認知參與型身體活動對發展兒童青少年執行功能的效果：基于ICF的系統綜述

聞嘉寧，金秋艷，張琦，李杰，司琦

1.浙江大學教育學院體育學系，浙江杭州市 310058；2.北京體育大學心理學院，北京市 100084；3.杭州師范大學附屬醫院認知與腦疾病研究中心，浙江杭州市 311121；4.杭州師范大學心理科學研究院，浙江杭州市311121

0 引言

執行功能是指在完成復雜認知任務時，調控其他認知過程、實現目的性和協調有序行為的高級認知功能[1‐2]。執行功能包含工作記憶、抑制控制和認知靈活性[3]3 種核心成分，并基于這3 種成分產生了推理、問題解決、計劃等更高階的認知功能[1]?！秶H功能、殘疾和健康分類》(Ⅰnternational Classification of Func‐tioning,Disability and Health,ⅠCF)將執行功能定義為特別依賴大腦額葉的高水平認知功能(b164)，包括復雜的目標定向行為，如決策、抽象思維、安排和執行計劃、心理可塑性以及在情景特異性行為選擇的適當性[4]。執行功能具有可塑性，可以通過訓練提高[5]。兒童青少年時期執行功能的發展對其身心健康以及成年后的社會成就等具有重要影響[6]。

認知心理學和鍛煉心理學的發展引發了對身體活動促進認知功能的深入探究[7]，特別是關于執行功能的提升效應[8]。研究者試圖通過解析身體活動的構成要素，進一步探究身體活動促進認知功能的效果，這些構成要素包括身體活動強度、持續時間、頻率和周期等，也包括認知資源的參與[9]。

在運動技能學習領域，研究者很早就關注了認知參與的概念，但認知和鍛煉領域研究關注的側重點與之不同。運動技能學習領域側重于身體活動過程中認知的參與作用，而認知和鍛煉領域側重于身體活動對認知(尤其是執行功能)的作用。運動技能學習領域更傾向于將“認知參與”視為身體活動或運動技能本身的一種屬性，是運動發生過程中自然伴隨的認知資源的使用。早期根據一維分類法，按照動作發生時所需認知策略的多少將運動技能分為低策略性技能和高策略性技能，強調個體在學習和實踐高策略性技能時需要更復雜的認知和決策。隨后，金泰爾的動作技能二維分類法[10]進一步考慮環境背景的調控，強調運動技能越復雜，個體為掌握該技能所需要投入的認知參與就越多。認知心理學領域的研究者則更多致力于將身體活動過程中的認知參與通過“可測量”和“可操作”來實現概念化，以調控認知參與程度的高低來考察其在身體活動影響執行功能過程中的貢獻。前期研究歸納發現，具有較高認知參與的身體活動(如球類運動、體育游戲等)相較于認知需求較低的身體活動(如跑步、蹬功率車等)對執行功能的積極影響更為顯著[11]。研究者在此基礎上進一步發展，提出了認知參與型身體活動(cognitively engaging physical activity,CEPA)這一概念[12]。

CEPA 是指經過專門設計的、以同時提高身體功能和認知功能為目的的身體活動。為了保證高階認知功能參與并得到刺激訓練，CEPA 需要至少滿足以下一種條件：①情境干擾(contextual interference)，即活動通過增加情境的不可預測性，促使參與者采取非自動化的應對行為；②心理控制(mental control)，即參與者需調用心理控制資源，以適應原有規則的變化并構建新的協調模式；③探索(discovery)，即活動內容涉及問題解決時，要求參與者能夠提出多種解決方案[13]。當CEPA 包含上述3 種條件的個數越多或每種條件下的認知需求越復雜，則代表從事該項身體活動的認知參與程度越高。目前的CEPA 有3 種類型，分別是結合認知任務的球類運動[14]、結合認知任務的基本動作技能訓練[15]和結合認知任務的體感游戲[11]。例如：在籃球運動中添加規則，要求在主試吹響哨子后，場上參與者立刻轉換攻防陣營；等到參與者熟悉了“哨聲‐攻防轉換”的運動模式后，再次改變規則為“聽到哨聲+看到紅色指示牌則需要攻防轉換，聽到哨聲+看到綠色指示牌則保持原有陣營繼續比賽”。隨機出現的哨聲和指示牌代表情境干擾的復雜性，在規則改變或難度增加后，參與者要通過心理控制來適應新規則，運動策略也會產生多種可能性[14]。因此，CEPA 要求參與者在具有挑戰性和復雜性的環境中，通過非自動化的反應來調整他們的運動模式，以實現身體和認知功能的雙重提升[13]。

