Упражнението подобрява изпълнителната функция и постигането и променя активирането на мозъка при деца с наднормено тегло: рандомизирано контролирано проучване (2011)

Психол на здравето. Авторски ръкопис; налични в PMC Jan 1, 2012.
Публикувана в окончателно редактирана форма като:
PMCID: PMC3057917
NIHMSID: NIHMS245691
Окончателната редактирана версия на тази статия на издателя е достъпна на Психол на здравето
Вижте други статии в PMC цитирам публикуваната статия.

абстрактен

Цел

Този експеримент тества хипотезата, че упражнението ще подобри изпълнителната функция.

Дизайн

Заседнал, с наднормено тегло 7 - до 11-годишни деца (N = 171, 56% женски, 61% черен, M ± SD възраст 9.3 ± 1.0 години, индекс на телесна маса (BMI) 26 ± 4.6 kg / m2, BMI z-score 2.1 ± 0.4) са рандомизирани към 13 ± 1.6 седмици от тренировъчна програма (20 или 40 минути / ден), или контролно състояние.

Основни мерки за резултатите

Заслепените, стандартизирани психологически оценки (система за когнитивна оценка и тестове за постижения на Woodcock-Johnson III) оценяват познанието и академичните постижения. Функционално магнитен резонанс измерва мозъчната активност по време на изпълнителната функция.

Резултати

Анализът на намерението да се лекува, разкри предимствата от реакцията на дозата при упражняване на изпълнителната функция и постиженията на математиката. Наблюдавани са също предварителни данни за увеличена двустранна префронтална активност на кората и намалена активност на двустранната задната теменна кора, дължаща се на упражнения.

Заключение

В съответствие с резултатите, получени при по-възрастни хора, се наблюдава специфично подобрение на изпълнителната функция и на промени в мозъчната активация, дължащи се на физическо натоварване. Когнитивните и постигнатите резултати добавят доказателства за отговор на дозата и разширяват експерименталните доказателства в детството. Това проучване предоставя информация за образователния резултат. Освен важността му за поддържане на теглото и намаляване на рисковете за здравето по време на епидемия от затлъстяване в детска възраст, физическата активност може да се окаже прост, важен метод за повишаване на аспектите на психичното функциониране на децата, които са от основно значение за когнитивното развитие. Тази информация може да убеди възпитателите да реализират енергична физическа активност.

Ключови думи: познание, аеробни упражнения, затлъстяване, антисакади, fMRI

Изпълнителната функция изглежда по-чувствителна, отколкото други аспекти на познанието за аеробни тренировки (Colcombe & Kramer, 2003). Изпълнителната функция представлява надзорен контрол на когнитивните функции за постигане на целта и се осъществява чрез префронтална верига на кората. Планирането и провеждането на поредици от действия, които съставляват насоченото към целта поведение, изисква разпределение на вниманието и паметта, подбор на реакция и забавяне, поставяне на цели, самоконтрол, самоконтрол и умело и гъвкаво използване на стратегии (Еслингер, 1996; Lezak, Howieson, & Loring, 2004). Хипотезата за изпълнителната функция е предложена на базата на доказателства, че аеробното упражнение селективно подобрява работата на възрастните хора по изпълнителни функции и води до съответно увеличаване на активността на префронталната кора.Colcombe et al., 2004; Kramer et al., 1999). Детското познавателно и нервно развитие може да бъде чувствително към физическата активност (Диамант, 2000; Hillman, Erickson, & Kramer, 2008; Kolb & Whishaw, 1998). Теоретичните разкази за връзките между моторното поведение и когнитивното развитие през детството са варирали от хипотетични мозъчни мрежи до изграждане на представителни действия (\ tРакисън и Удуърд, 2008; Sommerville & Decety, 2006).

Мета-анализ на проучвания при упражнения при деца показва подобрено познание при упражнения; рандомизираните резултати от изпитванията обаче са несъвместими (Sibley & Etnier, 2003). Селективният ефект от упражняването на изпълнителната функция може да обясни смесени експериментални резултати, получени при деца (Томпоровски, Дейвис, Милър и Наглиери, 2008). Проучванията, използващи когнитивни задачи, изискващи изпълнителна функция, показват ползите от упражнениятаDavis et al., 2007; Tuckman & Hinkle, 1986), докато тези, които използват по-малко чувствителни мерки, неLezak et al., 200436, 611-612; например, Исмаил, 1967; Zervas, Apostolos и Klissouras, 1991). Предварителният доклад от това проучване, с по-малка извадка, показа полза от упражняването на изпълнителната функция (Davis et al., 2007). Крайните резултати са представени тук.

При деца енергичната физическа активност се свързва с по-добри оценки (Coe, Pivarnik, Womack, Reeves и Malina, 2006; Тарас, 2005), физическа подготовка с академични постижения (Castelli, Hillman, Buck, & Erwin, 2007; Dwyer, Sallis, Blizzard, Lazarus & Dean, 2001; Wittberg, Northrup, Cottrell и Davis, приети), и с наднормено тегло с по-слабо постижение (Castelli et al., 2007; Datar, Sturm, & Magnabosco, 2004; Dwyer et al., 2001; Shore et al., 2008; Taras & Potts-Datema, 2005). Най-силното заключение, което трябва да се направи по отношение на ефекта от физическата активност върху академичното постижение, е, че то не уврежда постиженията, дори когато отнема време в класната стая (Дуаер, Кунан, Лайч, Хетцел и Багурст, 1983; Sallis et al., 1999; Shephard et al., 1984). Тъй като наднорменото тегло е маркер за хронична неактивност (Must & Tybor, 2005), децата с наднормено тегло, заседналите деца може да имат по-голяма вероятност да се възползват от упражненията, отколкото от постните деца.

Основната хипотеза на това проучване е, че заседналите деца с наднормено тегло, назначени да тренират, ще подобрят повече от децата в контролирано състояние на изпълнителната функция, но не и на други когнитивни процеси като устойчивост на разсейване, пространствени и логически процеси и секвениране. Вторична хипотеза е, че се наблюдава връзка на дозовия отговор между упражняване и познание. Бяха проучени ефектите върху академичните постижения. Въз основа на предишни проучвания при възрастни, показващи промени в мозъчната функция, свързани с упражненията, ефектите върху активността в схемите на префронталната кора са изследвани чрез използване на функционална магнитно-резонансна томография (fMRI) в подгрупа от участници.

