文章编号：1002-9826(2019)10-0050-06 

　　DOI：10.16470/j.csst.2019060

开放性运动锻炼老年人视空间工作记忆优势的机制研究

The Mechanism of the Advantage of Open-skill Exercisers on Visuospatial Working Memory in Older Adults

郭玮1,2,王碧野1,2,任杰3*

GUO Wei1,2,WANG Biye1,2,REN Jie3*

　　基金项目：国家社会科学基金青年项目(18CTY014)

　　第一作者简介：郭玮(1988-)，女，讲师，博士，主要研究方向为体育运动心理学，E-mail：guowei@yzu.edu.cn。

　　*通信作者简介：

　　任杰(1971-)，男，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为运动技能学习与控制，E-mail：renjiemail2008@163.com。

　　作者单位:

　　1.扬州大学 体育学院，江苏 扬州 225127；

　　2.扬州大学 体育运动与脑科学研究所，江苏 扬州 225127；

　　3.上海体育学院 中国乒乓球学院，上海200438

　　1.College of Physical Education,Yangzhou University, Yangzhou 225127, China;

　　2. Institute of Sports, Exercise and Brain, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China;

　　3.China Table Tennis College, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China.

　　摘要: 目的: 前期研究已证明，开放性运动锻炼老年人的视空间工作记忆能力更优，表现为具有更好的存储子成分功能，但该优势的成因尚不明确，故本研究将进一步探讨开放性运动锻炼老年人视空间工作记忆存储优势的原因。方法: 采用横断设计，使用《锻炼方式问卷》和《国际体力活动问卷》对老年人的运动锻炼方式进行调查，根据调查结果，将被试归入开放性锻炼、闭锁性锻炼和久坐无锻炼3个分组中。对各组被试进行视空间信息消退任务和干扰任务测试，以验证开放性运动锻炼老年人视空间工作记忆存储优势是由于其具有更好抵抗信息自然衰退，还是更好地抵抗无关信息干扰的能力。结果: 在视空间信息消退任务中，各组被试的正确率和反应时均无显著差异，而在视空间信息干扰任务中，开放性运动锻炼老年人的正确率显著高于久坐组(P＜0.05)，各组被试反应时无显著差异。结论: 开放性运动锻炼老年人在抵抗信息自然消退的能力上没有优势，但其排除无关视空间信息干扰能力更强，这可能是开放性运动锻炼老年人在视空间工作记忆存在优势的原因。

　　关键词: 开放性运动锻炼；老年人；视空间工作记忆

　　Abstract: Objective： Previous studies have shown the advantage of open-skill exercisers on visuospatial working memory in older adults, especially on the storage component of working memory, but the mechanism is still unknown. This study will further explore the mechanism of this kind of advantage. Methods： The study used cross-sectional design to do a survey of sedentary control among older adults with “Exercise Mode Questionnaire” and “International Physical Activity Questionnaire”. The older adults were divided into open-skill exercise group, closed-skill exercise group and no exercise group. Older adults in different groups all undertook the decaying of visuospatial information task and the interference of visuospatial information task to verify the decaying hypothesis and the interference hypothesis. Results: There were no difference between the accuracy and reaction time in the decaying of visuospatial information task, while open-skill exercise group exhibited higher accuracy than the sedentary control in the interference of visuospatial information task (P＜0.05), and there were no difference observed on the reaction time. Conclusion: Mechanism of the advantage of open-skill exercisers on visuospatial working memory in older adults was mainly due to a better ability to eliminate irrelevant visuospatial information rather than the ability to resist natural fade.

