운동은 과체중 아동의 이그 제 큐 티브 기능과 성취도를 향상시키고 뇌 활성화를 변화시킵니다 : 무작위 통제 시험 (2011)

건강 사이코 롤. 저자 원고; PMC Jan 1, 2012에서 사용할 수 있습니다.
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PMCID : PMC3057917
NIHMSID : NIHMS245691
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추상

목표

이 실험은 운동이 경영진 기능을 향상시킬 것이라는 가설을 테스트했습니다.

디자인

좌식 과체중 7 ~ 11 세 아동 (N = 171, 56 % 여성, 61 % 검정, M ± SD 연령 9.3 ± 1.0 년, 체질량 지수 (BMI) 26 ± 4.6 kg / m2, BMI z- 점수 2.1 ± 0.4)는 13 ± 1.6 주 운동 프로그램 (20 또는 40 분 / 일) 또는 제어 조건에 무작위로 배정되었습니다.

주요 결과 측정

맹목적이고 표준화 된 심리 평가 (인지 평가 시스템 및 Woodcock-Johnson 성취도 III)는인지와 학업 성취도를 평가했습니다. 기능 자기 공명 영상 집행 기능 작업 중 뇌 활동을 측정.

결과

분석의 목적은 행정 기능과 수학 성취에 대한 운동의 용량 반응 이점을 보여 주었다. 운동으로 인한 양측 전전두엽 피질 활성 증가 및 양측 후부 정수리 피질 활성 감소의 예비 증거도 관찰되었다.

결론

노인에서 얻은 결과와 일관되게, 운동으로 인한 집행 기능 및 뇌 활성화 변화에 대한 특정 개선이 관찰되었다. 인지 및 성취 결과는 용량 반응의 증거를 추가하고 실험적 증거를 어린 시절로 확장합니다. 이 연구는 교육 결과에 대한 정보를 제공합니다. 아동 비만 전염병 동안 체중을 유지하고 건강 위험을 줄이는 것이 중요 할뿐만 아니라 신체 활동은인지 발달의 중심에있는 아동의 정신 기능을 향상시키는 단순하고 중요한 방법 일 수 있습니다. 이 정보는 교육자들이 활발한 신체 활동을 구현하도록 설득 할 수 있습니다.

키워드 : 인지, 에어로빅 운동, 비만, antisaccade, fMRI

에어로빅 운동 훈련에 대한 인식의 다른 측면보다 집행 기능이 더 민감한 것으로 보입니다 (Colcombe & Kramer, 2003 년). 집행 기능은 목표를 달성하기 위해인지 기능의 감독 제어를 구성하며 전전두엽 피질 회로를 통해 매개됩니다. 목표 지향적 행동을 구성하는 행동 순서를 계획하고 수행하려면주의와 기억의 할당, 반응 선택 및 금지, 목표 설정, 자기 통제, 자기 모니터링 및 숙련되고 유연한 전략 사용이 필요합니다 (에 슬링거, 1996; Lezak, Howieson, & Loring, 2004). 호기성 운동은 호기성 운동이 노인 기능을 집행 기능 과제에서 선택적으로 향상시키고 전두엽 피질 활동의 상응하는 증가로 이어진다는 증거에 근거하여 제안되었다 (콜 콤 (Colcombe) 등, 2004; Kramer et al., 1999). 어린이의인지 및 신경 발달은 신체 활동에 민감 할 수 있습니다 (다이아몬드, 2000; Hillman, Erickson 및 Kramer, 2008; Kolb & Whishaw, 1998). 어린 시절의 운동 행동과인지 발달 사이의 연관성에 대한 이론적 설명은 가정 된 뇌 네트워크에서 지각 행동 표현의 구성에 이르기까지 다양했습니다 (Rakison & Woodward, 2008 년; Sommerville & Decety, 2006 년).

어린이의 운동 연구에 대한 메타 분석 결과 운동과의인지 능력이 향상되었습니다. 그러나 무작위 시험 결과가 일치하지 않았다 (Sibley & Etnier, 2003 년). 집행 기능에 대한 운동의 선택적 효과는 어린이에게서 얻은 혼합 실험 결과를 설명 할 수 있습니다 (2008 년 Tomporowski, Davis, Miller, Naglieri). 집행 기능을 필요로하는인지 적 과제를 활용 한 연구는 운동의 이점을 보여 주었다 (Davis et al., 2007; Tuckman & Hinkle, 1986 년), 덜 민감한 조치를 사용하는 사람들은 (Lezak 등, 2004, pp. 36, 611-612; 예를 들어 Ismail, 1967; Zervas, Apostolos 및 Klissouras, 1991). 표본이 더 작은이 연구의 예비 보고서는 집행 기능에 대한 운동의 이점을 보여주었습니다.Davis et al., 2007). 최종 결과가 여기에 표시됩니다.

