(shù)社群中的重要性、新穎性，以及不可忽視性。

圖1 1975—2016年鍛煉與認(rèn)知功能相關(guān)研究文獻(xiàn)數(shù)量示意圖Figure 1 The amount of literature associated with exercise and cognitive function from 1975 to 2016

華人學(xué)者也逐漸關(guān)注鍛煉與認(rèn)知功能的關(guān)系，近期已有多篇以中文發(fā)表在諸多體育［2，3，5，7-9，11，12］、心理及醫(yī)學(xué)相關(guān)之期刊［1，4，6，10，13］。在國際期刊發(fā)表方面表現(xiàn)亦佳，不僅是體育類大學(xué)，如臺灣體育大學(xué)［38，39，43］、上海體育學(xué)院［134，147，149］、首都體育學(xué)院［93，94］、武漢體育學(xué)院［109］等，綜合性院校，如臺灣師范大學(xué)［88，89，91］、揚(yáng)州大學(xué)［45，49，50］、北京師范大學(xué)［50，87］、華東師范大學(xué)［104］，中國科學(xué)研究院［104，150，151］等，皆已開始針對該議題進(jìn)行系列性研究，并受到國際間的關(guān)注。2016年12月在揚(yáng)州大學(xué)召開了“全國第一屆體育運(yùn)動與腦科學(xué)高級論壇”，揭開了華人學(xué)術(shù)研究關(guān)于該議題的序幕。然而，應(yīng)該關(guān)注的是，相對于國際研究的蓬勃發(fā)展，華人研究在此議題上仍處于起步階段，為加快與國際接軌，華人學(xué)者需對該議題在國際的歷史發(fā)展有所認(rèn)識。

為此，本研究的目的是回顧國際學(xué)者研究鍛煉與認(rèn)知功能關(guān)系的發(fā)展歷史，并提出未來研究的展望。鑒于目前鍛煉與認(rèn)知功能研究發(fā)展的多樣與廣度，本文只關(guān)注以人為被試進(jìn)行慢性鍛煉（chronic exercise），或稱長期鍛煉（long-term exercise）的研究。具體而言，本文將1975年至今有關(guān)“慢性鍛煉與認(rèn)知功能”的研究分為3個時間階段，分別為1975—1997年萌發(fā)階段、1998—2008年的多樣化元分析與跨領(lǐng)域階段，以及2009—2016年的多元主題蓬勃階段，并回顧了各階段中的重要主題或發(fā)展趨勢，最后提供該議題未來可能的研究方向。希望通過了解國際上過去與現(xiàn)況的發(fā)展趨勢，為對此議題有興趣的華人學(xué)者提供未來研究計(jì)劃或方向的構(gòu)思，最終實(shí)現(xiàn)華人與國際間的接軌。

2 萌發(fā)階段（1975—1997）

2.1 先驅(qū)研究

Spirduso在20世紀(jì)70年代所進(jìn)行的系列性研究為“慢性鍛煉與認(rèn)知功能”的議題掀開了序幕，并被視為該議題的先驅(qū)研究者［135-137］。她于1975年的研究旨在探討年齡與身體活動對反應(yīng)時間（reaction time）與動作時間（movement time）的影響［136］。該研究招募了長期參與持球拍性運(yùn)動經(jīng)驗(yàn)和無經(jīng)驗(yàn)的老年人（年齡為50～70歲）與年輕人（年齡為20～30歲），分別比較4組在簡單反應(yīng)時間、辨別反應(yīng)時間，及其兩種動作時間的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，年輕運(yùn)動組表現(xiàn)最佳，老年運(yùn)動組、年輕非運(yùn)動組次之，而老年非運(yùn)動組表現(xiàn)最差。該結(jié)果意味著，相對于年齡，身體活動對簡單反應(yīng)時間、辨別反應(yīng)時間，及其動作時間的影響可能更占主導(dǎo)地位。

雖然該研究的結(jié)果提供了慢性鍛煉有助于減緩因老化導(dǎo)致認(rèn)知功能衰退的證據(jù)，但該效益可能來源于持球拍式運(yùn)動者已具有較好的手眼協(xié)調(diào)，而非身體活動本身。為排除該干擾因素，Spirduso在過去4組的研究基礎(chǔ)上，再額外加入?yún)⑴c有氧性運(yùn)動（如慢跑）的老年組與年輕組，并以相同任務(wù)再次探討［137］。有趣的是，后續(xù)結(jié)果不但復(fù)制了先前中老年運(yùn)動組較同年齡非運(yùn)動組表現(xiàn)更佳的現(xiàn)象，而且中老年運(yùn)動組與年輕非運(yùn)動組的表現(xiàn)并無差異，中老年人參與兩類運(yùn)動后的表現(xiàn)也無顯著差異。以上結(jié)果證明了兩類身體活動，均能夠提高中老年人的認(rèn)知功能，并且再次為身體活動與認(rèn)知功能的正相關(guān)提供了證據(jù)。

