篮球训练频率与6至8岁男童的执行功能相关


摘要

这项研究探究了篮球训练频率与6至8岁男童的执行功能(抑制控制、工作记忆和认知灵活性)之间的关系。研究共招募了40名来自本地课外篮球训练俱乐部的男童,分为低频组(每周一次)和高频组(至少每周两次),此外还招募了20名与年龄匹配的男童作为对照组(无训练经验)。所有参与者在休息状态下进行了“停止信号任务”、“N-back任务”和“切换任务”。从每个任务中获得的平均反应时间和准确度数据被用于统计分析。在抑制控制方面,组别之间的准确度或反应时间均没有显著差异。与此同时,在不同组别之间,工作记忆的反应时间也没有显著差异。然而,高频组在工作记忆的准确度方面显著高于低频组(85.4 ± 6.04%,P < 0.001)和对照组(83.73 ± 7.70%,P < 0.001)。此外,与对照组相比,高频组在认知灵活性的准确度方面显著较高(91.93 ± 7.40% vs. 85.70 ± 9.75%,P = 0.004),反应时间也更短(934.24 ± 213.02毫秒 vs. 1,122.06 ± 299.14毫秒,P < 0.001)。此外,认知灵活性的准确度与组别之间也存在正相关。这些结果表明,定期的篮球训练,尤其是高频训练,对于6至8岁男童的工作记忆和认知灵活性具有益处。

 

引言

执行功能(EFs)是指一组高级认知技能,用于在完成复杂任务时控制和调节各种基本认知过程(Miyake等,2000年;Diamond,2013年)。 EFs由三个主要能力组成:抑制、工作记忆和认知灵活性(Miyake等,2000年)。抑制与注意力和行为有关,可以防止我们在无关环境刺激的操纵下采取行动(Friedman和Miyake,2017年)。工作记忆是指临时存储信息并将其用于随后的处理的能力(Diamond,2013年)。认知灵活性是根据环境变化适当高效地调整我们的行为的能力(Dajani和Uddin,2015年)。EFs的发展是儿童和青少年认知发展中研究最广泛的要素之一。儿童的学业表现(Espy等,2004年)、情绪(Blair,2002年)和社会功能(Espy等,2011年)受到EFs的影响,这些也影响成年人在健康、收入和公共安全等领域的成就(Moffitt等,2011年)。因此,在儿童时期监测EFs的发展至关重要。

 

体育是一种具有明确目标、受正式规则管理并涉及身体运动的活动(Contreras-Osorio等,2021年)。参与体育活动为儿童和青少年提供了多重健康优势,如认知(Bidzan-Bluma和Lipowska,2018年)、心理(Eime等,2013年)和肌肉骨骼发展(Krahenbühl等,2018年),并降低了肥胖的风险(Chen等,2020年)。已有研究报告了体育活动与EFs之间的积极关联(Li等,2020年;Contreras-Osorio等,2021年)。作为一项全球流行的体育运动,篮球属于开放技能体育类别,涵盖了各种形式的运动,如奔跑、跳跃和投掷,并且在进程中需要高度的认知参与来获得许多技能。一些研究人员还提出,参与认知参与度高的体育活动(例如篮球)与参与认知参与度高的体育活动(例如跑步)之间的关系可能更强(Diamond和Ling,2016年;Ishihara等,2017a年;de Greeff等,2018年;Vazou等,2019年)。

 

在儿童中,参与体育活动的频率可能是增强EFs的重要组成部分(Ishihara等,2017a年)。之前的研究发现,每周上一次网球课的儿童在认知灵活性方面表现出改善,但在抑制控制或工作记忆方面并未发现类似的发展(Ishihara等,2018年)。然而,其他研究表明,每周参与五次体育活动干预的儿童在抑制控制和工作记忆方面显示出积极影响(Kamijo等,2011年;Hillman等,2014年)。与此同时,还需要进行更多关于体育活动频率与儿童EFs发展之间关系的研究。

 

本横断面研究的目的是评估篮球训练频率与三个EFs子组成部分(抑制控制、工作记忆和认知灵活性)之间的关联。预期高频篮球训练的儿童将表现出更好的EFs。

 

