近期，深圳大学邹立业教授（通讯作者）及其团队在Advanced Science期刊（IF= 14.3）发表了题为“Effects of Physical Exercise Breaks on Executive Function in a Simulated Classroom Setting: Uncovering a Window into the Brain” 的文章，研究发现，在久坐期间进行短暂运动干预能够改善执行功能，对提高认知表现有积极影响。
摘要
本研究旨在探讨在长时间久坐期间，进行短暂运动锻炼干预对执行功能、大脑皮层血流动力学以及微血管状态的影响。研究考察了三种不同的情境：不间断久坐（uninterrupted sitting, SIT）、15分钟中等强度骑行锻炼（moderate-intensity cycling break, MIC）和15分钟高强度骑行锻炼（vigorous-intensity cycling break, VIC）。同时使用近红外脑功能成像记录大脑活动。研究发现，运动干预显著改善了stroop任务的行为反应（反应时response time, RT; 错误率error rate，ER和逆效能得分inverse efficiency score, IES），运动组的行为指标较久坐组有明显的改善。进行运动后，视网膜动脉(Central Retinal Artery Equivalents, CRAE)和静脉的直径（Central Retinal Vein Equivalents, CRVE）增加，前额区域的皮层激活增强，且任务状态和静息状态下的因果密度增加。
注：
逆效能得分IES能够综合评估反应时间和准确性，IES低表示反应时短，正确率高。
因果密度是评估皮层网络中因果相互作用的强度和分布的综合指标，在本研究中采用格兰杰因果关系分析衡量。
研究背景
为了在更具生态效度的学校环境中研究急性体育锻炼对认知表现的影响，研究人员考察了短暂体育锻炼（如在久坐期间进行运动干预）对年轻人（如大学生）认知表现的影响。fNIRS对于运动相关的伪影具有相对的鲁棒性，并且能够以良好的空间和时间分辨率监测功能性脑变化，能够帮助更好地理解短暂体育锻炼引起的认知表现变化背后的神经生物学机制。
在此背景下，本研究通过双Stroop任务测量、fNIRS皮层血流动力学和视网膜微血管状态测量，研究久坐期间体育锻炼干预对执行功能的影响。为了模拟现实世界的场景，两段久坐和运动休息的时间被设定为与国内大学的连续两节课和休息时长一致。
研究假设
高强度的运动循环将对行为和神经生物学结果产生更大的益处。此外，执行功能和微血管状态的改善可能是由皮质血流动力学的改变介导的。
研究方法
本研究采用了单盲随机交叉设计，并进行了干预前后比较。被试按伪平衡顺序完成以下实验条件，每两个条件之间至少有7天的洗脱期（见图1）：
115分钟的不间断久坐（对照组）；
50分钟久坐 + 15分钟中等强度骑行 + 50分钟久坐（实验组1：中等强度骑行）；
50分钟久坐 + 15分钟高强度骑行 + 50分钟久坐（实验组2：高强度骑行）
为了提高生态效度，模拟大多数国内大学的典型课堂（50分钟）和休息时长（15分钟），在两个50分钟久坐期之间实验组进行了15分钟的短暂体育锻炼。
图1：实验流程说明
A、视网膜血管直径测量，随后用fNIRS记录5分钟静息态大脑活动。
B、完成双任务Stroop任务，同时记录fNIRS数据。
C、SIT组被试在08:35到10:30之间开始115分钟不间断久坐。MIC和VIC组被试在第一个50分钟后的静坐时间后进行了15分钟的骑行。久坐期间，被试可以阅读书籍或杂志，在笔记本电脑上工作，做作业或发送电子邮件，并避免可能导致情绪变化的活动（如看情感类电影）。