2.2 元分析研究

Spirduso的研究成果引起了相關(guān)學(xué)者對后續(xù)研究的興趣，然而，這些后續(xù)實(shí)證性研究可能因設(shè)計(jì)或分析方法的異同，使得結(jié)果呈現(xiàn)較大分歧。為整合當(dāng)時的研究，Etnier等［70］首次采用元分析（meta-analysis）的方法，嘗試為鍛煉與認(rèn)知功能的關(guān)系進(jìn)行量化說明。元分析是以定量分析對已有文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)和評價的一種手段［77］，該方法的優(yōu)勢在于可以排除主觀因素，并得以根據(jù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)（如效果量，effect size）提供效果的幅度（magnitude），因此受到許多研究領(lǐng)域的重視。此外，元分析也可以就調(diào)節(jié)變量（moderator）或中介變量（mediator）進(jìn)行再分析，為不同研究結(jié)果中自變量與因變量間的關(guān)系提供更多的信息。

該研究將符合條件的134篇實(shí)證研究納入分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鍛煉與認(rèn)知功能間呈現(xiàn)顯著且小幅度的相關(guān)，其效果量達(dá)0.25。該結(jié)果以較為全面的文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，提供鍛煉與認(rèn)知功能間存在正相關(guān)的證據(jù)。不僅如此，該元分析還將相關(guān)研究區(qū)分為急性鍛煉（acute exercise）、慢性鍛煉（chronic exercise）、橫斷式/相關(guān)（cross-sectional/ correlational）等研究類型，并均發(fā)現(xiàn)了鍛煉與認(rèn)知功能之間呈現(xiàn)顯著且小至中幅度的正向效果，其效果量介于0.16～0.53間。這些結(jié)果不僅再次驗(yàn)證了鍛煉與認(rèn)知功能之間的正相關(guān)，并且這些研究分類也為后續(xù)研究提供參考，在該研究領(lǐng)域具有里程碑的意義。

2.3 小結(jié)

Spirduso的開創(chuàng)性系列研究引發(fā)了后續(xù)學(xué)者的研究，而Etnier等人的元分析則初步建立了鍛煉與認(rèn)知功能之間的正相關(guān)。雖然此萌發(fā)階段的相關(guān)研究缺乏對鍛煉的精確定義和區(qū)分，對認(rèn)知功能方面的檢測也較為初步，以及研究多以橫斷式設(shè)計(jì)為主，但兩個變量間存在正相關(guān)的結(jié)果仍為“慢性鍛煉與認(rèn)知功能”議題的探究建立了基礎(chǔ)。

3 多樣化元分析與跨領(lǐng)域研究階段 （1998—2008）

3.1 經(jīng)典研究

在此階段的經(jīng)典研究為Kramer團(tuán)隊(duì)發(fā)表在Nature雜志上的文章［101］。該研究隨機(jī)將124名60～75歲的老年人分為有氧鍛煉組和伸展組，經(jīng)過6個月的干預(yù)后發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉組的老年人在有氧體適能上增加了5.1%（伸展組則降低了2.8%），此外，相比于伸展組，有氧鍛煉組的認(rèn)知功能表現(xiàn)也顯著提高，尤其是執(zhí)行功能（executive function）任務(wù)上，由于該研究結(jié)果系首次建立在縱向隨機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，意味著鍛煉對認(rèn)知功能可能有其因果關(guān)系，因此受到學(xué)術(shù)界較多的重視。

3.2 老年人群體與其他形式的元分析

Colcombe與Kramer［57］的一篇元分析是該領(lǐng)域的另一重要里程碑。該元分析的特色在于僅以縱向鍛煉干預(yù)為研究主線，分析其對老年人群體認(rèn)知功能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，慢性鍛煉干預(yù)能夠顯著促進(jìn)老年人群體的認(rèn)知功能，其效果量達(dá)0.48，為中等水平。此外，該元分析研究還提出，鍛煉方式采用有氧鍛煉、多種鍛煉方式結(jié)合，鍛煉時間大于6個月，以及每次31～45 min或46～60 min的鍛煉效益較大，其效果量介于0.41～0.67之間。該結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，慢性鍛煉干預(yù)所增加的心血管適能（cardiovascular fitness），對于老年人群體認(rèn)知功能的促進(jìn)作用。

更重要的是，該元分析以理論導(dǎo)向?yàn)榛A(chǔ)，將認(rèn)知功能劃分了4種類型，包括速度、視空間、控制過程，以及執(zhí)行功能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，慢性鍛煉干預(yù)對于所有類型的認(rèn)知功能均有顯著促進(jìn)作用，然其中對執(zhí)行功能的效益最大，其效果量達(dá)0.68。由于執(zhí)行功能屬于高階且與大腦前額葉有關(guān)的認(rèn)知功能，該研究結(jié)果為后續(xù)有氧適能對執(zhí)行功能的研究提供重要參考，也引領(lǐng)了后續(xù)針對執(zhí)行功能的探究，以及鍛煉“選擇性效益假設(shè)（selective improvement hypothesis）”的提出。

在Colcombe與Kramer［57］后，許多聚焦于老年人群體的元分析研究相繼發(fā)表，如認(rèn)知完整的老年人群體［20］；罹患認(rèn)知障礙或失智癥的老年人群體［81］；罹患失智癥的老年人群體［72］；以及住院治療的老年病患［62］等。該階段的研究還涉及了兒童［133］，以及采用了元回歸（meta-regression）方法［69］等元分析。基本上，這些元分析支持了鍛煉對老年人群體認(rèn)知功能的促進(jìn)作用，若依據(jù)美國健康照護(hù)政策與研究中心的等級建議劃分，還隸屬于A等級。這些元分析以多樣化的視角進(jìn)一步證明了慢性鍛煉與認(rèn)知功能之間存在著正向關(guān)聯(lián)［11］。