　　Keywords: open-skill exercises; older adults; visuospatial working memory

　　中图分类号:G804.8 文献标识码:A

　　工作记忆，是指临时存储和操作当前任务相关信息的资源有限的认知系统。Baddeley(1992)提出的工作记忆三成分模型认为，工作记忆包含1个中央控制系统以及至少2个从属的子系统：负责临时储存和加工视空间信息的视空间模板和负责临时处理及加工言语信息的语音环路。工作记忆为复杂的认知过程提供临时的存储和加工空间，被视为认知功能的枢纽(Baddeley, 2002)，它和其他的认知功能一样会发生老化衰退(Baddeley et al., 1991)。研究证明，工作记忆能力在60岁以后出现下降(Elliott et al., 2011)，并且老年人的视空间工作记忆的衰退速度远超出语词工作记忆的衰退(Fiore et al., 2012)。

　　研究已经证明，多数体育锻炼可以在一定程度上预防和延缓老年人认知功能的衰退(陈爱国 等, 2014)。但随着该类研究的深入，何种方式的健身锻炼具有更大的认知增益效果成为研究的新热点，这也就意味着，曾经广为认可的“生命在于运动”的概念正转变为“生命在于科学的运动”。最新研究证据表明，持拍类运动和团体锻炼是心理健康受益最高的运动(Chekroud et al., 2018)。在体育科学领域，根据环境的变化性和可预测性，可以将运动分为开放性运动和闭锁性运动。开放性运动需要更多的认知参与，如乒乓球、羽毛球等，而闭锁性运动对体能和心肺功能有更多的要求，如跑步、游泳等。对运动员的研究表明，从事开放性运动比从事闭锁性运动项目的运动员在与运动经验无关的一般认知任务中表现出了更大的认知优势(Wang et al., 2016)。有研究者基于开放性运动训练提高运动员的抑制控制能力认为，其可以作为提高老年人抑制能力的一种干预手段(Wang et al., 2013)。王诗瑶等(2017)对大学生的研究发现，进行开放性运动锻炼的大学生相比于闭锁性运动在注意的执行控制网络上具有更大的优势。对老年人的研究发现，进行开放性运动锻炼老年人的抑制能力和任务转换能力优于进行闭锁性运动锻炼(Dai et al., 2013；Huang et al., 2014)。在体育锻炼中，增加认知负荷会对老年人的认知产生额外的促进作用(Tranter et al., 2008)。

　　研究证明,不论是开放性运动锻炼还是闭锁性运动锻炼的老年人，其视空间工作记忆能力较久坐老年人更优；进一步分离工作记忆中的存储成分和操作成分后发现，开放性运动锻炼老年人的视空间信息存储能力优于久坐老年人，这可能是其视空间工作记忆优势的原因(Guo et al., 2016)。本研究将进一步探讨开放性运动锻炼老年人视空间工作记忆存储优势的机制。有2种理论可以解释工作记忆存储优势的产生：消退假说和干扰假说。消退假说认为，工作记忆中的存储功能优势是由于信息消退过程更慢(Towse et al., 1995)；干扰假说认为，工作记忆中的存储功能优势是排除干扰的能力更强(Barrouillet et al., 2004)。因此，本研究假设开放性运动锻炼老年人视空间工作记忆存储加工的优势成因可能有3种：信息自然消退慢、排除干扰能力强、消退慢且排除干扰能力强。本研究将通过2个实验对以上假设进行验证。

　　1 实验对象与方法

　　1.1　实验对象　

　　按照以下要求，从社区招募自愿参加实验的健康老年人：1)年龄在58～80岁；2)右利手；3)视力或矫正视力正常；4)自主报告无严重身体或精神疾病；5)体重正常，BMI指数小于25。满足以上条件的被试随即参加简明精神状态量表(MMSE)测试，得分不低于25进入后续研究，并对其过去6个月的锻炼方式和锻炼强度进行调查，调查使用《锻炼方式问卷》和《国际体力活动问卷》。基于调查结果，将被试归入开放性运动锻炼、闭锁性运动锻炼和久坐无运动锻炼3个分组中。其中，开放性运动锻炼组的纳入标准为每周进行至少3次、每次不低于30 min的乒乓球等开放性运动锻炼；闭锁性运动锻炼组的纳入标准为每周进行至少3次、每次不低于30 min的快走、跑步或游泳等闭锁性运动锻炼；久坐无运动锻炼组的入选标准为无运动锻炼习惯。剔除既进行开放性运动锻炼又进行闭锁性运动锻炼的被试。被试详细分组情况见表1。

