Exercício melhora a função executiva e conquista e altera a ativação cerebral em crianças com excesso de peso: um estudo controlado randomizado (2011)

Psicol da Saúde. Manuscrito do autor; disponível no PMC Jan 1, 2012.
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PMCID: PMC3057917
NIHMSID: NIHMS245691
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Sumário

Objetivo

Este experimento testou a hipótese de que o exercício melhoraria a função executiva.

Design

Crianças sedentárias e com excesso de peso com 7 a 11 anos de idade (N = 171, 56% fêmea, 61% Black, M ± DP idade 9.3 ± 1.0 anos, índice de massa corporal (IMC) 26 ± 4.6 kg / m2, Z-score do IMC 2.1 ± 0.4) foram randomizados para 13 ± 1.6 semanas de um programa de exercícios (20 ou 40 minutos / dia), ou uma condição controle.

Medidas de saída principais

Avaliações psicológicas padronizadas, cegas (Cognitive Assessment System e Woodcock-Johnson Tests of Achievement III) avaliaram a cognição e o desempenho acadêmico. A ressonância magnética funcional mediu a atividade cerebral durante tarefas executivas.

Resultados

A análise da intenção de tratar revelou benefícios dose-resposta do exercício na função executiva e na realização da matemática. Evidências preliminares de aumento da atividade do córtex pré-frontal bilateral e redução da atividade bilateral do córtex parietal posterior devido ao exercício também foram observadas.

Conclusão

Consistente com os resultados obtidos em idosos, foi observada uma melhora específica na função executiva e alterações de ativação cerebral devido ao exercício. Os resultados cognitivos e de conquista adicionam evidências de resposta à dose e estendem evidências experimentais na infância. Este estudo fornece informações sobre um resultado educacional. Além de sua importância para manter o peso e reduzir os riscos à saúde durante uma epidemia de obesidade infantil, a atividade física pode se revelar um método simples e importante de melhorar aspectos do funcionamento mental das crianças que são centrais para o desenvolvimento cognitivo. Essas informações podem convencer os educadores a implementar atividades físicas vigorosas.

Palavras-chave: cognição, exercício aeróbico, obesidade, antisaccade, fMRI

A função executiva parece mais sensível do que outros aspectos da cognição ao treinamento de exercícios aeróbicos (Colcombe & Kramer, 2003). A função executiva constitui o controle supervisório das funções cognitivas para atingir um objetivo e é mediada por circuitos do córtex pré-frontal. Planejar e executar seqüências de ação que compõem o comportamento dirigido a metas requer a atribuição de atenção e memória, seleção e inibição de respostas, definição de metas, autocontrole, automonitoramento e uso habilidoso e flexível de estratégias (Eslinger, 1996; Lezak, Howieson, & Loring, 2004). A hipótese da função executiva foi proposta com base em evidências de que o exercício aeróbico melhora seletivamente o desempenho de adultos idosos em tarefas executivas e leva a aumentos correspondentes na atividade do córtex pré-frontal (Colcombe et al., 2004; Kramer et al., 1999). O desenvolvimento cognitivo e neural das crianças pode ser sensível à atividade física (Diamante, 2000; Hillman, Erickson, & Kramer, 2008; Kolb & Whishaw, 1998). Os relatos teóricos das ligações entre o comportamento motor e o desenvolvimento cognitivo durante a infância variaram de redes cerebrais hipotéticas à construção de representações de percepção-ação (Rakison & Woodward, 2008; Sommerville & Decety, 2006).

Uma meta-análise de estudos de exercício em crianças mostrou melhora na cognição com o exercício; entretanto, os resultados de ensaios randomizados foram inconsistentes (Sibley & Etnier, 2003). Um efeito seletivo do exercício na função executiva pode explicar resultados experimentais mistos obtidos em crianças (Tomporowski, Davis, Miller e Naglieri, 2008). Estudos utilizando tarefas cognitivas que exigem função executiva mostraram benefícios do exercício (Davis et al., 2007; Tuckman & Hinkle, 1986), enquanto os que utilizavam medidas menos sensíveis nãoLezak et al., 2004, pp. 36, 611 – 612; por exemplo, Ismail, 1967; Zervas, Apostolos, & Klissouras, 1991). Um relatório preliminar deste estudo, com uma amostra menor, mostrou um benefício do exercício na função executiva (Davis et al., 2007). Os resultados finais são apresentados aqui.

