高温环境和运动对执行功能的影响——基于fNIRS技术的研究

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研究目的:全球变暖,高温热浪等极端天气频发,长时间暴露于高温环境中会引起热应激,导致体力及认知表现下降,从而影响工作效率。执行功能由抑制控制、工作记忆和认知灵活性三个子功能构成,作为认知活动过程中最为复杂的部分,更容易受到高温环境的影响。然而,现阶段的研究多聚焦于被动热暴露对抑制控制和工作记忆方面的损害,鲜有研究探讨被动热暴露下的认知灵活性变化。由于研究方法的差异,诱导高体温的方式方法不同,其对执行功能影响的结果不一。运动作为一种混杂变量,结合高温环境诱导的高体温对执行功能的影响仍存争议。此外,高温环境下运动对执行功能的影响是否与大脑血氧水平变化有关尚未可知。鉴于此,本研究的目的为探究高温环境和运动对执行功能、体温、心率、温热感觉、热舒适度以及主观疲劳感觉的影响。此外,通过近红外脑功能成像系统,阐明高温环境和运动对执行功能影响中前额叶皮质血氧水平的变化。研究方法:本实验采用随机交叉设计,共招募16名(男生9名、女生7名)健康、右利手、无热适应的在校学生。实验条件包括,高温环境下的静坐(HNE)或运动干预(HE),常温环境下的静坐(MNE)或运动干预(ME)。受试者随机在每个实验条件下完成第一组执行功能测试,随后静坐1小时或在有氧功率自行车上以50%Wattmax骑行45分钟,休息15分钟,干预结束后立即完成第二次执行功能测试。执行功能测试选取2-back任务,线索转换任务和Stroop任务。用功能性近红外光谱技术(Functional Near-Infrared Spectroscopy,f NIRS)采集前额叶皮层的氧合指标。此外生理指标选取核心温度、皮肤温度和心率。感知功能通过温热感觉(Thermal Sensation,TS)、热舒适度(Thermal Comfort,TC)和主观疲劳感觉(Rating of Perceived Exertion,RPE)量表进行评估。生理指标、感知功能评分及执行功能任务的反应时(Reaction Time,RT)和正确率(Accuracy,ACC)均采用多因素重复测量方差分析进行处理,p<0.05定义为差异具有统计学意义。研究结果:1.执行功能(1)2-back任务干预后,HNE组与MNE组相比RT显著延长(p<0.05)。然而,HE组与HNE组相比RT显著缩短(p<0.05)。(2)线索转换任务干预后,HNE组与MNE组相比RT显著延长(p<0.05),ACC显著降低(p<0.05)。然而,HE组与HNE组相比RT显著缩短(p<0.05)。(3)Stroop任务干预后,HE组与HNE组相比不一致条件下的RT显著降低(p<0.05)。且HE组与HNE组相比其干扰效应显著降低(p<0.05)。2.近红外线光谱(1)2-back任务背外侧前额叶皮层(Dorsolateral Prefrontal Cortex,DLPFC)、腹外侧前额叶皮层(Ventrolateral Prefrontal Cortex,VLPFC)和额极区(Frontal Pole Area,FPA)的氧合差异均无显变化(p>0.05)。(2)线索转换任务干预后,与MNE组相比,HNE组在DLPFC的氧合差异显著降低(p<0.05)。(3)不一致条件下的Stroop任务在干预后,与HNE组相比,HE组在VLPFC和FPA的氧合差异显著升高(p<0.05)。3.生理指标(1)核心温度(Tcore)自干预第30分钟至实验结束,HNE组的核心温度显著高于MNE组(p<0.05)。运动干预15分钟后至实验结束,HE组的核心温度显著高于HNE组(p<0.05)。(2)平均皮肤温度(Tskin)自第一组执行功能测试的第15分钟至实验结束,HNE组的平均皮肤温度显著高于MNE组(p<0.05)。自高温环境下运动干预的第15分钟至干预结束,HE组的平均皮肤温度显著高于HNE组(p<0.05)。(3)心率(HR)自干预开始至实验结束,HNE组的心率均显著高于MNE组(p<0.05)。自运动的第15分钟至实验结束时HE组的心率均显著高于HNE组(p<0.05)。4.主观感知指标(1)主观疲劳感觉(RPE)HNE组在静坐干预的第15分钟以及第45分钟至实验结束,RPE均显著高于MNE组(p<0.05)。HE组从运动干预的第15分钟至干预结束,RPE均显著高于HNE组(p<0.05)。(2)温热感觉(TS)整个实验过程中,HNE组的TS评分显著高于MNE组(p<0.05)。此外,干预的第15分钟至45分钟期间,HE组的TS评分显著高于HNE组,而实验结束时HNE组的TS评分显著高于HE组(p<0.05)。(3)热舒适度(TC)整个实验过程中,HNE组的TC评分显著低于MNE组(p<0.05)。此外,自干预的第15分钟至45分钟,HE组的TC评分显著低于HNE组(p<0.05)。研究结论:35℃下被动热暴露1小时会介导核心温度以及皮肤温度变化进而改变主观感觉,损害执行功能表现。另外,我们提供了新的数据,证明35℃高温环境下进行45分钟中等强度的急性有氧运动能够改善被动热暴露对执行功能表现的损害。高温环境下运动对执行功能的影响可能与大脑前额叶血氧水平变化有关。本研究为今后工作和生活中合理调控温度以及制定运动方案从而维持或改善执行功能表现提供了理论依据。
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