3.3 跨領(lǐng)域的結(jié)合

由于國際上對腦科學(xué)的重視，以及認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的興起，鍛煉與認(rèn)知功能的關(guān)系探究也在嘗試聯(lián)結(jié)至該領(lǐng)域。其中無侵入性（noninvasive）且具有高時間分辨率的神經(jīng)電生理（如事件相關(guān)電位，event-related potential，ERP）或高空間分辨率的腦成像技術(shù)（如結(jié)構(gòu)性磁共振成像，structural magnetic resonance imaging，sMRI）、功能性磁共振成像，functional MRI，fMRI）等，為鍛煉、認(rèn)知功能，以及大腦結(jié)構(gòu)或功能的關(guān)系提供另外的研究方向［12，13］。

3.3.1 事件相關(guān)電位（ERP）研究

Hillman等［82］首次采用ERP技術(shù)，探討不同身體活動量老年人在認(rèn)知功能上的差異，及其大腦神經(jīng)電位特征。ERP能夠反映出由刺激、事件或反應(yīng)誘發(fā)的大腦頭皮電位（electroencephalography，EEG）變化，并可以通過在特定時間窗內(nèi)的各個成分（component，如P3），反映特定的心理功能［12］。該研究招募了高、中、低身體活動量的老年人組與一組年輕人，比較他們在完成Flanker任務(wù)（flanker task）的行為表現(xiàn)及完成任務(wù)過程中的ERP變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，年輕組的反應(yīng)時間顯著優(yōu)于3組老年組，但3組老年組之間的差異并未達(dá)到顯著。ERP結(jié)果則發(fā)現(xiàn)，相較于年輕組，高、中身體活動老年組在不相容條件（incompatible condition）下的P3波幅（amplitude）更大，尤其在額葉的電極位置上；而低身體活動組在相容條件下則P3潛伏期（latency）更長。該結(jié)果表明，老化對認(rèn)知功能有負(fù)面影響，但老年時期進(jìn)行身體活動可能有助于提高執(zhí)行功能。ERP指標(biāo)則反映出，這些效益可能與記憶力和注意力過程的增強(qiáng)有關(guān)，以及認(rèn)知加工過程速度加快有關(guān)。該研究體現(xiàn)了同時測量行為和神經(jīng)電位變化的優(yōu)勢，并驗(yàn)證了之前提出的選擇性效益假設(shè)的論點(diǎn)。類似高身體活動量對反應(yīng)時間或ERP表現(xiàn)的效益，在隨后采用的Oddball任務(wù)（somatosensory oddball task）［78］或其他執(zhí)行功能任務(wù)，如任務(wù)轉(zhuǎn)換（task-switching）［84，129，140］等后續(xù)研究上也得到了證實(shí)。

3.3.2 磁共振成像技術(shù)（MRI）研究

Colcombe等［56］首次采用sMRI技術(shù)，探討了年齡與有氧體適能之間的關(guān)系。MRI是建立在有機(jī)體組織具有磁性的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生三維的大腦或身體組織影像的一種高空間分辨率神經(jīng)成像技術(shù)，可以分為探究結(jié)構(gòu)像的sMRI或大腦功能的fMRI［13］。

該研究招募了55名55～79歲的老年人，測量了他們的心血管適能和以體素為基礎(chǔ)的大腦形態(tài)學(xué)（voxel-based morphometry，VBM）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與年齡老化有關(guān)的大腦組織退化主要表現(xiàn)在額葉/前額葉皮質(zhì)、頂葉皮質(zhì)，以及顳葉皮質(zhì)等大腦灰質(zhì)；前側(cè)白質(zhì)束與頂葉較后側(cè)束等大腦白質(zhì)最為顯著。有趣的是，在以心血管適能作為自變量的分析后發(fā)現(xiàn)，適能較高的老年人在這些與老化有關(guān)的大腦灰質(zhì)和白質(zhì)上的密度更大。此外，心血管適能的效益即使在控制如酒精、咖啡、以及高血壓因素后，仍差異顯著，表明心血管適能對改善特定大腦組織具有顯著的效果。

除了對大腦結(jié)構(gòu)的研究，Colcombe等［58］又采用fMRI技術(shù)探討心血管適能和老化與大腦皮質(zhì)可塑性的關(guān)系。該研究設(shè)計(jì)了兩個實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)1采用橫向設(shè)計(jì)，比較了高、低心血管適能的老年人在完成Flanker任務(wù)時的大腦激活；實(shí)驗(yàn)2則采用隨機(jī)控制的設(shè)計(jì)，比較了有氧鍛煉或伸展運(yùn)動（時間：1周3次，持續(xù)6個月）對心血管適能和完成Flanker任務(wù)時的大腦激活。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是實(shí)驗(yàn)1的高心血管適能老年組，或?qū)嶒?yàn)2接受有氧鍛煉后的老年組，相較于各自的對照組（如低心血管適能或伸展運(yùn)動組）來說，在完成認(rèn)知任務(wù)時，前額葉與頂葉皮質(zhì)的激活程度更大，前扣帶皮質(zhì)（anterior cingulate cortex，ACC）的激活程度更低。前額葉與頂葉皮質(zhì)主要與空間選擇和抑制功能有關(guān)，而ACC則與注意過程的沖突監(jiān)控及注意力網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)指標(biāo)有關(guān)，該結(jié)果表明，心血管適能與老年人群體的認(rèn)知的大腦功能存在顯著正相關(guān)。

