Упражнение улучшает исполнительную функцию и достижения и изменяет активацию головного мозга у детей с избыточным весом: рандомизированное контролируемое исследование (2011)

Здоровье Психолог. Авторская рукопись; доступно в PMC Jan 1, 2012.
Опубликовано в окончательной отредактированной форме как:
PMCID: PMC3057917
NIHMSID: NIHMS245691
Окончательная редакция этой статьи издателя доступна по адресу Здоровье Психолог
См. Другие статьи в PMC, которые цитата опубликованной статьи.

Абстрактные

Цель

Этот эксперимент протестировал гипотезу о том, что упражнение улучшит исполнительную функцию.

Проект

Сидячий, избыточный вес 7- до 11-летних детей (N = 171, 56% самки, 61% Черный, M ± SD возраст 9.3 ± 1.0 yrs, индекс массы тела (BMI) 26 ± 4.6 кг / м2, BMI z-score 2.1 ± 0.4) были рандомизированы на 13 ± 1.6 недель программы упражнений (20 или 40 минут / день) или контрольное условие.

Основные результаты

Ослепленные, стандартизированные психологические оценки (система когнитивной оценки и тесты успеха Вудкока-Джонсона достижения III) оценивали познавательные и академические достижения. Функциональная магнитно-резонансная томография измеряет активность мозга во время выполнения функций исполнительной функции.

Итоги

Намерение лечить анализ показало преимущества отклика дозы от упражнений на исполнительную функцию и достижение математики. Наблюдались также предварительные свидетельства увеличения активности префронтальной коры головного мозга и сниженной двусторонней задней теменной активности коры над телом.

Заключение

В соответствии с результатами, полученными у пожилых людей, наблюдалось специфическое улучшение функции исполнительной функции и изменения активности мозга вследствие физических нагрузок. Когнитивные и результаты достижения добавляют доказательство дозовой реакции и расширяют экспериментальные данные в детстве. В этом исследовании представлена ​​информация об итогах обучения. Помимо важности поддержания веса и снижения риска для здоровья во время эпидемии ожирения в детском возрасте, физическая активность может оказаться простым, важным методом улучшения аспектов психического функционирования детей, которые играют центральную роль в когнитивном развитии. Эта информация может убедить педагогов осуществлять энергичную физическую активность.

Ключевые слова: познание, аэробные упражнения, ожирение, antisaccade, fMRI

Исполнительная функция кажется более чувствительной, чем другие аспекты познания для аэробной тренировки (Колкомб и Крамер, 2003 г.). Исполнительная функция представляет собой надзорный контроль когнитивных функций для достижения цели и опосредуется схемой префронтальной коры. Планирование и выполнение последовательностей действий, которые формируют целевое поведение, требует выделения внимания и памяти, выбора ответа и торможения, постановки целей, самоконтроля, самоконтроля и умелого и гибкого использования стратегий (Эслингер, 1996; Лезак, Ховисон и Лоринг, 2004 г.). Гипотеза исполнительной функции была предложена на основе доказательств того, что аэробные упражнения избирательно улучшают работу пожилых людей по задачам исполнительной функции и приводят к соответствующему увеличению активности префронтальной коры (Colcombe и др., 2004; Kramer и соавт., 1999). Детское когнитивное и нейронное развитие может быть чувствительным к физической активности (Diamond, 2000; Хиллман, Эриксон и Крамер, 2008 г.; Колб и Уишоу, 1998). Теоретические расчеты связей между двигательным поведением и когнитивным развитием в детском возрасте варьировались от гипотетических сетей мозга до построения представлений восприятия-действия (Ракисон и Вудворд, 2008 г.; Соммервиль и Десети, 2006).

Мета-анализ упражнений для детей показал улучшение познавательной способности; однако рандомизированные результаты испытаний были непоследовательными (Сибли и Этнье, 2003 г.). Селективный эффект упражнения на исполнительную функцию может объяснить смешанные экспериментальные результаты, полученные у детей (Томпоровски, Дэвис, Миллер и Наглиери, 2008 г.). Исследования, использующие когнитивные задачи, требующие исполнительной функции, показали преимущества упражнений (Дэвис и др., 2007; Такман и Хинкль, 1986), тогда как те, кто использует менее чувствительные меры,Lezak et al., 2004, pp. 36, 611-612; например, Исмаил, 1967; Зервас, Апостолос и Клиссурас, 1991 г.). Предварительный отчет этого исследования с меньшим образцом показал преимущество упражнений на исполнительную функцию (Дэвис и др., 2007). Окончательные результаты представлены здесь.

У детей активная физическая активность связана с лучшими оценками (Коу, Пиварник, Уомак, Ривз и Малина, 2006 г.; Тарас, 2005), физическая подготовка с академическими достижениями (Кастелли, Хиллман, Бак и Эрвин, 2007 г.; Двайер, Саллис, Blizzard, Lazarus и Дин, 2001 г.; Виттберг, Нортруп, Коттрелл и Дэвис приняли), и избыточный вес с худшими достижениями (Castelli et al., 2007; Датар, Штурм и Магнабоско, 2004 г.; Dwyer и др., 2001; Shore et al., 2008; Тарас и Поттс-Датема, 2005 г.). Однако самый сильный вывод о влиянии физической активности на академические достижения заключается в том, что он не наносит ущерба достижению, даже когда он отнимает время в классе (Дуайер, Кунан, Лейтч, Хетцель и Багерст, 1983 г.; Sallis et al., 1999; Шефард и др., 1984). Поскольку избыточный вес является маркером хронической инертности (Муст и Тайбор, 2005), избыточный вес, сидячий ребенок может с большей вероятностью воспользоваться упражнениями, чем бедные дети.

Основная гипотеза этого исследования заключалась в том, что сидячие дети с избыточным весом, назначенные для упражнений, улучшали бы больше, чем дети, в контрольном состоянии исполнительной функции, но не другие когнитивные процессы, такие как устойчивость к отвлечению, пространственные и логические процессы и последовательность. Вторичная гипотеза заключалась в том, что соотношение между дозой и нагрузкой будет наблюдаться между упражнением и познанием. Были изучены воздействия на успеваемость. Основываясь на предыдущих исследованиях у взрослых, показывающих связанные с упражнением изменения функции мозга, эффекты на активность в префронтальной схеме коры были исследованы с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии (fMRI) в подгруппе участников.