Em crianças, a atividade física vigorosa tem sido associada a melhores notas (Coe, Pivarnik, Womack, Reeves e Malina, 2006; Taras, 2005), aptidão física com realização acadêmica (Castelli, Hillman, Buck e Erwin, 2007; Dwyer, Sallis, Blizzard, Lazarus e Dean, 2001; Wittberg, Northrup, Cottrell e Davis, aceitos) e excesso de peso com pior desempenho (Castelli et al., 2007; Datar, Sturm e Magnabosco, 2004; Dwyer et al., 2001; Shore et al., 2008; Taras & Potts-Datema, 2005). A conclusão mais forte a ser tirada sobre o efeito da atividade física no desempenho acadêmico, no entanto, é que ela não prejudica o aproveitamento, mesmo quando tira o tempo da sala de aula (Dwyer, Coonan, Leitch, Hetzel e Baghurst, 1983; Sallis et al., 1999; Shephard et al., 1984). Porque o excesso de peso é um marcador de inatividade crônica (Must & Tybor, 2005), crianças com excesso de peso e sedentárias podem ter maior probabilidade de se beneficiar do exercício do que crianças magras.

A hipótese primária deste estudo foi que crianças sedentárias e com excesso de peso designadas para o exercício melhorariam mais do que crianças em uma condição de controle na função executiva, mas não outros processos cognitivos, como resistência à distração, processos espaciais e lógicos e sequenciamento. Uma hipótese secundária era que uma relação dose-resposta seria observada entre o exercício e a cognição. Efeitos no desempenho acadêmico foram explorados. Com base em estudos anteriores em adultos mostrando alterações relacionadas ao exercício na função cerebral, os efeitos sobre a atividade no circuito do córtex pré-frontal foram explorados usando ressonância magnética funcional (fMRI) em um subgrupo de participantes.

Forma

Estudo principal

Participantes

Os alunos foram recrutados nas escolas durante o 2003-2006 para um teste de exercício aeróbico sobre a saúde das crianças. As crianças eram elegíveis se estivessem com sobrepeso (≥85 percentil do IMC) (Ogden et al., 2002), inativo (nenhum programa regular de atividade física> 1 hora / semana) e não tinha nenhuma condição médica que pudesse afetar os resultados do estudo ou limitar a atividade física. Cento e setenta e uma crianças de 7-11 anos de idade foram randomizados (56% mulheres, 61% negras, 39% brancas, M ± DP idade 9.3 ± 1.0 anos, índice de massa corporal (IMC) 26.0 ± 4.6 kg / m2, Z-score do IMC 2.1 ± 0.4, nível de instrução pai / mãe (ie cuidador primário) 5.0 ± 1.1, onde 1 = menor que 7th grau, 2 = 8th ou 9th, 3 = 10th ou 11th, 4 = ensino médio, 5 = alguns faculdade, 6 = graduação, 7 = pós-graduação). Uma criança foi excluída do pós-teste devido a uma hospitalização psiquiátrica que ocorreu após a randomização. As crianças foram encorajadas a postmar, independentemente da adesão à intervenção. Onze crianças tomando medicação para transtorno de déficit de atenção foram incluídas (e tomaram a medicação como de costume; n = 4 no controle, n = 4 em dose baixa e n = 3 no grupo de dose alta) para maximizar a generalização. As crianças e os pais preencheram o consentimento e consentimento informado por escrito. O estudo foi revisado e aprovado pelo Institutional Review Board do Medical College of Georgia. Testes e intervenções ocorreram no Medical College of Georgia. O fluxograma do participante é apresentado em FIG. 1.

FIG. 1 

Diagrama de fluxo de participantes.

Design de estudo

As crianças foram distribuídas aleatoriamente pelo estatístico para exercícios aeróbios de dose baixa (20 minutos / dia) ou alta dose (40 minutos / dia), ou para um controle sem exercício. A aleatorização foi estratificada por raça e sexo. As tarefas foram ocultadas até que o teste de linha de base fosse concluído, depois comunicado ao coordenador do estudo, que informava os sujeitos. A condição de controle não forneceu nenhum programa ou transporte após a escola. As condições de exercício foram equivalentes em intensidade e diferiram apenas em duração (ou seja, gasto de energia). Cinco coortes participaram do estudo nos anos 3.