上述研究為采用sMRI與fMRI技術(shù)，為探討老年人鍛煉、認(rèn)知功能與大腦的關(guān)系提供了參考，隨后研究者則根據(jù)這些MRI研究，持續(xù)探究老年人心血管適能與神經(jīng)認(rèn)知老化的關(guān)系［59，83，100，111］。

3.4 小結(jié)

整體而言，此階段的研究發(fā)展具有以下幾個特色：

1)研究開始采用縱向設(shè)計(jì)的方法，為慢性鍛煉與認(rèn)知功能間之間的關(guān)系提供基礎(chǔ)；2)多樣化的元分析基本上證實(shí)了慢性鍛煉與認(rèn)知功能之間的正相關(guān)；3)采用跨領(lǐng)域的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)進(jìn)一步深入挖掘，這些技術(shù)能夠更精確的提供與鍛煉行為相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)或功能變化。必須注意的是，該階段雖然已呈現(xiàn)研究數(shù)量的增加，然研究多聚焦于老年人群或老化的議題；在鍛煉變量上則以有氧鍛煉或心血管適能為主軸；最后在認(rèn)知功能測試任務(wù)上，則基本聚焦于可同時測量簡單認(rèn)知過程與執(zhí)行功能的Flanker任務(wù)或任務(wù)轉(zhuǎn)換方面。

4 調(diào)節(jié)變量、中介變量，與多類人群多元主題蓬勃階段（2009—2016）

由以Pubmed數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的圖1可以發(fā)現(xiàn)，該階段的研究數(shù)量呈現(xiàn)巨大幅度的增加。不僅是數(shù)量的蓬勃，該階段所探討之次主題亦十分多元，使得慢性鍛煉與認(rèn)知功能之關(guān)聯(lián)得以由多面向角度進(jìn)行驗(yàn)證，其中執(zhí)行功能類別、鍛煉類型、中介變量、不同人群等4個次主題可視為該階段研究中的主軸，以下簡要分述。

4.1 執(zhí)行功能類別研究

建立在Kramer團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果基礎(chǔ)上：即鍛煉對高級認(rèn)知功能（如執(zhí)行功能），可能有更多的促進(jìn)作用，也被稱為選擇效益假說［57-59，100-111］，許多研究者開始針對執(zhí)行功能進(jìn)行研究。其中，Etnier與Chang［68］針對上一階段的文獻(xiàn)所提出的評論，為本階段的主題轉(zhuǎn)換提供重要基礎(chǔ)。

Etnier與Chang［68］指出，過去研究者多數(shù)采用單一認(rèn)知任務(wù)來代表執(zhí)行功能，也就是將執(zhí)行功能視為一個整體概念，但從神經(jīng)心理學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)，以及發(fā)展心理學(xué)等觀點(diǎn)來看，執(zhí)行功能至少可分為抑制（inhibition）、轉(zhuǎn)換（shifting），以及工作記憶（working memory）等成分［115］。此外，個別成分的執(zhí)行功能需以特定認(rèn)知任務(wù)進(jìn)行測量。為此，Etnier與Chang［68］不僅提出需要重新認(rèn)識執(zhí)行功能的定義，并且將過去其他領(lǐng)域測量執(zhí)行功能的工具，依據(jù)其使用程度高低，整理出29種常用的神經(jīng)心理測驗(yàn)（neuropsychological assessment）。有趣的是，過去鍛煉領(lǐng)域高頻率使用的測驗(yàn)多不在該常用測驗(yàn)中。最后該研究者還提出，鍛煉對于特定的執(zhí)行功能，使用不同測量工具時的結(jié)果可能不同。對執(zhí)行功能的分類可能為鍛煉與執(zhí)行功能，甚至二者之間的調(diào)節(jié)變量提供了參考。這些論點(diǎn)的提出，為后續(xù)鍛煉與執(zhí)行功能的研究指引了新的方向。

在Etnier與Chang［68］的評論提出后，新階段的后續(xù)研究逐漸朝向特定類別的執(zhí)行功能方向進(jìn)行，例如：抑制［44，89，91，134，147］、轉(zhuǎn)換［60，71，97，129］或工作記憶［43，96，141］等。

4.2 鍛煉類型的研究

在上一階段，研究基本上聚焦在有氧鍛煉，這與過去研究發(fā)現(xiàn)高心血管適能者具有較好的認(rèn)知表現(xiàn)有關(guān)。必須注意的是，雖然心血管適能與相關(guān)訓(xùn)練之間關(guān)系的效果量達(dá)0.41，但混合鍛煉的效果更好（效果量達(dá)0.59），意味著其他類型的鍛煉也有顯著效益［57］。為此，本階段的研究者嘗試采用其他類型的鍛煉，如阻力鍛煉、協(xié)調(diào)性鍛煉，甚至是中國傳統(tǒng)太極拳等進(jìn)行探討。

