一、研究背景
久坐行为对人类认知表现产生不利影响(Feter et al., 2024; Wheeler et al., 2020)，例如在大学生群体中，长时间久坐行为往往会引起脑血流供应不足，进而导致注意力下降及执行功能表现减弱(Zou et al., 2024)，因此会影响人脑学习的信息加工过程。值得注意的是，以往研究表明规律地参与体育活动对认知功能，尤其是执行功能表现（如抑制控制、工作记忆、以及认知灵活性）具有积极作用(Hillman et al., 2008; Ludyga et al., 2020; Stillman et al., 2020)。此外，短时有氧运动作为一种行之有效的健康管理手段，近些年来广受科学界和大众青睐。然而，关于在久坐行为发生期间进行短时有氧运动干预是否能有效改善高阶认知功能表现，以及不同强度的运动干预方案对执行功能表现的影响及其神经机制，仍缺乏全面阐明。基于此，本研究旨在采用行为学与影像学相结合的手段探究中断久坐的短时有氧运动对执行功能的影响及其神经机制。另外，通过模拟真实学习环境，本研究采用了交叉随机对照实验设计，研究中断久坐的短时有氧运动干预如何影响双重任务下（Dual-Task Stroop Task）的执行功能表现、近红外光谱的脑功能连接、以及视网膜微血管状态。
二、实验设计
本研究通过校园海报广告招募18-25岁健康大学生被试，纳入的大学生均报告正常视力、右利手、无心血管、代谢性疾病或神经系统相关病史，女性参与者需月经周期规律等。所有被试在实验前48小时内需要避免摄入咖啡因、酒精、尼古丁以及进行中高强度的体育活动。另外，使用R语言的‘simr’包计算被试数量以确保研究达到80%的统计功效，计算结果显示最少的样本量为63人。考虑到较长的实验流程中会出现部分脱落，本实验最终招募了71名被试（20.94±1.93岁，50.7%女性）。采用单盲、交叉随机对照设计，将符合实验要求的被试随机安排到3种实验条件，其中每两种实验条件发生的时间间隔至少为7天：（1）SIT（对照条件）：115分钟的无体育活动中断久坐条件；（2）MIC（实验条件1）：50分钟久坐行为 + 15分钟中强度骑行 + 50分钟久坐行为；（3）VIC（实验条件2）：50分钟久坐行为 + 15分钟高强度骑行 + 50分钟久坐行为（实验操作流程如图2所示）。
三、总结
采用线性混合效应模型（Linear mixed models）分析了三种实验条件（SIT、MIC、VIC）下的认知行为表现（图3）。反应时间（RT）、错误率（ER）和逆效率分数（IES是一种结合速度和准确性信息来衡量任务执行效率的评价参数）作为执行功能的评价指标进行分析(Townsend, 1983)。研究结果表明，相较于SIT条件，中（MCI实验条件）、高强度（VIC实验条件）的短时有氧运动中断久坐下的执行功能任务反应时间显著性缩短（emmean = -0.13）， 错误率显著性降低（emmean = -0.36），逆效率分数也有所改善（emmean = -0.20）。此外，高强度有氧运动中断久坐（VIC实验条件）对执行功能任务的反应时间（emmean = -0.09）、错误率（emmean = -0.17）、及逆效率分数（emmean = -0.13）的改善显著优于中强度有氧运动中断久坐（MIC实验条件），表明高强度有氧运动干预对大学生久坐期间的执行功能改善效果更为明显。
研究结果表明（如表1所示），实验条件x 测试时间产生交互效应出现在视网膜动脉当量（CRAE ：β = 4.46, p < 0.05）、视网膜静脉当量（CRVE, β = 6.34, p < 0.05）。相较于SIT条件，中（MCI实验条件）、高强度（VIC实验条件）的短时有氧运动中断久坐下的视网膜动脉当量 (emmean difference: 0.27, 3.03)、视网膜静脉当量 (emmean difference: 1.14, 3.72) 显著性改善。此外，高强度有氧运动中断久坐（VIC实验条件）对视网膜静脉当量的改善显著优于(emmean difference: 2.58; p < 0.05)中强度有氧运动中断久坐（MIC实验条件），表明高强度有氧运动干预对大学生久坐期间的视网膜微循环改善效果更为明显。
格兰杰因果关系检验（Granger Causality：判断一个时间序列的历史数据是否能帮助预测另一个时间序列的未来值，从而判断是否存在因果关系的统计方法）中的因果密度（Causal density）用于评估大脑皮层网络间的交互分布与强弱水平 (Barnett & Seth, 2014)。研究结果表明（图4），认知任务下的因果密度显著性结果主要出现在以下交互情况下，包括实验条件×测试时间交互 (β = 0.06)、 实验条件×认知任务交互(β = 0.09)、 测试时间×认知任务交互 (β = 0.27) 。相较于SIT条件，中（MCI实验条件）、高强度（VIC实验条件）的短时有氧运动中断久坐下的因果密度显著性增强(emmean differences: 0.004, 0.007; p < 0.05)。此外，高强度有氧运动中断久坐（VIC实验条件）对任务下因果密度(emmean difference: 0.003; p < 0.05)的增强显著优于中强度有氧运动中断久坐（MIC实验条件），表明高强度有氧运动干预对大学生久坐期间的脑网络水平增强效果更为明显。