表1各组被试基本情况

Table 1The Main Characteristics of Participants in Each Group M±SD

　　注：IPAQ: 国际体力活动问卷, METs: 梅脱值。

　　1.2　实验任务　

　　本研究包含2个实验任务：视空间信息消退和视空间信息干扰任务，分别测量视空间信息的消退与干扰过程。2项实验任务均来源并改进自Guo等(2016)的研究。测试程序采用MATLAB平台的Psychtoolbox 3.0工具箱编程，行为数据的收集也通过该工具箱完成。2个实验任务中，视觉刺激均呈现在距离被试1 m远的显示器上，显示器大小为19寸，其中心与被试眼睛保持相同高度。

　　1.2.1　视空间信息消退实验任务　

　　视空间信息消退任务通过控制不同的保持时间间隔，对信息消退的作用进行探索(图1)。1)该任务的每个试次由灰色屏幕中间的黑色的“十”字注视点作为开始，被试需要将目光全程集中在注视点上，其视角为0.8°×0.8°，呈现1 000 ms。2)呈现识记刺激，识记刺激是由1个4×4的矩阵构成的正方形(视角2.8°×2.8°），在16个小方块中，随机4个方块标记为黑色，识记刺激呈现2 000 ms。3)灰色空屏出现，被试需要在此期间保持识记刺激，灰屏持续可能为1 000、3 000或5 000 ms。4)呈现目标刺激，被试需要判断目标刺激是否与识记刺激一致。被试通过按键进行答案报告，左手食指按数字键盘“1”代表“一致”，右手食指按数字键盘“3”代表“不一致”。5)一旦做出按键反应，目标刺激消失，出现随机1 000～3 000 ms的灰屏间隔，1个试次结束。在本实验中，3种保持间隔时间试次各出现20次，共60个试次，试次顺序为随机，半数试次中目标刺激与识记刺激一致。被试每完成10个试次可以短暂休息1次,休息时长由被试自己调节，休息结束后按回车键继续开始。

图1视空间信息消退任务实验流程图

Figure 1.Experimental Paradigm of Visuospatial Information Decaying Task

　　1.2.2　视空间信息干扰实验任务　

　　视空间信息干扰任务通过控制干扰刺激是否出现，对无关信息干扰的作用进行探索(图2)。该任务与上文所述视空间信息消退任务较为相似。不同之处在于，实际刺激和目标刺激之间增加了一个干扰刺激，干扰刺激同样为随机4个小方块为黑色的方块矩阵，其大小等参数与识记刺激一致，但标记的4个小方块与识记刺激不同，被试无须记住该图形。干扰刺激呈现2 000 ms，前后各有500 ms的灰屏。在本实验任务中，被试共需完成40试次，其中一半试次中目标刺激与识记刺激一致。由于被试年龄较大，容易疲劳，因此被试依然可以在每10个试次后选择进行适当休息。

图2视空间信息干扰任务实验流程图

Figure 2.Experimental Paradigm of Visuospatial Information Interference Task

　　1.3　实验流程　

　　被试在约定的时间到达实验室，在主试口头介绍本研究相关信息后，被试需要签署知情同意书。随后在主试的指导下，进行简明精神状态量表(MMSE)测试，并完成《锻炼方式问卷》和《国际体力活动问卷》。符合实验条件的被试参加后续的实验任务。被试需要先进行10次练习，用以了解判断目标刺激与识记刺激一致性的具体含义，并掌握答案报告的按键方式。仅有正确率达到70%及以上的被试才可以进行正式测试。正式测试由被试在安静的环境下独自完成，测试任务包括视空间信息消退和干扰2个任务，2个实验任务的先后顺序在被试间进行平衡。正式测试的过程中不提供正确与否的即时反馈。

　　1.4　数据分析与统计　

　　采用SPSS 17.0统计软件对实验数据进行处理。对被试特征进行单因素方差分析，对不同组被试在视空间信息消退任务和视空间信息干扰任务的正确率和反应时进行双因素重复测量方差分析。P≤0.05表示统计学上有意义。由于被试的正确率数据不服从正态分布，所以对其进行反正弦转换，使其变成近似服从正态分布的数据。转换公式。

