高强度间歇训练对健康儿童青少年执行功能效果的系统综述

时间：2024-07-28

王俊宇，杨永，袁逊，谢婷，庄洁

1.上海体育大学运动健康学院，上海市 200438；2.武警警官学院，四川成都市 610000；3.巢湖学院体育学院，安徽巢湖市 238024；4.成都新桥小学校，四川成都市 610000；5.上海市学生体质健康研究中心，上海市 200438

0 引言

执行功能是涵盖诸多复杂且目标导向的高级认知过程[1]，包含工作记忆、抑制控制与认知灵活性等成分[2]，对于儿童青少年的发展至关重要，能使儿童青少年有效集中注意力、进行多任务处理、理解与管理自身情绪，并提升社交能力[3-4]。儿童青少年执行功能障碍[5-6]，如注意力缺陷多动障碍与攻击性行为等[7]，给家庭带来沉重的心理与生理压力。

运动是一种能有效增强儿童和青少年执行功能的手段[8-10]，但儿童和青少年的运动时间往往不足，高强度间歇训练(high-intensity interval training, HIIT)以其省时、高效、易于坚持等特点，逐渐成为儿童青少年青睐的运动方式[11]，成为传统训练方法的有效替代[12-13]。相较于传统有氧运动，HIIT 能带来类似甚至更为显著的认知改善效果[9,14-15]。但HIIT对儿童青少年执行功能影响的研究仍然较少，研究结论并不一致[16-18]。

1 资料与方法

1.1 研究架构

依照ICF 架构，对儿童青少年HIIT 策略和执行功能结局进行编码。本综述的PICO架构见表1。

表1 HIIT对健康儿童青少年执行功能效果的PICO架构

1.2 文献检索策略

依据PRISMA 声明[20]，采用主题词和自由词相结合的方式，在PubMed、Web of Science、Cochrane、Embase、Google Scholar 和中国知网检索相关文献，检索期限为建库至2023年7月31日。

英文检索式：(child OR children OR childhood OR pediatric OR pupils OR youth OR adolescents OR teenager OR juvenile OR primary school OR secondary school OR high school OR school age) AND (high-intensity interval training OR high-intensity intermittent training OR high-intensity interval exercise OR sprint interval training OR HIIT OR HIIE OR HIT OR SIT) AND (executive function OR executive OR execution OR working memory OR updating OR inhibitory control OR inhibition OR cognitive flexibility OR shifting)

中文检索式：(儿童 OR 青少年 OR 少年 OR 青年OR 学龄儿童 OR 少儿 OR 学生 OR 青春期) AND (高强度间歇训练 OR 高强度间歇 OR 冲刺间歇训练 OR间歇训练) AND (执行功能 OR 执行 OR 工作记忆 OR更新 OR 抑制 OR 认知灵活性 OR 转换)

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1.3 纳入与排除标准

纳入标准：①研究对象为6～12 岁的健康儿童或13～18 岁的健康青少年；②干预手段为HIIT；③报告与执行功能相关的结局指标；④随机或非随机设计的对照试验；⑤中文或英文。

排除标准：①研究对象为特殊人群，如运动员、超重或肥胖者、抑郁患者、注意力缺陷多动障碍或其他慢性病患者；②未明确提供HIIT 的具体实施方案，如训练持续时间、运动强度等；③非原创研究或仅为会议论文。

1.4 文献筛选和数据提取

2 名研究人员独立进行文献筛选与数据提取。先阅读文献标题和摘要进行初筛，然后进行全文审读，并根据获得的参考文献进行追溯。若出现意见分歧，与第3名研究人员讨论决定。

提取的数据包括：①文献的基本信息(作者、国家、发表时间)；②研究对象特性(年龄、性别、样本量)；③训练干预特征(训练强度和时间、间歇次数和休息时间、训练频率和周期)；④结局指标的测试方法(测量工具、测量指标)。文献筛选流程见图1。

1.5 质量评价

采用2010 版物理治疗证据数据库(Physiotherapy Evidence Database, PEDro)量表[21]，2 名研究人员独立对所纳入的文献进行质量评估。如有分歧，与第3 名研究人员讨论决定。量表共11 项，第1 项不计分，其余10 项每项1 分，总分10 分。9～10 分为高质量，6～8分为良好质量，4～5分为一般质量，＜ 4分质量较差。

2 结果

2.1 文献特征

共纳入15 篇文献[14-18,22-31]，来自9 个国家，发表日期主要集中在2016 年至2023 年，研究设计包括13 项随机对照试验(randomized controlled trial, RCT)、1 项非随机对照试验(non-randomized controlled trial,NRCT)和1 项交叉设计试验，共17 021 例研究对象。文献的基本特征见表2。

表2 纳入文献的基本特征

2.2 干预方案

干预因素包括干预周期、频率、持续时间、强度和WRR。本研究中，3 项研究报告单次干预的即时影响，其余12 项主要关注长期干预的效果，干预周期2周～10 个月，干预频率每周2～5 次，每次5～25 min；其中7项报告运动强度，为71%～90%最大心率。

2.3 干预效果

HIIT对健康儿童青少年执行功能的影响主要表现在工作记忆、抑制功能和认知灵活性3个方面。

工作记忆对短期信息获取、保存与操作发挥重要作用[32]，与智力、阅读能力、推理能力和问题解决能力密切相关[33]。10 项研究报告工作记忆结果，其中6项发现HIIT组工作记忆改善。