4.2.1 抗阻力鍛煉效果的研究

Liu-Ambrose與Donaldson［106］簡要綜述了3篇聚焦于阻力訓(xùn)練干預(yù)效果的文獻(xiàn)，并提出了阻力訓(xùn)練有益于老年人的認(rèn)知功能的論點(diǎn)。該綜述還提出了其中存在的可能機(jī)制，如阻力訓(xùn)練干預(yù)可引發(fā)血清同型半胱氨酸（serum homocysteine）與第一類型類胰島素生長因子（insulin-like growth factor I，IGF-1）。其后，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了為期一年的阻力訓(xùn)練干預(yù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是1周1次或1周2次的阻力訓(xùn)練，老年婦女的選擇注意力與沖突解決均有顯著提高［107］。事實(shí)上，阻力訓(xùn)練對認(rèn)知功能的效益，甚至可維持至干預(yù)結(jié)束12個月后［61］。另外，Chang等［47］還定義并設(shè)計(jì)了阻力鍛煉應(yīng)注意的概念與原則，綜述了以往研究阻力鍛煉與認(rèn)知功能的文獻(xiàn)及可能機(jī)制，為阻力訓(xùn)練與認(rèn)知功能的關(guān)系提供未來研究時參考之依據(jù)。

4.2.2 協(xié)調(diào)性鍛煉效果的研究

也有學(xué)者采用協(xié)調(diào)性鍛煉作為干預(yù)手段，如Voelcker-Rehage等［143］將91名老年人隨機(jī)分為心血管適能訓(xùn)練組、協(xié)調(diào)性訓(xùn)練組或?qū)φ战M，干預(yù)時間為每周3次，共持續(xù)1年。干預(yù)后，測試執(zhí)行功能和知覺速度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩個訓(xùn)練組的執(zhí)行功能和知覺速度成績顯著提高。這種鍛煉對執(zhí)行功能的效益在長期參與開放性鍛煉的老年人群體［60，89］、3個月舞蹈干預(yù)的老年人群體［55］，或經(jīng)常參加足球的兒童群體［48］中也得到了證實(shí)。尤需注意的是，即使協(xié)調(diào)性鍛煉與有氧或阻力鍛煉對于認(rèn)知功能的效益相當(dāng)，但其影響機(jī)制或路徑可能不同［73，89，143］。另外，協(xié)調(diào)性鍛煉，甚至加入運(yùn)動有關(guān)的認(rèn)知成分（如運(yùn)動策略）、生活技巧成分等，可能對兒童或老年人的認(rèn)知功能表現(xiàn)有相同甚至額外的效益。Pesce［122］呼吁未來研究或可由過去聚焦于鍛煉的量化（quantitative）特征向鍛煉內(nèi)容品質(zhì)（qualitative）特征的方向邁進(jìn)。

4.2.3 太極拳鍛煉效益的研究

東方式鍛煉如太極拳，因其運(yùn)動特殊性且包含多樣化層面，并對身體、心理健康的效益，一直受到學(xué)術(shù)界的重視［36，52，110］，但太極拳對于健康的效益是否能延展至認(rèn)知功能則未可知。Chang等［46］在過去身體活動與認(rèn)知功能關(guān)系的模式基礎(chǔ)上，首次針對太極拳提出“太極拳與認(rèn)知功能模式”，即太極拳可能因增進(jìn)生理資源（如睡眠）、減少疾病狀態(tài)（如降低高血壓），以及改善心理資源（如降低憂郁）等方式改善認(rèn)知功能。2014年，Chang的團(tuán)隊(duì)根據(jù)太極拳所涵蓋的多樣化特征（如增加心血管適能、動作適能、協(xié)調(diào)動作、社會互動以及冥想意念），進(jìn)一步提出太極拳如何通過本身特色改變大腦結(jié)構(gòu)與功能，進(jìn)而促進(jìn)認(rèn)知功能，為太極拳與認(rèn)知功能的探究建立模式概念的基礎(chǔ)。目前已發(fā)表了較多相關(guān)的實(shí)證性研究［71，103，150］及系統(tǒng)性評論與元分析［114，156］，證明了太極拳能夠提高老年人的認(rèn)知功能，尤其是執(zhí)行功能。

4.3 中介變量的研究

鑒于許多實(shí)證性研究與元分析均指出，心血管適能與認(rèn)知功能之間存在正相關(guān)，故心血管適能已被視為鍛煉與認(rèn)知功能之間可能的中介變量。然而，Etnier等［69］從回歸的角度卻發(fā)現(xiàn)，心血管適能不能顯著預(yù)測認(rèn)知功能。雖然該元分析將所有變量統(tǒng)一考慮（例如，將不同年齡視為同一變量），但該結(jié)果表明，心血管適能可能不是唯一的中介變量。事實(shí)上，近年來許多研究已提出其他類型的體適能也可能是中介變量，例如，動作適能［91，144］、阻力鍛煉、協(xié)調(diào)性鍛煉或太極拳等包含多方面的體適能種類，可不同程度地影響鍛煉與認(rèn)知功能的關(guān)系，未來研究建議可以此為基礎(chǔ)進(jìn)行探討。

過去ERP研究指出，長期參與鍛煉或高心肺適能者在完成執(zhí)行功能時的P3波幅更大，意味著這些人能夠在執(zhí)行任務(wù)時投入更多注意資源。另外，近期研究還聚焦于其他ERP成分與特定執(zhí)行功能的關(guān)系，并提出了不同的可能中介變量。例如，Chang等［43］同時探討了工作記憶任務(wù)誘發(fā)的N1與P3成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高身體活動量老年人相對于低身體活動量者誘發(fā)了更大的N1與P3波幅。隸屬于早期的N1和晚期的P3成分，其分別與工作記憶中的編碼與提取有關(guān)，該結(jié)果表明，高身體活動量的老年人在記憶過程中編碼與提取過程表現(xiàn)更好，而這有助于工作記憶的行為表現(xiàn)。該階段也有針對其他特定認(rèn)知功能的ERP研究，如工作記憶［95］、關(guān)聯(lián)性記憶（relational memory）［21，34］、長期記憶、工作記憶、內(nèi)隱記憶［123］等。