　　2 实验结果

　　2.1　被试特征　

　　5名被试由于不能通过练习阶段的准确率要求，无法完成实验，另有1名被试的正确率过低(低于概率水平)，其数据被剔除。因此，共有78名被试的成绩纳入结果讨论，其中开放性运动锻炼组26人，闭锁性运动锻炼组28 人，久坐无锻炼组24人。

　　3组被试在年龄(F(2, 81)=0.81,P =0.88)、受教育水平(F(2, 81)=1.91,P =0.16)、身高(F(2,81)=1.01,P =0.31)、体重(F(2, 81)=0.99,P=0.56)、MMSE得分(F(2,81)=1.88,P =0.39)和运动年限(F(2, 81)=2.21,P =0.11)上无显著差异。在体力活动水平上差异显著(F(2, 81)=18.77,P＜0.01)。事后检验结果发现，开放性运动锻炼组和闭锁性运动锻炼组老年人的体力活动水平显著高于久坐组(P＜0.05)，而开放性运动锻炼组和闭锁性运动锻炼组之间无显著差异。

　　2.2　视空间信息消退任务结果　

　　对被试在该任务上的正确率和反应时分别进行3×3两因素混合方差分析，其中组间因素为被试组别(开放性运动锻炼组、闭锁性运动锻炼组和久坐组)，组内因素为保持间隔时间(1 000、3 000和5 000 ms)。

　　结果发现，在正确率指标上，保持间隔时间主效应显著(F(2, 150)=3.11,P =0.05，ηp2 =0.08)。事后比较发现，间隔时间为1 000 ms时的正确率显著高于间隔时间为5 000 ms时。组别主效应不显著(F(2, 75)=2.11,P =0.13，ηp2 =0.05)，组别和保持间隔时间交互作用不显著(F(4, 150) =0.26,P =0.89，ηp2 =0.00)。在反应时指标上，保持间隔时间主效应显著(F(2, 150)=10.09,P＜0.01，ηp2 =0.16)。事后比较发现，保持间隔时间为3 000 ms时的反应时显著短于1 000和5 000 ms，而1 000和5 000 ms条件下的反应时差异不显著。组别主效应不显著(F(2, 75)=0.79,P =0.46，ηp2 =0.02)，组别和保持间隔时间交互作用不显著(F(4, 150)=1.01,P =0.37，ηp2 =0.03)(图3)。

　　2.3　视空间信息干扰任务结果　

　　对该任务反应时和正确率分别采用3×2两因素混合设计方差分析，组内变量为干扰条件(有干扰、无干扰)，组间变量为被试组别(开放性运动锻炼组、闭锁性运动锻炼组、久坐组)，因变量分别为反应时和正确率。无干扰条件下的数据，来自视空间信息消退实验中被试在3 000 ms保持间隔条件下的行为数据。结果发现，在正确率指标上，干扰主效应显著(F(1, 75)=5.27,P =0.02，ηp2 =0.07)，有干扰条件下的正确率显著下降。组别主效应边缘显著(F(2, 75)=2.67,P =0.07，ηp2 =0.06)。事后检验结果发现，开放性运动锻炼组的正确率显著高于久坐组(P＜0.05)。组别和干扰交互作用不显著(F(2, 75)=0.49,P =0.61，ηp2 =0.01)。在反应时指标上，干扰主效应显著(F(1, 75)=12.15,P＜0.01，ηp2 =0.14)。事后检验发现，干扰条件下的反应时显著大于无干扰条件。组别主效应不显著(F(2, 75)=1.37,P =0.26，ηp2 =0.05)，组别和干扰交互作用不显著(F(2, 75)=0.13,P =0.88，ηp2 =0.03)(图4)。

图3视空间信息消退任务的正确率和反应时

Figure 3.Accuracy and Reaction Time of Visuospatial Information Decaying Task

图4视空间信息干扰任务的正确率和反应时

Figure 4.Accuracy and Reaction Time of Visuospatial Information Interference Task

