长期身体活动模式与执行功能及脑功能连接的差异关联：规律运动时间与每日步数的横断面研究

《Brain Sciences》：Differential Associations of Long-Term Physical Activity Patterns with Executive Function and Brain Functional Connectivity

　　

目的：长期身体活动模式可能通过不同机制与认知相关联，但累积的中高强度运动与日常步行活动之间的直接比较仍较缺乏。本研究旨在考察规律运动时间和每日步数是否与健康年轻成年人的执行功能和皮层功能连接呈现不同的关联模式，并刻画这两种活动指标的重叠程度。方法：在这项横断面研究中，将48名健康年轻成年人按过去六个月的身体活动情况分层为高与低规律运动时间组（切点：≥150 min/周）以及高与低每日步数数组（切点：≥10,000步/天）。所有参与者完成Stroop任务以评估反应抑制和信息加工速度，同时使用63通道功能性近红外光谱（fNIRS）监测皮层功能连接。结果：高规律运动时间（≥150 min/周）与Stroop任务词语测验中不一致/一致正确率比值较高相关（t = 2.318，p = 0.0250，η² = 0.1046），这与Stroop干扰减少相一致；该关联未伴随皮层功能连接的差异。相反，高每日步数（≥10,000步/天）与Stroop词语测验中更短的反应时（t = 2.048，p = 0.0463，η² = 0.0836）以及所采样皮层区域间更高的连接（HbO：t = 2.104，p = 0.0409，η² = 0.0878；HbR：t = 2.431，p = 0.0190，η² = 0.1139）相关，包括HbO水平上更强的左侧中央前回–右侧枕叶连接（t = 4.837，FDR校正q = 0.0295）和HbR水平上右侧顶叶–左侧额下回连接（t = 4.983，FDR校正q = 0.0181）。规律运动时间特异性地与词语测验正确率比值相关（Spearman ρ = 0.337，p = 0.019），而每日步数相关的行为与脑活动指标之间未发现显著相关。结论：在该横断面样本中，身体活动以模式特异性的方式与认知表现相关：规律运动主要与反应抑制相关，而每日步行主要与加工速度相关，后者伴随所采样皮层区域间更广泛的连接。这些关联与可分离的神经机制相容，但并不能证明该机制，尚需在纵向和干预设计中进行检验。

**研究背景与问题**

身体活动不足已成为全球性公共卫生问题。世界卫生组织（WHO）2024年发布的最新数据显示，全球约31%的成年人和80%的青少年未达到推荐的身体活动水平。大量研究已报道规律身体活动与执行功能、工作记忆等高级认知功能，与脑结构和脑功能，以及在分子和细胞层面的有益关联。然而，不同身体活动模式通过何种神经过程与执行功能相关联仍待深入探索。青年期是执行功能成熟的关键窗口，前额叶皮层在此期间经历重要的结构和功能重塑，因此阐明年轻人身体活动模式与执行功能的具体关联对理解该人群认知健康具有重要价值。

当前身体活动指南主要以每周累积的中高强度身体活动时间为核心推荐指标。而每日步数作为一种简单直观的累积活动指标，也被证明与全因死亡率、心血管疾病风险和认知健康显著相关。近年来队列研究提示，步数对健康结局的预测力与中高强度运动时间相当。例如，2025年一项纳入663名老年人的横断面研究发现，每日步数与中高强度身体活动时间均与加工速度正相关，且即使在低至中等身体活动组中步数的预测效应仍然显著，提示步数独立于运动强度对认知功能作出贡献。此外，一项针对107名老年人的纵向研究显示，执行功能随访视间每日步数增加而平行改善。在年轻人群中，一项使用可穿戴设备的9个月前瞻性研究发现，较高的每日平均步数可预测更快的抑制控制反应时和更少的持续注意失误。尽管如此，在身体活动与执行功能相关的脑机制层面，直接比较规律运动时间（反映中高强度活动累积负荷）和每日步数（反映总活动累积量）这两种活动指标关联的证据仍然缺乏，且这两种指标本身的相关程度未知。

功能性近红外光谱（fNIRS）能够实时监测执行功能任务期间前额叶皮层的血流动力学变化。与功能磁共振成像（fMRI）相比，fNIRS在任务态脑功能研究中具有独特优势：其对检测与执行功能相关脑区（尤其是前额叶皮层）的血氧变化具有较高敏感性，能有效捕捉Stroop任务等抑制控制任务中皮层激活模式的个体差异；且设备便携、环境约束小，便于在横断面研究中获取具有更高生态效度的脑功能数据。多项研究显示，不同类型身体活动可通过不同强度阈值和累积方式差异性调节前额叶功能连接模式，但现有fNIRS证据多集中于老年人群或急性运动干预，针对健康年轻成年人长期身体活动模式与执行功能相关脑连接关联的研究——尤其是区分累积运动时间和累积步数各自贡献的研究——仍较匮乏。

