使用fNIRS技术系统对比开放性和封闭性技能运动对青年认知功能的影响
2026-06-25 来源:本站 点击次数:131
开放性与封闭性技能运动，谁更能"激活"你的大脑？
引言
常听人说多运动能健脑，可你有没有想过：同样是锻炼身体，打羽毛球和跳健身操，对大脑的锻炼效果其实大不一样？运动可以增强神经可塑性、分泌神经营养因子、提升脑部供氧，对大脑健康的益处早已被科学证实。不过运动也分类型：羽毛球、排球、足球这类需要随时根据赛场变化调整动作的，叫做开放性技能运动；健身操、游泳、田径等动作套路固定、外界干扰少的，则属于封闭性技能运动。
这两类运动，对认知能力、大脑执行功能的提升效果究竟孰优孰劣？目前学界还没有统一答案。有人认为开放型运动健脑效果更强，也有研究证明封闭型运动能更好地延缓认知衰退。值得警惕的是，痴呆相关的脑部病变，早在症状出现的二三十年之前就已悄然发生。如今认知障碍也不再是老年人的 “专属难题”，越来越多中青年也面临相关风险。
论文概要
广西师范大学体育与健康学院联合桂林医学院体育教学部的研究团队，在《Scientific Reports》发表了题为"Comparative effectiveness of open and closed skill exercises on cognitive function in young adults: a fNIRS study"的研究论文。研究采用观察性研究与实验性研究相结合的设计，利用功能性近红外光谱技术（fNIRS）和认知心理学任务，系统比较了开放性（羽毛球）与封闭性（健身操）技能运动对青年人认知功能和前额叶皮层血氧水平的不同影响。结果揭示，两类运动对认知功能的促进各有侧重：开放性运动在抑制控制方面更具优势，封闭性运动在工作记忆方面表现更优，为个性化运动处方的制定提供了神经科学层面的证据。
研究方法
本研究采用观察性研究与实验性研究相结合的设计策略，从横截面和干预两个维度考察运动类型对认知功能的影响。整体研究流程如图1所示。
观察性研究招募了97名青年人，根据其长期从事的运动专项分为三组：开放性技能运动组32人（16男16女），从事羽毛球、排球、足球等项目，平均年龄21.60±1.21岁，运动年限8.63±2.96年；封闭性技能运动组35人（16男19女），从事健身操、游泳、田径等项目，平均年龄20.84±0.74岁，运动年限7.00±2.94年；无运动组30人（15男15女），为过去6个月未参加规律运动的青年人，平均年龄24.59±2.17岁。所有参与者均完成了国际体力活动问卷(IPAQ)。
实验性研究进一步验证因果关系。选取30名过去6个月无规律运动的青年女性，随机分为羽毛球组和健身操组各15人。急性运动干预方案包括10分钟准备活动、30分钟中等强度运动和10分钟放松活动，共计50分钟。运动过程中通过运动手环持续监测心率，确保维持在60-70%最大心率(HRmax)范围内。
认知功能评估采用三种任务范式：Stroop任务评估抑制控制能力（5个block，每block 12个trial）；2-back任务评估工作记忆（2个block，每block 18个trial）；More-odd shifting任务评估认知灵活性（6个block，每block 12个trial）。
脑功能成像采用便携式fNIRS设备，使用730nm和850nm双波长，采样率11Hz。设备配置7个光源探头和7个检测探头，按照国际10-20系统标准放置于前额叶区域，形成19个测量通道（如图2所示）。
图2 基于国际10/20系统的前额叶19通道光极放置示意图
根据这些探头在前额叶皮层上的位置，可将其划分为6个感兴趣区域。这些探头分别位于右侧下额回上方、左侧下额回上方、右侧背外侧前额叶皮层上方、左侧背外侧前额叶皮层上方、右侧额极区上方以及左侧额极区上方（见表1）。