Intervenção de exercício aeróbico

As crianças designadas para o exercício foram transportadas para um programa de exercícios após a escola em cada dia de aula (relação aluno: instrutor sobre 9: 1). A ênfase estava na intensidade, prazer e segurança, não na competição nem no aprimoramento de habilidades. As atividades foram selecionadas com base na facilidade de compreensão, diversão e provocando movimentos vigorosos intermitentes, e incluíram jogos de corrida, pular corda e basquetebol e futebol modificados (Gutin, Riggs, Ferguson, & Owens, 1999) O manual do programa está disponível mediante solicitação. Monitores de frequência cardíaca (S610i; Polar Electro, Oy, Finlândia; período de 30 segundos) foram usados ​​para observar a dose. A frequência cardíaca média de cada criança durante as sessões foi registrada diariamente, e pontos atribuídos para manter uma média> 150 batimentos por minuto. Os pontos foram trocados por prêmios semanais. As crianças atribuídas à condição de dose alta completaram duas sessões de 20 minutos por dia. As crianças na condição de dose baixa completaram uma sessão de 20 minutos e, a seguir, um período de 20 minutos de atividades sedentárias (por exemplo, jogos de tabuleiro, jogos de cartas, desenho) em outra sala. Nenhuma tutoria foi fornecida durante este período. Cada sessão começou com um aquecimento de cinco minutos (atividade cardiovascular moderada, alongamento estático e dinâmico). As lutas terminaram com uma pausa para beber água, atividade cardiovascular de resfriamento leve e alongamento estático.

Durante as 13 ± 1.6 semanas de intervenção (13 ± 1.5, 13 ± 1.7 em condições de dose baixa e alta, respectivamente), o comparecimento foi de 85 ± 13% (85 ± 12, 85 ± 14). A freqüência cardíaca média foi de 166 ± 8 batimentos por minuto (167 ± 7, 165 ± 8). As crianças atingiram uma freqüência cardíaca média> 150 batimentos por minuto na maioria dos dias (87 ± 10% no geral; 89 ± 8, 85 ± 12 em condições de dose baixa e alta, respectivamente). A duração do período de intervenção, atendimento médio, frequência cardíaca e proporção do tempo em que a meta de frequência cardíaca foi atingida foram semelhantes nas condições de exercício, e o tempo entre a linha de base e o pós-teste foi semelhante em todas as condições experimentais (19 ± 3.3, 18 ± 2.6, 18 ± 2.5 semanas em condições de controle, dose baixa e alta, respectivamente).

Medidas

Uma bateria psicológica padronizada avaliou a cognição e a realização no início e no pós-teste. A maioria das crianças (98%) foi avaliada pelo mesmo testador, na mesma hora do dia e na mesma sala no início e no pós-teste. Os testadores não sabiam da condição experimental da criança. Escores padrão foram analisados. Ao todo, os coortes 5 forneceram dados para coortes de cognição e 4 para realização. Os meios caíram no intervalo normal (tabela 1).

tabela 1 

Cognitivoa e conquistab escores (M ± SE) por grupo no início e pós-teste, e médias ajustadas no momento

Uma padronizada, baseada em teoria (Das, Naglieri e Kirby, 1994; Naglieri, 1999) avaliação cognitiva com excelentes qualidades psicométricas, foi utilizado o Sistema de Avaliação Cognitiva (Naglieri & Das, 1997). O Sistema de Avaliação Cognitiva foi padronizado em uma grande amostra representativa de crianças com idade 5-17 que se aproximam da população dos EUA em várias variáveis ​​demográficas (por exemplo, idade, raça, região, ambiente comunitário, classificação educacional e educação dos pais). Está fortemente correlacionado com o desempenho acadêmico (r = .71), embora não contenha itens semelhantes a realizações (Naglieri & Rojahn, 2004). Sabe-se que responde a intervenções educacionais (Das, Mishra e Poole, 1995), e produz diferenças raciais e étnicas menores do que os testes tradicionais de inteligência, tornando-o mais apropriado para a avaliação de grupos desfavorecidos (Naglieri, Rojahn, Aquilino e Matto, 2005).

O Sistema de Avaliação Cognitiva mede as habilidades mentais das crianças definidas com base em quatro processos cognitivos inter-relacionados: Planejamento, Atenção, Simultâneo e Sucessivo. Cada uma das quatro escalas é composta por três subtestes. Somente a escala Planejamento mede a função executiva (ou seja, geração e aplicação de estratégia, autorregulação, intencionalidade e utilização do conhecimento; confiabilidade interna r = .88). A escala de Planejamento possui melhor confiabilidade do que os testes neuropsicológicos de função executiva (Rabbitt, 1997). As escalas restantes medem outros aspectos do desempenho cognitivo e, portanto, podem determinar se os efeitos do exercício em crianças são mais fortes para a função executiva do que para outros processos cognitivos. Os testes de atenção exigem atividade cognitiva seletiva e focada e resistência à distração (confiabilidade interna r = .88). Os subtestes simultâneos envolvem questões espaciais e lógicas que contêm conteúdo verbal e não-verbal (confiabilidade interna r = .93). As tarefas sucessivas requerem análise ou recordação de estímulos organizados em seqüência e formação de sons em ordem (confiabilidade interna r = .93). Os resultados preliminares desta medida foram publicados (Davis et al., 2007). Uma criança foi erroneamente administrada na versão 8-ano-antiga do teste no início do estudo, quando a criança tinha 7 anos de idade.