本研究基于《國際功能、殘疾和健康分類(兒童和青少年版)》(Ⅰnternational Classification of Function‐ing,Disability and Health‐Children and Youth Version,ⅠCF‐CY)的分類體系及架構[16‐17]，系統評價CEPA 對兒童青少年執行功能的效果。研究已按照《系統綜述和薈萃分析優先報告的條目：PRⅠSMA 聲明》[18]在PROSPERO平臺完成注冊(No.CRD42022322004)。

1 資料與方法

1.1 研究架構

根據ⅠCF‐CY 的分類體系和架構，就CEPA 對18歲以下健康兒童青少年執行功能的干預策略和功能結局進行分析和編碼，以探究CEPA 對兒童青少年執行功能的干預效果。見表1。

表1 認知參與型身體活動影響兒童青少年執行功能的PICO架構Table 1 PICO framework of cognitively engaging physical activity affecting executive function of children and adolescents

1.2 文獻檢索策略

通過計算機檢索Web of Science、PubMed、Med‐line、EBSCO 和中國知網自建庫至2023 年11 月30 日的文獻。

英文檢索式：(child OR adolescent OR pupil OR elementary school student OR middle school student OR school‐aged) AND (cognitively engaging OR cognitive engagement OR cognitive demand OR cognitively chal‐lenging OR cognitive challenge) AND (physical activity OR exercise OR exergaming) AND (executive function OR inhibition OR working memory OR updating OR cognitive flexibility OR shifting)

中文檢索式：(兒童 OR 青少年 OR 小學生 OR 中學生 OR 學齡期) AND (認知參與 OR 認知投入 OR 認知挑戰) AND (身體活動 OR 體力活動 OR 體育鍛煉OR 運動干預 OR 體感游戲) AND (執行功能 OR 抑制OR 工作記憶 OR 刷新OR 認知靈活性 OR 轉換)

1.3 納入排除標準

納入標準：①研究對象為18歲以下健康兒童青少年；②身體活動干預形式為CEPA，原始文獻需對干預方案有明確、詳細的描述，包括干預周期、頻率、單次持續時間、強度、形式和內容等；③研究設計為隨機對照試驗(randomized controlled trial,RCT)；④結果變量包含執行功能；⑤中文或英文。

排除標準：①綜述、Meta 分析、相關或回歸分析、臨床指南、評論、會議摘要或研究總結等非實證研究文獻；②無法獲取全文。

1.4 文獻篩選與數據提取

首先通過標題和摘要進行初步篩選，然后根據文獻納入和排除標準閱讀全文并提取數據，最后根據已檢索到的參考文獻進行文獻補充。該過程由2 名研究人員獨立完成，如有分歧則與第3 名研究人員共同討論決定是否納入。提取的數據包括作者、國家、發表年份、研究對象信息(樣本量、年齡、性別)、CEPA干預特征(形式、強度、單次持續時間、頻率、周期)以及結局指標等。如一篇文獻既包含CEPA 又包含其他形式干預，則將其他形式干預視為對照組納入分析。

1.5 文獻質量評價

采用PEDro 量表[19]對納入文獻進行方法學質量評價。該過程由2 名研究人員獨立完成，如有分歧則與第3名研究人員共同討論決定。

2 結果

共納入15篇文獻[14‐15,20‐32]。文獻篩選流程見圖1。

圖1 文獻篩選流程圖Figure 1 Flowchart of literature screening

2.1 文獻質量評價

納入文獻的PEDro 量表評分6～9 分，平均6.6 分，整體質量較好。見表2。

表2 納入文獻的PEDro量表評分Table 2 Score of PEDro scale of the included literatures

2.2 納入研究的基本特征

發表于2014 年至2023 年，來自8 個國家(瑞士、意大利、美國、中國、荷蘭、加拿大、希臘和澳大利亞)，共涉及年齡4～16 歲的健康兒童青少年1 806 例。納入文獻對執行功能結局的測量主要包括b164高水平認知功能、b1643認知可塑性、b1648其他特指的高水平認知功能(即另外兩個核心成分：工作記憶和抑制控制)。文獻基本特征見表3。

表3 納入文獻基本特征Table 3 Basic features of the included literatures

2.3 干預方案

8 項研究[14‐15,20‐24,28]使用最大心率(Maximal heart rate,HRmax)百分比范圍定義運動強度，介于64%～93%HRmax；1 項研究[27]僅文字報告為中高強度，1 項研究[32]根據加速度計監控中高強度，另有5 項研究[25‐26,29‐31]未說明強度。單次干預持續時間為10～60 min。頻率為每周2～5 次。9 項長期干預研究[14,22,24‐27,29‐30,32]中，干預周期最短為4 周，最長為24周。