研究结果
观察性研究结果
拥有不同运动习惯的年轻人，在完成认知任务时，大脑前额叶的血氧活跃度存在明显区别（见图 3）。在考验认知抑制的 Stroop 任务里，长期参与开放型运动的男性，其左侧背外侧前额叶、左侧额极区的血氧变化值（△HbO₂），明显高于封闭型运动组男性；而女性受试者中，两类运动人群的脑区血氧水平并无显著差别。在测评工作记忆的 2-back 任务，以及考验认知灵活性的奇偶转换任务中，规律运动人群的脑区血氧活跃度都低于不常运动的群体，且这一差异在男性身上表现得尤为突出。
实验性研究结果
1.Stroop任务
如图4所示，急性运动干预后，运动类型与测试时间在Channel 18（对应背外侧前额叶皮层区域）出现了显著的交互效应（F=4.485, P<0.05, η²=0.074）。羽毛球组在该通道表现出比健身操组更为显著的△HbO2变化，表明开放性技能运动对抑制控制相关脑区的激活效应更强。
2.2-back任务
如图5所示，羽毛球组在急性运动后多个通道的△HbO2水平显著降低，尤其Channel 17出现了显著的运动类型×时间交互效应（F=8.842, P<0.01, η²=0.136），该通道对应额极区、背外侧前额叶皮层和下额前回交界区域。羽毛球组在该通道干预后△HbO2从5.03±8.83降至-1.98±5.82（×10⁻² mmol/L），而健身操组则从-2.93±7.77升至1.15±6.00（×10⁻² mmol/L）。这一相反的变化趋势表明，封闭性技能运动在工作记忆任务中促使前额叶调动更多认知资源。
3.More-odd shifting任务
如图6所示，羽毛球组急性运动后Channel 9的△HbO2水平显著降低（P<0.05），而健身操组各通道均未见显著变化。两组之间在所有通道上也未观察到显著的组间差异，说明在认知灵活性维度上，单次急性运动干预尚未产生两种运动类型之间的显著分化。
结论与展望
本研究通过观察性和实验性相结合的设计，系统比较了开放性与封闭性技能运动对青年人认知功能的影响，并利用fNIRS技术从前额叶血氧变化的角度提供了神经机制层面的证据。
结果表明，两类运动对认知功能的促进各有侧重。开放性技能运动（如羽毛球）在抑制控制方面表现出更强的优势，这可能与此类运动需要运动者不断监测外部环境变化、快速做出决策和抑制不当反应有关。Stroop任务中Channel 18的显著交互效应直接反映了开放性运动对背外侧前额叶皮层更强的激活效应。封闭性技能运动（如健身操）则在工作记忆方面表现更优，2-back任务中Channel 17的显著交互效应表明健身操组在运动后执行工作记忆任务时前额叶投入了更多认知资源。封闭性运动需要记忆大量动作序列，本身就是对工作记忆的反复训练，且有研究表明短期封闭性运动能增加年轻人的海马体积，而海马体积的增大与工作记忆能力的提升密切相关。
不足与展望
本研究存在一定的局限性：
1.运动模式的分类仅限于开放性和封闭性两种，而实际中运动类型的划分标准更为多样；
2.研究仅涉及青年人群，缺乏对更广泛年龄段的综合评估。
未来研究应纳入更丰富的运动类型和训练方案，并在不同年龄群体中探讨运动对认知功能的影响，以构建更完整的运动-认知关联图景。
原文信息链接
Li Q, Zhao Y, Wang Y, et al. Comparative effectiveness of open and closed skill exercises on cognitive function in young adults: a fNIRS study[J]. Scientific Reports, 2024, 14: 21007.
