L'exercice améliore la fonction exécutive et le rendement et modifie l'activation du cerveau chez les enfants en surpoids: un essai contrôlé randomisé (2011)

Santé Psychol. Manuscrit de l'auteur; disponible dans PMC Jan 1, 2012.
Publié sous forme finale modifiée en tant que:
PMCID: PMC3057917
NIHMSID: NIHMS245691
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Abstrait

Objectif

Cette expérience a testé l'hypothèse selon laquelle l'exercice améliorerait la fonction exécutive.

Site Web

Enfants sédentaires et en surpoids de 7 à 11 (N = 171, 56% féminin, 61% noir, M ± Âge 9.3 ± 1.0 ans, indice de masse corporelle (IMC) 26 ± 4.6 kg / m2, Z-score IMN 2.1 ± 0.4) ont été randomisés en semaines 13 ± 1.6 d’un programme d’exercices (minutes 20 ou 40 / jour) ou en une condition de contrôle.

Principales mesures de résultats

Des évaluations psychologiques normalisées à l'aveuglette (système d'évaluation cognitive et tests de performance III de Woodcock-Johnson) évaluaient la cognition et les résultats scolaires. L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle mesurait l'activité cérébrale lors de tâches exécutives.

Resultats

L’analyse de l’intention de traiter a révélé les avantages de l’exercice pour la relation dose-effet sur la fonction exécutive et les résultats en mathématiques. Des preuves préliminaires d'une augmentation de l'activité du cortex préfrontal bilatéral et d'une réduction de l'activité du cortex pariétal postérieur bilatéral dues à l'exercice ont également été observées.

Conclusion

Conformément aux résultats obtenus chez les personnes âgées, une amélioration spécifique de la fonction exécutive et des changements d'activation du cerveau dus à l'exercice ont été observés. Les résultats cognitifs et les résultats obtenus ajoutent des preuves de la réponse à la dose et étendent les preuves expérimentales à l'enfance. Cette étude fournit des informations sur un résultat éducatif. Outre son importance pour maintenir son poids et réduire les risques pour la santé liés à une épidémie d'obésité chez les enfants, l'activité physique peut s'avérer une méthode simple et importante pour améliorer les aspects du fonctionnement mental des enfants qui sont essentiels au développement cognitif. Cette information peut persuader les éducateurs de mettre en place une activité physique vigoureuse.

Mots clés: cognition, exercice aérobie, obésité, antisaccade, IRMf

La fonction exécutive semble plus sensible que d’autres aspects de la cognition à l’entraînement en aérobie (Colcombe et Kramer, 2003). La fonction exécutive constitue un contrôle de supervision des fonctions cognitives pour atteindre un objectif et est médiée via les circuits du cortex préfrontal. La planification et la réalisation des séquences d’action qui constituent le comportement orienté vers un objectif nécessitent l’attention de l’attention et de la mémoire, la sélection et l’inhibition de la réponse, la fixation d’objectifs, la maîtrise de soi, la maîtrise de soi et l’utilisation habile et flexible des stratégiesEslinger, 1996; Lezak, Howieson et Loring, 2004). L’hypothèse de la fonction exécutive a été proposée en se basant sur la preuve que l’exercice aérobie améliore sélectivement les performances des personnes âgées dans les tâches exécutives et entraîne une augmentation correspondante de l’activité du cortex préfrontal (Colcombe et al., 2004; Kramer et al., 1999). Le développement cognitif et neural des enfants peut être sensible à l’activité physique (Diamant, 2000; Hillman, Erickson et Kramer, 2008; Kolb et Whishaw, 1998). Les comptes théoriques des liens entre le comportement moteur et le développement cognitif durant l’enfance vont de réseaux de cerveau hypothétiques à la construction de représentations de perception-action (Rakison et Woodward, 2008; Sommerville et Decety, 2006).

Une méta-analyse d'études d'exercices chez les enfants a montré une amélioration de la cognition avec l'exercice; Cependant, les résultats des essais randomisés étaient incohérents (Sibley et Etnier, 2003). Un effet sélectif de l'exercice sur la fonction exécutive peut expliquer les résultats expérimentaux mitigés obtenus chez l'enfant (Tomporowski, Davis, Miller et Naglieri, 2008). Des études utilisant des tâches cognitives nécessitant une fonction exécutive ont montré les bénéfices de l'exercice (Davis et al., 2007; Tuckman et Hinkle, 1986), tandis que ceux qui utilisaient des mesures moins sensibles ne le faisaient pas (Lezak et al., 2004, pp. 36, 611 – 612; par exemple, Ismail, 1967; Zervas, Apostolos et Klissouras, 1991). Un rapport préliminaire de cette étude, avec un échantillon plus petit, montrait un bénéfice de l'exercice sur la fonction exécutive (Davis et al., 2007). Les résultats finaux sont présentés ici.