基于此背景，本研究采用横断面设计，招募健康年轻参与者，收集其过去六个月的规律运动时间和每日步数，采用经典执行功能任务范式（Stroop任务）结合fNIRS测量多个额-顶-枕脑区的皮层功能连接，考察两种身体活动指标与执行功能表现及脑功能连接的关联。研究假设规律运动时间和每日步数作为不同维度活动（结构化运动与总步行量）的指标，会与执行功能和脑功能连接呈现不同的关联模式。

**主要技术方法**

研究纳入48名健康成年志愿者（年龄20–40岁，右利手）。研究经中山大学附属第一医院临床研究与动物伦理委员会批准（批件号[2024]469）。采用横断面设计，依据过去六个月规律运动时间（<150或≥150 min/周）和每日步数（<10,000或≥10,000步/天）分组。认知评估采用Stroop任务（含词语测验和颜色测验，各40试次），记录正确率与反应时并计算不一致/一致比值。使用63通道fNIRS系统（NirSmartII-500pro）采集额、顶、枕皮层氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）浓度动态变化，光源与探测器按国际10–20系统布置，经电磁三维数字化仪定位并结合MNI标准空间映射确定感兴趣区（ROI）。以Pearson相关系数进行通道级和ROI级功能连接分析，采用错误发现率（FDR）校正。统计分析使用SPSS 25.0及Python 3.13，组间比较采用独立样本t检验，并辅以连续变量敏感性分析及bootstrap系数差异检验。

**研究结果**

3.1 人口学与临床特征：共48名参与者全部完成实验流程。分组前以连续形式考察两活动指标关系，发现每周规律运动时间与每日步数呈弱且不显著相关（Pearson r = 0.206，p = 0.160；Spearman ρ = 0.216，p = 0.140），交叉分类显示两指标捕捉到 largely 不重叠的行为信息。两组在性别、年龄、教育程度、社交水平、身高、体重、BMI或血压方面均无差异（均p > 0.05）。唯一例外是运动时间比较中高规律运动组静息心率低于低运动组（p = 0.010），研究者认为此系运动诱发的心脏适应而非独立混杂因素，故未作混杂调整。

3.2 身体活动与认知表现的关联：就规律运动时间而言，各组在词语测验或颜色测验的总体正确率及总体反应时上均无显著差异。当正确率以不一致/一致比值表示时，高运动组（≥150 min/周）比值高于低运动组（t = 2.318，p = 0.0250，η² = 0.1046；平均差0.041，95% CI 0.005–0.077），提示词语测验中干扰效应较小；而词语测验反应时比值及颜色测验各项比值均无显著组间差异。就每日步数而言，高步数组（≥10,000步/天）与低步数组在各任务总体正确率上无显著差异；但高步数组词语测验总体反应时显著缩短（t = 2.048，p = 0.0463，η² = 0.0836；平均差?99.0 ms，95% CI ?196.3至?1.7），颜色测验呈下降趋势但未达显著；不一致/一致比值在各条件下均无显著差异。结果表明较高每日活动水平与任务执行速度相关，而与抑制控制正确率无可检测关联，且鉴于效应量该关联应视为初步性。

3.3 身体活动与Stroop任务期间皮层功能连接的关联：就规律运动时间而言，全局功能连接（HbO：t = 1.187，p = 0.241；HbR：t = 0.855，p = 0.397）及通道级网络连接在HbO或HbR水平均无显著组间差异，且无通道对通过FDR校正。就每日步数而言，高步数组在Stroop任务期间所采样皮层区域的全局功能连接系数更高（HbO：t = 2.104，p = 0.0409，η² = 0.0878，平均差0.097 z单位；HbR：t = 2.431，p = 0.0190，η² = 0.1139，平均差0.066 z单位）。通道级分析进一步显示，≥10,000步/天者在HbO水平上左侧中央前回（含辅助运动区，CH38）与右侧枕叶视觉联合皮层（CH58）间连接更高（t = 4.837，FDR校正q = 0.0295）；在HbR水平上右侧顶上区（CH17）与含Broca区的左侧额下回（CH26）间连接更高（t = 4.983，FDR校正q = 0.0181）。这两对连接是各自家族中唯一通过FDR校正的连接，解剖标签为近似值。

3.4 相关性分析：每周规律运动时间与Stroop任务词语测验不一致/一致正确率比值显著正相关（Spearman ρ = 0.337，95% CI 0.06–0.57，p = 0.019），提示每周运动时间越长Stroop干扰越小。然而每日步数与词语测验反应时（ρ = ?0.192，p = 0.192）、全局皮层功能连接系数与每日步数（HbO：r = 0.144，p = 0.328；HbR：r = 0.189，p = 0.198）以及反应时之间均无显著相关。这些相关均较弱且置信区间均包含零，提示规律运动时间较总每日步行与词语测验正确率比值关联更紧密，但未揭示相应的脑–行为关联。