어린이들에게는 활발한 신체 활동이 더 좋은 성적과 관련이 있습니다.Coe, Pivarnik, Womack, Reeves 및 Malina, 2006; 타 라스, 2005), 학업 성취도를 갖춘 체력Castelli, Hillman, Buck, & Erwin, 2007; 드 와이어, 살리스, 블리자드, 라자루스, 딘, 2001; Wittberg, Northrup, Cottrell 및 Davis, 승인 됨), 실적이 저조한 과체중 (Castelli 등, 2007; Datar, Sturm 및 Magnabosco, 2004; Dwyer et al., 2001; Shore 등, 2008; Taras & Potts-Datema, 2005). 그러나 신체 활동이 학업 성취에 미치는 영향과 관련하여 가장 강하게 결론을 내리는 것은 수업 시간을 빼앗아도 성취를 손상시키지 않는다는 것입니다.Dwyer, Coonan, Leitch, Hetzel, & Baghurst, 1983 년; Sallis 등 1999; Shephard et al., 1984). 과체중은 만성 무 활동의 지표이기 때문에 (Must & Tybor, 2005), 과체중, 좌식 아동은 야윈 아동보다 운동으로 혜택을받을 가능성이 더 높습니다.

이 연구의 주된 가설은 운동에 배정 된 좌식 과체중 아동이 행정 기능에 대한 통제 조건에있는 아동보다 더 개선 할 것이지만주의 산만, 공간 및 논리 과정 및 시퀀싱에 대한 저항성과 같은 다른인지 적 과정은 개선하지 못한다는 것이었다. 이차 가설은 운동과인지 사이에서 용량 반응 관계가 관찰 될 것이라는 것이었다. 학업 성취도에 대한 영향을 조사했습니다. 뇌 기능의 운동 관련 변화를 보여주는 성인의 이전 연구에 기초하여, 전두엽 피질 회로에서의 활동에 대한 영향이 소집단의 기능적 자기 공명 영상화 (fMRI)를 사용하여 탐구되었다.

방법

주요 연구

참가자

학생들은 2003–2006 동안 어린이 건강에 관한 유산소 운동 시험을 위해 학교에서 모집되었습니다. 아동이 과체중 (≥85 번째 백분위 수 BMI) 인 경우 (Ogden et al., 2002), 비활성 (정기적 인 신체 활동 프로그램 없음> 1 시간 / 주), 연구 결과에 영향을 미치거나 신체 활동을 제한 할 의학적 상태가 없었습니다. 7-11 세 어린이 56 명을 무작위로 선정했습니다 (여성 61 %, 흑인 39 %, 백인 9.3 %, M ± SD 연령 1.0 ± 26.0 세, 체질량 지수 (BMI) 4.6 ± XNUMX kg / m).2, BMI z- 점수 2.1 ± 0.4, 부모 (예 : 초급 간병인) 교육 수준 5.0 ± 1.1. 여기서 1 = 7 학년 미만, 2 = 8th 또는 9th, 3 = 10th 또는 11th, 4 = 고등학교 졸업, 5 = 일부 대학, 6 = 대학 졸업, 7 = 대학원). 무작위 배정 후 발생한 정신 병원 입원으로 인해 한 명의 아동이 사후 검사에서 제외되었습니다. 아이들은 중재의 준수 여부에 관계없이 사후 테스트를 장려했습니다. 주의력 결핍 장애로 약을 복용하는 11 명의 어린이들이 포함되었습니다 (그리고 평소와 같이 약을 복용했습니다; n = 4 제어 n = 저용량의 4 n = 고용량 군의 3)를 일반화 할 수 있도록합니다. 어린이와 부모는 서면 동의서를 작성하고 동의했습니다. 연구는 조지아 의과 대학의 기관 검토위원회에 의해 검토되고 승인되었습니다. 테스트와 중재는 조지아 의과 대학에서 이루어졌습니다. 참가자 흐름도는 Fig. 1.

Fig. 1 

참가자 흐름도.

연구 설계

아이들은 통계 학자에 의해 저용량 (20 분 / 일) 또는 고용량 (40 분 / 일) 에어로빅 운동에, 또는 운동 제어 없음에 무작위로 배정되었습니다. 무작위 화는 인종과 성별에 의해 계층화되었습니다. 과제는 기준선 테스트가 완료 될 때까지 숨겨지고 연구 코디네이터에게 전달되어 주제를 알 렸습니다. 통제 조건은 방과 후 프로그램이나 교통 수단을 제공하지 않았습니다. 운동 조건은 강도가 같았으며 지속 시간 (즉, 에너지 소비) 만 달랐습니다. 3 년 동안 5 명의 코호트가 연구에 참여했습니다.