O desempenho acadêmico das crianças foi medido usando duas formas intercambiáveis ​​dos Testes de Conquista III de Woodcock-Johnson (McGrew & Woodcock, 2001) que foram aleatoriamente contrabalançados. Os clusters Broad Reading e Broad Mathematics foram os resultados de interesse. Cento e quarenta e uma crianças em coortes 4 forneceram dados de desempenho.

Análise Estatística

A intenção de tratar a análise de covariância testou as diferenças entre os grupos quanto à cognição e realização no pós-teste, ajustando para o escore da linha de base. As análises foram conduzidas utilizando a última observação encaminhada para as crianças 7 que não forneceram dados pós-teste. Covariáveis ​​(coorte, raça, sexo, educação dos pais) foram incluídos se estivessem relacionados à variável dependente. As escalas de Planejamento, Simultânea, Atenção e Sucessivas, bem como os clusters Broad Reading e Broad Math, foram examinadas. A priori contrastes testando uma tendência linear, e comparando o grupo controle com os dois grupos de exercícios, foram realizados, juntamente com os contrastes ortogonais de doses quadráticas e baixas versus elevadas. A significância estatística foi avaliada em α = .05. Análises significativas foram repetidas excluindo as crianças 11 que tomavam medicamentos para o distúrbio de déficit de atenção, e excluindo 18 crianças de sete anos de idade, que devido à sua idade receberam uma versão ligeiramente diferente do Sistema de Avaliação Cognitiva. Um tamanho de amostra de indivíduos 62 por grupo foi estimado para fornecer 80% de energia para detectar uma diferença entre grupos de unidades 6.6.

Subestudo FMRI

Participantes

Vinte crianças na última coorte do estudo participaram de um estudo piloto de fMRI consistindo de exames cerebrais de linha de base (controle n = 9, exercício n = 11) e pós-teste (controle n = 9, exercício n = 10). As crianças canhotas e as que usavam óculos foram excluídas. Uma sessão de pós-teste no grupo de exercícios foi recusada. Não houve diferenças significativas nas características entre este subconjunto (9.6 ± 1.0 anos, 40% feminino, 40% Black, IMC 25.3 ± 6.0, IMC z-score 1.9 ± 0.46) e o resto da amostra. Grupos de exercícios com dose baixa e alta (14 ± 1.7 wks exercise) foram recolhidos para análises de fMRI.

Design e Procedimento

As imagens foram adquiridas num sistema de ressonância magnética da Signa Excite HDx 3 da GE (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI). Estímulos visuais foram apresentados usando óculos compatíveis com MRI (Resonance Technologies, Inc., Northridge, CA), e os movimentos dos olhos foram monitorados usando um sistema de rastreamento ocular que permitiu aos investigadores ver que os sujeitos estavam acordados e envolvidos na tarefa. Os sujeitos usavam protetores auriculares e suas cabeças eram contidas usando um travesseiro a vácuo. Antes da aquisição de dados de ressonância magnética, a homogeneidade magnética era otimizada usando um procedimento automatizado de shims que determina os valores de shims de baixa ordem através da execução de mínimos quadrados de mapas de campo magnético e aplica automaticamente os valores de shims de baixa ordem como correntes de offset de corrente direta no X Formas de onda de gradiente Y e Z. As imagens funcionais foram obtidas usando uma sequência de imagens planar echo estragada (tempo de repetição (TR) 2800 ms, tempo de eco (TE) 35 ms, ângulo de virada 90 °, campo de visão (FOV) 280 × 280 mm2, matriz 96 × 96, 34 fatias, espessura da fatia 3.6 mm). Em seguida, imagens estruturais foram obtidas usando uma sequência de eco gradiente com deterioração rápida 3 (TR 9.0 ms, TE 3.87 ms, ângulo de inclinação 20 °, FOV 240 × 240 mm2, matriz 512 × 512, 120 fatias, espessura da fatia 1.3 mm). As imagens estruturais de alta resolução foram usadas para normalizar imagens funcionais em um espaço estereotáxico padrão para análises (Talairach & Tournoux, 1988).