Chez les enfants, une activité physique vigoureuse a été associée à de meilleures notes (Coe, Pivarnik, Womack, Reeves et Malina, 2006; Taras, 2005), aptitude physique avec réussite scolaire (Castelli, Hillman, Buck et Erwin, 2007; Dwyer, Sallis, Blizzard, Lazarus et Dean, 2001; Wittberg, Northrup, Cottrell et Davis, acceptés), et un excès pondéral avec une moins bonne réalisation (Castelli et al., 2007; Datar, Sturm et Magnabosco, 2004; Dwyer et al., 2001; Shore et al., 2008; Taras et Potts-Datema, 2005). La conclusion la plus solide à tirer en ce qui concerne l'effet de l'activité physique sur les résultats scolaires est qu'elle ne nuit pas à ces résultats, même si cela réduit le temps passé en classe (Dwyer, Coonan, Leitch, Hetzel et Baghurst, 1983; Sallis et al., 1999; Shephard et al., 1984). Le surpoids est un marqueur d'inactivité chronique (Must et Tybor, 2005), les enfants sédentaires en surpoids peuvent être plus susceptibles de bénéficier de l'exercice que les enfants maigres.

L’hypothèse principale de cette étude était que les enfants sédentaires ayant un excès de poids et assignés à l’exercice s’amélioreraient davantage que les enfants en état de contrôler la fonction exécutive, mais pas d’autres processus cognitifs tels que la résistance à la distraction, les processus spatiaux et logiques et le séquençage. Une hypothèse secondaire était qu'une relation dose-réponse serait observée entre l'exercice et la cognition. Les effets sur les résultats scolaires ont été explorés. D'après des études antérieures chez l'adulte montrant des modifications de la fonction cérébrale liées à l'exercice, les effets sur l'activité dans les circuits du cortex préfrontal ont été explorés à l'aide de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) dans un sous-groupe de participants.

Méthodologie

Étude principale

Participants

Les élèves ont été recrutés dans des écoles au cours de 2003 – 2006 pour un essai d’exercices aérobiques sur la santé des enfants. Les enfants étaient éligibles s’ils avaient un excès de poids (≥85th percentile BMI) (Ogden et al., 2002), inactif (pas de programme d'activité physique régulier> 1 h / semaine) et ne présentait aucun problème de santé susceptible d'affecter les résultats de l'étude ou de limiter l'activité physique. Cent soixante et onze enfants de 7 à 11 ans ont été randomisés (56% de filles, 61% de Noirs, 39% de Blancs, M ± SD, 9.3 ± 1.0 ans, indice de masse corporelle (IMC) 26.0 ± 4.6 kg / m2, IMC z-score 2.1 ± 0.4, niveau d'éducation parent 5.0 ± 1.1, où 1 = moins que 7th grade, 2 = 8th ou 9th, 3 = 10th ou 11th, 4 = diplôme universitaire supérieur collège, 5 = diplômé, 6 = troisième cycle). Un enfant a été exclu du post-test en raison d'une hospitalisation psychiatrique survenue après la randomisation. Les enfants ont été encouragés à post-tester indépendamment de l'adhésion à l'intervention. Onze enfants prenant des médicaments pour le trouble déficitaire de l'attention ont été inclus (et ont pris leurs médicaments comme d'habitude; n = 4 en contrôle, n = 4 à faible dose, et n = 3 dans le groupe à dose élevée) pour maximiser la généralisabilité. Les enfants et les parents ont rempli l'assentiment et le consentement éclairés. L'étude a été examinée et approuvée par le comité d'examen institutionnel du Medical College of Georgia. Les tests et l'intervention ont eu lieu au Medical College of Georgia. Le diagramme de déroulement du participant est présenté dans Fig. 1.

Fig. 1 

Organigramme du participant.

Étudier le design

Les statisticiens ont assigné au hasard aux enfants un exercice d'aérobic à faible dose (minutes 20 / jour), à forte dose (minutes 40 / jour) ou un contrôle sans exercice. La randomisation a été stratifiée par race et par sexe. Les tâches ont été dissimulées jusqu'à la fin des tests de base, puis communiquées au coordonnateur de l'étude, qui a informé les sujets. La condition de contrôle ne prévoyait pas de programme parascolaire ni de transport. Les conditions d'exercice étaient équivalentes en intensité et ne différaient que par la durée (c'est-à-dire la dépense énergétique). Cinq cohortes ont participé à l’étude au cours des années 3.