에어로빅 운동 중재

운동에 배정 된 아이들은 매일 방과 후 운동 프로그램으로 이송되었습니다 (학생 : 강사 비율은 약 9 : 1). 경쟁이나 기술 향상이 아니라 강도, 즐거움 및 안전에 중점을 두었습니다. 활동은 이해하기 쉽고 재미 있고 간헐적 인 격렬한 움직임을 이끌어 내기 위해 선택되었으며 달리기 게임, 줄넘기 및 변형 된 농구 및 축구 (Gutin, Riggs, Ferguson 및 Owens, 1999). 프로그램 핸드북은 요청시 제공됩니다. 심박수 모니터 (S610i; Polar Electro, Oy, Finland; 30 초 epoch)를 사용하여 복용량을 관찰했습니다. 세션 중 각 어린이의 평균 심박수를 매일 기록했으며, 분당 평균 150 회 이상을 유지하면 점수가 부여되었습니다. 포인트는 주간 상품으로 교환되었습니다. 고용량 조건에 배정 된 어린이는 매일 두 번의 20 분 시합을 마쳤습니다. 저용량 상태의 어린이는 한 번의 20 분 시합을 마친 다음 다른 방에서 20 분 동안 앉아있는 활동 (예 : 보드 게임, 카드 게임, 그림 그리기)을 마쳤습니다. 이 기간 동안 과외는 제공되지 않았습니다. 각 세션은 XNUMX 분의 워밍업 (중간 심혈관 활동, 정적 및 동적 스트레칭)으로 시작되었습니다. 시합은 물 휴식, 가벼운 냉각 심혈관 활동 및 정적 스트레칭으로 끝났습니다.

개입 13 ± 1.6 주 동안 (저용량 및 고용량 조건에서 각각 13 ± 1.5, 13 ± 1.7) 출석률은 85 ± 13 % (85 ± 12, 85 ± 14)였습니다. 평균 심박수는 분당 166 ± 8 회 (167 ± 7, 165 ± 8)였습니다. 아이들은 대부분의 날에 분당 150 회 이상의 평균 심박수를 달성했습니다 (전체 87 ± 10 %, 저용량 및 고용량 조건에서 각각 89 ± 8, 85 ± 12). 중재 기간, 평균 출석률, 심박수 및 심박수 목표 달성 시간 비율은 운동 조건 전반에서 유사했으며 기준선과 사후 검사 사이의 시간은 모든 실험 조건에서 유사했습니다 (19 ± 3.3, 18 ± 2.6, 18 ± 2.5 주 (각각 대조군, 저용량 및 고용량 조건).

조치

표준화 된 심리학 적 배터리는 기준 및 사후 테스트에서인지 및 성취를 평가 하였다. 대부분의 어린이들 (98 %)은 같은 테스터에 의해 같은 시간에 같은 기준으로 기준선과 사후 테스트에서 같은 방에서 평가되었습니다. 테스터는 어린이의 실험 상태를 알지 못했습니다. 표준 점수를 분석 하였다. 5 코호트는 모두인지를위한 데이터를 제공하고 4 코호트는 성과를 제공했습니다. 평균 범위가 정상 범위 (표 1).

표 1 

인식의a 그리고 성취b 기준선 및 사후 테스트에서 그룹 별 점수 (M ± SE) 및 사후 조정 된 평균

표준화 된 이론 기반 (다스, 나 글리 에리, 커비, 1994; Naglieri, 1999) 우수한 심리학 적 특성을 가진인지 평가 인인지 평가 시스템 (Cognitive Assessment System)이 활용되었습니다.Naglieri & Das, 1997 년). 인지 평가 시스템은 많은 인구 통계 학적 변수 (예 : 연령, 인종, 지역, 지역 사회 환경, 교육 분류 및 부모 교육)에 대해 미국 인구와 밀접하게 일치하는 5-17 세 어린이의 대표 표본으로 표준화되었습니다. 학업 성취도와 밀접한 관련이 있습니다.r 업적과 유사한 항목은 포함하지 않지만 = .71)Naglieri & Rojahn, 2004). 교육적 개입에 반응하는 것으로 알려져 있습니다 (Das, Mishra, & Poole, 1995 년), 기존 지능 테스트보다 인종과 민족의 차이가 작으므로 소외 계층의 평가에 더 적합합니다.Naglieri, Rojahn, Aquilino 및 Matto, 2005).

코 그너 티브 평가 시스템은 계획,주의, 동시 및 연속적인 네 가지 코 그너 티브인지 프로세스를 기반으로 정의 된 아동의 정신 능력을 측정합니다. 네 가지 척도 각각은 세 개의 하위 테스트로 구성됩니다. 계획 규모 만 경영진 기능 (예 : 전략 생성 및 적용, 자체 규제, 의도 및 지식 활용, 내부 안정성)을 측정합니다. r = .88). 계획 척도는 집행 기능의 신경 심리학 적 테스트보다 더 나은 신뢰성을 가지고 있습니다.Rabbitt, 1997). 나머지 척도는인지 성능의 다른 측면을 측정하므로 어린이의 운동 효과가 다른인지 과정보다 집행 기능에 더 강한 지 여부를 결정할 수 있습니다. 주의력 검사에는 집중적이고 선택적인인지 활동과주의 산만 저항 (내부 신뢰성)이 필요합니다 r = .88). 동시 하위 테스트에는 비언어적 및 구두 적 내용 (내부 신뢰성)이 포함 된 공간 및 논리적 질문이 포함됩니다. r = .93). 연속적인 작업에는 순서대로 배열 된 자극의 분석 또는 리콜 및 순서대로 사운드 생성 (내부 신뢰성)이 필요합니다. r = .93). 이 법안에 대한 예비 결과가 출판되었습니다Davis et al., 2007). 아이가 8 세가되었을 때 기준선에서 한 명의 어린이에게 7 세의 테스트 버전이 잘못 투여되었습니다.