Способ доставки

Основное исследование

Участниками

Студенты были набраны из школ во время 2003-2006 для испытания аэробных упражнений на здоровье детей. Дети имели право, если они имели избыточный вес (≥85th процентили BMI) (Ogden и др., 2002), неактивный (отсутствие регулярной программы физической активности> 1 час в неделю) и отсутствие медицинского состояния, которое могло бы повлиять на результаты исследования или ограничить физическую активность. Сто семьдесят один ребенок в возрасте 7–11 лет был рандомизирован (56% девочек, 61% чернокожих, 39% белых, возраст M ± SD 9.3 ± 1.0 года, индекс массы тела (ИМТ) 26.0 ± 4.6 кг / мXNUMX).2, BMI z-score 2.1 ± 0.4, родительский (т.е. основной воспитатель) уровень образования 5.0 ± 1.1, где 1 = меньше 7th класса, 2 = 8th или 9th, 3 = 10th или 11th, 4 = выпускник средней школы, 5 = некоторые колледж, 6 = выпускник колледжа, 7 = аспирант). Один ребенок был исключен из посттеста из-за психиатрической госпитализации, которая произошла после рандомизации. Детям было рекомендовано публиковать материалы, независимо от того, соблюдается ли вмешательство. Были включены 11 детей, принимавших лекарства для расстройств с дефицитом внимания (и принимали их лекарства, как обычно; n = 4 в управлении, n = 4 в низких дозах, и n = 3 в группе с высокой дозой), чтобы максимизировать обобщаемость. Дети и родители завершили письменное информированное согласие и согласие. Исследование было рассмотрено и одобрено Управлением по пересмотру медицинского института в Джорджии. Тестирование и вмешательство произошло в Медицинском колледже Грузии. Схема последовательности участников представлена ​​в Рис 1.

Рис 1 

Блок-схема участника.

Дизайн исследования

Дети назначались случайным образом по статистике для проведения аэробных упражнений с низкой дозой (20 минут / день) или высокой дозы (40 минут / день) или без контроля упражнений. Рандомизация была расслоена расой и сексом. Задания были скрыты до тех пор, пока базовое тестирование не было завершено, а затем передано координатору исследования, который проинформировал субъектов. Условия контроля не предоставлялись после школьной программы или транспортировки. Условия упражнений были эквивалентны по интенсивности и отличались только продолжительностью (т. Е. Расходами энергии). Пять когорт участвовали в исследовании за 3 лет.

Аэробные упражнения

Дети, назначенные для физических упражнений, перевозились в программу обучения после школы каждый учебный день (учащийся: коэффициент инструктора около 9: 1). Акцент был сделан на интенсивности, удовольствии и безопасности, а не на конкуренции и повышении квалификации. Мероприятия были отобраны на основе простоты понимания, веселья и вызывания прерывистого энергичного движения, а также включали беговые игры, скакалку и модифицированный баскетбол и футбол (Гутин, Риггс, Фергюсон и Оуэнс, 1999 г.). Справочник по программе предоставляется по запросу. Мониторы сердечного ритма (S610i; Polar Electro, Oy, Финляндия; 30-секундная эпоха) использовались для наблюдения за дозой. Средняя частота сердечных сокращений каждого ребенка во время занятий регистрировалась ежедневно, и баллы присуждались за поддержание среднего значения> 150 ударов в минуту. Баллы были обменены на еженедельные призы. Дети, которым была назначена высокая доза, выполняли два 20-минутных цикла каждый день. Дети в условиях низкой дозы завершили одну 20-минутную схватку, а затем 20-минутный период сидячей деятельности (например, настольные игры, карточные игры, рисование) в другой комнате. В этот период репетиторство не проводилось. Каждое занятие начиналось с пятиминутной разминки (умеренная сердечно-сосудистая активность, статическая и динамическая растяжка). Поединки заканчивались водным перерывом, легкой успокаивающей сердечно-сосудистой деятельностью и статической растяжкой.

В течение 13 ± 1.6 недель вмешательства (13 ± 1.5, 13 ± 1.7 в условиях низкой и высокой дозы соответственно) посещаемость составила 85 ± 13% (85 ± 12, 85 ± 14). Средняя частота пульса составила 166 ± 8 ударов в минуту (167 ± 7, 165 ± 8). У детей средняя частота сердечных сокращений> 150 ударов в минуту в большинстве дней (87 ± 10% в целом; 89 ± 8, 85 ± 12 в условиях низкой и высокой дозы, соответственно). Продолжительность периода вмешательства, средняя посещаемость, частота сердечных сокращений и доля времени, в течение которого была достигнута цель сердечного ритма, были одинаковыми для разных условий упражнений, а время между исходным уровнем и посттестом было одинаковым во всех экспериментальных условиях (19 ± 3.3, 18 ± 2.6, 18 ± 2.5 недель в условиях контроля, низких и высоких доз соответственно).

меры

Стандартизированная психологическая батарея оценивала познание и достижения на исходном уровне и посттесте. Большинство детей (98%) были оценены одним и тем же тестером в одно и то же время суток и в той же комнате в начале и в конце теста. Тестеры не знали о экспериментальном состоянии ребенка. Были проанализированы стандартные баллы. В целом, когорты 5 предоставили данные для когниции и когорты 4 для достижения. Средство упало в нормальном диапазоне (Таблица 1).

Таблица 1 

Познавательныйa и достижениеb (M ± SE) по группам на исходном и посттестом, а также скорректированные средства на должности

Стандартизованная теория на основе (Дас, Наглиери и Кирби, 1994; Naglieri, 1999) была использована когнитивная оценка с превосходными психометрическими качествами, системой когнитивной оценки (Наглиери и Дас, 1997 г.). Система когнитивной оценки была стандартизирована на большой репрезентативной выборке детей в возрасте 5-17, которые тесно соответствуют населению США по ряду демографических переменных (например, возраст, раса, регион, сообщество, образовательная классификация и родительское образование). Это сильно коррелирует с академическими достижениями (r = .71), хотя он не содержит объектов, подобных достижению (Наглиери и Рохан, 2004 г.). Известно, что он реагирует на образовательные интервенции (Дас, Мишра и Пул, 1995 г.), и это дает меньшие расовые и этнические различия, чем традиционные тесты интеллекта, что делает его более подходящим для оценки неблагополучных групп (Нагльери, Рохан, Акилино и Матто, 2005 г.).