Intervention aérobique

Les enfants affectés aux exercices étaient transportés tous les jours à un programme d’exercices après l’école (rapport élèves / instructeur relatif à 9: 1). L'accent était mis sur l'intensité, le plaisir et la sécurité, pas sur la compétition ni sur l'amélioration des compétences. Les activités ont été choisies en fonction de leur facilité de compréhension, de leur amusement et de la sollicitation de mouvements vigoureux intermittents. Elles comprenaient des jeux de course à pied, une corde à sauter et des jeux de basket-ball et de soccer modifiés (Gutin, Riggs, Ferguson et Owens, 1999). Le manuel du programme est disponible sur demande. Des moniteurs de fréquence cardiaque (S610i; Polar Electro, Oy, Finlande; 30 secondes) ont été utilisés pour observer la dose. La fréquence cardiaque moyenne de chaque enfant pendant les séances a été enregistrée quotidiennement, et des points ont été attribués pour maintenir une moyenne> 150 battements par minute. Les points ont été échangés contre des prix hebdomadaires. Les enfants affectés à la condition de dose élevée ont accompli deux périodes de 20 minutes chaque jour. Les enfants à faible dose ont terminé un combat de 20 minutes, puis une période de 20 minutes d'activités sédentaires (p. Ex. Jeux de société, jeux de cartes, dessin) dans une autre pièce. Aucun tutorat n'a été fourni pendant cette période. Chaque séance commençait par un échauffement de cinq minutes (activité cardiovasculaire modérée, étirements statiques et dynamiques). Les combats se sont terminés par une pause dans l'eau, une légère activité cardiovasculaire de récupération et des étirements statiques.

Au cours des 13 ± 1.6 semaines d'intervention (13 ± 1.5, 13 ± 1.7 dans des conditions de doses faibles et élevées, respectivement), la fréquentation était de 85 ± 13% (85 ± 12, 85 ± 14). La fréquence cardiaque moyenne était de 166 ± 8 battements par minute (167 ± 7, 165 ± 8). Les enfants ont atteint une fréquence cardiaque moyenne> 150 battements par minute la plupart des jours (87 ± 10% dans l'ensemble; 89 ± 8, 85 ± 12 dans des conditions de doses faibles et élevées, respectivement). La durée de la période d'intervention, la fréquentation moyenne, la fréquence cardiaque et la proportion de temps pendant laquelle l'objectif de fréquence cardiaque a été atteint étaient similaires dans toutes les conditions d'exercice, et le temps entre la ligne de base et le post-test était similaire dans toutes les conditions expérimentales (19 ± 3.3, 18 ± 2.6, 18 ± 2.5 semaines dans des conditions de contrôle, de doses faibles et élevées, respectivement).

Les mesures

Une batterie psychologique normalisée a évalué la cognition et les performances au début et à la fin du test. La plupart des enfants (98%) ont été évalués par le même testeur, au même moment de la journée et dans la même pièce au début et à la fin du test. Les testeurs n'étaient pas au courant de l'état expérimental de l'enfant. Les scores standard ont été analysés. Globalement, les cohortes 5 ont fourni des données pour la cognition et les cohortes 4 pour la réussite. Les moyennes sont tombées dans la fourchette normale (Tableau 1).

Tableau 1 

Cognitivea et réalisationb scores (M ± SE) par groupe au départ et après le test, et moyennes ajustées au post

Un standard, basé sur la théorie (Das, Naglieri et Kirby, 1994; Naglieri, 1999) une évaluation cognitive dotée d'excellentes qualités psychométriques, le système d'évaluation cognitive, a été utilisée (Naglieri et Das, 1997) Le système d'évaluation cognitive a été normalisé sur un large échantillon représentatif d'enfants âgés de 5 à années 17 qui correspondent de près à la population américaine pour un certain nombre de variables démographiques (par exemple, l'âge, la race, la région, la classification de l'éducation et l'éducation parentale). . Il est fortement corrélé aux résultats scolaires (r = .71), bien qu’il ne contienne pas d’objets de type accomplissement (Naglieri et Rojahn, 2004) Il est connu pour répondre aux interventions éducatives (Das, Mishra et Poole, 1995) et donne des différences raciales et ethniques plus faibles que les tests d'intelligence traditionnels, ce qui le rend plus approprié pour l'évaluation des groupes défavorisés (Naglieri, Rojahn, Aquilino et Matto, 2005).

Le système d'évaluation cognitive mesure les capacités mentales des enfants définies sur la base de quatre processus cognitifs interdépendants: planification, attention, simultané et successif. Chacune des quatre échelles est composée de trois sous-tests. Seule l'échelle de planification mesure la fonction exécutive (c.-à-d. La génération et l'application de stratégies, l'autorégulation, l'intentionnalité et l'utilisation des connaissances; la fiabilité interne r = .88). L’échelle de planification a une meilleure fiabilité que les tests neuropsychologiques de la fonction exécutive (Lapin, 1997) Les autres échelles mesurent d’autres aspects de la performance cognitive et peuvent donc déterminer si les effets de l’exercice chez les enfants sont plus forts pour la fonction exécutive que pour d’autres processus cognitifs. Les tests d’attention nécessitent une activité cognitive sélective et ciblée ainsi qu’une résistance à la distraction (fiabilité interne). r = .88). Les sous-tests simultanés comportent des questions spatiales et logiques à contenu non verbal et verbal (fiabilité interne r = .93). Les tâches successives nécessitent l’analyse ou le rappel de stimuli disposés en séquence, ainsi que la formation de sons dans l’ordre (fiabilité interne r = .93). Les résultats préliminaires de cette mesure ont été publiés (Davis et al., 2007) La version de test 8-y-ans du test a été administrée à un enfant par erreur lorsque l'enfant avait 7 ans.