Tarefa antissacada

Os dados de imagem funcional foram adquiridos enquanto os sujeitos completaram outra medida de função executiva, uma tarefa antisaccada (McDowell et al., 2002). O desempenho antisaccado correto requer a inibição de uma resposta prepotente a uma sugestão visual e a geração de uma resposta à localização da imagem no espelho dessa sugestão (lado oposto, mesma distância da fixação central). Após um período de fixação inicial (25.2 sec), um paradigma de bloco alternou entre a linha de base (N = Blocos 7; 25.2 segundo de um cruzamento apresentado na fixação central) e experimental (N = Blocos 6; 25.2 seg consistindo em ensaios 8 antisaccade, 48 trials total) condições (5.46 minutos de tempo de execução; 117 volumes; os primeiros volumes 2 foram omitidos da análise para contabilizar a estabilização da magnetização). Durante a linha de base, os participantes foram instruídos a olhar para a cruz. Durante os testes antisaccade, os sujeitos foram instruídos a olhar para uma cruz central até que ela fosse desligada, e então uma sugestão na periferia sinalizava aos sujeitos que olhassem o mais rápido possível para a localização da imagem espelhada da sugestão, sem olhar para a sugestão em si. Os participantes tinham duas sessões práticas separadas antes de cada sessão do scanner para garantir que entendessem as instruções. O pessoal que interagia com as crianças durante o exame não tinha conhecimento da tarefa da criança.

A análise de imagens

As análises foram conduzidas como nos dados previamente publicados em nosso laboratório (Camchong, Dyckman, Austin, Clementz e McDowell, 2008; Camchong, Dyckman, Chapman, Yanasak e McDowell, 2006; Dyckman, Camchong, Clementz, & McDowell, 2007; McDowell et al., 2002) utilizando o software AFNI (Cox, 1996). Resumidamente, para cada sessão, os volumes foram registrados para um volume representativo para corrigir o movimento menor da cabeça (e os regressores 6 foram calculados: 1 para cada um) rotacional, e b) movimento da cabeça de translação em cada um dos planos 3). Uma largura total de 4 mm no meio do filtro Gaussiano máximo foi então aplicada a cada conjunto de dados. Para cada voxel, a variação percentual no sinal dependente do nível de oxigenação do sangue da linha de base foi calculada para cada ponto de tempo. A variação percentual resultante ao longo do tempo foi desviada para a deriva linear e correlacionada com uma condição de referência de modelagem de função de referência trapezoidal (fixação) e experimental (antisaccade), usando os parâmetros de movimento 6 como regressores de ruído. Os dados foram então transformados em espaço padronizado com base no Atlas de Talairach e Tournoux (Talairach & Tournoux, 1988) e reamostrados para 4 × 4 × 4 mm voxels.

A fim de identificar os circuitos neurais que suportam o desempenho antisaccade (FIG. 2), os dados foram recolhidos entre grupos e pontos temporais para análise de variância. Para proteger contra falsos positivos, um método de limite de cluster derivado de simulações de Monte Carlo (com base na geometria do conjunto de dados) foi aplicado ao F MapaWard, 1997). Com base nessas simulações, a família sábia alfa em p = .05 foi preservado com um voxel individual com limiar p = .0005 e um tamanho de cluster de voxels 3 (192 µL). O agrupamento resultante F O mapa foi utilizado para identificar a mudança de sinal dependente do nível de oxigenação sanguínea regional.

FIG. 2 

Visualizações axiais exibindo alteração do sinal percentual dependente do nível de oxigenação do sangue associada ao desempenho antisaccade da análise de uma amostra em três níveis diferentes no cérebro. Os dados das sessões 39 (crianças 20 no início, 19 no pós-teste) são ...
Análise de região de interesse

Para cada região cortical que mostrou atividade significativa no agrupamento F mapa (campo ocular frontal, campo ocular suplementar, córtex pré-frontal, córtex parietal posterior), uma esfera (raio 8 mm, semelhante a Kiehl et al., 2005; Morris, DeGelder, Weiskrantz e Dolan, 2001) foi posicionado no centro de massa, com atividade bilateral colapsada nos hemisférios. As mudanças médias do sinal percentual no início e no pós-teste foram calculadas para cada região de interesse para cada participante, e os escores de diferença analisados. Devido às distribuições não-normais dos valores da região de interesse, as condições experimentais foram comparadas usando o teste Mann-Whitney. U teste (probabilidades 2-tailed exatas).