Начин на доставка

Основно проучване

Участниците

Учениците бяха набрани от училищата по време на 2003 – 2006 за изпитване на аеробни упражнения за здравето на децата. Децата са били допустими, ако са с наднормено тегло (≥85th процентил BMI) (Ogden et al., 2002), неактивен (няма редовна програма за физическа активност> 1 час / седмица) и не е имал медицинско състояние, което да повлияе на резултатите от проучването или да ограничи физическата активност. Рандомизирани са сто седемдесет и едно деца на възраст 7-11 години (56% жени, 61% чернокожи, 39% бели, M ± SD възраст 9.3 ± 1.0 години, индекс на телесна маса (ИТМ) 26.0 ± 4.6 kg / m2, BMI z-score 2.1 ± 0.4, родителски (т.е. първичен грижовен) образователно ниво 5.0 ± 1.1, където 1 = по-малко от 7th клас, 2 = 8th или 9th, 3 = 10th или 11th, 4 = завършил гимназия, 5 = малко колеж, 6 = завършил колеж, 7 = следдипломна квалификация). Едно дете е изключено от пост-тест поради психиатрична хоспитализация, която е настъпила след рандомизацията. Децата бяха насърчавани да се подложат на изпит, независимо от спазването на интервенцията. Включени са единадесет деца, приемащи лекарства за разстройство с дефицит на внимание (и са приемали лекарствата си както обикновено; n = 4 в контрола, n = 4 в ниска доза и n = 3 в група с висока доза), за да се максимизира обобщението. Децата и родителите завършиха писмено информирано съгласие и съгласие. Проучването е прегледано и одобрено от Институционалния съвет за преглед на Медицинския колеж на Грузия. Тестването и интервенцията се случиха в Медицинския колеж на Грузия. Диаграмата на потока на участниците е представена в Фиг 1.

Фиг 1 

Диаграма на потока на участниците.

Уча дизайн

Децата са разпределени на случаен принцип от статистиката към ниска доза (20 минути / ден) или висока доза (40 минути / ден) аеробни упражнения или на контрол без упражнения. Рандомизацията е стратифицирана по раса и пол. Задачите бяха скрити до приключване на базовото изпитване, след което бяха съобщени на координатора на проучването, който информира участниците. Контролното условие не предоставя никаква програма след училище или транспорт. Условията за упражняване са еквивалентни по интензивност и се различават само по продължителност (т.е. разход на енергия). Пет кохорти участваха в проучването през 3 години.

Аеробна намеса за упражнения

Децата, натоварени с упражнения, бяха транспортирани до програма за упражнения след училище всеки учебен ден (съотношението ученик: инструктор за 9: 1). Акцентът беше върху интензивността, удоволствието и безопасността, а не върху конкуренцията и повишаването на уменията. Дейностите бяха подбрани въз основа на лекотата на разбиране, забавлението и предизвикването на прекъсващо енергично движение и включваха игри с игри, скачащо въже и модифициран баскетбол и футбол (Гутин, Ригс, Фъргюсън и Оуенс, 1999). Наръчникът на програмата се предоставя при поискване. За наблюдение на дозата са използвани монитори за сърдечен ритъм (S610i; Polar Electro, Oy, Финландия; 30 втора епоха). Средният пулс на всяко дете по време на сесиите се записва ежедневно и се присъждат точки за поддържане на средно> 150 удара в минута. Точките бяха изкупени за седмични награди. Децата, назначени в условията на висока доза, завършват два 20-минутни пристъпа всеки ден. Децата в състояние на ниска доза завършиха един 20-минутен двубой и след това 20-минутен период от заседнали дейности (например настолни игри, игри с карти, рисуване) в друга стая. През този период не бяха предоставени уроци. Всяка сесия започва с петминутно загряване (умерена сърдечно-съдова дейност, статично и динамично разтягане). Пристъпите завършват с водна пауза, светлина, охлаждаща сърдечно-съдовата дейност и статично разтягане.

По време на 13 ± 1.6 седмици интервенция (съответно 13 ± 1.5, 13 ± 1.7 при условия с ниски и високи дози), посещаемостта е била 85 ± 13% (85 ± 12, 85 ± 14). Средната сърдечна честота е 166 ± 8 удара в минута (167 ± 7, 165 ± 8). Децата са постигнали среден сърдечен ритъм> 150 удара в минута през повечето дни (87 ± 10% общо; 89 ± 8, 85 ± 12 в условия на ниски и високи дози, съответно). Продължителността на интервенционния период, средната посещаемост, сърдечната честота и съотношението между времето, в което целта на сърдечната честота е била постигната, са сходни при условията на упражнения, а времето между изходното ниво и след теста е сходно при всички експериментални условия (19 ± 3.3, 18 2.6, 18 ± 2.5 седмици при контрол, съответно при ниски и високи дози).

мерки

Стандартизираната психологическа батерия оцени познанието и постиженията в началото и след теста. Повечето деца (98%) са оценени от един и същ тестер, по едно и също време на деня, и в една и съща стая на изходно ниво и посттест. Тестерите не са знаели за експерименталното състояние на детето. Анализирани са стандартни резултати. Като цяло, кохортите на 5 предоставиха данни за когнитите на познанието и 4 за постигане. Средствата са паднали в нормалните граници (Таблица 1).

Таблица 1 

Познавателенa и постиженияb резултати (M ± SE) по групи на изходно ниво и пост-тест, и коригирани средства по пощата

Стандартизирана, базирана на теория (Das, Naglieri и Kirby, 1994; Naglieri, 1999) е използвана когнитивна оценка с отлични психометрични качества, Системата за когнитивна оценка (Naglieri & Das, 1997). Системата за когнитивна оценка е стандартизирана на голяма представителна извадка от деца на възраст 5 – 17 години, които точно съответстват на населението на САЩ по редица демографски променливи (напр. Възраст, раса, регион, общност, образователна класификация и образование на родителите). Тя е силно свързана с академичните постижения (r = .71), въпреки че не съдържа елементи, подобни на постижения (Naglieri & Rojahn, 2004). Известно е, че отговаря на образователни интервенции (Das, Mishra, & Poole, 1995), и води до по-малки расови и етнически различия от традиционните тестове за интелигентност, което го прави по-подходящ за оценка на групите в неравностойно положение (Naglieri, Rojahn, Aquilino, & Matto, 2005).