Система познавательной оценки измеряет умственные способности детей, определенные на основе четырех взаимосвязанных когнитивных процессов: планирование, внимание, одновременное и последовательное. Каждая из четырех шкал состоит из трех подтестов. Только шкала планирования измеряет исполнительную функцию (т. Е. Формирование и применение стратегии, саморегулирование, интенциональность и использование знаний, внутренняя надежность r = .88). Шкала планирования имеет лучшую надежность, чем нейропсихологические тесты исполнительной функции (Раббит, 1997). Остальные масштабы измеряют другие аспекты когнитивной деятельности и, таким образом, могут определять, является ли эффект упражнений у детей более сильным для исполнительной функции, чем для других когнитивных процессов. Тесты Attention требуют целенаправленной, селективной когнитивной активности и устойчивости к отвлечению (внутренняя надежность r = .88). Одновременные подтесты включают пространственные и логические вопросы, которые содержат невербальный и вербальный контент (внутренняя надежность r = .93). Последовательные задачи требуют анализа или отзыва упорядоченных последовательностей и формирования звуков в порядке (внутренняя надежность r = .93). Предварительные результаты по этой мере опубликованы (Дэвис и др., 2007). Один ребенок ошибочно вводил 8-летнюю версию теста на базовом уровне, когда ребенку было 7 yrs old.

Детское академическое достижение было измерено с использованием двух взаимозаменяемых форм испытаний Вудкока-Джонсона достижения III (МакГрю и Вудкок, 2001 г.), которые были случайным образом уравновешены. Результатами интереса были группы с широким чтением и широкой математикой. Сто сорок один ребенок в когорте 4 предоставил данные о достижениях.

Статистический анализ

Предназначение для анализа анализа ковариации, проверенных групповыми различиями по познанию и достижениям в posttest, корректировка для базового показателя. Анализ проводился с использованием последнего наблюдения, перенесенного вменением имения для детей 7, которые не предоставили данные posttest. Ковариат (когорта, раса, пол, родительское образование) были включены, если они были связаны с зависимой переменной. Были изучены плановые, одновременные, внимательные и последовательные шкалы, а также обширные чтения и широкие математические кластеры. априори контрасты, испытывающие линейный тренд, и сравнение контрольной группы с двумя группами упражнений, наряду с ортогональными квадратичными и низкими или контрастами высокой дозы. Статистическую значимость оценивали при α = .05. Существенные анализы были повторены, за исключением детей 11, принимавших лекарства для расстройств дефицита внимания, и исключая семилетних детей 18, которым из-за их возраста вводили несколько иной вариант Системы когнитивной оценки. По оценкам, размер выборки субъектов 62 для каждой группы обеспечивал мощность 80% для определения разницы между группами единиц 6.6.

FMRI Substudy

Участниками

Двадцать детей в последней когорте исследования приняли участие в пилотном исследовании fMRI, состоящем из сканирований мозга (контроль n = 9, упражнение n = 11) и посттеста (контроль n = 9, упражнение n = 10). Левые дети и те, кто носил очки, были исключены. Одна посттест-сессия в группе упражнений была отклонена. Не было существенных различий в характеристиках между этим подмножеством (9.6 - 1.0 years, 40% female, 40% Black, BMI 25.3 ± 6.0, BMI z-score 1.9 ± 0.46) и остальную часть образца. Группы с низкой и высокой дозой (14 ± 1.7 wks exercise) были разрушены для анализа МРТ.

Дизайн и процедура

Изображения были получены на GE Signa Excite HDx 3 Tesla MRI (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI). Визуальные стимулы были представлены с использованием совместимых с МРТ очков (Resonance Technologies, Inc., Northridge, CA), а движения глаз контролировались с помощью системы отслеживания глаз, которая позволяла исследователям видеть, что испытуемые бодрствуют и участвуют в задаче. Субъекты носили пробки для ушей, а их головы были сдержаны с помощью вакуумной подушки. До получения данных магнитно-резонансной томографии магнитная однородность была оптимизирована с использованием автоматизированной процедуры обрезки, которая определяет низкие значения шага подстройки, выполняя приемопередатчики наименьших квадратов карт магнитного поля и автоматически применяет значения прокладки нижнего порядка в качестве токов смещения постоянного тока в X, Y и Z градиентных сигналов. Функциональные изображения были получены с использованием испорченной градиентной эхо-планарной последовательности изображений (время повторения (TR) 2800 ms, эхо-время (TE) 35 ms, угол поворота 90 °, поле обзора (FOV) 280 × 280 мм2, матрица 96 × 96, 34 фрагменты, толщина среза 3.6 мм). Далее, структурные изображения были получены с использованием 3-мерной быстрой испорченной градиентной эхо-последовательности (TR 9.0 ms, TE 3.87 ms, угла поворота 20 °, FOV 240 × 240 мм2, матрица 512 × 512, 120 фрагменты, толщина среза 1.3 мм). Структурные изображения с высоким разрешением использовались для нормализации функциональных изображений в стандартном стереотаксическом пространстве для анализа (Талаирах и Турну, 1988 г.).

Задача Antisaccade

Данные функциональной визуализации были получены, в то время как испытуемые завершили еще одну меру исполнительной функции, антисаккадную задачу (McDowell и др., 2002). Правильная антисаккадная производительность требует подавления препотентного ответа на визуальный сигнал и генерации ответа на расположение зеркального изображения этой метки (противоположная сторона, такое же расстояние от центральной фиксации). После начального периода фиксации (25.2 сек) парадигма блока чередовалась между базовыми (N = Блоки 7; 25.2 сек креста, представленного при центральной фиксации) и экспериментальных (N = Блоки 6; 25.2 сек, состоящий из антисаккадных испытаний 8, общих испытаний 48) (минутное время 5.46, объемы 117, первые объемы 2 были исключены из анализа для учета стабилизации намагничивания). Во время базовых предметов было поручено смотреть на крест. Во время антисаккадных испытаний испытуемым было дано указание смотреть на центральный крест, пока он не ушел, а затем сигнал на периферии сигнализировал, что испытуемые должны как можно быстрее подойти к местоположению зеркального изображения кия, не глядя на сам кий. Перед каждым сеансом сканера у испытуемых были две отдельные тренировки, чтобы убедиться, что они понимают инструкции. Персонал, взаимодействующий с детьми во время сканирования, не знал о назначении ребенка.