在MRI方面，研究主要涉及了sMRI與fMRI。例如，采用sMRI技術(shù)的相關(guān)研究不僅是聚焦整體大腦區(qū)域，還針對特定的大腦區(qū)域，并有許多發(fā)現(xiàn)。如發(fā)現(xiàn)高心血管適能者的海馬旁回體積更大［13，31，32，67］；另有以中介分析發(fā)現(xiàn)，海馬旁回是心血管適能與關(guān)聯(lián)性記憶任務(wù)的中介變量［32］；還有研究分析了全腦灰質(zhì)體積［16］和基底核［118］。不僅如此，研究還發(fā)現(xiàn)高心血管適能也可降低大腦萎縮性［152］，且能與較厚的大腦皮質(zhì)［24］與較高的白質(zhì)完整性［28］有關(guān)。在fMRI方面，高心血管適能者與大腦血流量呈正相關(guān)，而該效益已在老年人［86］、中老年者［153］等人群中得到了證實(shí)，足見該研究在中介變量相關(guān)研究的多元化。

4.4 不同人群的研究

4.4.1 老年人群體至兒童群體研究

除了持續(xù)上一階段中針對老年人群體的探究［65，66，98］，本階段逐漸聚焦于兒童群體。例如，分析了有氧適能對兒童執(zhí)行功能［126，131，154］或ERP指標(biāo)的影響［48，91，117，124］。也有研究采用MRI技術(shù)，分析了兒童有氧適能與大腦結(jié)構(gòu)的關(guān)系，如白質(zhì)、海馬回、基底核［26，32，33］；或與大腦功能的相關(guān)［30，145］。此外，針對兒童鍛煉與認(rèn)知功能的探究也可采用橫向設(shè)計(jì)，比較不同有氧適能兒童，或縱向身體活動干預(yù)設(shè)計(jì)，其研究不僅證實(shí)了鍛煉對兒童認(rèn)知功能的效益［51，85，96］，還提出有氧適能甚至可預(yù)測兒童一年后的認(rèn)知功能變化［35］。

4.4.2 健康人群至特殊人群研究

研究在此階段逐漸聚焦于特殊人群，在老年人群體方面，包括患輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment，MCI）、失智癥［80，121］或阿茲海默癥［23］等不同臨床癥狀的群體。而在兒童和青少年人群中，則主要關(guān)注注意力失調(diào)過動癥（attention-deficit hyperactivity disorder，ADHD）。ADHD兒童可能因額葉功能缺損，尤其在前額葉紋狀體網(wǎng)絡(luò)（fronto-striatal network）與額頂網(wǎng)絡(luò)（fronto-parietal network）的缺陷，使得個體呈現(xiàn)無法集中注意，產(chǎn)生沖動、過動等行為，而該些特征使得ADHD兒童在認(rèn)知、行為，以及社交方面表現(xiàn)出許多負(fù)性行為［27］。鑒于鍛煉能改善額葉和與其有關(guān)的認(rèn)知功能，鍛煉或可對于ADHD人群有所益處。有關(guān)慢性鍛煉與ADHD認(rèn)知功能的研究興起于2010年。Gapin與Etnier［75］首次發(fā)現(xiàn)，身體活動量與ADHD兒童多種執(zhí)行功能的測驗(yàn)間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；其后的一篇綜述則為該主題揭示了今后針對ADHD的研究方向［76］。總之，本階段的研究不僅涉及橫向設(shè)計(jì)，比較了不同適能在行為表現(xiàn)上的差異，近年研究已有縱向設(shè)計(jì)（如水中鍛煉課程）［44］，或從靜息態(tài)EEG（resting EEG）或ERP視角［88，90，91］，探討了特殊人群的多樣化特征。

4.5 小結(jié)

整體而言，雖然2009—2016年中的研究延續(xù)了上一階段，亦即建立在心血管適能與認(rèn)知功能之間的正相關(guān)基礎(chǔ)上，然而，其發(fā)展則呈現(xiàn)出更細(xì)致化、跨領(lǐng)域化，以及多元化等特征。具體而言，本階段開始就兩變量間的第3變量（third variable）進(jìn)行細(xì)致探究。在調(diào)節(jié)變量方面，研究主要聚焦于鍛煉類型、認(rèn)知功能類型，以及執(zhí)行功能類型等方向。研究還從ERP與MRI的視角，嘗試建立以腦科學(xué)為基礎(chǔ)的中介變量；最后，除延續(xù)過去對老年人群體的探討，開始聚焦于兒童與特殊人群。必須注意的是，該些次主題不僅是獨(dú)立探究，而是各次主題間有交叉探討之現(xiàn)象。事實(shí)上，單一實(shí)證性研究，基本上采取至少兩個次主題進(jìn)行探討，使得研究得以多面向的角度為慢性鍛煉與認(rèn)知功能間之關(guān)系提供證據(jù)。這多樣化意味著該階段對于慢性鍛煉與認(rèn)知功能研究的多元與蓬勃發(fā)展，未來研究已無法僅從單一方面進(jìn)行研究，需要進(jìn)一步綜合探索。