　　3 讨论

　　3.1　不同运动锻炼方式老年人视空间信息消退特征　

　　为了探讨不同运动锻炼方式的老年人在视空间信息存储过程中信息消退的特征，在视空间信息消退任务中，本研究通过设置不同保持间隔时间(1 000、3 000和5 000 ms)，调节抵抗信息消退的难度，保持时间间隔越长，难度越大，被试的正确率越低。说明老年被试随着保持时间的增加，记忆痕迹的不断消退，是导致遗忘发生的原因之一。这与工作记忆遗忘的任务转换模型相一致(Towse et al., 1995)。该理论认为，保持时间的长短是影响工作记忆质量的主要因素。该理论模型的提出，是基于增加识记材料难度不会影响工作记忆的广度，而延长保持时间却会导致工作记忆广度下降(Towse et al., 2000)。本研究的被试在进行加工活动时，存储的记忆项会经历与时间有关的遗忘，保持时间越长，视空间工作记忆衰退越严重，信息遗忘越多。

　　本实验结果显示，在1 000 ms保持时间的条件下，所有被试的反应正确率均显著优于其他条件，而在3 000 ms的条件下，被试的正确率高于5 000 ms条件。这说明本实验的时间间隔设置较为合理，被试在3个保持时间条件上，发生了不同程度的遗忘，而该遗忘很有可能是由于信息的自然消退所导致。反应时的结果表明，被试在3 000 ms条件下显著快于在1 000 ms和5 000 ms条件下，而在1 000 ms和5 000 ms条件间差异不显著。我们推测，可能存在2种原因导致被试在3 000 ms条件下反应最快。1)被试在练习试次中，保持时间设定为3 000 ms，这与正式测试中的时间设定一样，因此被试可能发生了更多的学习效应，导致在3 000 ms条件下反应快于其他条件；2)3 000 ms的保持时间长度居于1 000 ms和5 000 ms之间，并且恰好为两者的平均数，即使3种时间长度出现的次数一样且顺序随机，但被试可能会自然地倾向于准备在3 000 ms的时候进行反应，因此，在行为上表现为3 000 ms时间间隔条件下反应更快。由于被试在3 000 ms保持时间条件下反应最快，说明在本研究的视空间信息干扰任务中，将保持时间设定为3 000 ms具有一定的合理性。

　　但是，本实验并未发现不同运动锻炼方式和保持时间上存在交互作用，即不同运动锻炼方式对视空间信息的消退产生的影响没有显著区别。即使是开放性运动锻炼组的老年人已经在前期研究中证明具有更好的视空间工作记忆功能，但在保持时间增加的条件下，也会出现工作记忆保持能力的下降，并且下降趋势没有显著区别于另外2组。

　　3.2　不同运动锻炼方式老年人在视空间信息存储过程中排除干扰能力的差异　

　　本研究通过在记忆任务的保持期间增加一个干扰刺激，来测量老年人排除干扰刺激影响的能力，从而验证开放性运动锻炼是否可能通过提高排除干扰能力而提高视空间工作记忆的存储子成分。本研究的干扰刺激和任务中的识记刺激物理属性一致，4个小方块随机标黑也与识记刺激很相似，因此具有较强的干扰能力。当保持阶段出现干扰刺激时，老年人的反应时出现了显著增加，证明干扰刺激确实有效干扰了对识记刺激的保持，破坏了视空间信息的保持。

　　干扰刺激对工作记忆的存储子成分的破坏,可以通过共同资源模型解释。人们在识记材料时，不论是语词还是视空间材料，都会不断复述这些材料，以减少遗忘的发生。有研究者为了研究工作记忆中的遗忘过程，试图让被试不对材料进行复述，为了实现这一点，被试被要求在保持识记材料的时候进行一个双任务加工。关于此类双任务加工,有一个较为成熟的基于时间资源共享模型来解释(Barrouillet et al., 2004, 2007)。该理论认为，工作记忆的存储和加工子成分在同时争夺有限的共用资源，加工活动需要的认知资源越多，工作记忆绩效就越差。通过上述模型，可以解释本实验中增加的干扰刺激是如何破坏老年人的视空间工作记忆的存储子成分的。