Анализ изображений

Анализы проводились как в ранее опубликованных данных из нашей лаборатории (Камчонг, Дайкман, Остин, Клементц и Макдауэлл, 2008 г.; Камчонг, Дайкман, Чепмен, Янасак и Макдауэлл, 2006 г.; Дайкман, Камчонг, Клементц и Макдауэлл, 2007 г.; McDowell и др., 2002) с использованием программного обеспечения AFNI (Cox, 1996). Вкратце, для каждой сессии объемы регистрировались на репрезентативный том для коррекции незначительного движения головы (и были рассчитаны регрессивные 6: 1 каждый для a), b) трансляционное движение головы в каждой из плоскостей 3). Затем к каждому набору данных была применена полная ширина 4 мм на половине максимального гауссовского фильтра. Для каждого воксела процентное изменение сигнала, зависящего от уровня оксигенации крови от базовой линии, рассчитывали для каждой временной точки. Результате процентное изменение во времени было исключенным трендом линейного сноса и коррелирует с трапециевидным эталонной функцией моделирования базовой линии (фиксации) и экспериментальных (antisaccade) условиях, используя параметры движения 6 как шум регрессорами. Затем данные трансформировались в стандартизованное пространство, основанное на Атласе Талайраха и Турну (Талаирах и Турну, 1988 г.), и пересортировано в 4 × 4 × 4 мм вокселях.

Чтобы идентифицировать нейронные схемы, поддерживающие антисаккадную производительность (Рис 2), данные были свернуты по группам и точкам времени для анализа дисперсии. Для защиты от ложных срабатываний метод кластерного порога, полученный на основе моделирования Монте-Карло (на основе геометрии набора данных), применялся к F карта (Уорд, 1997). Основываясь на этих симуляциях, семейная мудрая альфа на p = .05 был сохранен с отдельным вокселем, порожденным в p = .0005 и размер кластера в вокселях 3 (192 мкл). Полученный кластеризованный F карта была использована для определения регионального изменения уровня кислородосодержания крови.

Рис 2 

Осевые виды, показывающие изменение уровня кислородосодержания в крови, связанное с антисаккастной характеристикой от анализа с одной выборкой на трех разных уровнях мозга. Данные из сеансов 39 (дети 20 на базовой линии, 19 на посттесте) ...
Анализ интересов

Для каждой области коры, которая проявляла значительную активность в кластеризованном F карта (поле фронтального глаза, дополнительное поле для глаз, префронтальная кора, задняя теменная кора), сфера (радиус 8 мм, аналогичный Kiehl и др., 2005; Моррис, ДеГельдер, Вайскранц и Долан, 2001 г.) была расположена в центре масс, причем двусторонняя активность рушилась по полушариям. Средние процентные изменения сигнала на исходном уровне и посттесте были рассчитаны для каждой интересующей области для каждого участника и проанализированы результаты разницы. Из-за ненормальных распределений значений области интереса экспериментальные условия сравнивались с использованием Mann-Whitney U тест (точные вероятности 2-хвостов).

Итоги

Психометрические данные

Секс был связан с планированием посттеста (мальчики, 101.3 ± 12.1 против девочек, 105.2 ± 12.7, t = -2.0, p = .044) и Attention (99.8 ± 12.2 против 107.5 ± 12.5, t = -4.1, p <001) баллов. Раса была связана с одновременным результатом после теста (белые, 109.3 ± 13.6 против черных, 104.0 ± 10.9, t = 2.9, p = .004) и Широкая математика (109.0 ± 9.3 против 102.0 ± 10.1, t = 4.2, p <001) баллов. Образование родителей коррелировало с посттестовым планированием (r =. 18, p = .02), Широкое чтение (r =. 27, p = .001) и Broad Math (r =. 27, p = .001). Эти ковариаты были включены в соответствующие анализы.

Статистически значимый априорный линейный контраст показал эффект отклика дозы от упражнений на исполнительную функцию (например, планирование, Рис 3; L = 2.7, 95% доверительный интервал (CI) 0.6 до 4.8, t(165) = 2.5, p = .013). априорный контраст, сравнивающий контрольную группу с группами упражнений, также был значительным, показывая, что воздействие либо низкой, либо высокой дозы программы упражнений привело к более высоким оценкам планирования (L = -2.8, CI = -5.3 -0.2, t(165) = 2.1, p = .03). Как и ожидалось, никаких эффектов не было обнаружено в моделях Attention, Simultaneous или Successive. Для кластера с широкой математикой статистически значимый априорный линейный контраст показал эффект отклика дозы упражнения на достижение математики (Рис 3; L = 1.6, CI 0.04 - 3.2, t(135) = 2.03, p = .045). Контраст, сравнивающий условия упражнения с состоянием контроля, не был статистически значимым (p = .10). Эффект не обнаружен в кластере с широким чтением.

Рис 3 

Исполнительная функция (планирование) в posttest с поправкой на пол, родительское образование и базовый балл, а также математическое достижение означает (SE) в posttest, скорректированном на расы, родительское образование и базовый балл, показывающие эффекты реакции дозы аэробных упражнений ...

Условия низкой и высокой дозы не различались, и не было обнаружено никаких квадратичных тенденций. Помимо базового показателя, единственными значительными ковариатами в анализе познания или достижения были секс в анализе внимания (p <001) и гонка за широкую математику (p = .03). Результаты были схожими при исключении детей с синдромом дефицита внимания (линейные контрасты по планированию, t(154) = 2.84, p = .005, Широкая математика, t(125) = 2.12, p = .04) и 7-летних (планирование, t(147) = 2.92, p = .004, Широкая математика, t(117) = 2.23, p = .03).