아동의 학업 성취도는 우드 콕-존슨 성취도 시험 III (맥 그루 & 우드 콕, 2001)가 무작위로 균형을 잡았습니다. 광범위한 독서와 넓은 수학 클러스터가 관심의 결과였습니다. 4 코호트에있는 140 명의 어린이가 성과 데이터를 제공했습니다.

통계 분석

기준점 점수를 조정하여 사후 테스트에서인지 및 성취도에 대한 공분산 테스트 그룹 차이의 분석을 처리합니다. 테스트 후 데이터를 제공하지 않은 7 어린이에 대한 최종 전이 된 전가를 사용하여 분석을 수행했습니다. 종속 변수와 관련된 공변량 (코호트, 인종, 성별, 부모 교육)이 포함되었습니다. 광범위한 읽기 및 광범위한 수학 클러스터뿐만 아니라 계획, 동시,주의 및 연속 스케일을 검사했습니다. 선험적으로 선형 추세를 테스트하고 대조 그룹을 두 운동 그룹과 비교하여 직교 2 차 및 저 대 고 선량 대비와 함께 수행했습니다. 통계적 유의성은 α = .05에서 평가되었다. 주의력 결핍 장애로 약물을 복용하는 11 어린이를 제외하고 나이 때문에 약간 다른 버전의인지 평가 시스템을 투여 한 18 7 세를 제외하고는 상당한 분석이 반복되었습니다. 그룹당 62 대상체의 샘플 크기는 80 단위 그룹 간의 차이를 검출하기 위해 6.6 % 검정력을 제공하는 것으로 추정되었다.

FMRI 연구

참가자

연구의 마지막 코호트에있는 20 명의 어린이는 기준선 (대조군 n = 9, 운동 n = 11) 및 사후 검사 (대조군 n = 9, 운동 n = 10) 뇌 스캔으로 구성된 fMRI 파일럿 연구에 참여했습니다. 왼손잡이 어린이와 안경을 쓴 사람들은 제외되었습니다. 운동 그룹에서 하나의 사후 테스트 세션이 거부되었습니다. 이 하위 집합 (9.6 ± 1.0 년, 40 % 여성, 40 % 검은 색, BMI 25.3 ± 6.0, BMI) 사이에는 특성에 유의 한 차이가 없었습니다. z-score 1.9 ± 0.46) 및 나머지 샘플. fMRI 분석을 위해 저용량 및 고용량 운동 그룹 (14 ± 1.7 wks 운동)을 무너 뜨 렸습니다.

설계 및 절차

GE Signa Excite HDx 3 Tesla MRI 시스템 (위스콘신 주 밀워키 소재 General Electric Medical Systems)에서 이미지를 획득 하였다. 시각적 자극은 MRI 호환 고글 (Resonance Technologies, Inc., Northridge, CA)을 사용하여 제시되었고, 안구 운동은 안구 추적 시스템을 사용하여 모니터링되어, 피험자들이 과제가 깨어 있고 업무에 종사하고 있음을 확인할 수있었습니다. 피험자는 귀마개를 착용하고 머리는 진공 베개를 사용하여 제지했습니다. MRI 데이터를 획득하기 전에, 자기장 맵의 최소 제곱 맞춤을 수행하여 하위 차수 값을 결정하고 X에서 직류 오프셋 전류로 하위 차수 값을 자동으로 적용하는 자동 시밍 절차를 사용하여 자기 균일 성을 최적화했습니다. Y 및 Z 그래디언트 파형. 버릇없는 그래디언트 에코 ​​평면 이미징 시퀀스 (반복 시간 (TR) 2800 ms, 에코 시간 (TE) 35 ms), 플립 각도 90 °, FOV (Field of View) 280 × 280 mm2, 매트릭스 96 × 96, 34 슬라이스, 슬라이스 두께 3.6 mm). 다음으로, 3 차원의 빠른 스포 일드 그래디언트 에코 ​​시퀀스 (TR 9.0 ms, TE 3.87 ms, 플립 각도 20 °, FOV 240 × 240 mm)를 사용하여 구조 이미지를 얻었습니다.2, 매트릭스 512 × 512, 120 슬라이스, 슬라이스 두께 1.3 mm). 고해상도 구조적 이미지는 분석을 위해 기능적 이미지를 표준 입체 공간으로 정규화하는 데 사용되었습니다.Talairach & Tournoux, 1988 년).