抑制控制是个体对无关信息的过滤和对自身习惯性反应的抑制能力[34]。共有11项研究报告抑制控制结果，其中6项发现HIIT组抑制控制改善。

认知灵活性是个体根据任务变化进行的工作记忆、注意力和反应选择的灵活调整能力[35]。共有3 项研究报告认知灵活性结果，1 项发现HIIT 组认知灵活性改善。

2.4 文献质量

纳入文献的PEDro量表评分5～8分，平均6.73分，总体质量较好。所有研究均报告资格标准、被试退出率≤ 15%、意向性分析、组间统计分析，所有研究均未对干预者施盲，1项未进行随机分配，6项进行分配隐藏，3 项对被试施盲，4 项研究评估者施盲，1 项未报告点估计和变异性测量。见表3。

表3 纳入文献质量评估表

3 讨论

已有高质量研究结果支持HIIT对健康儿童执行功能具有积极的促进效果，但部分研究结果并未发现明显效果。综合考察纳入的研究，我们发现，单次HIIT能有效提高健康儿童的抑制控制能力；而长期HIIT则对其工作记忆和抑制控制有显著效果。然而，无论单次还是长期干预，HIIT 对健康青少年的效果并不显著。

本研究显示，单次HIIT对健康儿童抑制功能有积极作用，效果可维持30～60 min[14,22]。Lambrick 等[36]发现，无论是HIIT还是MICT，都会增加8～10岁健康儿童前额叶皮质血流量和氧含量，但只有HIIT后，儿童的抑制控制改善。提示HIIT对抑制控制的急性影响可能与扣带回前部和前额叶皮质等与抑制功能紧密相关的脑区有关。HIIT增加这些脑区的血流量和神经营养因子浓度，以及儿茶酚胺类物质的含量，促进认知功能提升[37-38]。

但对13 岁以上的青少年，单次HIIT 对抑制控制未产生积极效果[23]。这种年龄差异同样出现在长期HIIT 干预中。4 项研究都未发现HIIT 可以提升青少年的执行功能[16-17,23,28]。这可能由于儿童和青少年处于不同的发育阶段。青少年阶段，大脑发育更成熟，尤其是主导抑制控制的前额叶皮质；而儿童阶段前额叶皮质尚未完全成熟，对HIIT 的反应性和可塑性较高[39-40]。此外，青少年阶段往往有更大的学习压力和挑战[41]，可能会对他们的心理，进而对HIIT的干预效果产生间接影响。

本研究中，只有3 项研究提及单次HIIT 对健康儿童青少年执行功能的急性影响[14,22-23]，可能会导致一定偏倚。未来应开展更深入的探讨。

本研究显示，长期HIIT 对健康儿童的工作记忆[24-26,29-30]和抑制控制[15,24-25,31]有效。连续6 周参与HIIT和MICT 的青少年，抑制控制均有提高，参与HIIT 更显著[15]。HIIT 在运动形式、强度、速度等方面更具变化，符合青少年的生理和心理发展需求，避免训练的单一与乏味[42]，干预效果更为显著。长期HIIT干预能有效地激发多种生长因子分泌[43-44]，促进神经生成，增强大脑神经互动，改善脑可塑性。绒毛核在抑制控制中起重要作用，HIIT能激发绒毛核内多巴胺受体活性，调节抑制控制[45]。

2 项研究显示，HIIT 对儿童抑制控制并未产生显著效果[29-30]，这可能与HIIT 的具体实施方案有关。有待进一步研究。

不同HIIT干预方案可能会产生不同的效果[46]。目前，HIIT 主要为间歇冲刺跑[15,25,29]和间歇循环训练[24,26-27,30-31]，均对儿童的工作记忆和抑制功能有益。Pesce 等[39]提出，相较于较低认知投入的活动(如跑步)，需要增加注意力和认知分配的训练更有助于提升认知能力。认知刺激假说认为，那些需要协调动作的运动活动能更有效刺激大脑中负责高阶认知过程的相关区域[47]。推测包含更多技能动作的间歇循环训练更有可能刺激大脑相应区域，从而推动执行功能发展。

各研究的运动剂量有明显异质性，并未形成统一结论。一些研究支持每周5 次、为期6 周的HIIT 干预[25]；而另一些研究则认为每周1 次、为期12 周的HIIT 计划(强度为90%最大心率)更优[48]。有研究则倾向于每次8～10 min、每周3 次、为期4 周的方案(如有氧运动和核心运动，≥ 85%最大心率)[26]。另有研究发现，进行≥ 8 周的HIIT 干预，能更有效地促进儿童和青少年工作记忆提升[17]。未来应进一步定量探索最有效的HIIT剂量。

在HIIT中，WRR是一个关键因素。HIIT的WRR可能调节HIIT 与执行功能之间的关系。较小的WRR(如30 s∶30 s)可能对儿童青少年执行功能有积极作用，而较大的WRR(如60 s∶30 s)则可能没有积极效果[23]。适当的高强度训练和间歇时间能增加脑血流量和氧合过程[49]，促进海马成纤维细胞生长[50]，从而对执行功能产生积极影响；如果高强度训练时间过长，恢复时间过短，则可能增加脑中乳酸浓度，对执行功能产生负面影响。此外，不同的WRR 还可能影响神经营养因子的分泌，从而对执行功能产生影响。我们没有检索到关于WRR 在执行功能中调节作用及其相关机制的研究。

训练方案是HIIT 的关键内容，是影响HIIT 效果的关键因素。本研究中，干预方案间差异较大，研究结果间的比较存在困难。未来需要更深入的研究优化HIIT方案。

执行功能的提升还需要考虑个体差异。一方面，个体的基础体能和运动能力会影响HIIT的可行性和效果；另一方面，心理因素，如动机、注意力、心理压力等，也可能影响到HIIT的效果。未来还需要探讨个体差异如何影响HIIT 效果，以设计更适合的训练方案。