Нейровизируемые данные

Связанный с антисаккадой сигнал зависимости уровня кислородосодержащей крови (коллапсирующий по группе и временной точке) выявил корковые саккадические схемы (включая лобные поля для глаз, дополнительные поля для глаз, заднюю теменную кору и префронтальную кору; Рис 2), который хорошо определен у взрослых (Luna et al., 2001; Суини, Луна, Киди, Макдауэлл и Клементц, 2007 г.). Анализ по регионам интереса показал групповые различия в изменении сигнала от базового уровня до посттеста, которые были значительными в двух регионах: двусторонняя префронтальная кора (центр масс в координатах Talairach (x, y, z): right = 36, 32, 31, left = - 36, 32, 31) и двусторонней задней теменной коры (справа = 25, -74, 29; left = -23, -70, 22). В частности, группа упражнений продемонстрировала повышенную двустороннюю активность префронтальной коры (Рис 4, левая панель; U = 20, p = .04) и снижение активности в двусторонней задней теменной коре (Рис 4, правая панель; U = 18, p = .03) по сравнению с элементами управления. Анализ интересов регионов (лобных и дополнительных глазных полей) не выявил существенных различий между группами.

Рис 4 

Коробки по экспериментальному условию, показывающие изменение в активации от базовой линии до посттеста. Левая панель: префронтальная кора. Правая панель: задняя теменная кору.

Обсуждение

Эксперимент испытал эффект приблизительно 3 месяцев регулярных аэробных упражнений на исполнительную функцию у сидячих детей с избыточным весом, используя когнитивные оценки, меры достижения и fMRI. Этот многогранный подход выявил сходящиеся доказательства того, что аэробные упражнения улучшают когнитивные характеристики. Более конкретно, ослепленные, стандартизированные оценки показали конкретные преимущества от дозы для упражнений на исполнительную функцию и математические достижения. Наблюдалась повышенная префронтальная активность коры и снижение активности теменной теменной теменной части тела в связи с программой упражнений.

В целом, эти результаты согласуются с результатами, полученными у взрослых в отношении демонстративных изменений поведения и мозговой деятельности вследствие физических нагрузок (Colcombe и др., 2004; Pereira et al., 2007). Они также добавляют доказательства ответа на дозу, что особенно редко встречается у физических упражнений с детьми (Strong et al., 2005), а также предоставить важную информацию об итогах обучения. Высокое состояние дозы приводило к среднему плану оценки 3.8 точек, или четверти стандартного отклонения (σ = 15), выше, чем контрольное условие. Демография не способствовала модели. Аналогичные результаты были получены, если исключить детей с синдромом дефицита внимания или 7-летних. Поэтому результаты могут быть обобщены на избыточный вес черного или белого 7- до 11-летних.

Исполнительная функция развивается в детстве и имеет решающее значение для адаптивного поведения и развития (Бест, Миллер и Джонс, 2009 г.; Эслингер, 1996). В частности, способность регулировать свое поведение (например, препятствовать несоответствующим ответам, откладывать удовлетворение) имеет важное значение для того, чтобы ребенок смог преуспеть в начальной школе (Блэр, 2002; Eigsti et al., 2006). Этот эффект может иметь важные последствия для развития ребенка и образовательной политики. Находка улучшенного математического достижения примечательна тем, что академическая инструкция не предоставляется, и предполагает, что более длительный интервенционный период может принести большую пользу. Улучшение, наблюдаемое при достижении, было специфичным для математики, без пользы для чтения.

Мы предполагаем, что регулярная энергичная физическая активность способствует развитию детей посредством воздействия на мозговые системы, которые лежат в основе познания и поведения. Исследования на животных показывают, что аэробные упражнения увеличивают факторы роста, такие как нейротрофический фактор мозга, приводящий к увеличению капиллярного кровоснабжения коры и росту новых нейронов и синапсов, что приводит к лучшему обучению и эффективности (Dishman и др., 2006). Экспериментальные и перспективные когортные исследования, проведенные со взрослыми, показывают, что долгосрочная регулярная физическая активность изменяет функцию мозга человека (Colcombe и др., 2004; Weuve и др., 2004). Рандомизированный контролируемый эксперимент показал, что 6 месяцы аэробных упражнений привели к улучшению познавательной способности у пожилых людей (Kramer и соавт., 1999). В важной статье приводятся четкие данные о влиянии аэробных упражнений на активность мозга у взрослых в двух исследованиях с использованием методов МРТ: сравнение поперечных сечений лиц с высокой степенью пригодности и низкой пригодности показало, что активность префронтальной коры была связана с физической подготовкой и эксперимент показал, что 6-месяцы аэробных упражнений (ходьба) у сидячих 55- до 77-летних увеличили активность префронтальной коры и привели к улучшению теста исполнительной функции (Colcombe и др., 2004). Интересно, что метаанализ не нашел поддержки аэробной пригодности в качестве медиатора влияния физической активности на человеческое познание (Этнье, Новелл, Ландерс и Сибли, 2006 г.). Таким образом, вместо того, чтобы быть опосредованным сердечно-сосудистыми преимуществами, когнитивные изменения, вызванные физическими упражнениями, могут быть прямым результатом нейронной стимуляции движением. В то время как было сделано предположение, что физическая активность может влиять на когнитивную функцию детей непосредственно посредством изменений в нейронной целостности, существуют другие правдоподобные объяснения, такие как вовлечение в целевое направленное,Tomporowski et al., 2008).

Это исследование имеет ограничения. Результаты ограничены образцом детей с избыточным весом детей с 7-11-XNUMX и старше XNUMX. Бережливые дети и дети других национальностей или возрастные группы могут реагировать по-разному. Неизвестно, сохраняются ли когнитивные преимущества после периода подрыва. Однако, если выгоды накапливаются с течением времени, это будет иметь важное значение для развития ребенка. Могут быть чувствительные периоды, в течение которых двигательная активность будет оказывать особенно сильное воздействие на мозг (Кнудсен, 2004). Остается определить, эффективны ли другие виды упражнений, такие как силовые тренировки или плавание. Участники и сотрудники интервенций не могли быть ослеплены экспериментальным состоянием или гипотезой исследования; однако в рекрутинговых материалах подчеркивались преимущества для здоровья, а не когнитивные. Другое ограничение заключается в том, что использование условия контроля без вмешательства не позволяет суду исключить некоторые альтернативные объяснения (например, внимание взрослых, наслаждение). Психологические изменения могут возникать у детей, которые участвуют в упражнении из-за социальных взаимодействий, которые происходят во время сеансов, а не из-за физических упражнений сам по себе, Тем не менее, модель ответа на дозу приводит к противоречию с этим объяснением, поскольку обе группы упражнений проводят равное время в исследовательском центре с инструкторами и сверстниками.