Le rendement scolaire des enfants a été mesuré à l’aide de deux formes interchangeables des tests de rendement III de Woodcock-Johnson (McGrew et Woodcock, 2001) qui ont été contrebalancés au hasard. Les groupes de lecture large et de mathématiques étendues ont été les résultats d’intérêt. Cent quarante et un enfants des cohortes 4 ont fourni des données sur les résultats.

Analyses statistiques

L’intention de traiter l’analyse de la covariance a mis à l’épreuve les différences de cognition et de résultats obtenus après le test, en ajustant le score initial. Les analyses ont été effectuées à l'aide de la dernière imputation reportée de la dernière observation pour les enfants 7 n'ayant pas fourni de données post-test. Les covariables (cohorte, race, sexe, éducation des parents) ont été incluses si elles étaient liées à la variable dépendante. Les échelles de planification, simultanée, d'attention et de succession, ainsi que les groupes de lecture large et de calcul général, ont été examinés. A priori des contrastes testant une tendance linéaire et comparant le groupe témoin aux deux groupes d’exercices ont été réalisés, ainsi que des contrastes orthogonaux quadratiques et faibles par rapport aux fortes doses. La signification statistique a été évaluée à α = .05. Des analyses significatives ont été répétées en excluant les enfants 11 prenant des médicaments pour le trouble de déficit de l'attention et en excluant les enfants de 18 âgés de 7 ans qui, en raison de leur âge, ont reçu une version légèrement différente du système d'évaluation cognitive. Il a été estimé qu'une taille d'échantillon de sujets 62 par groupe fournissait 80% de puissance pour détecter une différence entre les groupes d'unités 6.6.

Sous-étude FMRI

Participants

Vingt enfants de la dernière cohorte de l’étude ont participé à une étude pilote d’IRMf comprenant des scanners cérébraux de base (contrôle n = 9, exercice n = 11) et post-test (contrôle n = 9, exercice n = 10). Les enfants gauchers et ceux qui portaient des lunettes ont été exclus. Une session post-test du groupe d'exercices a été refusée. Aucune différence significative dans les caractéristiques de ce sous-ensemble (années 9.6 ± 1.0,% 40 femmes, 40% Noir, IMC 25.3 ± 6.0, IMC z-score 1.9 Â ± 0.46) et le reste de l'échantillon. Les groupes d'exercice à faible et forte dose (14 ± 1.7 wks exercise) ont été regroupés pour les analyses IRMf.

Conception et procédure

Les images ont été acquises sur un système IRM Tesla GE Signa Excite HDx 3 (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI). Les stimuli visuels ont été présentés à l'aide de lunettes de protection compatibles avec l'IRM (Resonance Technologies, Inc., Northridge, CA) et les mouvements oculaires ont été surveillés à l'aide d'un système de suivi des yeux permettant aux enquêteurs de voir que les sujets étaient réveillés et engagés dans la tâche. Les sujets portaient des bouchons d'oreille et leur tête était retenue à l'aide d'un oreiller à vide. Avant l'acquisition des données IRM, l'homogénéité magnétique était optimisée à l'aide d'une procédure de calage automatique qui détermine les valeurs de calage d'ordre inférieur en effectuant des ajustements aux moindres carrés de cartes de champ magnétique et applique automatiquement les valeurs de calage d'ordre inférieur en tant que courants de décalage de courant continu dans le X, Formes d'onde de gradient Y et Z. Les images fonctionnelles ont été obtenues à l'aide d'une séquence d'imagerie écho planaire dégradée dégradée (temps de répétition (TR) 2800 ms, temps d'écho (TE) 35 ms, angle de retournement 90 °, champ de vision (FOV) 280 × 280 mm2, matrice 96 × 96, tranches 34, épaisseur des tranches 3.6 mm). Ensuite, des images structurelles ont été obtenues en utilisant une séquence d'écho à gradient rapidement dégradé de dimensions 3 (TR 9.0 ms, TE 3.87 ms, angle de retournement 20 °, FOV 240 × 240 mm2, matrice 512 × 512, tranches 120, épaisseur des tranches 1.3 mm). Les images structurelles à haute résolution ont été utilisées pour normaliser les images fonctionnelles dans un espace stéréotaxique standard aux fins d’analyses (Talairach et Tournoux, 1988).