Resultados

Dados psicométricos

O sexo foi relacionado ao planejamento pós-teste (meninos, 101.3 ± 12.1 vs. meninas, 105.2 ± 12.7, t = −2.0, p = .044) e atenção (99.8 ± 12.2 vs. 107.5 ± 12.5, t = −4.1, p <001) pontuações. A raça foi associada ao pós-teste Simultâneo (Branco, 109.3 ± 13.6 vs. Preta, 104.0 ± 10.9, t = 2.9, p = .004) e Matemática ampla (109.0 ± 9.3 vs. 102.0 ± 10.1, t = 4.2, p <001) pontuações. A educação dos pais foi correlacionada com o planejamento pós-teste (r =. 18, p = .02), Leitura ampla (r =. 27, p = .001) e Matemática ampla (r =. 27, p = .001) pontuações. Estas covariáveis ​​foram incluídas nas análises correspondentes.

Estatisticamente significante a priori contraste linear indicou um benefício dose-resposta do exercício na função executiva (ie Planejamento, FIG. 3; L = 2.7, 95% intervalo de confiança (CI) 0.6 para 4.8, t(165) = 2.5, p = .013). o a priori O contraste entre o grupo controle e os grupos de exercícios também foi significativo, mostrando que a exposição à dose baixa ou alta do programa de exercícios resultou em escores mais altos no Planejamento (L = −2.8, CI = −5.3 para −0.2, t(165) = 2.1, p = .03). Como esperado, nenhum efeito foi detectado nas escalas Attention, Simultaneous, ou Successive. Para o cluster Broad Math, uma estatística significativa a priori contraste linear indicou um benefício dose-resposta do exercício na realização da matemática (FIG. 3; L = 1.6, CI 0.04 para 3.2, t(135) = 2.03, p = .045). O contraste entre as condições de exercício e a condição controle não foi estatisticamente significante (p = .10). Nenhum efeito foi detectado no cluster Broad Reading.

FIG. 3 

Função executiva (Planejamento) no pós-teste ajustada para sexo, educação dos pais e pontuação inicial, e médias de desempenho (EE) no pós-teste ajustado para raça, educação dos pais e pontuação inicial, mostrando efeitos dose-resposta do exercício aeróbico ...

As condições de dose baixa e alta não diferiram, e nenhuma tendência quadrática foi detectada. Além da pontuação inicial, as únicas covariáveis ​​significativas nas análises de cognição ou realização foram o sexo na análise de atenção (p <001) e corrida para Broad Math (p = .03). Os resultados foram semelhantes ao excluir crianças com transtorno de déficit de atenção (contrastes lineares no Planejamento, t(154) = 2.84, p = .005, Ampla Matemática, t(125) = 2.12, p = .04) e 7 anos (Planejamento, t(147) = 2.92, p = .004, Ampla Matemática, t(117) = 2.23, p = .03).

Dados de neuroimagem

O sinal dependente do nível de oxigenação do sangue relacionado à antissacada (colapsando entre o grupo e o ponto no tempo) revelou circuitos sacádicos corticais (incluindo campos oculares frontais, campos oculares suplementares, córtex parietal posterior e córtex pré-frontal; FIG. 2), que é bem definido em adultos (Luna e outros, 2001; Sweeney, Luna, Keedy, McDowell e Clementz, 2007). Análises de região de interesse demonstraram diferenças de grupo em mudanças de sinal desde o início até o pós-teste que foram significantes em duas regiões: córtex pré-frontal bilateral (centro de massa nas coordenadas de Talairach (x, y, z): direita = 36, 32, 31; 36, 32, 31) e córtex parietal posterior bilateral (à direita = 25, −74, 29; à esquerda = −23, −70, 22). Especificamente, o grupo de exercícios apresentou aumento da atividade bilateral do córtex pré-frontal (FIG. 4painel esquerdo; U = 20, p = .04) e diminuição da atividade no córtex parietal posterior bilateral (FIG. 4painel direito; U = 18, p = .03) em comparação com os controles. Análises da região de interesse de regiões motoras (campos oculares frontais e suplementares) não mostraram diferenças significativas entre os grupos.

FIG. 4 

Boxplots por condição experimental mostrando mudança na ativação desde o início até o pós-teste. Painel esquerdo: córtex pré-frontal. Painel direito: córtex parietal posterior.

Discussão

O experimento testou o efeito de aproximadamente 3 meses de exercício aeróbico regular sobre a função executiva em crianças sedentárias e com sobrepeso usando avaliações cognitivas, medidas de desempenho e fMRI. Esta abordagem multifacetada revelou evidências convergentes de que o exercício aeróbico melhorou o desempenho cognitivo. Mais especificamente, as avaliações padronizadas cegas mostraram benefícios específicos de resposta à dose do exercício na função executiva e na realização de matemática. Aumento da atividade do córtex pré-frontal e redução da atividade do córtex parietal posterior devido ao programa de exercícios foram observados.