材料与方法

 

参与者

本研究招募了来自当地一所小学和课后篮球训练俱乐部的60名男孩(年龄在6-8岁之间)。根据训练频率,参与者被分为三个不同的组:(1)对照组:仅在学校参加一次每周以娱乐为导向的体育课的男孩,(2)低频组:参加一次每周额外篮球训练的男孩,(3)高频组:参加每周至少两次额外篮球训练的男孩。所有参与者均为右手,具有正常或矫正的视力,没有色觉缺陷或色盲。曾经患有身体或心理疾病、认知或注意障碍,并曾参加过类似实验的儿童被排除在研究之外。所有参与者及其父母均被告知本研究的目的。在进行调查前,父母或法定监护人提供了书面知情同意。该研究获得了北京体育大学伦理委员会的批准。表1显示了参与者的人口特征。人口特征概况相似,各组之间没有统计学上显著差异(P > 0.05)。

 

 

 

 

 

   

 

表1 被试信息统计

 

实验步骤

在测试之前,受试者通过Mini-Mental State Examination(MMSE)、Edinburgh Handedness Inventory(EHI)和Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder scale(ADHD)进行筛选。只有符合所有纳入标准的受试者才有资格参与研究。测试在10:00至13:00之间在一个安静的房间里进行,房间的温度保持在约23°C。受试者分别进行了停止信号任务、N-back任务和切换任务,以评估抑制控制、工作记忆和认知灵活性。为了减少误差,三个任务是随机排列的。参与者坐在离他们眼睛约57厘米远的17英寸电脑屏幕(联想ColorSync)前。为了进行刺激呈现和数据收集,使用了E-Prime软件(Psychology Software Tools,Inc.,Pittsburgh,PA,USA)。在正式实验开始之前,进行了实践实验(与正式实验相同)。当受试者完全掌握了实验过程,并且准确率达到90%以上时,进行正式实验。任务之间的休息时间为3-5分钟,实验在篮球训练后的休息时进行。

 

抑制控制

停止信号任务旨在评估抑制控制(Luo et al.,2021)。这个任务包括GO和STOP试验。GO刺激是四种黑色几何图形(三角形、正方形、圆形和菱形)之一,而STOP刺激是一个黑色的停止符号。实验从“+”提示开始。在中央定位十字“+”出现500毫秒后,GO刺激会在1,900毫秒后显示出来,有时会紧接着一个具有200、400、600或800毫秒的刺激起始间隔(SOAs)的STOP刺激。受试者被指示,如果图形后面没有跟随STOP符号,则按下左键,如果图形后面跟随STOP符号,则不要点击。该实验共包括208次试验,其中112次为GO试验,96次为STOP试验(每个SOA有24次STOP试验)。

 

工作记忆

通过N-back任务评估工作记忆(Wolf et al.,2015)。在N-back测试中,参与者会显示四个图形(三角形、正方形、圆形和菱形),并被指示在当前刺激与前n个位置呈现的项目相同时按下按钮。在本研究中,进行了两个块(0-back和1-back测试)。在测试期间,屏幕会显示一个黑色提示“+”,持续500毫秒,提醒参与者开始试验,然后其中一个四个图形将显示2,500毫秒。对于0-back块,参与者需要在图形是三角形时按下左鼠标按钮,在图形不是三角形时按下右鼠标按钮。对于1-back块,除了第一个图形外,参与者需要确定当前图形是否与前一个图形相同,并通过按下左鼠标按钮(如果相同)或右鼠标按钮(如果不同)来回应。点击后,图形会自动消失,然后屏幕会在500毫秒后变空,然后开始下一轮试验。参与者必须在3,000毫秒内回应,否则此试验的答案将被记录为错误。每个块有80次试验,每次试验持续3,000毫秒。

 