https://doi.org/10.1038/s41598-024-70614-0
作者及团队介绍
本研究由广西师范大学体育与健康学院和桂林医学院体育教学部合作完成。共同第一作者Qiurong Li来自广西师范大学体育与健康学院，Yuanpeng Zhao来自桂林医学院体育教学部。通讯作者Yanbai Han为广西师范大学体育与健康学院副教授。研究获得国家社会科学基金资助（项目编号：21XTY018），并通过广西师范大学伦理委员会批准。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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引言
常听人说多运动能健脑，可你有没有想过：同样是锻炼身体，打羽毛球和跳健身操，对大脑的锻炼效果其实大不一样？运动可以增强神经可塑性、分泌神经营养因子、提升脑部供氧，对大脑健康的益处早已被科学证实。不过运动也分类型：羽毛球、排球、足球这类需要随时根据赛场变化调整动作的，叫做开放性技能运动；健身操、游泳、田径等动作套路固定、外界干扰少的，则属于封闭性技能运动。
这两类运动，对认知能力、大脑执行功能的提升效果究竟孰优孰劣？目前学界还没有统一答案。有人认为开放型运动健脑效果更强，也有研究证明封闭型运动能更好地延缓认知衰退。值得警惕的是，痴呆相关的脑部病变，早在症状出现的二三十年之前就已悄然发生。如今认知障碍也不再是老年人的 “专属难题”，越来越多中青年也面临相关风险。
论文概要
广西师范大学体育与健康学院联合桂林医学院体育教学部的研究团队，在《Scientific Reports》发表了题为"Comparative effectiveness of open and closed skill exercises on cognitive function in young adults: a fNIRS study"的研究论文。研究采用观察性研究与实验性研究相结合的设计，利用功能性近红外光谱技术（fNIRS）和认知心理学任务，系统比较了开放性（羽毛球）与封闭性（健身操）技能运动对青年人认知功能和前额叶皮层血氧水平的不同影响。结果揭示，两类运动对认知功能的促进各有侧重：开放性运动在抑制控制方面更具优势，封闭性运动在工作记忆方面表现更优，为个性化运动处方的制定提供了神经科学层面的证据。
文章信息
研究方法
本研究采用观察性研究与实验性研究相结合的设计策略，从横截面和干预两个维度考察运动类型对认知功能的影响。整体研究流程如图1所示。
图1 观察性研究与实验性研究流程图
观察性研究招募了97名青年人，根据其长期从事的运动专项分为三组：开放性技能运动组32人（16男16女），从事羽毛球、排球、足球等项目，平均年龄21.60±1.21岁，运动年限8.63±2.96年；封闭性技能运动组35人（16男19女），从事健身操、游泳、田径等项目，平均年龄20.84±0.74岁，运动年限7.00±2.94年；无运动组30人（15男15女），为过去6个月未参加规律运动的青年人，平均年龄24.59±2.17岁。所有参与者均完成了国际体力活动问卷(IPAQ)。
实验性研究进一步验证因果关系。选取30名过去6个月无规律运动的青年女性，随机分为羽毛球组和健身操组各15人。急性运动干预方案包括10分钟准备活动、30分钟中等强度运动和10分钟放松活动，共计50分钟。运动过程中通过运动手环持续监测心率，确保维持在60-70%最大心率(HRmax)范围内。
认知功能评估采用三种任务范式：Stroop任务评估抑制控制能力（5个block，每block 12个trial）；2-back任务评估工作记忆（2个block，每block 18个trial）；More-odd shifting任务评估认知灵活性（6个block，每block 12个trial）。
脑功能成像采用便携式fNIRS设备，使用730nm和850nm双波长，采样率11Hz。设备配置7个光源探头和7个检测探头，按照国际10-20系统标准放置于前额叶区域，形成19个测量通道（如图2所示）。
图2 基于国际10/20系统的前额叶19通道光极放置示意图
根据这些探头在前额叶皮层上的位置，可将其划分为6个感兴趣区域。这些探头分别位于右侧下额回上方、左侧下额回上方、右侧背外侧前额叶皮层上方、左侧背外侧前额叶皮层上方、右侧额极区上方以及左侧额极区上方（见表1）。
表1 各通道对应的感兴趣区(ROI)
研究结果
观察性研究结果
拥有不同运动习惯的年轻人，在完成认知任务时，大脑前额叶的血氧活跃度存在明显区别（见图 3）。在考验认知抑制的 Stroop 任务里，长期参与开放型运动的男性，其左侧背外侧前额叶、左侧额极区的血氧变化值（△HbO₂），明显高于封闭型运动组男性；而女性受试者中，两类运动人群的脑区血氧水平并无显著差别。在测评工作记忆的 2-back 任务，以及考验认知灵活性的奇偶转换任务中，规律运动人群的脑区血氧活跃度都低于不常运动的群体，且这一差异在男性身上表现得尤为突出。