Em suma, esses resultados são consistentes com os dos adultos em relação às mudanças demonstráveis ​​de comportamento e atividade cerebral devidas ao exercício (Colcombe et al., 2004; Pereira et al., 2007). Eles também adicionam evidências de resposta à dose, o que é particularmente raro em testes de exercício com crianças (Strong et al., 2005) e fornecer informações importantes sobre um resultado educacional. A condição de dose alta resultou em pontuações médias do Planejamento de pontos 3.8 ou um quarto de desvio padrão (σ = 15), maior do que a condição de controle. A demografia não contribuiu para o modelo. Resultados semelhantes foram obtidos quando crianças com transtorno de déficit de atenção ou com 7 anos de idade foram excluídas. Portanto, os resultados podem ser generalizados para pessoas com mais de 2 anos de idade, negras ou brancas com 7 a 11.

A função executiva se desenvolve na infância e é crucial para o comportamento e desenvolvimento adaptativo (Best, Miller, & Jones, 2009; Eslinger, 1996). Em particular, a capacidade de regular o comportamento de uma pessoa (por exemplo, inibir respostas inadequadas, retardar a gratificação) é importante para uma criança ter sucesso na escola primária (Blair, 2002; Eigsti et al., 2006). Esse efeito pode ter implicações importantes para o desenvolvimento infantil e a política educacional. A descoberta de melhor aproveitamento em matemática é notável, dado que nenhuma instrução acadêmica foi fornecida e sugere que um período de intervenção mais longo pode resultar em mais benefícios. A melhoria observada na realização foi específica para a matemática, sem benefício para a leitura.

Nossa hipótese é que a atividade física vigorosa regular promove o desenvolvimento das crianças por meio de efeitos nos sistemas cerebrais subjacentes à cognição e ao comportamento. Estudos em animais mostram que o exercício aeróbico aumenta os fatores de crescimento, como o fator neurotrófico derivado do cérebro, levando ao aumento do suprimento de sangue capilar ao córtex e ao crescimento de novos neurônios e sinapses, resultando em melhor aprendizado e desempenho (Dishman et al., 2006). Estudos de coorte experimentais e prospectivos realizados com adultos demonstram que a atividade física regular a longo prazo altera a função cerebral humana (Colcombe et al., 2004; Weuve et al., 2004). Um experimento randomizado e controlado revelou que os meses 6 de exercício aeróbico levaram a um melhor desempenho cognitivo em idosos (Kramer et al., 1999). Um artigo importante relata evidências claras do impacto do exercício aeróbico na atividade cerebral em adultos em dois estudos usando técnicas de ressonância magnética funcional: uma comparação transversal de indivíduos de alto a baixo ajuste mostrou que a atividade do córtex pré-frontal estava relacionada à aptidão física e um experimento mostrou que os meses 6 de exercícios aeróbicos (caminhada) em adolescentes sedentários com 55 a 77 aumentaram a atividade do córtex pré-frontal e levaram a melhorias em um teste de função executiva (Colcombe et al., 2004). Curiosamente, uma meta-análise não encontrou nenhum suporte para a aptidão aeróbica como um mediador do efeito da atividade física na cognição humana (Etnier, Nowell, Landers e Sibley, 2006). Assim, em vez de ser mediada por benefícios cardiovasculares, as alterações cognitivas devidas ao exercício podem ser um resultado direto da estimulação neural por movimento. Embora tenha sido demonstrado que a atividade física pode afetar diretamente a função cognitiva das crianças por meio de mudanças na integridade neural, existem outras explicações plausíveis, como o envolvimento mental direcionado por metas e esforço (Tomporowski et al., 2008).

Este estudo tem limitações. Os resultados são limitados a uma amostra de crianças com um ano de idade com excesso de peso, 7 a 11. Crianças magras e de outras etnias ou grupos etários podem responder de forma diferente. Não se sabe se os benefícios cognitivos persistem após um período de destreinamento. Se os benefícios se acumulam com o tempo, no entanto, isso seria importante para o desenvolvimento infantil. Pode haver períodos sensíveis durante os quais a atividade motora exerceria um efeito particularmente forte no cérebro (Knudsen, 2004). Resta determinar se outros tipos de exercício, como treinamento de força ou natação, também são eficazes. Os participantes e a equipe de intervenção não poderiam ficar cegos para a condição experimental ou a hipótese do estudo; no entanto, os materiais de recrutamento enfatizavam benefícios de saúde física, em vez de cognitivos. Outra limitação é que o uso de uma condição de controle sem intervenção não permite que o julgamento descarte algumas explicações alternativas (por exemplo, atenção dos adultos, diversão). Alterações psicológicas podem ocorrer em crianças que participam do exercício devido às interações sociais que ocorrem durante as sessões, e não devido ao exercício. per se. O padrão de resposta à dose dos resultados contraria esta explicação, no entanto, porque ambos os grupos de exercícios passaram o mesmo tempo no centro de pesquisa com instrutores e colegas.