脑区激活的功能连接结果显示（图5），相较于SIT条件，中强度（MCI实验条件）的短时有氧运动中断久坐下的功能连接（ROI 1 to ROI 3和ROI 4 to ROI 7）显著性增强。此外，相较于SIT条件，高强度有氧运动中断久坐（VIC实验条件）对功能连接（ROI 1 to ROI 3, ROI 2 to ROI 9, ROI 4 to ROI 1, ROI 4 to ROI 7）显著性增强。
中介分析结果显示（图6），AVR（视网膜微动脉/静脉比值）对执行功能任务下的反应时的总效应显著。在控制了任务下HbO（氧合血红蛋白）因果密度后，AVR对反应时的直接效应仍呈现出显著结果。此外，其间接效应为-0.82，中介效应显著。以上研究发现表明，AVR对执行功能任务下的反应时的直接效应和总效应显著，且执行功能任务下的HbO因果密度部分介导了AVR与反应时之间的关系。
四、讨论
本研究的结果支持了我们的假设，即短时有氧运动干预有效地改善了高阶认知功能及视网膜微血管状态，且其积极效应经由大脑皮层血流动力学增强进行调节。我们发现，相较于久坐对照条件，短时有氧运动干预条件可以有效地改善视网膜血管循环、执行功能表现以及执行功能相关脑区的激活水平，且高强度有氧骑行的效果优于中强度有氧骑行。从神经生物学角度来看，短时有氧运动干预对执行功能的影响可能通过改变皮质血液动力学，特别是前额叶皮质的活跃度来实现。此外，短时有氧运动还改善了静息状态和任务状态下的功能连接性和因果密度，从而提高了执行功能网络的效率。本研究还通过中介分析进一步揭示了视网膜微血管状态与认知性能之间的关联，指出微血管健康的改变可能通过影响大脑功能变化来影响认知表现，这一发现有助于深入理解短时有氧运动对认知功能的影响神经机制。
五、展望
未来的研究应进一步探讨短时有氧运动干预对执行功能的剂量反应关系，包括理想的锻炼时间和类型（如骑行、走路、跑步）、持续时间和强度的最佳组合，以全面评估短时有氧运动干预在改善认知表现和维持大脑健康方面的多样性和有效性。此外，长期进行有氧运动干预的效应及其对认知功能和大脑健康指标的影响也是一个有前景的研究方向，尤其是探讨长时间有氧运动干预对大脑皮层血流动力学、微血管变化的长期效益及其对执行功能的持续改善。此外，研究应考虑多种神经生物学机制，例如去甲肾上腺素和多巴胺系统的变化，这些都可能有助于解释有氧运动干预对认知表现改善的其他原因。最后，在实际应用方面，需要探索如何将短时运动干预无缝融入日常生活和工作环境。例如，在学校中设计与课程安排相兼容的运动休息时间表，或在办公室和交通工具中推广短时有氧运动策略。为实现这一目标，应鼓励教育机构、健康专业人士和政策制定者之间的跨学科协作，共同制定切实可行的干预措施，以减少久坐行为的负面影响。
五、作者贡献
本文的共同第一作者为BBM实验室成员于谦（澳门大学在读博士生）和张致豪（深圳大学在读博士生），邹立业教授担任通讯作者。此外，成员匡瑾（美国伊利诺伊大学在读博士生）和侯美君（深圳大学在读硕士生）参与了实验的实施和文章的修订工作。本研究还得到了以下权威学者的支持：Sebastian Ludyga教授、Boris Cheval教授、Kirk I. Erickson教授、Dominika M. Pindus教授、Charles H. Hillman教授、Arthur F. Kramer教授、Ryan S. Falck博士、Teresa Liu-Ambrose教授、Sean P. Mullen教授、Keita Kamijo教授、Toru Ishihara教授、David A. Raichlen教授、Matthew Heath教授、David Moreau教授、André O. Werneck博士和Fabian Herold博士。他们在实验设计、数据分析和论文撰写流程中均有突出贡献，确保了研究的科学性和论文的高质量。
七、基金资助
基金资助：教育部人文社会科学研究规划基金（23YJA880093），中国博士后科学基金（2022M711174），国家体育总局科技创新项目（23KJCX057），国家心理健康和精神卫生防治中心、中国教育发展基金中国教育发展基金（Z014），深圳市教育科学“十四五”规划重大招标课题（ZDZB22014），深圳市科科创委科技攻关项目（202307313000096），深圳大学卓越重大攻关项目（ZYZD2305）。
八、论文信息