В исследовании не было обнаружено разницы между группами дозированных упражнений. Это не противоречит обнаружению ответа дозы, что показывает, что вмешательство в упражнение вызвало улучшение познания (Hill, 1965). Учитывая, что линейный контраст продемонстрировал градуированный эффект лечения, сравнение с парной дозой требует ответа на вопрос о том, превосходит ли одна конкретная доза другой (Ruberg, 1995). Испытание эффективности доза-ответ на достижение было значительным, но сравнение контрольной группы с двумя группами упражнений не было, предоставляя частичную поддержку гипотезе, которая улучшает математическое достижение.

Результаты fMRI ограничены небольшим размером выборки и не дают теста на ответ дозы, что делает их более подверженными альтернативным объяснениям. Тем не менее наблюдались специфические изменения, а направление изменений различалось в префронтальной и теменной областях, что противоречит глобальной тенденции в активности мозга. Хотя эффективность антисакказы и ее поддерживающая активность мозга изменяются с возрастом (Luna et al., 2001), это маловероятно, потому что группы были одинакового возраста.

Эти экспериментальные данные свидетельствуют о том, что энергичная послешкольная аэробная программа упражнений улучшила исполнительную функцию в режиме дозовой зависимости среди детей с избыточным весом; социальные факторы, возможно, способствовали этому. Наблюдались изменения в соответствующих образцах активации мозга. Эти результаты также обеспечивают частичную поддержку преимуществ математики. Назначение условий было рандомизировано, а оценки результатов были ослеплены, что минимизировало потенциальное смещение или смешение. Дети с избыточным весом в настоящее время составляют более трети детей в США и чрезмерно представлены среди находящихся в неблагоприятном положении групп населения. Помимо его важности для снижения рисков для здоровья во время эпидемии детского ожирения (Ogden и др., 2006), аэробная деятельность может оказаться важным методом улучшения аспектов психического функционирования детей, которые имеют решающее значение для когнитивного развития (Валлийский, Фридман и Шпикер, 2006 г.).

Благодарности

CA Boyle, C. Creech, JP Tkacz и JL Waller помогали в сборе и анализе данных. При поддержке NIH DK60692, DK70922, Исследовательского института Медицинского колледжа Джорджии, гранта по биомедицинской инициативе штата Джорджия в Центре профилактики ожирения и связанных с ним заболеваний в Грузии, а также моста финансирования из Медицинского колледжа Грузии и Университета Джорджии.

Сноски

Отказ от ответственности издателя: Следующая рукопись - окончательная принятая рукопись. Он не был подвергнут окончательному копированию, проверке фактов и корректуре, требуемым для официальной публикации. Это не окончательная версия, аутентифицированная издателем. Американская психологическая ассоциация и ее Редакционный совет отказываются от какой-либо ответственности или ответственности за ошибки или упущения этой версии рукописи, любую версию, полученную из этой рукописи NIH или другими третьими лицами. Опубликованная версия доступна по адресу www.apa.org/pubs/journals/hea

Информация для участников

Кэтрин Л. Дэвис, Институт профилактики заболеваний, Педиатрия, Медицинский колледж Грузии.

Филипп Д. Томпоровски, кафедра кинезиологии, Университет Джорджии.

Дженнифер Э. Макдауэлл, факультет психологии Университета Джорджии.

Бенджамин П. Остин, факультет психологии Университета Джорджии.

Патрисия Х. Миллер, факультет психологии Университета Джорджии.

Натан Е. Янасак, отделение радиологии Медицинского колледжа Грузии.

Джерри Д. Эллисон, отдел радиологии, Медицинский колледж Грузии.

Джек А. Наглили, факультет психологии, Университет Джорджа Мейсона.