Системата за когнитивна оценка измерва умствените способности на децата, определени на базата на четири взаимосвързани когнитивни процеса: Планиране, Внимание, Едновременно и Последователно. Всяка от четирите скали се състои от три подтеста. Само мащабът за планиране измерва изпълнителната функция (т.е. разработване и прилагане на стратегия, саморегулиране, интенционалност и използване на знанията; вътрешна надеждност; r = .88). Скалата за планиране има по-добра надеждност, отколкото невропсихологичните тестове на изпълнителната функция (Rabbitt, 1997). Останалите скали измерват други аспекти на когнитивното изпълнение и по този начин могат да определят дали ефектите от упражненията при децата са по-силни за изпълнителната функция, отколкото за други когнитивни процеси. Тестовете на вниманието изискват фокусирана, селективна когнитивна активност и устойчивост на разсейване (вътрешна надеждност r = .88). Едновременните подтестове включват пространствени и логически въпроси, които съдържат невербално и вербално съдържание (вътрешна надеждност r = .93). Последователните задачи изискват анализ или изземване на стимули, подредени в последователност, и формиране на звуци в ред (вътрешна надеждност r = .93). Публикувани са предварителни резултати по тази мярка (Davis et al., 2007). Едно дете погрешно е прилагало 8-yr-старата версия на теста в началото, когато детето е било 7 години.

Учебните постижения на децата бяха измерени с помощта на две взаимозаменяеми форми на тестовете за постижения III на Woodcock-Johnson (McGrew & Woodcock, 2001) които бяха произволно уравновесени. Общите клъстери за четене и широка математика бяха резултатите от интерес. Сто четиридесет и едно деца в групата на 4 предоставиха данни за постигнатите резултати.

Статистически анализ

Намерението да се третира анализ на различията между ковариантните тестове в групата по познание и постижения в пост-теста, коригиране за базова оценка. Анализите бяха проведени, като се използва последното наблюдение за деца, които не предоставиха данни за posttest. Ковариати (кохорта, раса, пол, образование на родителите) бяха включени, ако те бяха свързани с зависимата променлива. Бяха разгледани скалите за планиране, едновременно, внимание и последователни скали, както и широк четене и широки математически клъстери. Априори Проведени са контрастни тестове на линейна тенденция и сравняване на контролната група с двете групи упражнения, заедно с контрастните ортогонални квадратични и ниски спрямо високите дози. Статистическата значимост беше оценена при α = .05. Повтаряха се значителни анализи, с изключение на децата на 11, приемащи лекарства за разстройство с дефицит на вниманието, с изключение на седемгодишните деца на 18, които поради възрастта им са получавали малко по-различна версия на системата за когнитивна оценка. Размерът на извадката от 62 субекти на група е оценен, за да осигури 80% мощност за откриване на разлика между групите на 6.6 единици.

FMRI Substudy

Участниците

Двадесет деца в последната група от проучването участваха в пилотно проучване с fMRI, състоящо се от изходно ниво (контрол n = 9, упражнение n = 11) и пост-тест (контрол n = 9, упражнение n = 10) мозъчно сканиране. Децата с лява ръка и тези, които носеха очила, бяха изключени. Една сесия след тренировка в упражняващата група беше отказана. Няма съществени разлики в характеристиките между тази подгрупа (години 9.6 ± 1.0, 40% женски, 40% черен, BMI 25.3 ± 6.0, BMI z-срок 1.9 ± 0.46) и останалата част от пробата. Групи с ниска и висока доза натоварване (14 ± 1.7 wks упражнение) са свити за fMRI анализи.

Проектиране и процедура

Изображенията са получени от GE Signa Excite HDx 3 Tesla MRI система (General Electric Medical Systems, Милуоки, WI). Визуалните стимули бяха представени с помощта на MRI съвместими очила (Resonance Technologies, Inc., Northridge, СА), и движенията на очите бяха наблюдавани с помощта на система за проследяване на очите, която позволяваше на изследователите да видят, че субектите са будни и ангажирани в задачата. Субектите носеха тапи за уши и главите им бяха задържани с помощта на вакуумна възглавница. Преди придобиването на данните за ЯМР, магнитната хомогенност беше оптимизирана с помощта на автоматизирана процедура на шейминг, която определя стойностите на ниската поръчка, като изпълнява най-малките квадрати на картите на магнитното поле и автоматично прилага стойностите на нискоразмерните шитове като постоянен ток в X, Y и Z градиентни вълни. Функционалните изображения бяха получени с помощта на развалена градиентна ехопланарна последователност на изобразяване (време на повторение (TR) 2800 ms, ехо време (TE) 35 ms, флип ъгъл 90 °, зрително поле (FOV) 280 × 280 mm2, матрица 96 × 96, резени 34, дебелина на среза 3.6 mm). След това бяха получени структурни изображения с помощта на 3-мерната бърза градиентна ехо последователност (TR 9.0 ms, TE 3.87 ms, флип ъгъл 20 °, FOV 240 × 240 mm2, матрица 512 × 512, резени 120, дебелина на среза 1.3 mm). Структурните изображения с висока резолюция бяха използвани за нормализиране на функционалните изображения в стандартно стереотаксично пространство за анализи (Talairach & Tournoux, 1988).

Антисакадна задача

Данните за функционалните изображения са придобити, докато субектите са изпълнили друга мярка на изпълнителната функция, антисакадна задача (McDowell et al., 2002). Правилното антисакадно действие изисква инхибиране на предпотения отговор на визуалния знак и генерирането на отговор на местоположението на огледалното изображение на тази реплика (противоположна страна, същото разстояние от централната фиксация). След първоначален период на фиксиране (25.2 сек), блоковата парадигма се редува между базовата линия (N = 7 блокове; 25.2 сек на кръст, представен при централно фиксиране) и експериментален (N = 6 блокове; 25.2 sec, състоящ се от 8 антисакадни опити, 48 изпитания общо) условия (5.46 време за изпълнение; 117 обеми; първите 2 обеми са пропуснати от анализа за отчитане на стабилизиране на намагнитването). По време на изходните пациенти бяха инструктирани да гледат на кръста. По време на антисакадни изпитвания, на субектите беше наредено да се вглеждат в централен кръст, докато той излезе, и след това реплика в периферията сигнализира субектите да погледнат възможно най-бързо към мястото на огледалния образ на репликата, без да поглеждат към самия реплика. Субектите имаха две отделни тренировъчни сесии преди всяка сесия на скенера, за да се уверят, че разбират инструкциите. Персоналът, който взаимодейства с децата по време на сканирането, не е знаел за задачата на детето.