Tâche antisaccade

Les données d’imagerie fonctionnelle ont été acquises pendant que les sujets remplissaient une autre mesure de la fonction exécutive, une tâche antisaccade (McDowell et al., 2002) La performance antisaccade correcte nécessite l’inhibition d’une réponse prépotente à un signal visuel et la génération d’une réponse à la position de l’image miroir de ce signal (côté opposé, même distance de la fixation centrale). Après une période de fixation initiale (25.2 sec), un paradigme de bloc alternait entre la ligne de base (N = Blocs 7; 25.2 sec d’un croisement présenté à la fixation centrale) et expérimental (N = Blocs 6; 25.2 sec consiste en des essais antisaccades 8, un total d'essais 48) (minute d'exécution 5.46; volumes 117; les premiers volumes 2 ont été omis de l'analyse pour tenir compte de la stabilisation de l'aimantation). Au début de l'étude, les sujets ont été priés de regarder fixement la croix. Au cours des essais antisaccades, il a été demandé aux sujets de regarder une croix centrale jusqu’à ce qu’elle s’éteigne, puis un signal à la périphérie indiquait aux sujets de regarder aussi rapidement que possible la position en miroir du signal, sans regarder le signal lui-même. Les sujets ont eu deux séances d’entraînement distinctes avant chaque séance d’analyse pour s’assurer de bien comprendre les instructions. Les membres du personnel qui interagissaient avec les enfants au cours de l'examen n'étaient pas au courant de l'affectation de l'enfant.

L'analyse d'image

Les analyses ont été effectuées comme dans les données précédemment publiées de notre laboratoire (Camchong, Dyckman, Austin, Clementz et McDowell, 2008; Camchong, Dyckman, Chapman, Yanasak et McDowell, 2006; Dyckman, Camchong, Clementz et McDowell, 2007; McDowell et al., 2002) en utilisant le logiciel AFNI (Cox, 1996) En résumé, pour chaque session, les volumes ont été enregistrés dans un volume représentatif afin de corriger les mouvements de tête mineurs (et les régresseurs 6 ont été calculés: 1 pour a) rotation, et b) mouvement de translation en tête dans chacun des plans 3. Un filtre gaussien de largeur 4 mm pleine largeur à mi-hauteur a ensuite été appliqué à chaque jeu de données. Pour chaque voxel, le changement en pourcentage du signal dépendant du niveau d'oxygénation du sang par rapport à la ligne de base a été calculé pour chaque point temporel. La variation en pourcentage résultante dans le temps a été corrigée pour la dérive linéaire et corrélée à une fonction de référence trapézoïdale modélisant les conditions de base (fixation) et expérimentale (antisaccade), en utilisant les paramètres de mouvement 6 comme régresseurs de bruit. Les données ont ensuite été transformées en espace normalisé basé sur l’atlas de Talairach et de Tournoux (Talairach et Tournoux, 1988) et rééchantillonné en 4 × 4 × 4 mm voxels.

Afin d’identifier les circuits neuronaux supportant la performance antisaccade (Fig. 2), les données ont été regroupées par groupes et par moments pour l’analyse de la variance. Pour se protéger contre les faux positifs, une méthode de seuil de groupe dérivée de simulations de Monte Carlo (basée sur la géométrie de l'ensemble de données) a été appliquée à F carteWard, 1997) Sur la base de ces simulations, l’alpha familial de p = .05 a été préservé avec un voxel individuel seuil à p = .0005 et une taille de cluster de voxels 3 (192, µL). Le cluster résultant F La carte a été utilisée pour identifier le changement de signal régional lié au niveau d'oxygénation du sang.

Fig. 2 

Vues axiales affichant le pourcentage de changement de signal lié au niveau d'oxygénation du sang associé à la performance antisaccade par analyse sur un échantillon à trois niveaux différents dans le cerveau. Les données des sessions 39 (enfants 20 au départ, 19 au posttest) sont ...
Analyses de régions d'intérêt

Pour chaque région corticale qui a montré une activité significative dans le cluster F carte (champ oculaire frontal, champ oculaire supplémentaire, cortex préfrontal, cortex pariétal postérieur), une sphère (rayon 8 en mm, semblable à Kiehl et al., 2005; Morris, DeGelder, Weiskrantz et Dolan, 2001) était situé au centre de la masse, l’activité bilatérale s’étant effondrée dans les hémisphères. Les changements moyens en pourcentage du signal au départ et après le test ont été calculés pour chaque région d'intérêt pour chaque participant et les scores de différence analysés. En raison de la distribution non normale des valeurs des régions d’intérêt, les conditions expérimentales ont été comparées à l’aide de la méthode de Mann-Whitney. U test (probabilités exactes 2-tailed).

