急性抗阻运动对前额叶氧合水平及任务转换能力的影响：负荷策略与血流限制的考量

《Behavioural Brain Research》：Effects of Acute Resistance Exercise on Prefrontal Oxygenation and Task-Switching Performance: Considerations of Loading Strategies and Blood Flow Restriction

　　明珍·郑|凯斯·J·佩纳茨|杰里迈亚·布洛|李元在|宋智媛|保罗·洛普林齐|伊桑·C·希尔|约书亚·L·凯勒
美国得克萨斯州丹顿市北德克萨斯大学运动学、健康促进与娱乐系应用生理学实验室

**摘要**
尽管有研究认为急性抗阻训练会影响认知灵活性及相关的神经机制，但目前尚不清楚这些效应是否会因训练负荷的不同而有所差异，以及运动引发的额叶血流动力学变化是否真的能转化为认知改善。本研究旨在探讨：（1）不同训练组及条件下额叶皮层氧合血红蛋白的变化情况；（2）低负荷、带血流限制的低负荷以及高负荷抗阻训练对任务转换表现的影响；（3）运动引起的额叶氧合血红蛋白变化是否与任务转换表现的运动前后变化存在关联。30名身体活跃的成年人参与了三项随机对照的抗阻训练，每项训练包含四组深蹲动作。低负荷训练的负荷为一次最大重量的30%，可搭配或不搭配血流限制，而高负荷训练的负荷则为一次最大重量的70%。研究通过改良的斯特鲁普任务来评估运动前后的认知灵活性，以任务转换的反应时间和准确率为指标。额叶氧合血红蛋白水平则通过功能性近红外光谱技术在运动过程中进行检测，以每组相对于休息状态的变动值为分析依据。结果显示，额叶氧合血红蛋白水平在四组训练中逐渐上升，从第一组到第三组持续升高，之后趋于稳定，不同训练条件之间并无显著差异。任务转换的反应时间和准确性在运动前后均未出现改善，各条件间也无差异。最后一组训练时的额叶氧合血红蛋白水平与任务转换成本的变化无关。这些结果表明，虽然急性抗阻训练能显著提升额叶的血流动力学活性，但这种反应未必能立即带来认知灵活性的提升。

**引言**
抗阻训练被认为是一种有助于提升多种认知功能的行为策略，包括执行功能和记忆功能[1] [2] [3]。虽然在运动与认知关系的研究中，有氧运动一直更受关注[4]，但越来越多的证据表明，抗阻训练也能通过增加脑血流量、神经营养因子信号传导、神经电活动改变以及蛋白质合成等多种机制带来显著的神经认知适应性变化[5] [6] [7] [8] [9]。尤其是急性抗阻训练，已被发现与执行功能的变化相关，但研究结果并不一致，有些研究显示其具有促进作用[10] [11] [12]，而另一些研究则未观察到明显变化或仅有微小变化[13] [14] [15]。这种不一致性表明，运动引发的认知反应可能取决于运动刺激的具体特征以及运动过程中所涉及的神经生理机制[1] [2]，因此有必要进一步了解在何种条件下急性抗阻训练才能真正提升认知功能。

在抗阻训练的各种可调节因素中，训练负荷和血流限制的应用越来越受到重视。传统的高负荷抗阻训练（负荷超过一次最大重量的70%）能够引发强烈的神经肌肉和血流动力学反应[10]，但这类负荷可能并不适合所有人。相比之下，低负荷抗阻训练结合血流限制的方法，是在休息状态下通过外部压力部分限制动脉血流入，并完全阻断静脉血液流出，不过由于肌肉收缩时肌内压力增加，仍可能有间歇性的血液流出。尽管外部负荷较低，这种方法仍能显著增加代谢压力[16] [17]，因此作为一种替代训练方式，尤其适用于那些无法承受高强度抗阻训练的人群，如老年人和临床患者。值得注意的是，血流限制被认为能够引发与高负荷训练相似的生理反应，包括脑血流动力学的改变[18] [19]。然而，这些运动引发的生理反应是否也会影响神经反应，进而转化为执行功能等行为表现，目前尚不明确，尤其是在急性抗阻训练的背景下。

越来越多的证据表明，急性抗阻训练可以调节额叶皮层的血流动力学反应，额叶激活程度的变化可能反映了认知需求和训练负荷的不同。马丁斯等人[10]的研究也支持这一观点，他们发现高负荷抗阻训练比低负荷训练更能提升额叶的氧合水平。功能性近红外光谱技术是一种非侵入性的光学神经成像方法，通过检测氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化来反映大脑皮层的激活状态[20]。由于其便携性和对运动的相对耐受性，该技术非常适合用于研究不同强度运动期间的大脑活动[21]。尽管如此，现有研究主要关注的是在抗阻训练前后进行认知任务时额叶血流动力学的变化（如Chang等人，2017年；[10]），而对运动过程中本身的神经反应关注较少。因此，目前对于抗阻训练过程中额叶氧合血红蛋白的变化规律，以及这些变化是否与后续认知表现的改变存在关联，我们知之甚少。此外，尽管血流限制抗阻训练越来越受欢迎，但现有研究尚未探讨其背后的脑-行为关系。因此，研究运动过程中的神经活动有助于填补现有文献中的这一空白，它不仅能揭示不同训练负荷所带来的生理和认知需求，还能帮助我们理解这些反应与运动后认知表现之间的关联。