Анализ на изображението

Анализите бяха проведени, както и в предишни публикувани данни от нашата лаборатория (Camchong, Dyckman, Austin, Clementz, & McDowell, 2008; Camchong, Dyckman, Chapman, Yanasak и McDowell, 2006; Dyckman, Camchong, Clementz, & McDowell, 2007; McDowell et al., 2002) използване на софтуера AFNI (Cox, 1996). Накратко, за всяка сесия бяха регистрирани обеми за представителен обем, за да се коригират малките движения на главата (и 6 регресорите бяха изчислени: 1 всеки за а) ротационен, и б) движение на главата на транслацията във всяка от 3 равнините). След това 4 mm пълна ширина на половин максимален Gaussian филтър беше приложена към всеки набор от данни. За всеки воксел се изчислява процентната промяна в зависимия от оксигенацията на кръвта сигнал от базовата линия за всяка времева точка. Получената в резултат процентна промяна във времето беше изместена за линеен дрейф и корелира с базова линия (фиксация) и експериментални (антисакадни) условия за моделиране на референтната функция на трапецовидната функция, използвайки параметрите за движение 6 като регресори на шума. След това данните бяха трансформирани в стандартизирано пространство въз основа на Talairach и Tournoux Atlas (Talairach & Tournoux, 1988), и се реамплифицира до военен тип 4 × 4 × 4 mm.

За да се идентифицира невронната верига, поддържаща антисакадните характеристики (Фиг 2), данните са свити между групите и времевите точки за анализ на вариацията. За предпазване от фалшиви положителни резултати, методът на клъстерния праг, получен от симулациите на Монте Карло (въз основа на геометрията на набора от данни) беше приложен към F карта (Уорд, 1997). Въз основа на тези симулации, семейството е мъдро алфа p = .05 е запазен с индивидуален воксел, определен на p = .0005 и размер на клъстера от 3 воксели (192 µL). Полученият клъстер F Картата беше използвана за идентифициране на регионалната промяна в сигнала за ниво на оксигенация на кръвта.

Фиг 2 

Аксиалните изгледи показват промяната на сигнала в зависимост от нивото на оксигенация в кръвта, свързана с антисакадните резултати от анализа на едно проба на три различни нива в мозъка. Данните от 39 сесии (20 деца на изходно ниво, 19 на posttest) са ...
Анализ на региона на интерес

За всеки кортикален регион, който показва значителна активност в клъстерите F карта (поле отпред око, допълнително поле на окото, префронтален кортекс, задната теменна кора), сфера (радиус 8 mm, подобно на Kiehl et al., 2005; Morris, DeGelder, Weiskrantz, & Dolan, 2001) е разположен в центъра на масата, с двустранна активност, срутена през полукълба. Средните процентни промени на сигнала при изходното ниво и посттеста бяха изчислени за всеки регион, който представлява интерес за всеки участник, а разликите бяха анализирани. Поради ненормалните разпределения на стойностите на интересуващия регион, експерименталните условия бяха сравнени с помощта на Mann-Whitney U тест (точни вероятности с 2).

Резултати

Психометрични данни

Сексът е свързан с планирането след теста (момчета, 101.3 ± 12.1 срещу момичета, 105.2 ± 12.7, t = −2.0, p = .044) и Внимание (99.8 ± 12.2 срещу 107.5 ± 12.5, t = −4.1, p <.001) резултати. Състезанието беше свързано с едновременно тестване (бяло, 109.3 ± 13.6 срещу черно, 104.0 ± 10.9, t = 2.9, p = .004) и широка математика (109.0 ± 9.3 срещу 102.0 ± 10.1, t = 4.2, p <.001) резултати. Обучението на родителите беше свързано с планирането след теста (r = .18, p = .02), широко четене (r = .27, p = .001) и широка математика (r = .27, p = .001) точки. Тези ковариати бяха включени в съответните анализи.

Статистически значимо априори линейният контраст показва полза от отговора на дозата при упражняване на изпълнителната функция (т.е. планиране, Фиг 3; L = 2.7, 95% интервал на доверие (CI) 0.6 към 4.8, t(165) = 2.5, p = .013). Най- априори контрастното сравнение на контролната група с упражняващите групи също е значително, показвайки, че излагането на ниска или висока доза от програмата на упражненията води до по-високи планиращи резултати (L = −2.8, CI = −5.3 до −0.2, t(165) = 2.1, p = .03). Както се очакваше, никакви ефекти не бяха открити в вниманието, едновременното или последователните мащаби. За клъстера за широка математика статистически значим априори линейният контраст показва полза от отговора на дозата от упражнението по математически постижения (Фиг 3; L = 1.6, CI 0.04 до 3.2, t(135) = 2.03, p = .045). Контрастът, сравняващ условията на работа с контролните условия, не е статистически значим (p = .10). Не бяха открити ефекти в клъстера за широко четене.

Фиг 3 

Изпълнителна функция (планиране) при пост-тест, коригирана спрямо пола, образованието на родителите и базовата оценка, и средствата за постигане на математика (SE) при пост-тест, коригиран за раса, образование на родителите и базов резултат, показващ ефектите от дозовия отговор на аеробното упражнение ...

Условията на ниски и високи дози не се различават и не са открити квадратични тенденции. Отделно от базовата оценка, единствените значими ковариати в анализите на познанието или постижението са полът в анализа на вниманието (p <.001) и надпревара за широка математика (p = .03). Резултатите са сходни, когато се изключват деца с разстройство с дефицит на внимание (линейни контрасти при планиране, t(154) = 2.84, p = .005, широка математика, t(125) = 2.12, p = .04) и 7-годишни (планиране, t(147) = 2.92, p = .004, широка математика, t(117) = 2.23, p = .03).