Resultats

Données psychométriques

Le sexe était lié à la planification post-test (garçons, 101.3 ± 12.1 vs filles, 105.2 ± 12.7, t = −2.0, p = .044) et Attention (99.8 ± 12.2 vs. 107.5 ± 12.5, t = −4.1, p <.001) scores. La race était liée au post-test simultané (Blanc, 109.3 ± 13.6 vs Noir, 104.0 ± 10.9, t = 2.9, p = .004) et Mathématiques générales (109.0 ± 9.3 vs. 102.0 ± 10.1, t = 4.2, p <.001) scores. L'éducation des parents était corrélée à la planification post-test (r =. 18, p = .02), lecture large (r =. 27, p = .001) et Broad Math (r =. 27, p = .001) scores. Ces covariables ont été incluses dans les analyses correspondantes.

Statistiquement significatif a priori contraste linéaire indique un bénéfice dose-effet de l'exercice sur la fonction exécutive (c.-à-d. planification, Fig. 3; L = 2.7, 95% d'intervalle de confiance (IC) de 0.6 à 4.8, t(165) = 2.5, p = .013). le a priori Le contraste comparant le groupe témoin aux groupes d'exercices était également significatif, montrant que l'exposition à la dose faible ou élevée du programme d'exercice entraînait des scores de planification supérieurs (L = −2.8, CI = −5.3 à −0.2, t(165) = 2.1, p = .03). Comme prévu, aucun effet n'a été détecté sur les échelles Attention, Simultaneous ou Successive. Pour le cluster Broad Math, une statistique statistiquement significative a priori contraste linéaire indique un bénéfice dose-effet de l'exercice sur les résultats en mathématiques (Fig. 3; L = 1.6, CI 0.04 à 3.2, t(135) = 2.03, p = .045). Le contraste entre les conditions d’exercice et les conditions de contrôle n’était pas statistiquement significatif (p = .10). Aucun effet n'a été détecté sur le cluster de lecture large.

Fig. 3 

Fonction exécutive (planification) ajustée en fonction du sexe, de l'éducation des parents et du score de base, et résultat moyen en mathématiques (SE) au post-test, ajustée en fonction de la race, de l'éducation des parents et du score de référence, montrant les effets de l'exercice sur l'aérodrome sur la relation dose-effet ...

Les conditions de doses faibles et élevées ne différaient pas et aucune tendance quadratique n'a été détectée. Mis à part le score initial, les seules covariables significatives dans les analyses de la cognition ou de la performance étaient le sexe dans l'analyse de l'attention (p <.001) et course pour Broad Math (p = .03). Les résultats étaient similaires en excluant les enfants présentant un trouble de déficit de l'attention (contrastes linéaires entre Planning, t(154) = 2.84, p = .005, Broad Math, t(125) = 2.12, p = .04) et les années 7 (Planning, t(147) = 2.92, p = .004, Broad Math, t(117) = 2.23, p = .03).

Données de neuroimagerie

Le signal dépendant du niveau d'oxygénation du sang lié à l'antisaccade (effondrement à travers le groupe et le point de temps) a révélé des circuits corticaux saccadés (comprenant des champs oculaires frontaux, des champs oculaires supplémentaires, le cortex pariétal postérieur et le cortex préfrontal); Fig. 2), qui est bien défini chez l'adulte (Luna et al., 2001; Sweeney, Luna, Keedy, McDowell et Clementz, 2007). Les analyses des régions d’intérêt ont montré des différences de groupe significatives entre les modifications de signal entre le début et la fin du test et dans le post-test: cortex préfrontal bilatéral (centre de masse en coordonnées de Talairach (x, y, z): droite = 36, 32, 31; gauche = - 36, 32, 31) et cortex pariétal postérieur bilatéral (droite = 25, −74, 29; gauche = −23, −70, 22). Plus précisément, le groupe d’exercice a montré une activité bilatérale accrue du cortex préfrontal (Fig. 4, panneau de gauche; U = 20, p = .04) et une diminution de l’activité dans le cortex pariétal bilatéral postérieur (Fig. 4, panneau de droite; U = 18, p = .03) par rapport aux contrôles. Les analyses de régions d'intérêt des régions motrices (champs oculaires frontal et supplémentaire) n'ont pas mis en évidence de différences significatives entre les groupes.

Fig. 4 

Boîtes à moustaches par condition expérimentale montrant le changement d'activation du niveau de référence au post-test. Panneau de gauche: cortex préfrontal. Panneau de droite: cortex pariétal postérieur.