3.5 连续变量敏感性分析：将连续运动时间（对数转换）与连续每日步数共同纳入模型并调整年龄、性别、教育及BMI后，两个预测变量与任何行为或连接结局均无显著关联（均p > 0.05）；系数方向与分组比较一致但置信区间较宽且包含零。以bootstrap检验两指标标准化系数差异，词语测验正确率比值（Δβ = 0.30，p = 0.334）、词语测验反应时（Δβ = ?0.10，p = 0.686）及全局HbO连接（Δβ = ?0.21，p = 0.281）差异均未达显著；仅全局HbR连接差异达到常规阈值（Δβ = ?0.43，95% CI ?0.83至?0.01，bootstrap p = 0.044），但因检验了六项结局且区间仅勉强排除零，应视为探索性。总体而言，连续模型未为分组结果提供独立统计学支持。

**讨论与结论**

讨论部分指出，本研究系统比较了规律运动时间（≥150 min/周）和每日步数（≥10,000步/天）与健康年轻成年人执行功能及任务态脑功能连接的关联。在认知行为层面，规律运动时间特异性与词语测验正确率比值相关，而每日步数主要与信息加工速度相关；在连接层面，高步数组显示所采样皮层区域间更高的连接，而规律运动组未见fNIRS连接差异。由于为横断面设计，这些差异描述的是关联模式而非效应，不能确立两指标通过独立机制起作用。

关于规律运动时间与高效反应抑制网络的关联，研究者指出该差异体现在词语测验不一致/一致正确率比值而非绝对正确率或反应时，一种解释是规律中高强度运动与高级认知控制核心——反应抑制相关联，但需限定：词语测验要求读词而忽略墨色，该方向干扰通常小于颜色命名方向，故该比值反映冲突颜色信息对词语加工的综合代价，不能特异归因于单一抑制过程。未发现fNIRS信号显著差异，研究者从技术局限（fNIRS检测深度约2–3 cm、缺乏短间距通道、空间分辨率有限）和神经效率假说（长期训练者执行熟悉任务时激活更聚焦经济）两方面进行解释，但强调该阴性结果同样可能与统计效力有限、皮层采样不全或真实的组间无差异相容，神经效率解释应视为待检验假设。

关于每日步数与更快加工速度伴随的连接模式，研究者提出两个候选层面：特定连接的相关性（左侧中央前回–右侧枕叶对可能与"视觉刺激–运动反应"环节效率有关；右侧顶叶–左侧额下回对可能与感觉运动–顶叶与额叶区间通讯有关，但解剖标签为近似，单个10 mm球估计的连接功能意义不应过度解读）以及全局连接（高步数可能伴随脑网络组织的广泛差异，与既往关于步行增加全脑灰质体积、改善白质完整性的研究一致；但脑–行为关系不一定一一对应）。高步数与更快加工速度相关却与反应抑制准确性无显著关联，这一模式与每日步数作为公共卫生指标的定位相符：它可能为基本认知效率提供广泛支持而非直接强化高级认知控制。

关于互补的关联模式，研究者提出将两种指标视为不同形式健康相关行为的描述性框架：规律中高强度运动为"专项训练"，主要与词语Stroop任务中更好的干扰控制相关；每日步行为"基础支持"，主要与更快加工速度及更广泛皮层连接相关。该框架为组织性描述而非检验模型，受若干数据特征约束：两活动指标仅弱相关（r = 0.21），连续关联直接比较时仅全局HbR连接差异显著且属探索性；两套分析基于同一48名参与者且行为与连接结局非相互独立；模式为横断面，无法区分活动模式塑造这些指标还是具有特定认知神经特征的个体采纳特定活动习惯。若框架在纵向和干预研究中获证实，则可将建议与目标认知域对齐。目前研究仅支持较温和的结论：两种活动指标与执行功能不同方面相关，并凸显非运动性活动的价值。

局限性包括：横断面设计无法确立因果或排除反向因果；样本为48名健康右利手年轻成年人且平均BMI约20 kg/m²，外推需谨慎且仅对d ≈ 0.83及以上效应有80%效力；两活动指标评估方式不同且不完善（运动时间为回顾性自报，步数由受试者自用消费级设备读取，品牌与算法未标准化）；两暴露均在常规切点二分化；fNIRS系统无短间距通道、未校正表层及系统性生理贡献，连接基于整个连续记录估计且未去除任务诱发反应，通道定位依赖标准头模型。未来方向包括纵向干预研究、多模态影像整合、更广泛人群验证、多维生理指标及结合静息态与任务态fNIRS的纵向设计。

结论部分译为：在健康年轻成年人中，长期身体活动模式与不同的认知指标和神经模式相关。高规律运动时间（≥150 min/周）与较高的词语测验正确率比值相关，未伴随皮层功能连接差异；而高每日步数（≥10,000步/天）与更快的加工速度和更广泛的皮层功能连接相关。这些横断面关联与结构化运动和习惯性步行可能通过不同的行为和神经通路与认知相关联的可能性相容。