Данни за невроизобразяване

Сигналът, свързан с антисакадния кръвен оксигенационен слой (колапсираща се през група и времева точка) разкрива кортикална сакадична верига (включително полета на предните очи, допълнителни очни полета, задната теменна кора и префронталния кортекс; Фиг 2), който е добре определен при възрастни (Luna et al., 2001; Суини, Луна, Кийди, Макдауъл и Клементц, 2007). Анализът на региона на интереси показва, че разликите в сигналите в групата от изходно ниво до посттест са значими в два региона: двустранен префронтален кортекс (център на масата в координатите на Talairach (x, y, z): дясно = 36, 32, 31; 36, 32, 31) и двустранно задната теменна кора (дясно = 25, -74, 29; ляво = -23, -70, 22). По-конкретно, групата с упражнения показва повишена двустранна префронтална активност на кората (Фиг 4, ляв панел; U = 20, p = .04) и намалена активност при двустранна задната париетална кора (Фиг 4, десен панел; U = 18, p = .03) в сравнение с контролите. Регионалните анализи на моторните региони (фронтални и допълнителни области на окото) не показват значителни разлики между групите.

Фиг 4 

Boxplots по експериментално състояние, показващо промяна в активирането от базовата линия до posttest. Ляв панел: префронтален кортекс. Десен панел: задната теменна кора.

Дискусия

Експериментът тества ефекта от приблизително 3 месеца редовни аеробни упражнения върху изпълнителната функция при заседналите деца с наднормено тегло, използвайки когнитивни оценки, мерки за постигане и fMRI. Този многостранен подход разкрива сходни доказателства, че аеробните упражнения подобряват познавателните резултати. По-конкретно, заслепени, стандартизирани оценки показват специфични ползи от отговора на дозата от упражненията върху изпълнителната функция и постиженията на математиката. Наблюдава се повишена активност на префронталната кора и намалена активност на задната теменна кора, дължаща се на тренировъчната програма.

В обобщение, тези резултати са съвместими с тези при възрастни по отношение на доказуеми промени в поведението и мозъчната активност, дължащи се на упражнения (Colcombe et al., 2004; Pereira et al., 2007). Те също така добавят доказателства за отговор на дозата, което е особено рядко при изпитвания с деца (Силни и др., 2005), и да предостави важна информация за образователния резултат. Състоянието на високите дози води до средни стойности за планиране 3.8 точки, или една четвърт от стандартното отклонение (σ = 15), по-високо от контролното условие. Демографските данни не допринесоха за модела. Подобни резултати са получени, когато деца с дефицит на внимание или 7-годишни деца са изключени. Следователно резултатите могат да бъдат обобщени до наднормено тегло от черно или бяло 7- до 11-годишни.

Изпълнителната функция се развива в детска възраст и е от решаващо значение за адаптивното поведение и развитие (Best, Miller & Jones, 2009; Еслингер, 1996). По-специално, способността да се регулира поведението на човек (напр. Възпрепятстване на неподходящи отговори, забавяне на удовлетворението) е важно за детето да успее в началното училище (Блеър, 2002; Eigsti et al., 2006). Този ефект може да има важни последици за развитието на детето и образователната политика. Откриването на подобрени постижения в математиката е забележително, като се има предвид, че не е предоставено академично обучение, и предполага, че по-дълъг период на интервенция може да доведе до повече ползи. Подобрението, наблюдавано при постиженията, е специфично за математиката, без да има полза от четенето.

Ние предполагаме, че редовната физическа активност насърчава развитието на децата чрез въздействие върху мозъчните системи, които са в основата на познанието и поведението. Проучванията върху животни показват, че аеробното упражнение увеличава растежни фактори като мозъчен невротрофичен фактор, което води до повишено капилярно кръвоснабдяване на кората и растеж на нови неврони и синапси, което води до по-добро учене и ефективност (Dishman et al., 2006). Експериментални и проспективни кохортни проучвания, проведени с възрастни, показват, че дългосрочната редовна физическа активност променя функцията на човешкия мозък (Colcombe et al., 2004; Weuve et al., 2004). Рандомизираният, контролиран експеримент показва, че 6 месеца аеробни упражнения са довели до подобряване на когнитивните резултати при по-възрастните хора (Kramer et al., 1999). Важна статия докладва ясни доказателства за въздействието на аеробните упражнения върху мозъчната активност при възрастни в две проучвания с използване на fMRI техники: Сравнителното сравнение на лица с висока степен на годност към ниско ниво показва, че активността на префронталната кора е свързана с физическата годност и експериментът показа, че 6 месеца аеробни упражнения (ходене) в заседналите 55 до 77-годишни деца са увеличили активността на префронталната кора и са довели до подобрения в теста на изпълнителната функция (Colcombe et al., 2004). Интересното е, че мета-анализ не открива подкрепа за аеробната фитнес като медиатор на ефекта от физическата активност върху човешкото познание (Etnier, Nowell, Landers, & Sibley, 2006). По този начин, вместо да бъдат медиирани от сърдечно-съдови ползи, когнитивните промени, дължащи се на упражненията, могат да бъдат пряк резултат от нервната стимулация чрез движение. Докато случаят е бил направен, че физическата активност може да повлияе директно върху когнитивната функция на децата чрез промени в невронната цялост, има и други приемливи обяснения, като ангажираност с целенасочено, усилено умствено участие (Tomporowski et al., 2008).

Това проучване има ограничения. Резултатите са ограничени до извадка от наднормено тегло на черно-бели 7-до 11-годишни деца. Облекчените деца и тези от други етноси или възрастови групи могат да реагират по различен начин. Не е известно дали когнитивните ползи продължават след период на обезценяване. Ако ползите се натрупват с течение на времето, това би било важно за развитието на детето. Възможно е да има чувствителни периоди, през които двигателната активност ще оказва особено силен ефект върху мозъка (Knudsen, 2004). Остава да се определи дали други видове упражнения, като например силово обучение или плуване, също са ефективни. Участниците и интервенционният персонал не могат да бъдат заслепени от експериментални условия или от хипотезата на изследването; обаче материалите за набиране на персонал подчертават по-скоро ползите за физическото здраве, отколкото когнитивните. Друго ограничение е, че използването на условие за контрол без намеса не позволява на изпитването да изключи някои алтернативни обяснения (напр. Внимание от възрастни, удоволствие). Психологически промени могат да възникнат при деца, които участват в упражнения поради социални взаимодействия, които се случват по време на сесиите, а не поради упражнения сам по себе си, Моделът на дозовия отговор на резултатите опроверга това обяснение, тъй като и двете групи упражнения прекарват еднакво време в изследователското съоръжение с инструктори и връстници.