CEPA 包括結合認知任務的球類運動、結合認知任務的基本動作技能訓練和結合認知任務的體感游戲。①結合認知任務的球類運動包括足球、籃球和地板球，需要高度的手眼協調和目標導向。通過將認知任務融入這些運動來增加情境不確定性和時間壓力，促使參與者保持高水平的認知參與度。②結合認知任務的基本動作技能訓練包括跑、跳、蹲、坐、旋轉和保持平衡。這些活動引入認知任務要求，參與者需要運用高階認知功能，如抑制、轉換、更新、注意力、策略和問題解決來完成任務。③體感游戲是一類結合身體運動、激活身體和認知需求的電子游戲[11]。這些游戲通過增加虛擬場景中視覺和聽覺信息的隨機性來提高游戲難度，使參與者需要更多認知資源的投入。

在納入的15項研究[14‐15,20‐32]中，干預形式采用結合認知任務的球類運動有2項[14,28]，采用結合認知任務的基本動作技能訓練有8 項[15,20,22‐24,29,31‐32]，采用結合認知任務的體感游戲有5項[21,25‐27,30]。

2.4 干預效果

11 項研究[14,20‐22,24‐27,29‐31]在執行功能的至少1 種成分上表現出CEPA干預的積極效果。

13項研究[14‐15,20‐24,27‐32]考察了CEPA 對抑制控制的干預效果，但結果不一致。其中6 項研究[20,22,27,29‐31]發現單次或長期CEPA干預對抑制控制均具有促進作用，6項[14‐15,21,23‐24,32]未發現顯著影響，1 項研究[28]則表示單次CEPA干預對抑制控制產生短暫的消極影響。

8 項研究[14,21,23‐26,29‐30]考察認知靈活性，其中7 項研究[14,21,24‐26,29‐30]結果表明CEPA 干預對認知靈活性具有積極影響，僅1 項研究[23]在單次CEPA 干預后發現認知靈活性下降。

7 項研究[14,20,22‐24,30,32]測量工作記憶，僅有1 項研究[30]結果報告了CEPA 干預對工作記憶具有積極作用，其余6項研究[14,20,22‐24,32]均未能檢驗到CEPA干預效應。

12 項研究[14‐15,21‐24,26‐31]將較為單一的身體活 動，例如跑 步[15,21]、有氧運動[14,23‐24,31]或常規體育課[14,22,26‐30]作為 積極對照，其中有9 項 研究[14,21‐22,24,26‐27,29‐31]在 執行功能的至少1種成分上表現出CEPA干預的積極效應。

3 討論

3.1 CEPA干預影響兒童青少年執行功能的理論解釋

認知刺激假說得到許多CEPA 干預影響執行功能的實證支持[33‐34]。該假說認為，不同形式和內容的身體活動所內含的認知需求是提高認知表現的核心因素。這種認知需求包括兩個方面。

一方面是掌握運動技能所需的認知參與。根據金泰爾的動作技能二維分類法[10]，在環境背景維度，特定的運動任務使參與者處于特定的環境背景中，應對不斷變化，以求優化技能表現或參與結局；在動作功能維度，特定的運動任務也會要求參與者主動或被動地移動身體，或操縱球、器械等。動作技能本身對操作者的任務要求越多，技能越復雜，對認知參與的需求越大，需激活和高階認知過程相關的神經網絡，從而提高其在執行功能任務上的表現[35]。

另一方面是完成運動任務所需的認知參與。例如，預測隊友或對手的行為、快速決策以及和他人的競爭或合作等任務都需要與執行功能相關的高級認知加工過程和社會互動的參與[34]。通過動作技能和環境變化，將逐漸增加的認知需求融入到身體活動的形式和內容中，而這種有認知需求的身體活動和執行功能任務需要相似的思維方式和認知技能[36]。在動作技能分類中，根據動作發生時所需認知策略的多少，可將運動技能分為低策略性技能和高策略性技能。研究發現個體進行長期高策略性技能訓練能夠增強其與判斷和決策等高級認知功能有關腦區的可塑性[37]，從認知神經層面為CEPA促進執行功能提供了證據。

個別研究發現CEPA 干預對執行功能可能存在負面影響[23]。對此，研究者基于認知負荷理論[38]進行解釋，認為個體認知資源有限，CEPA 在已有能量消耗基礎上增加了認知資源消耗。由于CEPA 的認知挑戰過高或運動劑量過大，導致有限的認知資源在干預后被暫時消耗殆盡，因無法調用足夠的認知資源完成執行功能任務，最終致使任務表現水平下降[23]。