Рекомендации

  • Лучший JR, Miller PH, Jones LL. Исполнительная функция после возраста 5: Изменяет и коррелирует. Обзор развития. 2009; 29 (3): 180-200. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
  • Блэр С. Готовность к школе. Интеграция познания и эмоций в нейробиологическую концептуализацию функционирования детей при поступлении в школу. Американский психолог. 2002; 57: 111–127. [PubMed]
  • Camchong J, Dyckman KA, Austin BP, Clementz BA, McDowell JE. Общие нейронные схемы, поддерживающие волевые саккады и их нарушение у пациентов и родственников шизофрении. Биологическая психиатрия. 2008; 64: 1042-1050. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
  • Camchong J, Dyckman KA, Chapman CE, Yanasak NE, McDowell JE. Нарушения базальной ганглии-таламокортикальной схемы при шизофрении во время отложенных ответных задач. Биологическая психиатрия. 2006; 60: 235-241. [PubMed]
  • Кастелли Д.М., Хиллман Ч., Бак С.М., Эрвин О.В. Физическая подготовка и успеваемость учащихся третьего и пятого классов. Журнал спортивной и физической психологии. 2007; 29: 239-252. [PubMed]
  • Coe DP, Pivarnik JM, Womack CJ, Reeves MJ, Malina RM. Влияние физического воспитания и уровня активности на успеваемость детей. Медицина и наука в спорте и упражнениях. 2006; 38: 1515-1519. [PubMed]
  • Colcombe SJ, Kramer AF. Фитнес-эффекты на когнитивную функцию пожилых людей: метааналитическое исследование. Психологическая наука. 2003; 14: 125-130. [PubMed]
  • Colcombe SJ, Kramer AF, Erickson KI, Scalf P, McAuley E, Cohen NJ и др. Сердечно-сосудистая система, кортикальная пластичность и старение. Труды Национальной академии наук. 2004; 101: 3316-3321. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
  • Cox RW. AFNI: программное обеспечение для анализа и визуализации функциональных магнитно-резонансных нейроизображений. Компьютеры и биомедицинские исследования. 1996; 29: 162-173. [PubMed]
  • Das JP, Mishra RK, Pool JE. Эксперимент по когнитивной реабилитации сложности чтения слов. Журнал об инвалидности. 1995; 28: 66-79. [PubMed]
  • Дас Дж. П., Наглиери Дж. А., Кирби-младший. Оценка когнитивных процессов. Нидхэм-Хайтс, Массачусетс: Аллин и Бэкон; 1994 г.
  • Datar A, Sturm R, Magnabosco JL. Детский избыточный вес и академическая успеваемость: национальное исследование детских садов и первоклассников. Исследование ожирения. 2004; 12: 58-68. [PubMed]
  • Дэвис К.Л., Томпоровски П.Д., Бойл К.А., Уоллер Дж.Л., Миллер П.Х., Наглиери Дж.А. и др. Влияние аэробных упражнений на когнитивные функции детей с избыточным весом: рандомизированное контролируемое исследование. Ежеквартальное исследование упражнений и спорта. 2007; 78: 510–519. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
  • Алмаз А. Близкая взаимосвязь двигательного развития и когнитивного развития, мозжечка и префронтальной коры. Развитие ребенка. 2000; 71: 44-56. [PubMed]
  • Dishman RK, Berthoud HR, Booth FW, Cotman CW, Edgerton VR, Fleshner MR и др. Нейробиология упражнений. Ожирение (Silver Spring) 2006; 14: 345-356. [PubMed]
  • Dwyer T, Sallis JF, Blizzard L, Lazarus R, Dean K. Отношение академической успеваемости к физической активности и фитнесу у детей. Педиатрическая физика. 2001; 13: 225-237.
  • Dwyer T, Coonan WE, Leitch DR, Hetzel BS, Baghurst PA. Исследование влияния ежедневной физической активности на здоровье учащихся начальной школы в Южной Австралии. Международный журнал эпидемиологии. 1983; 12: 308-313. [PubMed]
  • Dyckman KA, Camchong J, Clementz BA, McDowell JE. Влияние контекста на саккадоподобное поведение и активность мозга. Neuroimage. 2007; 36: 774-784. [PubMed]
  • Eigsti IM, Zayas V, Mischel W, Shoda Y, Ayduk O, Dadlani MB, et al. Прогнозирование когнитивного контроля от дошкольного до позднего подросткового возраста и молодой взрослой жизни. Психологическая наука. 2006; 17: 478-484. [PubMed]
  • Eslinger PJ. Концептуализация, описание и измерение компонентов исполнительных функций: резюме. В: Lyon GR, Краснегор Н.А., редакторы. Внимание, память и исполнительная функция. Балтимор: Paul H. Brooks Publishing Co; 1996. pp. 367-395.
  • Etnier JL, Nowell PM, Landers DM, Sibley BA. Мета-регрессия для изучения взаимосвязи между аэробной пригодностью и когнитивными характеристиками. Обзор исследований мозга. 2006; 52: 119-130. [PubMed]
  • Гутин Б., Риггс С., Фергюсон М., Оуэнс С. Описание и оценка процесса программы физической подготовки для детей с ожирением. Ежеквартальное исследование упражнений и спорта. 1999. 70: 65–69. [PubMed]
  • Hill AB. Окружающая среда и заболевания: ассоциация или причинение? Труды Королевского медицинского общества. 1965; 58: 295-300. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
  • Hillman CH, Erickson KI, Kramer AF. Будьте умны, упражняйте свое сердце: упражнения влияют на мозг и познание. Обзоры природы Neuroscience. 2008; 9: 58-65. [PubMed]
  • Исмаил А.Х. Влияние хорошо организованной программы физического воспитания на интеллектуальную работу. Исследования в области физического воспитания. 1967; 1: 31-38.
  • Kiehl KA, Stevens MC, Laurens KR, Pearlson G, Calhoun VD, Liddle PF. Модель адаптивной рефлексивной обработки нейрокогнитивной функции: подтверждающие данные из крупномасштабного (n = 100) исследования ФМР по слуховой нечеткой задаче. Neuroimage. 2005; 25: 899-915. [PubMed]
  • Кнудсен Э.И. Чувствительные периоды в развитии мозга и поведения. Журнал когнитивной нейронауки. 2004; 16: 1412-1425. [PubMed]
  • Kolb B, Whishaw IQ. Мозговая пластичность и поведение. Ежегодный обзор психологии. 1998; 49: 43-64. [PubMed]
  • Kramer AF, Hahn S, Cohen NJ, Banich MT, McAuley E, Harrison CR, et al. Старение, фитнес и нейрокогнитивная функция. Природа. 1999; 400 (6743): 418-419. [PubMed]
  • Lezak MD, Howieson DB, Loring DW. Нейропсихологическая оценка. 4th ed. Нью-Йорк: издательство Оксфордского университета; 2004.
  • Luna B, Thulborn KR, Munoz DP, Merriam EP, Garver KE, Minshew NJ и др. Созревание широко распространенной функции мозга подрывает когнитивное развитие. Neuroimage. 2001; 13: 786-793. [PubMed]