5 未來發(fā)展的議題與展望

5.1 鍛煉處方的建立及組合

許多實(shí)證性研究與元分析研究已經(jīng)基本上驗(yàn)證了慢性鍛煉與認(rèn)知功能之間的正向相關(guān)，甚至是因果關(guān)系。但是，在為個體提高認(rèn)知功能的鍛煉給予處方建議時，研究還需提供更細(xì)致的信息。根據(jù)美國運(yùn)動醫(yī)學(xué)會的指導(dǎo)，鍛煉處方或稱運(yùn)動處方（exercise prescription）需根據(jù)個體狀態(tài)，對鍛煉類型、強(qiáng)度、頻率、時間、時期，甚至是容量（volume）和過程（progression）等成分進(jìn)行考慮［19］。目前在類型方面，過去研究已由有氧鍛煉形式推及至阻力鍛煉、協(xié)調(diào)性鍛煉，以及太極拳，為鍛煉處方在類型方面提供基礎(chǔ)。但在其他鍛煉處方的成分方面，目前的研究資料仍較少。過去已有急性鍛煉通過劑量反應(yīng)關(guān)系（dose-response relationship）探討了一次性鍛煉的強(qiáng)度［40-42，147］和時間［39］效應(yīng)，為建立急性鍛煉處方提供了重要的參考依據(jù)。后續(xù)研究可根據(jù)此劑量反應(yīng)繼續(xù)探索，為建立增強(qiáng)認(rèn)知功能的鍛煉處方提供實(shí)證依據(jù)。

5.2 認(rèn)知功能類型多樣化探究

過去在認(rèn)知功能方面的探討已有較大發(fā)展，由最早期的簡單反應(yīng)［136］，逐漸轉(zhuǎn)向特定認(rèn)知功能，尤其是執(zhí)行功能［57］；在Etnier與Chang［68］的評論后，研究則開始朝向執(zhí)行功能，并已有許多成果。當(dāng)代研究則有另外兩個方向的發(fā)展趨勢：1)對特定認(rèn)知功能進(jìn)行細(xì)致探討，例如，在記憶方面，研究已對工作記憶［95］、關(guān)聯(lián)性記憶［21，34］、長期記憶、工作記憶、內(nèi)隱記憶［123］或項(xiàng)目記憶（item memory）［21］等進(jìn)行了多方面且細(xì)致的探討。2)出于對特定人群在生態(tài)效度方面的考慮，目前已有許多研究綜述針對兒童提供了其在整體學(xué)業(yè)表現(xiàn)［18，53］、語言［130］和數(shù)學(xué)［29，116］等特定學(xué)科的研究，為認(rèn)知功能在實(shí)際應(yīng)用中提供依據(jù)。這些趨勢可為后續(xù)研究者在探討不同認(rèn)知功能類型上提供參考。

5.3 調(diào)節(jié)變量的影響

調(diào)節(jié)變量是未來研究的可能方向之一。過去研究已經(jīng)就鍛煉類型、認(rèn)知功能類型、執(zhí)行功能類型，甚至是不同人群類型等調(diào)節(jié)變量進(jìn)行了探究，而近期研究則開始就其他調(diào)節(jié)變量進(jìn)行了初探。例如，Song等［134］指出，同時具備正常體重與高心血管適能者在簡單認(rèn)知過程中的反應(yīng)最優(yōu)，誘發(fā)的P3波幅最大。但是，同時具有肥胖與低心血管適能者在完成執(zhí)行功能任務(wù)時的表現(xiàn)最差。肥胖與心血管適能可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成為調(diào)節(jié)變量或中介變量，甚至是人群變量，未來研究建議以此理論模式為基礎(chǔ)進(jìn)行探究［38］。

近年來對調(diào)節(jié)變量研究的另一趨勢是，探索與認(rèn)知功能有關(guān)的基因表達(dá)，如脂蛋白E（apolipoprotein E，ApoE）基因［74，125，127］、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）基因［79，139］等，這些研究提供了以基因?yàn)橐暯翘剿麇憻捙c認(rèn)知功能關(guān)系的實(shí)證基礎(chǔ)，十分值得關(guān)注。

5.4 正向生活變量的整合

鍛煉已被視為改善認(rèn)知功能的健康生活形態(tài)因子，但一些其他因素也可能有益于認(rèn)知功能，包括認(rèn)知訓(xùn)練［120］、冥想［119］、飲食行為［99］等；是否鍛煉與這些因素效益存在不同，或整合這些因素能否對認(rèn)知功能有更大的效益仍未所知。近期已有部分研究開始探討這些主題，如結(jié)合認(rèn)知訓(xùn)練［64，132］、冥想［15］或飲食［102，105］等，這可能成為日后研究者的研究方向。

5.5 特定人群的拓展

除了對老年人、兒童和ADHD人群的研究以外，近期研究開始聚焦于認(rèn)知功能障礙或下降之人群，嘗試探討中慢性鍛煉或體適能對這類人群的影響，如：肥胖人群［38，51］、罹患失智癥與MCI［80，121］、阿爾茨海默癥之老年人群體［23］或帕金森氏癥（Parkinson disease）［142］等神經(jīng)退化癥；還有研究以罹患心臟衰竭（heart failure）臨床人群［17］，甚至是冰毒成癮者［148］為被試進(jìn)行了研究。這些研究皆彰顯了慢性鍛煉與認(rèn)知功能在人群特異性方面的多樣化未來方向。