认知灵活性

我们使用切换任务来估计认知灵活性(Luo et al.,2021)。该实验的刺激是四种图形(三角形、正方形、圆形和菱形)中的两种,水平放置,分别用红色和绿色突出显示。绿色(或红色)的中央“+”会显示1,000毫秒,然后在3,000毫秒内会出现刺激。目标被认为是与提示颜色相同的图形。如果目标是(或不是)一个三角形图形,每个参与者都被要求点击左(或右)鼠标键。在按下按钮后,刺激将自动消失,然后在500毫秒的空白后,下一轮试验将开始。这个实验总共有186个试验,分为三个块。第一个是持续条件,包含两个连续的试验和两个相同颜色的提示。第二个是切换条件,包含两个连续的试验,但两个提示的颜色不同。第三个是持续性切换条件,其中有三个或更多个连续的试验,提示分为两种颜色。

 

统计分析

统计分析使用SigmaStat 3.5(SigmaStat 3.5,Erkrath,Germany)进行。在分析之前,使用Shapiro–Wilk测试检查了正态性假设。使用单因素方差分析(ANOVA)比较了三个组的人口特征。使用3(组:对照、低频、高频)× 4(SOAs:200毫秒、400毫秒、600毫秒、800毫秒)的二因素方差分析(ANCOVA)分析了停止信号任务的STOP试验的准确性数据。对于停止信号任务的GO试验获得的平均RT数据,进行了单因

 

素方差分析(ANOVA)。使用3(组:对照、低频、高频)× 2(块)的二因素方差分析(ANCOVA)分析了在其他两个EF任务中获得的平均RT和准确性数据。通过Holm-Sidak事后检验进一步分析了组的显著主效应。通过计算Spearman等级相关系数(r)来进行EF任务的平均RT或准确性数据与组之间的相关性。相关系数的强度被分类为微小<0.30、弱0.31–0.50、中等0.51–0.70或强>0.71(Sonesson et al.,2021)。显著性水平设置为P = 0.05。

 

结果

停止信号任务

对于停止信号任务的STOP试验,不存在显著的组别×SOAs交互效应(F(6,228) = 0.524,P = 0.790)。组别的主要效应不显著(F(2,228) = 1.601,P = 0.204),但SOAs的主要效应显著(F(3,228) = 37.309,P < 0.001)。然而,在组间分析中未发现显著差异(图1)。组别和SOAs之间未发现显著相关性(表2)。对于停止信号任务的GO试验,准确性和RT的统计分析显示组别之间没有显著差异(图1),同时未发现相关性(表3)。

 

1 停止信号任务实验结果

 

表2 各组在不同间隔时间下的停止试验准确率(平均 ± 标准差%)

 

表3. 各组在Go试验中的准确率和反应时间(平均 ± 标准差)

 

N-back任务

在N-back任务的准确性方面,组别和块之间不存在显著的交互作用(0-back任务,1-back任务;F(2,113) = 0.594,P = 0.554)。另外,组别的主要效应显著(F(2,113) = 15.939,P < 0.001),块的主要效应也显著(F(1,113) = 25.067,P < 0.001)。组间分析显示,在0-back任务和1-back任务中,高频率组的准确性显著高于其他两组(P < 0.05,图2)。0-back任务的准确性与组别之间存在微弱的正相关性(r = 0.317,P = 0.014);同时,1-back任务的准确性与组别之间存在中等的正相关性(r = 0.538,P < 0.001,表4)。在反应时间方面,组别和块之间不存在显著的交互作用(F(2,113) = 1.417,P = 0.247);同时,尽管组别的主要效应不显著(F(2,113) = 1.509,P = 0.225),块的主要效应显著(F(1,113) = 25.307,P < 0.001)。组间分析显示各组之间的反应时间没有显著差异(图2)。反应时间与组别之间存在微不足道的负相关性(r = -0.0273,P = 0.035,表4)。

表2 各组在不同间隔时间下的停止试验准确率(平均 ± 标准差%)

表4 各组在N-back任务中的准确率和反应时间(平均 ± 标准差)

 

 