在体育锻炼休息期间，MIC和VIC条件下的被试分别在功率车上以中等强度或高强度连续循环15分钟体育锻炼。
D、重新测量视网膜血管直径（10:30-10:35）、记录静息态fNIRS（10:35-10:40）、双任务Stroop任务态fNIRS（10:40-11:05）。
认知范式——改进的双任务Stroop任务
使用Ward等人开发的改进双Stroop任务（见图1）。双Stroop任务由三个block组成：(1)基线Stroop 任务block，(2)颜色双Stroop任务block，以及(3)词汇双Stroop任务block。后两个block的顺序是平衡的。每个block包括一个练习序列和三个测试序列，每个序列有12个试次。每个block有25%的不一致刺激，25%的中性刺激和50%的一致刺激。在每次试验中，注视点持续8000 ms。刺激呈现时间为3000毫秒，间隔为500毫秒。每个block持续约504 s。
在基线Stroop条件下，要求被试尽可能快速判断字体颜色，同时记录看到“蓝色”这个词的次数。
近红外数据采集
fNIRS数据由NIRSport2设备（NIRx Medical Technologies， LLC，瀚翔脑科学代理）记录（图2）。在本研究中使用16个LED光源和16个探测器，覆盖9个感兴趣区域（ROI），即内侧额叶，左侧额上回，左侧额中回，左侧中央前回，左侧顶叶，右侧额上回，右侧额中回，右侧中央前回，右侧顶叶。
图2：近红外采集与通道布局
研究结果
行为认知结果的线性混合模型
LMM分析发现，实验组别、不同Stroop条件和评估时间对行为结果有显著的主要影响（图3）。与假设一致，从干预前到干预后，中等强度骑行（MIC）组比久坐（SIT）组更能降低RT、ER和IES。
图3：不同实验条件、运动干预前后、不同stroop任务行为结果（RT、ER、IES）图
视网膜血管直径的线性混合模型
与SIT相比，MIC和高强度骑行组（VIC）CRAE和CRVE均显著增加，与MIC组相比，VIC组在干预前后CRVE显著增加。
静息状态下的因果密度和Granger因果分析的线性混合模型
实验组别、评估时间以及它们的交互作用的显著效应。与SIT组相比，MIC组和VIC组均从干预前到干预后的因果密度显著增加。
基于任务的因果密度及Granger因果分析的线性混合模型
实验组别与评估时间之间的显著交互作用、实验组别与Stroop条件之间的显著交互作用，以及评估时间与Stroop条件之间的显著交互作用。与SIT组相比，MIC组和VIC组从干预前到干预后的任务因果密度均有所增强。干预前后，VIC组比MIC组因果密度显著提高。
与SIT相比，MIC在干预前后显著诱导了从ROI 1到ROI 3和从ROI 4到ROI 7的连接组；VIC在干预前后显著诱导了从ROI 1到ROI 3、从ROI 2到ROI 9、从ROI 4到ROI 1以及从ROI 4到ROI 7的连接组（见图4）。
图4. 格兰杰因果分析：任务相关的HBO因果密度；不同ROI的定向连接
中介效应
研究建立了一个标准中介模型，旨在探讨AVR对反应时间（RT）的影响是否通过基于任务的氧合血红蛋白（oxyhemoglobin, HbO）因果密度起作用（见图5）。结果显示，在控制了任务相关的HbO因果密度的影响后，AVR对RT的直接效应仍然显著。通过计算间接效应，任务相关的HbO因果密度在AVR与RT之间起到了中介作用，中介效应显著。
图5.中介模型
总结
研究结果表明，在久坐期间进行短暂体育锻炼可以立即改善执行功能，伴随着视网膜血管直径的变化，皮质激活和有效连接，所有这些都表明微血管和大脑功能得到改善。未来的研究应旨在阐明短暂体育锻炼中断与认知表现之间潜在的剂量反应关系，包括但不限于最佳持续时间和类型（如骑自行车、散步、跑步），以全面评估急性体育锻炼干预在增强认知表现和大脑健康方面的多功能性和有效性。