5.6 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)跨領(lǐng)域的結(jié)合

跨領(lǐng)域已成為當(dāng)代研究的趨勢，其中，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)因結(jié)合了認(rèn)知心理學(xué)與神經(jīng)科學(xué)，以及其衍生出的非侵入性高時間或空間分辨率儀器的發(fā)展，成為探討認(rèn)知功能議題的首選學(xué)科。對人體研究而言，ERP與MRI已廣泛地被運(yùn)用于探索慢性鍛煉與認(rèn)知功能關(guān)系的研究；近期一些研究還采用了心生理指標(biāo)，如心率變異性（heart rate variability，HRV）［14，51，151］、以光學(xué)探索腦組織氧合作用的功能性近紅外光譜儀（functional near infrared spectroscopy，fNIRS）［63，92，155］，或是以分子影像為基礎(chǔ)的正電子放射斷層攝影（positron emission tomography，PET）［128，132］等，已在近期鍛煉與認(rèn)知功能議題上逐漸發(fā)展。

除了采用上述不同的技術(shù)，研究還可以采用不同的分析方法。以EEG為例，過去研究基本以P3成分為研究靶點(diǎn)，但近期有關(guān)急性鍛煉的研究已開始同時分析多種成分（如N1，N2，P3，或N450）［37］。此外，有研究還采用安靜EEG［88］、事件相關(guān)去同步（event-related desynchronization，ERD）［54］的方法，提供多層面的分析。相同的是，MRI在該領(lǐng)域的研究中也采用了多種分析方法，如白質(zhì)完整性（white mater integrity）［28］、大腦網(wǎng)絡(luò)整合性［146］等。

6 結(jié)語

慢性鍛煉與認(rèn)知功能的關(guān)系已成當(dāng)代鍛煉心理學(xué)中的重要議題。該議題的蓬勃發(fā)展是基于各個階段的基礎(chǔ)而來，例如，1975—1997年萌發(fā)階段中，Spirduso先驅(qū)系列性研究與Etnier等［70］的元分析研究；1998—2008年中，多樣化元分析與跨領(lǐng)域研究則基本上證實(shí)了，有氧鍛煉或心血管適能與老年人群體認(rèn)知功能之間存在正相關(guān)；而在2009—2016年的多元主題蓬勃階段中，研究以細(xì)致化、跨領(lǐng)域化，以及多元化等特征，針對慢性鍛煉與認(rèn)知功能的關(guān)系進(jìn)行了探討。這樣的國際發(fā)展趨勢也意味著未來研究已無法僅從單一方面，而需從多面向進(jìn)行交叉研究。本文嘗試從鍛煉處方的建立、認(rèn)知功能類型的特定探究、調(diào)節(jié)變量的影響、正向生活變量的整合、特定人群的拓展，以及認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)跨領(lǐng)域的結(jié)合等6個方面為華人未來在該議題上的探索提供參考依據(jù)。

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［155］ XU X，DENG Z Y，HUANG Q，et al. Prefrontal cortex-mediated executive function as assessed by Stroop task performance associates with weight loss among overweight and obese adolescents and young adults ［J］. Behav Brain Res，2017，321：240-248.

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Review and Prospect for Chronic Exercise and Cognitive Function——Historical Development from International Perspective

CHANG Yu-kai1，ZHOU Cheng-lin2，CHEN Ai-guo3，YAN Jun3，HUNG Tsung-min4

Exercise and cognition studies have become one of the fastest growing research topics in exercise psychology. Yet compared to their research development counterparts in the Western countries，Chinese psychological academic societies are still young，but full of potential，regarding advancing knowledge about this topic. In order to accelerate the development of Chinese academic societies，as well as to link up with the international academic societies involved in this particular discipline，we provide an extensive and thorough array of literature reviews based on the previous research literature in this area. Specifically，this study separately analyzes the main topics or developmental trends concerning the following stages：the sprouting stage (1975—1997)，the meta-analytic and multi-discipline stage (1998—2008)，and the multi-dimensional developmental stage (2009—2016). Finally，this study provides six aspects of future research directions for the Chinese academic societies. The sincere hope is that this review may provide foundational and cutting edge methods for the Chinese academic societies，thereby enabling their future research in exercise and cognition studies.

Long-term exercise；fitness；cognitive control；executive function；cognitive neuroscience

G804.8

A

1000-677X（2017）05-0068-12

10. 16469/j. css. 201705007

2017-01-20；

2017-04-19

張育愷，男，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)楦偧寂c鍛煉心理學(xué)、身體活動與認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)，Tel：（886）980321731，Email：yukaichangnew@gmail.com。

1.臺灣體育大學(xué) 競技與教練科學(xué)研究所，臺灣 桃園33301；2.上海體育學(xué)院 運(yùn)動科學(xué)學(xué)院，上海 200438；3.揚(yáng)州大學(xué) 體育學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；4.臺灣師范大學(xué) 體育學(xué)系，臺灣 臺北 10610

1.Taiwan Sport University，Taoyuan 33301，China；2.Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China；3. Yangzhou University，Yangzhou 225009，China；4. Taiwan Normal University，Taipei 10610，China.