반스 캐 이드 작업

피험자들이 또 다른 집행 기능 측정, 반스 캐스케이드 작업을 완료하는 동안 기능 영상 데이터를 수집했습니다 (맥도웰 (McDowell) 등의 2002). 올바른 진동 방지 성능을 위해서는 시각적 큐에 대한 전능 한 반응의 억제와 해당 큐의 미러 이미지 위치에 대한 응답 생성 (반대쪽, 중앙 고정과 동일한 거리)이 필요합니다. 초기 고정 기간 (25.2 초) 후 블록 패러다임이 기준선 (N = 7 블록; 중앙 고정시 십자가의 25.2 초) 및 실험 (N = 6 블록; 25.2 안티 스 캐스케이드 시험, 8 시험 총합으로 구성된 48 초 (5.46 분 실행 시간; 117 볼륨; 첫 번째 2 볼륨은 분석에서 자화 안정화를 설명하기 위해 생략되었습니다). 기준선 동안 대상은 십자가를 응시하도록 지시 받았다. 반스 캐 이드 시험 동안 피험자들은 중심 십자가가 멈출 때까지 응시하도록 지시 받았으며, 주변의 신호는 큐 자체를 보지 않고 가능한 빨리 큐의 거울 이미지 위치를 보도록 신호를주었습니다. 피험자들은 지시를 이해하기 위해 각 스캐너 세션 전에 두 개의 개별 연습 세션을 가졌습니다. 스캔하는 동안 어린이와 상호 작용하는 직원은 어린이의 임무를 알지 못했습니다.

이미지 분석

실험실에서 이전에 발표 된 데이터에서와 같이 분석이 수행되었습니다 (Camchong, Dyckman, Austin, Clementz 및 McDowell, 2008; Camchong, Dyckman, Chapman, Yanasak 및 McDowell, 2006; Dyckman, Camchong, Clementz 및 McDowell, 2007; 맥도웰 (McDowell) 등의 2002) AFNI 소프트웨어 사용 (콕스, 1996). 간단히, 각 세션에 대해, 체적은 작은 머리 움직임을 수정하기 위해 대표 체적에 등록되었습니다 (그리고 6 회귀 분석기 : 각각 1 a) 회전 및 b) 각 3 평면에서의 병진 머리 움직임. 그런 다음 절반 최대 가우시안 필터에서 4 mm 전체 폭을 각 데이터 세트에 적용했습니다. 각 복셀에 대해, 기준점으로부터의 혈액 산소 수준 의존성 신호의 변화 백분율은 각 시점에 대해 계산되었다. 시간에 따른 결과 퍼센트 변화는 선형 드리프트에 대해 추이되었고 6 모션 파라미터를 노이즈 회귀로 사용하여 사다리꼴 기준 함수 모델링 기준선 (고정) 및 실험적 (반음계) 조건과 상관 관계가있었습니다. Talairach와 Tournoux Atlas를 기반으로 데이터를 표준화 된 공간으로 변환했습니다.Talairach & Tournoux, 1988 년), 4 × 4 × 4 mm 복셀로 다시 샘플링되었습니다.

반스 캐 이드 성능을 지원하는 신경 회로를 식별하기 위해Fig. 2), 분산 분석을 위해 그룹 및 시점에 걸쳐 데이터가 축소되었습니다. 위양성 (false positive)으로부터 보호하기 위해 Monte Carlo 시뮬레이션에서 파생 된 군집 임계 값 방법 (데이터 세트의 기하에 기초)을 F 지도 (와드, 1997). 이러한 시뮬레이션을 바탕으로 가족 현명한 알파 p = .05가 개별 복셀에서 임계 값으로 유지되었습니다. p = .0005 및 3 복셀의 클러스터 크기 (192 µL). 결과 클러스터 F 지도는 지역 혈액 산소 수준의 신호 변화를 식별하는 데 사용되었습니다.

Fig. 2 

뇌의 세 가지 다른 수준에서 1- 표본 분석으로부터의 반음계 성능과 관련된 혈액 산소화 수준 의존성 백분율 신호 변화를 나타내는 축 방향보기. 39 세션의 데이터 (기준에서 20 자식, 사후 테스트에서 19) ...
관심 영역 분석

클러스터에서 중요한 활동을 보인 각 피질 영역에 대해 F 지도 (전두 안, 보조 안, 전두엽 피질, 후 두정 피질), 구 (반경 8 mm, 키 엘 (Kiehl) 등, 2005; Morris, DeGelder, Weiskrantz 및 Dolan, 2001)를 질량 중심에 위치 시켰으며, 반구를 가로 질러 양자 활동이 무너졌다. 기준선 및 사후 테스트에서의 평균 신호 변화 백분율을 각 참가자에 대한 각 관심 영역에 대해 계산하고 차이 점수를 분석 하였다. 관심 영역 값의 비정규 분포로 인해 Mann-Whitney를 사용하여 실험 조건을 비교했습니다. U 테스트 (정확한 2 꼬리 확률).