Проучването не открива разлика между групите на упражняващата доза. Това не противоречи на констатацията за отговор на дозата, която показва, че интервенцията на упражнението е довела до подобряване на познавателната способност (Хълм, 1965). Като се има предвид, че линейният контраст показва градуиран ефект на лечението, сравняването на дозите по двойки задава следващ въпрос, дали една специфична доза е по-добра от друга (Ruberg, 1995). Тестът за ползата от реакцията доза-реакция за постигане е значителен, но сравнението на контролната група с двете упражняващи групи не е било, осигурявайки частична подкрепа на хипотезата, че упражнението подобрява постиженията на математиката.

Резултатите от fMRI са ограничени от малък размер на извадката и не осигуряват тест за отговор на дозата, което ги прави повече обект на алтернативни обяснения. Въпреки това, се наблюдават специфични промени и посоката на промените се различава в префронталните и париеталните региони, аргументирайки се срещу глобалната тенденция в мозъчната дейност. Въпреки че антисакадното действие и поддържащата му мозъчна активност се променят с възрастта (Luna et al., 2001), това е малко вероятно объркващо, защото групите са били от сходна възраст.

Тези експериментални данни дават доказателство, че една енергична програма за аеробни упражнения след училище подобри изпълнителната функция в дозовия отговор сред децата с наднормено тегло; социални фактори може да са допринесли за този ефект. Наблюдавани са промени в съответните модели на мозъчна активация. Тези резултати също така осигуряват частична подкрепа на ползата за изпълнението на математиката. Определянето на условия беше рандомизирано и оценките на резултатите бяха заслепени, свеждайки до минимум потенциалното пристрастие или объркване. Децата с наднормено тегло вече съставляват над една трета от американските деца и са прекалено представени сред хората в неравностойно положение. Освен значението му за намаляване на рисковете за здравето по време на епидемия от затлъстяване в детска възраст (Ogden et al., 2006), аеробната активност може да се окаже важен метод за повишаване на аспектите на психичното функциониране на децата, които са от основно значение за когнитивното развитие (Уелски, Фридман и Шпикер, 2006).

Благодарности

CA Boyle, C. Creech, JP Tkacz и JL Waller подпомагат събирането и анализа на данни. С подкрепата на NIH DK60692, DK70922, Медицинския колеж на Грузия, Института за биомедицинска инициатива на Джорджия за Центъра за превенция на затлъстяването и свързаните с него разстройства в Грузия, както и за мостово финансиране от Медицинския колеж на Джорджия и Университета на Грузия.

Бележки под линия

Отказ от отговорност на издателя: Следващият ръкопис е крайният приет ръкопис. Тя не е била подложена на окончателно копиране, проверка на факти и корекция, изисквана за официално публикуване. Това не е окончателната версия, удостоверена от издателя. Американската психологическа асоциация и нейният Съвет на редакторите отхвърлят всякаква отговорност или отговорност за грешки или пропуски в тази версия на ръкописа, всяка версия, получена от този ръкопис от NIH, или други трети страни. Публикуваната версия е достъпна на адрес www.apa.org/pubs/journals/hea

Информация за сътрудниците

Катрин Л. Дейвис, Институт за превенция в Грузия, Педиатрия, Медицински колеж на Грузия.

Филип Д. Томпоровски, Катедра по кинезиология, Университет на Грузия.

Дженифър Макдауъл, катедра по психология, Университет на Грузия.

Бенджамин П. Остин, катедра по психология, Университет на Грузия.

Патриша Х. Милър, катедра по психология, Университет на Грузия.

Nathan E. Yanasak, Катедра по радиология, Медицински колеж на Грузия.

Джери Д. Алисън, Катедра по радиология, Медицински колеж на Грузия.

Джак А. Наглери, катедра по психология, Университет Джордж Мейсън.