Discussion

L’expérience a testé l’effet d’exercices aérobiques réguliers pendant environ quelques mois 3 sur la fonction exécutive chez des enfants sédentaires ayant un excès de poids en utilisant des évaluations cognitives, des mesures de performance et une IRMf. Cette approche aux multiples facettes a révélé des preuves convergentes que l'exercice aérobique améliore les performances cognitives. Plus spécifiquement, les évaluations normalisées à l'aveugle ont montré des avantages dose-réponse spécifiques de l'exercice sur la fonction exécutive et les résultats en mathématiques. Une augmentation de l'activité du cortex préfrontal et une réduction de l'activité du cortex pariétal postérieur en raison du programme d'exercice ont été observées.

En résumé, ces résultats correspondent à ceux observés chez les adultes en ce qui concerne les changements démontrables du comportement et de l'activité cérébrale dus à l'exercice (Colcombe et al., 2004; Pereira et al., 2007). Ils ajoutent également des preuves de la relation dose-effet, ce qui est particulièrement rare dans les essais d’exercice avec des enfants (Strong et al., 2005) et fournissent des informations importantes sur un résultat éducatif. La condition de dose élevée a abouti à des scores de planification moyens moyens de 3.8, soit un quart d'un écart type (σ = 15), supérieurs à la condition de contrôle. Les données démographiques n'ont pas contribué au modèle. Des résultats similaires ont été obtenus en excluant les enfants présentant un trouble de déficit de l'attention ou âgés de 7. Par conséquent, les résultats peuvent être généralisés en surpoids de 7 aux années 11 noires ou blanches.

La fonction exécutive se développe dans l’enfance et est essentielle au comportement et au développement adaptatifs (Best, Miller et Jones, 2009; Eslinger, 1996). En particulier, la capacité de réguler son comportement (par exemple, en empêchant les réponses inappropriées, en retardant la gratification) est importante pour qu'un enfant réussisse à l'école primaire (Blair, 2002; Eigsti et al., 2006). Cet effet peut avoir des implications importantes pour le développement de l'enfant et les politiques éducatives. La découverte d’une amélioration des résultats en mathématiques est remarquable, étant donné qu’aucun enseignement académique n’a été dispensé, et suggère qu’une période d’intervention plus longue pourrait être plus profitable. L’amélioration observée sur le rendement était spécifique aux mathématiques, sans aucun avantage pour la lecture.

Nous émettons l'hypothèse qu'une activité physique vigoureuse régulière favorise le développement des enfants via des effets sur les systèmes cérébraux qui sous-tendent la cognition et le comportement. Des études chez l'animal montrent que l'exercice aérobique augmente les facteurs de croissance tels que les facteurs neurotrophiques dérivés du cerveau, entraînant une augmentation de l'apport sanguin capillaire au cortex et la croissance de nouveaux neurones et synapses, entraînant un meilleur apprentissage et de meilleures performances (Dishman et al., 2006). Des études de cohorte expérimentales et prospectives conduites avec des adultes démontrent que l'activité physique régulière à long terme modifie le fonctionnement du cerveau humain (Colcombe et al., 2004; Weuve et al., 2004). Une expérience contrôlée randomisée a révélé que des mois d’exercices aérobiques pendant plusieurs mois 6 entraînaient une amélioration des performances cognitives chez les adultes âgés (Kramer et al., 1999). Un article important rapporte des preuves évidentes de l'impact des exercices d'aérobic sur l'activité cérébrale chez l'adulte dans deux études utilisant des techniques d'IRMf: une comparaison transversale entre les individus dont l'ajustement était faible ou élevé montrait que l'activité du cortex préfrontal était liée à la forme physique et une expérience a montré que 6 mois d'exercice aérobique (marche) chez des enfants sédentaires de 55 à 77 augmentaient l'activité du cortex préfrontal et conduisaient à l'amélioration d'un test de la fonction exécutive (Colcombe et al., 2004). Fait intéressant, une méta-analyse n’a trouvé aucun appui à la capacité aérobique en tant que médiateur de l’effet de l’activité physique sur la cognition humaine (Etnier, Nowell, Landers et Sibley, 2006). Ainsi, plutôt que d'être influencés par des avantages cardiovasculaires, les changements cognitifs dus à l'exercice peuvent être une conséquence directe de la stimulation neurale par le mouvement. Bien que l’activité physique puisse avoir une incidence directe sur les fonctions cognitives des enfants via des modifications de l’intégrité neurale, il existe d’autres explications plausibles, telles que l’implication mentale volontaire, orientée vers un objectif (Tomporowski et al., 2008).