결과

심리 데이터

성별은 테스트 후 계획과 관련이있었습니다 (소년, 101.3 ± 12.1 vs. 소녀, 105.2 ± 12.7, t = -2.0, p = .044) 및주의 (99.8 ± 12.2 vs. 107.5 ± 12.5, t = -4.1, p <.001) 점수. 인종은 테스트 후 동시 (백색, 109.3 ± 13.6 대 검은 색, 104.0 ± 10.9, t = 2.9, p = .004) 및 광범위한 수학 (109.0 ± 9.3 vs. 102.0 ± 10.1, t = 4.2, p <.001) 점수. 학부모 교육은 시험 후 계획 (r = .18, p = .02), 광범위한 읽기 (r = .27, p = .001) 및 광범위한 수학 (r = .27, p = .001) 점 이들 공변량은 상응하는 분석에 포함되었다.

통계적으로 중요한 선험적인 선형 대비는 집행 기능에 대한 운동의 용량 반응 이점을 나타냈다 (즉, 계획, Fig. 3; L = 2.7, 95 % 신뢰 구간 (CI) 0.6 ~ 4.8, t(165) = 2.5, p = .013). 그만큼 선험적인 대조 그룹과 운동 그룹을 비교하는 대조도 중요했으며, 저용량 또는 고용량의 운동 프로그램에 노출 될 경우 계획 점수가 더 높았습니다 (L = −2.8, CI = −5.3 ~ −0.2, t(165) = 2.1, p = .03). 예상 한대로주의, 동시 또는 연속 스케일에서 효과가 감지되지 않았습니다. 광범위한 수학 군집의 경우 통계적으로 유의미한 선험적인 선형 대비는 수학 성취에 대한 운동의 용량 반응 이점을 나타냅니다 (Fig. 3; L = 1.6, CI 0.04-3.2, t(135) = 2.03, p = .045). 운동 조건을 대조 조건과 비교하는 대조는 통계적으로 유의하지 않았다 (p = .10). 광범위한 판독 클러스터에서 효과가 감지되지 않았습니다.

Fig. 3 

유산소 운동의 선량 반응 효과를 보여주는 사후 시험에서의 행정 기능 (계획)이 성별, 부모 교육 및 기준 점수에 대해 조정 된 후 시험에서의 수학 성취 수단 (SE), 인종, 부모 교육 및 기준 점수에 대해 조정 됨 ...

저용량 및 고용량 조건은 다르지 않았으며 2 차 경향은 검출되지 않았다. 기준 점수와는 별도로,인지 또는 성취 분석에서 유의 한 공변량은주의 분석에서 성별이었습니다 (p <.001) 및 광범위한 수학 경주 (p = .03). 주의력 결핍 장애 아동을 제외 할 때 결과는 비슷했습니다 (계획에 대한 선형 대비, t(154) = 2.84, p = .005, 확장 수학, t(125) = 2.12, p = .04) 및 7 세 (계획, t(147) = 2.92, p = .004, 확장 수학, t(117) = 2.23, p = .03).

신경 영상 데이터

antisaccade 관련 혈액 산소 수준 종속 신호 (그룹 및 시점에 걸쳐 붕괴) 대뇌 피 질의 saccadic 회로 (전두 안, 보조 안장, 후 두정 피 질 및 전 두 엽 피 질; Fig. 2), 성인에서 잘 정의되어 있음 (루나 (Luna) 등, 2001; 스위니, 루나, 키디, 맥도웰, 클레멘츠, 2007). 관심 영역 분석은 두 가지 전두엽 피질 (탈라 이라크 좌표의 질량 중심 (x, y, z) : 오른쪽 = 36, 32, 31; 왼쪽 =- 36, 32, 31) 및 양측 후방 정수리 피질 (오른쪽 = 25, -74, 29; 왼쪽 = -23, -70, 22). 구체적으로, 운동 그룹은 양측 전전두엽 피질 활동이 증가한 것으로 나타났습니다 (Fig. 4왼쪽 패널; U = 20, p = .04) 및 양측 후방 정수리 피질에서의 활동 감소Fig. 4오른쪽 패널; U = 18, p = .03)와 비교합니다. 운동 영역 (전방 및 보조 안장)의 관심 영역 분석은 그룹간에 유의 한 차이를 나타내지 않았습니다.

Fig. 4 

기준선에서 사후 시험으로의 활성화 변화를 보여주는 실험 조건에 따른 박스 플롯. 왼쪽 패널 : 전전두엽 피질. 우측 패널 : 후방 정수리 피질.