Препратки

  • Най-добър JR, Miller PH, Jones LL. Изпълнителна функция след възрастта 5: Промени и корелации. Преглед на развитието. 2009; 29 (3): 180-200. [PMC безплатна статия] [PubMed]
  • Блеър С. Готовност за училище. Интегриране на познанието и емоциите в невробиологична концептуализация на функционирането на децата при влизане в училище. Американски психолог. 2002; 57: 111–127. [PubMed]
  • Camchong J, Dyckman К.А., Austin BP, Clementz BA, McDowell JE. Общата нервна верига, поддържаща волевите сакади и нейното разрушаване при пациенти и роднини на шизофрения. Биологична психиатрия. 2008; 64: 1042-1050. [PMC безплатна статия] [PubMed]
  • Camchong J, Dyckman К.А., Chapman CE, Yanasak NE, McDowell JE. Базални ганглии-таламокортикални смущения в шизофренията по време на забавените реакции. Биологична психиатрия. 2006; 60: 235-241. [PubMed]
  • Castelli DM, Hillman CH, Buck SM, Erwin HE. Физическа годност и академични постижения на учениците от трети и пети клас. Списание за психология на спорта и упражненията. 2007; 29: 239-252. [PubMed]
  • Coe DP, Pivarnik JM, Womack CJ, Reeves MJ, Malina RM. Ефект от физическото възпитание и нивата на активност върху академичните постижения при децата. Медицина и наука в спорта и упражненията. 2006; 38: 1515-1519. [PubMed]
  • Colcombe SJ, Kramer AF. Фитнес ефекти върху когнитивната функция на възрастните хора: мета-аналитично изследване. Психологическа наука. 2003; 14: 125-130. [PubMed]
  • Colcombe SJ, Kramer AF, Erickson KI, Scalf P, McAuley Е, Cohen NJ, et al. Сърдечно-съдова фитнес, кортикална пластичност и стареене. Известия на Националната академия на науките. 2004; 101: 3316-3321. [PMC безплатна статия] [PubMed]
  • Кокс RW. AFNI: софтуер за анализ и визуализация на функционални магнитно-резонансни невроизображения. Компютри и биомедицински изследвания. 1996; 29: 162-173. [PubMed]
  • Das JP, Mishra RK, Pool JE. Експеримент за когнитивно отстраняване на трудностите при четене на думи. Вестник на уврежданията на ученето. 1995; 28: 66-79. [PubMed]
  • Das JP, Naglieri JA, Kirby JR. Оценка на когнитивните процеси. Needham Heights, MA: Allyn & Bacon; 1994 г.
  • Datar A, Sturm R, Magnabosco JL. Детска наднормено тегло и академични постижения: национално проучване на детски градини и първокласници. Изследвания за затлъстяване. 2004; 12: 58-68. [PubMed]
  • Davis CL, Tomporowski PD, Boyle CA, Waller JL, Miller PH, Naglieri JA, et al. Ефекти от аеробните упражнения върху когнитивното функциониране на децата с наднормено тегло: рандомизирано контролирано проучване. Тримесечни изследвания за упражнения и спорт. 2007; 78: 510–519. [PMC безплатна статия] [PubMed]
  • Диамант А. Близка взаимовръзка на двигателното развитие и когнитивното развитие и на малкия мозък и префронталната кора. Развитие на детето. 2000; 71: 44-56. [PubMed]
  • Dishman RK, Berthoud HR, Booth FW, Cotman CW, Edgerton VR, Fleshner MR, et al. Невробиология на упражненията. Затлъстяване (Silver Spring) 2006, 14: 345 – 356. [PubMed]
  • Dwyer T, Sallis JF, Blizzard L, Lazarus R, Dean K. Връзката между академичните постижения и физическата активност и фитнес при децата. Педиатрична наука за упражнения. 2001; 13: 225-237.
  • Dwyer T, Coonan WE, Leitch DR, Hetzel BS, Baghurst PA. Проучване на ефектите от ежедневната физическа активност върху здравето на учениците в началните училища в Южна Австралия. Международен вестник епидемиология. 1983; 12: 308-313. [PubMed]
  • Dyckman К.А., Camchong J, Clementz BA, McDowell JE. Ефект на контекста върху поведението, свързано със саккадата и мозъчната активност. NeuroImage. 2007; 36: 774-784. [PubMed]
  • Eigsti IM, Zayas V, Mischel W, Shoda Y, Ayduk O, Dadlani MB, et al. Прогнозиране на когнитивния контрол от предучилищна възраст до късна юношеска възраст и млада възраст. Психологическа наука. 2006; 17: 478-484. [PubMed]
  • Eslinger PJ. Концептуализиране, описание и измерване на компоненти на изпълнителните функции: Резюме. В: Лион Г.Р., Краснегор Н.А., редактори. Внимание, памет и изпълнителна функция. Балтимор: Paul H. Brooks Publishing Co; 1996. 367 – 395.
  • Etnier JL, Nowell PM, Landers DM, Sibley BA. Мета-регресия за изследване на връзката между аеробна фитнес и когнитивна работа. Мозъчни изследвания. 2006; 52: 119-130. [PubMed]
  • Gutin B, Riggs S, Ferguson M, Owens S. Описание и оценка на процеса на програма за физическо обучение за затлъстели деца. Тримесечни изследвания за упражнения и спорт. 1999; 70: 65–69. [PubMed]
  • Hill AB. Околна среда и заболявания: асоциация или причинно-следствена връзка? Известия на Кралското медицинско дружество. 1965; 58: 295-300. [PMC безплатна статия] [PubMed]
  • Hillman CH, Erickson KI, Kramer AF. Бъдете умни, упражнявайте сърцето си: упражнявайте ефекти върху мозъка и познанието. Nature Reviews Neuroscience. 2008; 9: 58-65. [PubMed]
  • Ismail AH. Ефектите от една добре организирана програма за физическо възпитание върху интелектуалното представяне. Изследвания в областта на физическото възпитание. 1967; 1: 31-38.
  • Kiehl KA, Stevens MC, Laurens KR, Pearlson G, Calhoun VD, Liddle PF. Адаптивен рефлексивен модел на обработка на неврокогнитивната функция: подкрепящи доказателства от широкомащабно (n = 100) fMRI изследване на слуховата нечетна задача. NeuroImage. 2005; 25: 899-915. [PubMed]
  • Knudsen EI. Чувствителни периоди в развитието на мозъка и поведението. Вестник на когнитивната невронаука. 2004; 16: 1412-1425. [PubMed]
  • Колб Б, IQ на Whishaw. Пластичност и поведение на мозъка. Годишен преглед на психологията. 1998; 49: 43-64. [PubMed]
  • Kramer AF, Hahn S, Cohen NJ, Banich MT, McAuley Е, Harrison CR, et al. Стареене, фитнес и неврокогнитивна функция. Nature. 1999; 400 (6743): 418-419. [PubMed]
  • Lezak MD, Howieson DB, Loring DW. Невропсихологична оценка. 4th ed. Ню Йорк: Oxford University Press; 2004.
  • Луна Б, Тълборн КР, Муньос ДП, Мериам Е.П., Гарвър К.Е., Миншю Ню Дж. Съзряването на широко разпространената мозъчна функция подхранва когнитивното развитие. NeuroImage. 2001; 13: 786-793. [PubMed]