納入的15項研究中[14‐15,20‐32]，有7項[14,20,22‐24,30,32]考察了工作記憶，其中1 項[32]通過測試工作記憶容量反映工作記憶變化，而其余6 項研究[14,20,22‐24,32]均未見干預效應?？赡艽嬖谝韵略?。①工作記憶的發展階段。工作記憶發展的年齡跨度較大，從兒童階段開始，直至成年早期才基本成熟[39]，因此在低年齡段兒童中可能更難檢測到干預效果[20]。②認知任務測量指標的選取。工作記憶通常通過準確性評分來衡量，但有Meta分析表明反應時間和準確性對干預效果的敏感性不同[40]。未來研究可考慮同時使用這兩種測量指標，以更準確地探究CEPA 干預對工作記憶的影響。③干預內容的設計。強化工作記憶的動作和規則在設計CE‐PA 干預內容的過程中更難實現，可能導致對工作記憶的強化頻率較低[23]。④人群差異。針對非健康兒童，如孤獨癥患兒[41‐43]和注意缺陷多動障礙患兒[44]的CEPA 干預表現出工作記憶的積極效應，且均將工作記憶的改善歸因于CEPA 內容對工作記憶的強化[41‐44]。對比這些研究和本研究納入的CEPA 干預內容，并未發現較大差異。這可能意味著工作記憶的改善效果可能與參與者自身的工作記憶基線水平相關[45]。

3.2 CEPA干預執行功能效益的影響因素

3.2.1 身體活動強度、持續時間、頻率和周期

身體活動強度、頻率和持續時間對提高執行功能的貢獻程度呈現逐漸降低的趨勢[9]。納入研究中約70%的強度為中高強度，這與“倒U 型”關系的假說一致，表明中高運動強度有助于個體達到最佳認知表現[46]。然而，對于CEPA 干預，運動強度最佳劑量的選擇可能受到身體活動形式和個體認知能力的多重影響[47]。作為一類能夠調整認知參與程度的身體活動，CEPA需進一步探索其劑量效應。

最近有研究比較了不同持續時間的單次CEPA 干預對執行功能和注意網絡的影響差異，發現在進行15 min、65%HRmax體感游戲干預時，相比于5 min、10 min 和20 min 的干預，對執行控制信息加工速度有更大的促進效應[47]。未來應深入探討CEPA 干預的組成要素和執行功能之間的量效關系。

3.2.2 干預內容和形式

納入研究的CEPA 形式包括結合認知任務的球類運動、結合認知任務的基本動作技能訓練和結合認知任務的體感游戲。體感游戲(exergaming)是“exercise”和“gaming”的合成詞，這類基于身體活動的電子游戲通過自適應難度、即時反饋和多元人機交互等方式，以確保適當的運動強度、提高參與動機和增強積極體驗[48]。然而，高挑戰感和控制感更易誘發成癮行為，成癮傾向還可能受到游戲動機的影響而加劇[49]。對于身心尚處于發展中的兒童青少年，未來研究尤其需要關注如何在認知參與型“exercise”中獲得認知收益，同時減少“game”成癮的潛在風險。此外，基于體感游戲的干預通常使用商業游戲，獲取游戲參數和針對研究對象調整干預內容存在一定困難，這可能給探究干預效果的影響因素及其機制帶來阻礙[48]。

相比之下，結合認知任務的球類運動與結合認知任務的基本動作技能訓練可以在很大程度上彌補商業體感游戲的不足，并規避可能的成癮風險。這些非電子游戲的CEPA 更加經濟實惠，不像體感游戲那樣依賴昂貴的虛擬現實和物理傳感器等技術設備[48]。學校作為兒童青少年最重要的教育環境之一，更有可能接受非電子游戲型的運動干預，這也為在更大樣本中的推廣和檢驗提供了可能。此外，無論是基本動作技能還是運動項目的練習，其效果可能受到參與者的基礎身體素質、以往身體活動經驗或興趣偏好的影響[50]。未來研究可以對上述潛在影響因素進行測量，并調查受試者在接受干預后的體驗(如樂趣、享受和情緒體驗等)、參與動機以及持續參與意愿等方面的變化，通過動態調整干預方案內容的趣味性和針對性、提高參與者內部動機等方式進一步增強干預的積極效果。

3.2.3 認知參與程度

Anzeneder 等[51]的一項交叉設計研究，通過調整體感游戲干預的視覺信息呈現頻率，將認知挑戰水平分為低、中、高3 個等級，當干預時間為15 min、強度為65%HRmax時，隨著干預內容認知挑戰水平的提高，干預后抑制控制的信息處理速度也更快。未來研究可以通過改變運動技能、任務要求和環境復雜性等方式調整CEPA 中的認知參與程度，以更清晰地探究認知參與程度對執行功能的獨立影響。此外，還需探索認知參與程度和前述定量因素(如運動強度、持續時間、頻率和周期等)之間的動態交互作用，以及它們對執行功能乃至其他認知功能的遷移效應。

4 結論

CEPA 對兒童青少年的認知靈活性有效，對抑制控制的影響有爭議，而對工作記憶的影響尚未得到驗證。CEPA 的干預類型分為結合認知任務的球類運動、結合認知任務的基本動作技能訓練和結合認知任務的體感游戲。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。