토론

이 실험은인지 평가, 성취도 측정 및 fMRI를 사용하여 앉아있는 과체중 아동에서 약 3 개월의 규칙적인 유산소 운동이 집행 기능에 미치는 영향을 테스트했습니다. 이 다면적 접근법은 유산소 운동이인지 능력을 향상 시켰다는 수렴 적 증거를 보여 주었다. 보다 구체적으로, 맹검, 표준화 된 평가는 집행 기능 및 수학 성취에 대한 운동의 특정 용량 반응 이점을 보여 주었다. 운동 프로그램으로 인한 전두엽 피질 활동 증가 및 후방 정수리 피질 활동 감소가 관찰되었습니다.

요약하면,이 결과는 운동으로 인한 실증 가능한 행동 및 뇌 활동 변화에 관한 성인의 결과와 일치합니다 (콜 콤 (Colcombe) 등, 2004; Pereira 등, 2007). 또한 복용량 반응의 증거를 추가하는데, 이는 어린이와의 운동 시험에서 특히 드문 경우입니다 (Strong et al., 2005) 및 교육 성과에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 선량 조건이 높으면 평균 계획 점수가 3.8 점 또는 표준 편차의 1/4 (σ = 15)로 제어 조건보다 높습니다. 인구 통계는 모델에 기여하지 않았습니다. 주의력 결핍 장애 또는 7 세 아동이 제외 된 경우에도 유사한 결과가 얻어졌습니다. 따라서 결과는 과체중 흑인 또는 백인 7 ~ 11 세로 일반화 될 수 있습니다.

집행 기능은 어린 시절에 발달하며 적응 행동과 발달에 중요합니다.Best, Miller, & Jones, 2009; 에 슬링거, 1996). 특히, 아동이 초등학교에서 성공하기 위해서는 자신의 행동을 조절할 수있는 능력 (예 : 부적절한 응답 금지, 만족 지연)이 중요합니다 (블레어, 2002; Eigsti 등, 2006). 이 효과는 아동 발달 및 교육 정책에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. 학업지도가 제공되지 않았기 때문에 개선 된 수학 성취의 발견은 놀랍습니다. 중재 기간이 길수록 더 많은 혜택을 얻을 수 있음을 시사합니다. 업적에서 관찰 된 개선은 수학에만 국한되었으며 독서에는 도움이되지 않았습니다.

우리는 규칙적인 격렬한 신체 활동이인지와 행동의 기초가되는 뇌 시스템에 미치는 영향을 통해 어린이의 발달을 촉진한다고 가정합니다. 동물 연구에 따르면 호기성 운동은 뇌 유래 신경 영양 인자와 같은 성장 인자를 증가시켜 피질에 대한 모세 혈관 혈액 공급을 증가시키고 새로운 뉴런과 시냅스의 성장을 유도하여 학습과 성능을 향상시킵니다.Dishman et al., 2006). 성인과 함께 실시한 실험적 및 전향 적 코호트 연구에 따르면 장기적인 규칙적인 신체 활동이 인간의 뇌 기능을 변화시키는 것으로 나타났습니다 (콜 콤 (Colcombe) 등, 2004; Weuve et al., 2004). 무작위로 통제 된 실험에 따르면 6 개월의 유산소 운동으로 노인의인지 능력이 향상되었습니다 (Kramer et al., 1999). 중요한 논문은 fMRI 기법을 사용한 두 연구에서 성인의 뇌 활동에 대한 에어로빅 운동의 영향에 대한 명확한 증거를보고합니다. 실험에 따르면 앉아있는 6 ~ 55 세의 77 개월의 유산소 운동 (걷기)은 전전두엽 피질 활동을 증가시키고 행정 기능 검사 (향상)로 이어졌습니다 (콜 콤 (Colcombe) 등, 2004). 흥미롭게도, 메타 분석은 신체 활동이 인간의인지에 미치는 영향의 매개체로서 유산소 운동을 지원하지 않는 것으로 나타났습니다.Etnier, Nowell, Landers, & Sibley, 2006). 따라서, 심혈관 이점에 의해 매개되는 것이 아니라, 운동으로 인한인지 변화는 운동에 의한 신경 자극의 직접적인 결과 일 수있다. 신체 활동이 신경 무결성의 변화를 통해 어린이의인지 기능에 직접 영향을 미칠 수있는 경우가 있었지만, 목표 지향에 참여하고, 정신적으로 개입하는 것과 같은 다른 그럴듯한 설명이 있습니다 (Tomporowski 등, 2008).