  • McDowell JE, Brown GG, Paulus M, Martinez A, Stewart SE, Dubowitz DJ, et al. Невронни корелати на рефаксиращи сакади и антисакади при нормални и шизофрения субекти. Биологична психиатрия. 2002; 51: 216-223. [PubMed]
  • McGrew KS, Woodcock RW. Woodcock-Johnson III: Техническо ръководство. Itasca, IL: Riverside Publishing Company; 2001.
  • Morris JS, DeGelder B, Weiskrantz L, Dolan RJ. Диференциални екстрагеникулостриатни и амигдалови реакции за представяне на емоционални лица в кортикално сляпо поле. Brain. 2001 (124): 6-1241. [PubMed]
  • Must A, Tybor DJ. Физическа активност и заседнало поведение: преглед на надлъжните изследвания на теглото и затлъстяването в младостта. Международен вестник за затлъстяване (Lond) 2005; (29 Suppl 2): S84 – S96. [PubMed]
  • Naglieri JA. Основи на оценката на CAS. Ню Йорк: Уайли; 1999.
  • Naglieri JA, Das JP. Когнитивна система за оценка: Тълкувателен наръчник. Itasca, IL: Riverside Publishing; 1997.
  • Naglieri JA, Rojahn J. Конструирайте валидността на PASS теорията и CAS: корелации с постижения. Списание за педагогическа психология. 2004; 96: 174-181.
  • Naglieri JA, Rojahn JR, Aquilino SA, Matto HC. Черно-бели различия в когнитивната обработка: Проучване на планирането, вниманието, едновременната и последователната теория на интелигентността. Вестник на психо-образователната оценка. 2005; 23: 146-160.
  • Ogden CL, Carroll MD, Curtin LR, McDowell MA, Tabak CJ, Flegal KM. Разпространение на наднорменото тегло и затлъстяването в САЩ, 1999 – 2004. JAMA: Вестникът на Американската медицинска асоциация. 2006; 295: 1549-1555. [PubMed]
  • Ogden CL, Kuczmarski RJ, Flegal KM, Mei Z, Guo S, Wei R, et al. Центрове за контрол и превенция на заболяванията Диаграми на растежа на 2000 за САЩ: Подобрения в версията на Националния център за здравна статистика на 1977. Педиатрия. 2002; 109: 45-60. [PubMed]
  • Pereira AC, Huddleston DE, Brickman AM, Sosunov AA, Hen R, McKhann GM, et al. In vivo корелира индуцираната от упражненията неврогенеза при възрастните зъбести зъби. Известия на Националната академия на науките. 2007; 104: 5638-5643. [PMC безплатна статия] [PubMed]
  • Раббит П. Въведение: Методологии и модели при изучаването на изпълнителната функция. В: Rabbit P, редактор. Методология на фронталната и изпълнителната функция. Хоув, Източен Съсекс, Великобритания: Psychology Press Ltd; 1997. 1 – 38.
  • Rakison DH, Woodward AL. Нови перспективи за ефектите от действието върху възприятието и когнитивното развитие. Психология на развитието. 2008; 44: 1209-1213. [PMC безплатна статия] [PubMed]
  • Sallis JF, McKenzie TL, Kolody B, Lewis M, Marshall S, Rosengard P. Ефекти на свързаното със здравето физическо възпитание върху академичните постижения: Проект SPARK. Тримесечни изследвания за упражнения и спорт. 1999; 70: 127–134. [PubMed]
  • Shephard RJ, Volle M, Lavallee H, LaBarre R, Jequier JC, Rajic M. Необходима физическа активност и академични степени: контролирано надлъжно изследване. В: Ilmarinen J, Valimaki I, редактори. Деца и спорт. Берлин: Springer Verlag; 1984. 58 – 63.
  • Shore SM, Sachs ML, Lidicker JR, Brett SN, Wright AR, Libonati JR. Намаляване на учебните постижения в учениците с наднормено тегло. Затлъстяване (Silver Spring) 2008, 16: 1535 – 1538. [PubMed]
  • Sibley BA, Etnier JL. Връзката между физическата активност и познанието при децата: Мета-анализ. Педиатрична наука за упражнения. 2003; 15: 243-256.
  • Sommerville JA, Decety J. Тъкане на тъканта на социалното взаимодействие: артикулиране на психологията на развитието и когнитивната неврология в областта на двигателното познание. Психономичен бюлетин и преглед. 2006; 13: 179–200. [PubMed]
  • Силен WB, Malina RM, Blimkie CJ, Daniels SR, Dishman RK, Gutin B, et al. Физическа активност, основана на доказателства за младежите в училищна възраст. Вестник по педиатрия. 2005; 146: 732-737. [PubMed]
  • Sweeney JA, Luna B, Keedy SK, McDowell JE, Clementz BA. fMRI проучвания за контрол на движението на очите: изследване на взаимодействието на когнитивните и сензорномоторни мозъчни системи. NeuroImage. 2007 (36 Suppl 2): T54 – T60. [PMC безплатна статия] [PubMed]
  • Talairach J, Tournoux P. Копланарен стереотаксичен атлас на човешкия мозък: триизмерна пропорционална система - подход към церебралната образна диагностика. Ню Йорк: Thieme Medical Publishers; 3 г.
  • Тарас Х. Физическа активност и успеваемост на учениците в училище. Вестник на училищното здраве. 2005; 75: 214-218. [PubMed]
  • Taras H, Potts-Datema W. Затлъстяването и представянето на учениците в училище. Вестник на училищното здраве. 2005; 75: 291-295. [PubMed]
  • Tomporowski PD, Davis CL, Miller PH, Naglieri J. Упражнения и детска интелигентност, познание и академични постижения. Преглед на образователната психология. 2008; 20: 111–131. [PMC безплатна статия] [PubMed]
  • Tuckman BW, Hinkle JS. Експериментално проучване на физическите и психологическите ефекти на аеробните упражнения върху учениците. Психология на здравето. 1986; 5: 197-207. [PubMed]
  • Отделение Б. Едновременно извеждане на данни за FMRI. Milwaukee, WI: Научно-изследователски институт по биофизика, Медицински колеж на Уисконсин; 1997.
  • Welsh MC, Friedman SL, Spieker SJ. Изпълнителни функции в развитието на децата: Текущи концептуализации и въпроси за бъдещето. В: Маккартни К, Филипс Д, редактори. Наръчник на Блеквел за ранно детско развитие. Malden, MA: Издателство Blackwell; 2006. 167 – 187.
  • Weuve J, Kang JH, Manson JE, Breteler MM, Ware JH, Grodstein F. Физическа активност, включително ходене и когнитивна функция при по-възрастните жени. JAMA: вестник на Американската медицинска асоциация. 2004; 292: 1454-1461. [PubMed]
  • Wittberg R, Northrup K, Cottrell LA, Davis CL. Прагове на аеробната фитнес, свързани с академичните постижения на петия клас. Американски вестник за здравно образование. (Приема)
  • Zervas Y, Apostolos D, Klissouras V. Влияние на физическото натоварване върху умственото представяне по отношение на обучението. Възприятие и двигателни умения. 1991; 73: 1215-1221. [PubMed]