转换任务

在转换任务的准确性方面,组别和块之间不存在显著的交互作用(Sustained between Switching,Switching,Sustained)(F(4,171) = 0.833,P = 0.506)。然而,组别的主要效应也显著(F(2,171) = 7.143,P = 0.001),块的主要效应同样显著(F(2,171) = 13.048,P < 0.001)。组间分析显示,在转换块中,控制组的准确性显著低于其他两组(P < 0.005,图3);而在持续块中,控制组的准确性显著低于高频率组(P = 0.009,图3)。转换块的准确性与组别之间存在微不足道的正相关性(r = 0.254,P = 0.049);同时,持续块的准确性与组别之间存在微弱的正相关性(r = 0.332,P = 0.010,表5)。在反应时间方面,组别和任务类型之间不存在显著的交互作用(F(4,171) = 0.314,P = 0.868)。任务类型的主要效应不显著(F(2,171) = 0.778,P = 0.461),但组别的主要效应显著(F(2,171) = 5.818,P = 0.004)。组间分析显示,在转换任务中,高频率组的反应时间显著低于控制组(P = 0.014,图3)。然而,并未发现显著的相关性(表5)。

 

图4 转换任务实验结果

表5. 各组在转换任务中的准确率和反应时间(平均 ± 标准差)

 

讨论

在本研究中,针对正在进行不同频率训练的儿童,进行了三个认知测试,以了解6-8岁男童的篮球训练频率与执行功能之间的差异和关系。研究发现,仅高频率的篮球训练可以增强6-8岁儿童的执行功能,特别是认知灵活性和工作记忆。

 

本研究结果显示,篮球训练的频率与儿童的执行功能增强之间呈正相关。训练频率是影响体育活动与执行功能关系的重要因素之一(Ishihara等,2017a)。与本研究的结果一致,先前的研究已经证明,每周进行开放技能训练对儿童的抑制控制和工作记忆没有显著影响(Ishihara等,2018),而相同类型的训练每周进行五次则改善了他们的认知灵活性、抑制控制和工作记忆(Hillman等,2014)。篮球是一种需要认知参与的运动,要求理解规则、与同伴竞争以及记住技术动作,这都需要执行功能的参与(Rösch等,2021)。可以得出结论,增加认知参与性运动的频率对儿童的执行功能有积极影响。这可能归因于频率和执行功能之间的剂量-反应关系(Ishihara等,2017b)。

 

另一个重要发现是,增加篮球训练的频率可以增强儿童的执行功能,特别是认知灵活性和工作记忆,这与早期的观察相符(Bryant等,2021)。认知灵活性是在实现内部目标或满足任务要求时,转移注意力和集中注意力的能力(Garon等,2008)。在篮球比赛中,需要高度的注意力以确保在运球时保持节奏的进行。此外,作为一种开放技能的篮球要求参与者在动态环境中表现,并对活动中的不可预测和频繁的环境变化作出反应(Dai等,2013;Chiu等,2020;Ke等,2021)。因此,篮球训练将使儿童迅速评估所有可能的情况,选择首选策略,并在必要时切换技术动作(Pedro等,2021),增加篮球训练的频率可能让儿童锻炼认知灵活性(Nuri等,2013)。工作记忆是指在保持信息可供使用的同时记住信息的能力(Baddeley等,1986)。增加篮球训练频率以改善儿童的工作记忆的可能解释可能是一方面,当儿童参加篮球训练时,他们需要不断记住篮球规则,这可能在参与过程中引起工作记忆。另一方面,在篮球训练中,儿童需要保持、更新和提取与任务目标相关的信息,同时忽略或抑制与当前情况无关的竞争信息,因此有效的信息处理需要工作记忆的参与(Furley和Memmert,2012;Vaughan和Laborde,2021)。此外,我们在高频率训练组的儿童中发现了工作记忆和认知灵活性的准确性以及转换的反应时间上的显著优势。这种准确性上的优势可能与篮球是一项目标导向的运动有关,训练中强调投篮准确性。毕竟,投篮准确性是决定篮球成功的最关键的才能之一,也是决定篮球队胜负的关键因素之一(Trninić等,2002;Chen等,2018)。此外,高频率训练组的儿童在切换反应方面表现更快,可能是因为在通过传球训练中的动态训练中,参与者需要排除外部信息(例如,观众的呼喊,对手造成的干扰),迅速找到策略,并及时切换动作,从而大大提高了他们的切换能力。

 