图3 认知任务期间前额叶皮层各感兴趣区域的△HbO2浓度变化
(A) 男性Stroop任务(B) 女性Stroop任务(C) 男性2-back任务(D) 女性2-back任务(E) 男性More-odd shifting任务(F) 女性More-odd shifting任务
实验性研究结果
1.Stroop任务
如图4所示，急性运动干预后，运动类型与测试时间在Channel 18（对应背外侧前额叶皮层区域）出现了显著的交互效应（F=4.485, P<0.05, η²=0.074）。羽毛球组在该通道表现出比健身操组更为显著的△HbO2变化，表明开放性技能运动对抑制控制相关脑区的激活效应更强。
图4 急性运动干预前后Stroop任务中实验组的△HbO2变化
(A1) 羽毛球组干预前(A2) 羽毛球组干预后(B1) 健身操组干预前(B2) 健身操组干预后
2.2-back任务
如图5所示，羽毛球组在急性运动后多个通道的△HbO2水平显著降低，尤其Channel 17出现了显著的运动类型×时间交互效应（F=8.842, P<0.01, η²=0.136），该通道对应额极区、背外侧前额叶皮层和下额前回交界区域。羽毛球组在该通道干预后△HbO2从5.03±8.83降至-1.98±5.82（×10⁻² mmol/L），而健身操组则从-2.93±7.77升至1.15±6.00（×10⁻² mmol/L）。这一相反的变化趋势表明，封闭性技能运动在工作记忆任务中促使前额叶调动更多认知资源。
图5 急性运动干预前后2-back任务中实验组的△HbO2变化
(A1) 羽毛球组干预前(A2) 羽毛球组干预后(B1) 健身操组干预前(B2) 健身操组干预后
3.More-odd shifting任务
如图6所示，羽毛球组急性运动后Channel 9的△HbO2水平显著降低（P<0.05），而健身操组各通道均未见显著变化。两组之间在所有通道上也未观察到显著的组间差异，说明在认知灵活性维度上，单次急性运动干预尚未产生两种运动类型之间的显著分化。
图6 急性运动干预前后More-odd shifting任务中实验组的△HbO2变化
(A1) 羽毛球组干预前(A2) 羽毛球组干预后(B1) 健身操组干预前(B2) 健身操组干预后
结论与展望
本研究通过观察性和实验性相结合的设计，系统比较了开放性与封闭性技能运动对青年人认知功能的影响，并利用fNIRS技术从前额叶血氧变化的角度提供了神经机制层面的证据。
结果表明，两类运动对认知功能的促进各有侧重。开放性技能运动（如羽毛球）在抑制控制方面表现出更强的优势，这可能与此类运动需要运动者不断监测外部环境变化、快速做出决策和抑制不当反应有关。Stroop任务中Channel 18的显著交互效应直接反映了开放性运动对背外侧前额叶皮层更强的激活效应。封闭性技能运动（如健身操）则在工作记忆方面表现更优，2-back任务中Channel 17的显著交互效应表明健身操组在运动后执行工作记忆任务时前额叶投入了更多认知资源。封闭性运动需要记忆大量动作序列，本身就是对工作记忆的反复训练，且有研究表明短期封闭性运动能增加年轻人的海马体积，而海马体积的增大与工作记忆能力的提升密切相关。
不足与展望
本研究存在一定的局限性：
1.运动模式的分类仅限于开放性和封闭性两种，而实际中运动类型的划分标准更为多样；
2.研究仅涉及青年人群，缺乏对更广泛年龄段的综合评估。
未来研究应纳入更丰富的运动类型和训练方案，并在不同年龄群体中探讨运动对认知功能的影响，以构建更完整的运动-认知关联图景。
原文信息链接
Li Q, Zhao Y, Wang Y, et al. Comparative effectiveness of open and closed skill exercises on cognitive function in young adults: a fNIRS study[J]. Scientific Reports, 2024, 14: 21007.
https://doi.org/10.1038/s41598-024-70614-0
作者及团队介绍
本研究由广西师范大学体育与健康学院和桂林医学院体育教学部合作完成。共同第一作者Qiurong Li来自广西师范大学体育与健康学院，Yuanpeng Zhao来自桂林医学院体育教学部。通讯作者Yanbai Han为广西师范大学体育与健康学院副教授。研究获得国家社会科学基金资助（项目编号：21XTY018），并通过广西师范大学伦理委员会批准。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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