　　本实验中，设定的干扰刺激有效干扰了工作记忆的存储成分。在干扰有效的前提下，不同组的老年人被试在正确率上的差异边缘显著，开放性运动锻炼组老年人的视空间工作记忆的存储受到干扰信息的影响显著小于久坐组，但是闭锁性运动锻炼组老年人相比于对照组没能显示出显著优势。因此，基于本实验研究结果可以推测，开放性运动锻炼方式可能对排除视空间干扰能力有一定益处，这可能是开放性运动锻炼老年人在视空间工作记忆的存储子成分上具有优势的潜在原因。

　　3.3　开放性运动锻炼老年人视空间工作记忆优势的可能机制

　　已有研究证明，开放性运动锻炼老年人的视空间工作记忆的存储子成分具有优势(Guo et al., 2016)。结合本研究2个实验任务的结果可以推测，该优势的成因可能是开放性运动锻炼老年人可以更好地排除无关信息的干扰。这可能得益于开放性锻炼的如下特殊性:1)开放性锻炼的运动环境较为丰富。动物研究发现，复杂环境中的运动可以引起大脑皮层厚度的增加，神经发生和突触神经传递的增强(Artola et al., 2006)。2)开放性锻炼过程中包含着丰富的认知活动，老年人较多认知加工的活动可以预防认知老化(Tranter et al., 2008)。甚至钢琴学习、视频游戏等具有较丰富认知环境和认知刺激的休闲娱乐活动也能够有效延缓认知老化(耿协鑫 等, 2014；罗小平 等, 2009)。

　　本研究中，采用开放性运动锻炼的老年人大多进行乒乓球运动锻炼。乒乓球运动是一种速度很快的运动，参与者需要根据球飞来的速度和方向在极短的时间内做出反应，在这一短暂过程中，必须对无关信息进行有效抑制，才能做出快速而准确的判断和行动。研究发现，在乒乓球运动干预后，参与者的抑制功能显著提升(Collet et al., 1999)。国内研究者使用乒乓球锻炼对老年痴呆患者进行临床干预(胡启凯 等, 2014)，也取得了较为理想的效果。

　　前人研究也发现，开放性运动锻炼老年人在认知加工过程中可以更好地排除无关信息的干扰。Dai等(2013)的研究发现，开放性运动锻炼老年人的整体转换能力显著优于闭锁性运动锻炼和久坐的老年人，但在局部转换能力上并不具备优势。整体任务转换能力与工作记忆过程中的排除干扰能力密切相关(Monsell, 2003)。Huang等(2014)的研究采用Flanker任务发现，开放性运动锻炼老年人的抑制能力更强，抑制能力即在信息加工存储过程中排除干扰的能力。在另外一项针对运动员的研究中也有类似发现，开放性项目运动员的抑制控制能力优于闭锁性运动员(Wang et al., 2013)。甚至在一项针对残疾人运动员的研究中也发现，开放性运动项目(篮球)运动员抑制能力显著优于闭锁性项目(游泳)，残疾篮球运动员在抑制功能上的表现与普通人相当(Di et al., 2010)。这也提示，开放性运动能够在一定程度上有助于抑制功能的恢复。Chang等(2014)的一项研究结果指出，老年人并不缺乏学习所需的认知灵活性，但是缺少过滤与任务无关信息的能力。综上可以推测，开放性运动锻炼相比于闭锁性，在提高抑制功能上具有一定的优势，长期的开放性运动锻炼可以提高老年人在视空间工作记忆中对干扰刺激的抑制能力，这可能是开放性运动锻炼老年人视空间工作记忆优势的成因之一。

　　本研究所采用的横断设计具有一定的局限性，因此需要纵向研究对机制进行更为深入的探讨。通过对老年人进行不同形式的运动锻炼干预，从而揭示其视空间工作记忆变化特征及机制是未来研究的重点。

　　4 结论

　　开放性运动锻炼老年人，在视空间工作记忆存储子成分上存在优势,其可能的成因是开放性运动锻炼提高了抑制功能，从而使其排除无关视空间信息干扰能力更强，而非其抵抗视空间信息消退的能力更强。

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　　(收稿日期：2019-03-29； 修订日期：2019-10-06； 编辑：马婧）