Cette étude a des limites. Les résultats se limitent à un échantillon d'enfants 7 à 11 en surpoids, en noir et blanc. Les enfants maigres et ceux d'autres ethnies ou groupes d'âge peuvent réagir différemment. On ignore si les avantages cognitifs perdurent après une période de désenchaînement. Cependant, si les avantages s'accumulent avec le temps, cela serait important pour le développement de l'enfant. Il peut y avoir des périodes sensibles pendant lesquelles l'activité motrice exercerait un effet particulièrement fort sur le cerveau (Knudsen, 2004). Il reste à déterminer si d'autres types d'exercices, tels que la musculation ou la natation, sont également efficaces. Les participants et le personnel d'intervention ne pouvaient être aveuglés par les conditions expérimentales ou l'hypothèse de l'étude; Cependant, le matériel de recrutement mettait l'accent sur les avantages pour la santé physique plutôt que sur les avantages cognitifs. Une autre limite est que l'utilisation d'une condition de contrôle sans intervention ne permet pas à l'essai d'exclure certaines explications alternatives (par exemple, l'attention des adultes, le plaisir). Des changements psychologiques peuvent survenir chez les enfants qui participent à un exercice en raison d'interactions sociales qui se produisent pendant les séances plutôt qu'en raison d'un exercice en soi. Le schéma dose-réponse des résultats contredit toutefois cette explication, car les deux groupes d’exercices ont passé autant de temps au centre de recherche que les instructeurs et leurs pairs.

L'étude n'a pas trouvé de différence entre les groupes de dose d'exercice. Cela n’entre pas en conflit avec le résultat de la relation dose-effet, qui montre que l’intervention avec exercice a entraîné une amélioration de la cognition (Hill, 1965). Étant donné que le contraste linéaire a démontré un effet de traitement graduel, une comparaison de dose par paire pose une question de suivi, si une dose spécifique est supérieure à une autre (Ruberg, 1995). Le test du bénéfice dose-réponse sur la réalisation était significatif, mais la comparaison du groupe témoin aux deux groupes d’exercices n’apportait pas un soutien partiel à l’hypothèse voulant que l’exercice améliore les résultats en mathématiques.

Les résultats de l'IRMf sont limités par la petite taille de l'échantillon et ne fournissent pas de test de réponse à la dose, ce qui les rend plus sujets à des explications alternatives. Néanmoins, des changements spécifiques ont été observés et la direction des changements différait dans les régions préfrontales et pariétales, plaidant contre une tendance globale de l'activité cérébrale. Bien que la performance antisaccade et son activité cérébrale de soutien changent avec l’âge (Luna et al., 2001), ceci est un facteur de confusion peu probable car les groupes étaient du même âge.

Ces données expérimentales offrent la preuve qu'un programme d'exercices aérobiques vigoureux après l'école a amélioré la fonction exécutive en réponse à la dose chez les enfants en surpoids; des facteurs sociaux peuvent avoir contribué à cet effet. Des changements dans les modèles d'activation cérébrale correspondants ont été observés. Ces résultats confirment également partiellement un avantage pour la performance en mathématiques. L'attribution des conditions était randomisée et les évaluations de résultats en aveugle, minimisant ainsi les biais potentiels ou les sources de confusion. Les enfants en surpoids représentent désormais plus du tiers des enfants américains et sont surreprésentés parmi les populations défavorisées. Outre son importance pour la réduction des risques pour la santé lors d’une épidémie d’obésité chez les enfants (Ogden et al., 2006), l’activité aérobique peut s’avérer un moyen important d’améliorer les aspects du fonctionnement mental des enfants qui sont essentiels au développement cognitif (Welsh, Friedman et Spieker, 2006).

Remerciements

CA Boyle, C. Creech, JP Tkacz et JL Waller ont participé à la collecte et à l'analyse de données. Soutenu par NIH DK60692, DK70922, institut de recherche du Collège de médecine de Géorgie, une subvention de l’initiative biomédicale de l’État de Géorgie au Centre pour la prévention de l’obésité et des troubles connexes de Géorgie, et financement transitoire du Collège de médecine de Géorgie et de l’Université de Géorgie.

Notes

Avis de non-responsabilité de l'éditeur: Le manuscrit suivant est le manuscrit final accepté. Il n'a pas été soumis à la révision finale, à la vérification des faits et à la relecture requise pour la publication officielle. Ce n'est pas la version définitive, authentifiée par l'éditeur. L'American Psychological Association et son Conseil des rédacteurs déclinent toute responsabilité quant aux erreurs ou omissions de cette version du manuscrit, de toute version dérivée de ce manuscrit par NIH ou toute autre tierce partie. La version publiée est disponible à l'adresse www.apa.org/pubs/journals/hea

Informations du contributeur

Catherine L. Davis, Institut de prévention de la Géorgie, pédiatrie, Medical College of Georgia.

Phillip D. Tomporowski, Département de kinésiologie, Université de Géorgie.

Jennifer E. McDowell, Département de psychologie, Université de Géorgie.

Benjamin P. Austin, Département de psychologie, Université de Géorgie.

Patricia H. Miller, Département de psychologie, Université de Géorgie.

Nathan E. Yanasak, Département de radiologie, Medical College of Georgia.

Jerry D. Allison, Département de radiologie, Medical College of Georgia.

Jack A. Naglieri, Département de psychologie, Université George Mason.

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