论文信息：Q. Yu, Z. Zhang, S. Ludyga, K. I. Erickson, B. Cheval, M. Hou, D. M. Pindus, C. H. Hillman, A. F. Kramer, R. S. Falck, T. Liu-Ambrose, J. Kuang, S. P. Mullen, K. Kamijo, T. Ishihara, D. A. Raichlen, M. Heath, D. Moreau, A. O. Werneck, F. Herold, L. Zou, Effects of Physical Exercise Breaks on Executive Function in a Simulated Classroom Setting: Uncovering a Window into the Brain. Adv. Sci. 2024, 2406631.
九、参考文献
Barnett, L., & Seth, A. K. (2014). The MVGC multivariate Granger causality toolbox: a new approach to Granger-causal inference. Journal of neuroscience methods, 223, 50-68.
Feter, N., Ligeza, T. S., Bashir, N., Shanmugam, R. J., Herrera, B. M., Aldabbagh, T., . . . Herrera, D. (2024). Effects of reducing sedentary behaviour by increasing physical activity, on cognitive function, brain function and structure across the lifespan: a systematic review and meta-analysis. British Journal of Sports Medicine, 58(21), 1295-1306.
Hillman, C. H., Erickson, K. I., & Kramer, A. F. (2008). Be smart, exercise your heart: exercise effects on brain and cognition. Nature reviews neuroscience, 9(1), 58-65.
Ludyga, S., Gerber, M., Pühse, U., Looser, V. N., & Kamijo, K. (2020). Systematic review and meta-analysis investigating moderators of long-term effects of exercise on cognition in healthy individuals. Nature human behaviour, 4(6), 603-612.
Stillman, C. M., Esteban-Cornejo, I., Brown, B., Bender, C. M., & Erickson, K. I. (2020). Effects of exercise on brain and cognition across age groups and health states. Trends in neurosciences, 43(7), 533-543.
Townsend, J. (1983). Stochastic modeling of elementary psychological processes. CUP Archive.
Wheeler, M. J., Green, D. J., Ellis, K. A., Cerin, E., Heinonen, I., Naylor, L. H., . . . Lewis, J. (2020). Distinct effects of acute exercise and breaks in sitting on working memory and executive function in older adults: a three-arm, randomised cross-over trial to evaluate the effects of exercise with and without breaks in sitting on cognition. British Journal of Sports Medicine, 54(13), 776-781.
Zou, L., Herold, F., Cheval, B., Wheeler, M. J., Pindus, D. M., Erickson, K. I., . . . Dunstan, D. W. (2024). Sedentary behavior and lifespan brain health. Trends in Cognitive Sciences.