  • McDowell JE, Brown GG, Paulus M, Martinez A, Stewart SE, Dubowitz DJ и др. Нейронные корреляции рекреационных саккад и антисаккапов у пациентов с нормальной и шизофренией. Биологическая психиатрия. 2002; 51: 216-223. [PubMed]
  • McGrew KS, Woodcock RW. Woodcock-Johnson III: Техническое руководство. Итаска, Иллинойс: издательская компания Riverside; 2001.
  • Morris JS, DeGelder B, Weiskrantz L, Dolan RJ. Дифференциальные экстрагеникулоустриальные и миндалевидные реакции на представление эмоциональных лиц в кортикальной слепой области. Мозг. 2001; 124 (Pt 6): 1241-1252. [PubMed]
  • Должен A, Тибор DJ. Физическая активность и сидячий образ жизни: обзор продольных исследований веса и ожирения в молодости. Международный журнал ожирения (Lond) 2005; (29 Suppl 2): S84-S96. [PubMed]
  • Naglieri JA. Основы оценки CAS. Нью-Йорк: Wiley; 1999.
  • Naglieri JA, Das JP. Система познавательной оценки: Интерпретирующий справочник. Итаска, Иллинойс: издательство Riverside; 1997.
  • Naglieri JA, Rojahn J. Построить обоснованность теории PASS и CAS: корреляции с достижением. Журнал педагогической психологии. 2004; 96: 174-181.
  • Naglieri JA, Rojahn JR, Aquilino SA, Matto HC. Черно-белые различия в когнитивной обработке: исследование планирования, внимания, одновременной и последовательной теории интеллекта. Журнал психоэвакуационной оценки. 2005; 23: 146-160.
  • Ogden CL, Carroll MD, Curtin LR, McDowell MA, Tabak CJ, Flegal KM. Распространенность избыточного веса и ожирения в Соединенных Штатах, 1999-2004. JAMA: Журнал Американской медицинской ассоциации. 2006; 295: 1549-1555. [PubMed]
  • Ogden CL, Kuczmarski RJ, Flegal KM, Mei Z, Guo S, Wei R, et al. Центры по контролю и профилактике заболеваний. Графики роста 2000 для Соединенных Штатов: усовершенствования версии Национального центра статистики здравоохранения 1977. Педиатрия. 2002; 109: 45-60. [PubMed]
  • Pereira AC, Huddleston DE, Brickman AM, Sosunov AA, Hen R, McKhann GM, et al. Корреляция in vivo индуцированного физической нагрузкой нейрогенеза во взрослой зубчатой ​​извилине. Труды Национальной академии наук. 2007; 104: 5638-5643. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
  • Раббит П. Введение: Методологии и модели в изучении исполнительной функции. В: Rabbit P, редактор. Методология фронтальной и исполнительной функции. Хоув, Восточный Сассекс, Великобритания: Psychology Press Ltd; 1997. pp. 1-38.
  • Rakison DH, Woodward AL. Новые перспективы воздействия действий на перцептивное и когнитивное развитие. Психология развития. 2008; 44: 1209-1213. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
  • Саллис Дж. Ф., Маккензи Т. Л., Колоди Б., Льюис М., Маршалл С., Розенгард П. Влияние физического воспитания, связанного со здоровьем, на академическую успеваемость: проект SPARK. Ежеквартальное исследование упражнений и спорта. 1999. 70: 127–134. [PubMed]
  • Шепард Р.Ю., Волле М., Лавалле Х, ЛаБарр Р., Джеквиер Дж. К., Раджич М. Необходимая физическая активность и академические оценки: контролируемое продольное исследование. В: Ilmarinen J, Valimaki I, редакторы. Дети и спорт. Берлин: Springer Verlag; 1984. pp. 58-63.
  • Shore SM, Sachs ML, Lidicker JR, Brett SN, Wright AR, Libonati JR. Снижение схоластических успехов у учащихся средних школ с избыточным весом. Ожирение (Silver Spring) 2008; 16: 1535-1538. [PubMed]
  • Sibley BA, Etnier JL. Связь между физической активностью и познанием у детей: метаанализ. Педиатрическая физика. 2003; 15: 243-256.
  • Соммервилл Дж. А., Десети Дж. Плетение ткани социального взаимодействия: определение психологии развития и когнитивной нейробиологии в области моторного познания. Психономический бюллетень и обзор. 2006; 13: 179–200. [PubMed]
  • Сильный ВБ, Малина Р.М., Блимки К.Дж., Дэниелс С.Р., Дишман Р.К., Гутин Б и др. Доказательная физическая активность для молодежи школьного возраста. Журнал педиатрии. 2005; 146: 732-737. [PubMed]
  • Sweeney JA, Luna B, Keedy SK, McDowell JE, Clementz BA. Исследования МРМ в области контроля движения глаз: исследование взаимодействия когнитивных и сенсомоторных систем головного мозга. Neuroimage. 2007; (36 Suppl 2): T54-T60. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
  • Talairach J, Tournoux P. Копланарный стереотаксический атлас человеческого мозга: трехмерная пропорциональная система - подход к церебральной визуализации. Нью-Йорк: издательство Thieme Medical Publishers; 3 г.
  • Тарас Х. Физическая активность и успеваемость учащихся в школе. Журнал школьного здоровья. 2005; 75: 214-218. [PubMed]
  • Тарас Х, Поттс-Датема В. Ожирение и успеваемость учащихся в школе. Журнал школьного здоровья. 2005; 75: 291-295. [PubMed]
  • Tomporowski PD, Davis CL, Miller PH, Naglieri J. Физические упражнения и детский интеллект, познание и академическая успеваемость. Обзор педагогической психологии. 2008. 20: 111–131. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
  • Tuckman BW, Hinkle JS. Экспериментальное исследование физических и психологических эффектов аэробных упражнений у школьников. Психология здоровья. 1986; 5: 197-207. [PubMed]
  • Уорд Б. Синхронный вывод для данных FMRI. Милуоки, ВИ: Научно-исследовательский институт биофизики, Медицинский колледж Висконсина; 1997.
  • Welsh MC, Friedman SL, Spieker SJ. Исполнительные функции в развитии детей: современные концептуализации и вопросы на будущее. В: McCartney K, Phillips D, редакторы. Справочник Блэкуэлла о развитии раннего детства. Malden, MA: Blackwell Publishing; 2006. pp. 167-187.
  • Weuve J, Kang JH, Manson JE, Breteler MM, Ware JH, Grodstein F. Физическая активность, включая ходьбу и когнитивную функцию у пожилых женщин. JAMA: Журнал Американской медицинской ассоциации. 2004; 292: 1454-1461. [PubMed]
  • Wittberg R, Northrup K, Коттрелл Л.А., Дэвис К.Л. Аэробные фитнес-пороги, связанные с успеваемостью пятого класса. Американский журнал медицинского образования. (Принято)
  • Zervas Y, Apostolos D, Klissouras V. Влияние физических нагрузок на умственные способности применительно к обучению. Перцептивные и моторные навыки. 1991; 73: 1215-1221. [PubMed]