이 연구에는 한계가 있습니다. 결과는 과체중 흑인과 백인 7 ~ 11 세 아동의 표본으로 제한됩니다. 린 아동과 다른 민족 또는 연령 그룹의 아동은 다르게 반응 할 수 있습니다. 탈퇴 기간 후에도인지 적 혜택이 지속되는지 여부는 알려져 있지 않습니다. 그러나 시간이 지남에 따라 혜택이 누적되면 이는 아동 발달에 중요합니다. 운동 활동이 뇌에 특히 강한 영향을 미치는 민감한 기간이있을 수 있습니다 (크 누센, 2004). 근력 운동이나 수영과 같은 다른 유형의 운동도 효과적인지 여부는 아직 결정되지 않았습니다. 참가자와 중재 직원은 실험 조건이나 연구 가설에 눈을 멀게 할 수 없었습니다. 그러나 채용 자료는인지적인 것보다는 신체적 건강상의 이점을 강조했다. 또 다른 제한은 개입 금지 제어 조건을 사용한다고해서 시험에서 대체 설명 (예 : 성인의주의, 즐거움)을 배제 할 수 없다는 것입니다. 운동이 아닌 세션 중에 발생하는 사회적 상호 작용으로 인해 운동에 참여하는 어린이의 심리적 변화가 발생할 수 있습니다. 그것 자체로. 그러나 결과의 선량 반응 패턴은이 설명에 근거합니다. 두 운동 그룹 모두 강사와 동료와 함께 연구 시설에서 동일한 시간을 보냈기 때문입니다.

이 연구는 운동 용량 그룹간에 차이를 찾지 못했습니다. 이것은 복용량 반응 결과와 충돌하지 않으며, 이는 운동 중재가인지 능력을 향상 시킨다는 것을 보여줍니다.힐, 1965). 선형 대비가 치료의 점진적인 효과를 보여 주었을 때, 페어 단위 용량 비교는 특정 용량이 다른 용량보다 우수한지 여부에 대한 후속 질문을합니다 (Ruberg, 1995). 성취도에 대한 용량-반응 이점의 테스트는 유의미했지만, 운동 그룹이 두 운동 그룹과 비교되는 것은 아니었고, 운동이 수학 성취를 향상 시킨다는 가설을 부분적으로 뒷받침했다.

fMRI 결과는 작은 표본 크기에 의해 제한되며 용량 반응 테스트를 제공하지 않으므로 대체 설명이 더 많이 적용됩니다. 그럼에도 불구하고, 특정 변화가 관찰되었고, 전두엽 및 정수리 부위에서 변화의 방향이 달랐으며, 이는 뇌 활동의 전 세계적 추세에 반대한다고 주장했다. 반스 캐 이드 성능과 그에 따른 두뇌 활동은 나이에 따라 변하지 만 (루나 (Luna) 등, 2001), 그룹의 나이가 비슷하기 때문에 혼란스럽지 않습니다.

이 실험 데이터는 활발한 방과 후 에어로빅 운동 프로그램이 과체중 아동들 사이에서 선량 반응 방식으로 행정 기능을 향상 시켰다는 증거를 제공한다. 사회적 요인이이 효과에 기여했을 수 있습니다. 상응하는 뇌 활성화 패턴의 변화가 관찰되었다. 이 결과는 수학 성능에 대한 이점을 부분적으로 지원합니다. 조건의 할당은 무작위 화되었고 결과 평가는 눈을 멀게하여 잠재적 편견이나 혼란을 최소화했다. 과체중 아동은 현재 미국 아동의 3 분의 1 이상을 차지하고 있으며 불우한 인구에 비해 과장되어 있습니다. 유년기 비만 전염병 중 건강 위험 감소에 대한 중요성 외에도 (Ogden et al., 2006), 유산소 활동은인지 발달의 중심 인 어린이의 정신 기능의 측면을 향상시키는 중요한 방법으로 입증 될 수 있습니다.2006 년 웨일스 어, 프리드먼 및 스피커).

감사의 글

CA Boyle, C. Creech, JP Tkacz 및 JL Waller는 데이터 수집 및 분석을 지원했습니다. NIH DK60692, DK70922, 조지아 주 의과 대학 조지아 주 의과 대학 비서 및 관련 장애 예방 센터 보조금, 조지아 의과 대학 및 조지아 대학의 교량 자금 지원.

각주

발행인의 면책 조항 : 다음 원고는 최종 승인 된 원고입니다. 공식적인 출판에 필요한 최종 카피 편집, 사실 확인 및 교정은 이루어지지 않았습니다. 게시자가 인증 한 최종 버전이 아닙니다. 미국 심리 학회 (American Psychological Association)와 편집위원회 (Council of Editors)는이 원고 버전, NIH 또는 기타 제 3자가이 원고에서 파생 된 모든 버전의 오류 또는 누락에 대한 책임을지지 않습니다. 게시 된 버전은 www.apa.org/pubs/journals/hea

기고자 정보

Catherine L. Davis, 조지아 의과 대학의 소아과 조지아 예방 연구소

Phillip D. Tomporowski, 조지아 대학교 운동 요법학과

제니퍼이 맥도웰, 조지아 대학교 심리학과

Benjamin P. Austin, 조지아 대학교 심리학과.

Patricia H. Miller, 조지아 대학교 심리학과

Nathan E. Yanasak, 조지아 의과 대학 방사선과.

Jerry D. Allison, 조지아 의과 대학 방사선과.

Jack A. Naglieri, George Mason University 심리학과

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