急性抗阻训练可能会影响执行功能，其效果在不同认知领域存在差异，比如工作记忆、抑制控制以及认知灵活性[12]。其中，认知灵活性指的是根据任务需求的变化调整行为的能力，通常通过任务转换范式来评估——当个体需要在不同的任务规则之间切换时，就会产生性能成本[22]。例如，个体可能需要在时间压力下放弃之前的反应模式，迅速建立新的反应模式。这类切换任务会给执行控制过程带来较大负担，从而表现为可测量的性能成本，这些成本被认为是由任务重新配置以及应对竞争性任务表征的干扰所导致的[23]。由于这些过程依赖于高效的额叶控制功能[24]，因此可以合理推测，需要更高努力的抗阻训练可能会带来更高的额叶氧合血红蛋白水平，进而提升认知表现。尽管认知灵活性在理论上非常重要，但在急性抗阻训练的相关研究中，它所受到的关注仍然少于工作记忆和抑制控制等其他认知领域。虽然威尔克等人[12]的一项系统评价和元分析表明急性抗阻训练可能对认知灵活性有积极影响，但这些结论基于的研究数量相对较少，因此其说服力和普遍适用性都有限。此外，不同研究之间在任务范式和结果测量指标上的差异也可能导致研究结果不一致[15] [25]，这进一步凸显了开展更多研究的必要性。因此，本研究选择任务转换成本作为认知灵活性的指标，旨在探究不同抗阻训练条件是否会对任务转换表现产生不同影响。总体而言，有必要更深入地了解运动过程中额叶反应与运动后认知灵活性之间的关系。

综上所述，本研究有三个目标：（1）分析不同训练组（第1至4组）和不同训练负荷条件（低负荷、带血流限制的低负荷以及高负荷抗阻训练）下额叶氧合血红蛋白反应的时间变化规律；（2）确定不同训练负荷是否会在运动后对执行功能产生影响，重点关注认知灵活性的任务转换成本指标；（3）评估运动引起的额叶氧合血红蛋白变化是否与任务转换成本的运动前后变化存在关联。根据先前的研究结果[9] [10] [26]，本研究提出了以下假设：（1）随着训练组的增加，额叶氧合血红蛋白水平会逐渐上升，反映出逐渐增加的生理需求，且不同训练条件之间可能存在差异；（2）抗阻训练会引发任务转换成本的急性变化，且变化幅度因训练条件而异；（3）无论训练条件如何，运动过程中额叶氧合血红蛋白水平的更大增幅都会带来更积极的任务转换成本变化，这说明额叶激活与急性抗阻训练后的认知灵活性之间存在一定的神经-行为关联。验证这些假设具有重要意义，因为其结果可以为希望利用抗阻训练提升认知功能的医疗保健人员和运动专业人士提供基于证据的指导。

**参与者与样本量**
本研究遵循2013年《赫尔辛基宣言》中的伦理标准进行。研究方案已获得北德克萨斯大学机构审查委员会的批准（IRB-25-171）。所有参与者在参与研究前均签署了书面知情同意书。本研究并未提前注册，为保证透明度，这些参与者是从一项涉及多种因变量和自变量的更大规模研究中被筛选出来的。

**参与者特征**
参与者特征见表1。多项指标存在显著的性别差异，包括身高、体重、瘦体重、体脂百分比以及最大力量（所有p值均小于0.05），而年龄、BMI、脂肪量以及肢体压迫压力则不存在性别差异。

**额叶氧合水平**
采用3（训练条件）×4（训练组）的重复测量方差分析结果显示，训练组对额叶氧合血红蛋白水平有显著主效应，F(1.61, 43.40) = 44.42，p < 0.001，ηp2 = 0.622，说明不同训练组之间的额叶氧合血红蛋白反应存在差异。

**讨论**
本研究旨在：（1）分析急性抗阻训练过程中不同训练组和条件下额叶氧合血红蛋白的反应规律；（2）确定低负荷、带血流限制的低负荷以及高负荷抗阻训练是否会对任务转换表现产生不同影响；（3）探究运动引起的额叶氧合血红蛋白变化是否与任务转换成本的运动前后变化存在关联。我们的主要研究发现如下：1）额叶氧合血红蛋白水平在四组训练中逐渐上升，从第一组到第三组持续升高，而在第三组和第四组之间则趋于稳定；2）……

**结论**
总之，本研究结果表明，急性抗阻训练会导致额叶氧合血红蛋白水平在训练组之间逐渐上升，但这些反应在不同训练负荷条件之间并无差异，也未体现出认知灵活性的提升。此外，运动后期额叶氧合血红蛋白水平的变化与任务转换成本的运动前后变化无关。这些发现表明，运动过程中的额叶氧合血红蛋白水平主要反映了运动带来的生理和运动需求。

**作者利益声明**
不存在任何利益冲突。

**其他披露事项**
无。

**资金支持**
无。

**作者贡献声明**
明珍·郑、凯斯·J·佩纳茨、PD、ECH和JLK共同构思并设计了这项研究。明珍·郑、凯斯·J·佩纳茨、JB和JLK共同分析了数据。凯斯·J·佩纳茨、WL和JS负责实验操作。明珍·郑和JLK负责撰写初稿。所有作者都对 manuscript进行了编辑和修改，并最终确定了版本。

**作者贡献详细说明**
杰里迈亚·布洛：文字撰写——审阅与编辑、软件使用、正式分析、数据整理。李元在：文字撰写——审阅与编辑、方法设计、实验实施、数据整理。明珍·郑：文字撰写——审阅与编辑、初稿撰写、研究监督、方法设计、实验实施、正式分析、数据整理、概念构建。凯斯·J·佩纳茨：文字撰写——审阅与编辑、项目管理、方法设计、实验实施、正式分析、数据整理。宋智媛：文字撰写——审阅与编辑。

**致谢**
我们感谢所有参与者自愿遵守实验方案，同时也要感谢北德克萨斯大学运动学、健康促进与娱乐系对这项研究的支持。