O estudo não encontrou diferença entre os grupos de dose de exercício. Isso não conflita com o achado de resposta à dose, que mostra que a intervenção com exercício causou uma melhora na cognição (Hill, 1965). Dado que o contraste linear demonstrou um efeito graduado do tratamento, uma comparação de dose emparelhada faz uma pergunta de seguimento, se uma dose específica é superior a outra (Ruberg, 1995). O teste do benefício dose-resposta para a realização foi significativo, mas a comparação do grupo controle com os dois grupos de exercícios não foi, fornecendo apoio parcial à hipótese de que o exercício melhora o aproveitamento da matemática.

Os resultados da fMRI são limitados por um pequeno tamanho da amostra e não fornecem um teste de resposta à dose, o que os torna mais sujeitos a explicações alternativas. No entanto, mudanças específicas foram observadas, e a direção das mudanças diferiu nas regiões pré-frontal e parietal, argumentando contra uma tendência global na atividade cerebral. Embora o desempenho antisaccade e sua atividade cerebral de suporte mudem com a idade (Luna e outros, 2001), isso é um confundidor improvável porque os grupos tinham idade semelhante.

Estes dados experimentais oferecem evidências de que um vigoroso programa de exercícios aeróbicos após a escola melhorou a função executiva de forma dose-resposta entre crianças com excesso de peso; fatores sociais podem ter contribuído para esse efeito. Mudanças nos padrões correspondentes de ativação cerebral foram observadas. Esses resultados também fornecem suporte parcial de um benefício para o desempenho da matemática. A atribuição de condições foi randomizada e as avaliações de resultados cegas, minimizando o viés potencial ou confundindo. As crianças com excesso de peso constituem agora mais de um terço das crianças dos EUA e estão sobre-representadas em populações desfavorecidas. Além de sua importância na redução dos riscos à saúde durante uma epidemia de obesidade infantil (Ogden et al., 2006atividade aeróbica pode se mostrar um importante método para melhorar aspectos do funcionamento mental da criança que são centrais para o desenvolvimento cognitivo (Welsh, Friedman e Spieker, 2006).

Agradecimentos

CA Boyle, C. Creech, JP Tkacz e JL Waller auxiliaram na coleta e análise de dados. Apoiado pelo NIH DK60692, DK70922, Faculdade de Medicina do Instituto de Pesquisa da Geórgia, uma concessão da Iniciativa Biomédica do Estado da Geórgia para o Centro de Prevenção de Obesidade e Distúrbios Relacionados da Geórgia, e financiamento da Faculdade de Medicina da Geórgia e da Universidade da Geórgia.

Notas de rodapé

Isenção de responsabilidade do editor: O manuscrito a seguir é o manuscrito final aceito. Ele não foi submetido a edição final, verificação de fatos e revisão obrigatória para publicação formal. Não é a versão definitiva, autenticada pelo editor. A American Psychological Association e seu Conselho de Editores não assumem nenhuma responsabilidade por erros ou omissões desta versão do manuscrito, qualquer versão derivada deste manuscrito pelo NIH, ou outros terceiros. A versão publicada está disponível em www.apa.org/pubs/journals/hea

Informações contribuinte

Catherine L. Davis, Instituto de Prevenção da Geórgia, Pediatria, Faculdade de Medicina da Geórgia.

Phillip D. Tomporowski, Departamento de Cinesiologia da Universidade da Geórgia.

Jennifer E. McDowell, Departamento de Psicologia, Universidade da Geórgia.

Benjamin P. Austin, Departamento de Psicologia, Universidade da Geórgia.

Patricia H. Miller, do Departamento de Psicologia da Universidade da Geórgia.

Nathan E. Yanasak, Departamento de Radiologia, Faculdade de Medicina da Geórgia.

Jerry D. Allison, Departamento de Radiologia, Faculdade de Medicina da Geórgia.

Jack A. Naglieri, Departamento de Psicologia, George Mason University.

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