这一结果可以解释为体育锻炼改善执行功能似乎与其在大脑中引起的生理变化有关。研究证明,定期参与体育锻炼与大脑结构和体积的积极变化相关,如白质、顶叶灰质、海马体和基底节体积的增加(Erickson等,2009;Benedict等,2013;Niemann等,2014)。此外,体育锻炼被认为影响大脑神经可塑性,因为它增加了海马体中脑源性神经营养因子(BDNF)的合成,促进了神经元和突触的生长和分化,以及保护了神经元和突触的传递(Lista和Sorrentino,2010)。此外,最近的一项

 

研究证明,锻炼可以改善对大脑的血液循环,而锻炼血浆中的聚集则减少了大脑中的炎症并改善了记忆(De Miguel等,2021)。这些效应在儿童中可能更加明显,因为运动和认知技能在发展时间上具有相似的时间表,两者都在6岁到12岁之间加速发展。此时,他们的大脑发展迅速,特别是在背外侧前额叶皮质、前扣带皮质、顶叶皮质以及下皮质结构,如丘脑、尾状核、脑室和小脑(Bidzan-Bluma和Lipowska,2018)方面。因此,我们建议在此年龄段的儿童应增加体育锻炼,以获得更好的运动-认知益处(Álvarez-Bueno等,2017)。

 

然而,与工作记忆和认知灵活性的结果不同,我们的研究在不同篮球训练频率的儿童之间并没有发现抑制控制方面的差异。这一结果可能有几个原因可以解释。首先,这三个执行功能的组成部分可能彼此独立(Welsh等,1991),它们的进展与年龄有关(Huizinga等,2006;Best和Miller,2010)。此外,使用Stop-signal任务来测量抑制控制将揭示年龄上的优势(Cragg和Nation,2008)。由于参与者在本研究中的年龄,他们可能没有足够的认知发展来充分理解所要完成的任务。其次,评估类型和活动可能影响儿童的抑制控制与体育锻炼之间的关系(Burkart等,2018;Ludyga等,2022)。我们的研究在没有增加基于互动竞争的训练的情况下对儿童进行了训练,因此较不复杂的体育活动任务可能无法提供足够的刺激以改善抑制控制。

 

尽管我们的研究确认了高频率的篮球训练可能有助于6-8岁男童的工作记忆和认知灵活性的发展,并且揭示了运动与执行功能之间的正剂量-反应关系,但仍应注意一些局限性。首先,本研究采用了横断面设计,因此无法确认因果关系。其次,儿童的认知发展受到年龄和性别的影响(Ishihara等,2018),但我们的研究仅针对6-8岁的男童进行,因此结果可能不适用于女童或其他年龄组。第三,我们只考虑了篮球训练的剂量-反应效应,因此无法与其他体育运动进行比较,可能存在先前存在的偏好的可能未受控制的影响。第四,尽管三个组在学校都有相同的体育活动暴露频率,但不清楚不同的学校体育教育类型是否会影响儿童的执行功能。最后,我们所有的研究都得出了行为结果,因此无法确定任务性能变化的生理原因。需要进行纵向研究或干预设计,并使用更多样化的测量方法(例如,神经影像学)来确认认知参与性锻炼是否是支持儿童执行功能发展的有效工具。

 

总之,更频繁的篮球训练可能有助于6-8岁男童的工作记忆和认知灵活性的发展,但不会对抑制控制产生影响。

 

 

参考文献

Xu, Y., Zhang, W., Zhang, K., Feng, M., Duan, T., Chen, Y., Wei, X., Luo, Y., & Ni, G. (2022). Basketball training frequency is associated with executive functions in boys aged 6 to 8 years. Frontiers in human neuroscience, 16, 917385. https://doi.org/10.3389/fnhum.2022.917385

 

关键词:

维拓启创,E-prime,数据分析,认知测试

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经颅脉冲电刺激缓解运动员精神疲劳的实验研究

本文的目的是探讨自主研发的将经颅脉冲电刺激(tPCS)对缓解运动员大脑疲劳的作用。实验供60名大学生运动员随机分为刺激组和假刺激组。实验前后分别继续主观问卷调查、行为测试和fNIRS测试。采用重复测量方差分析比较两种实验条件前后大脑疲劳指数的差异。

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