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適應體育運動干預對孤獨癥譜系障礙兒童視覺工作記憶的影響

2017-06-05 15:18郭立亞SeanCai
中國體育科技 2017年3期
關(guān)鍵詞:工作記憶體育運動技能

朱 瑜, 許 翀, 萬 芹, 郭立亞, Sean X.Cai

適應體育運動干預對孤獨癥譜系障礙兒童視覺工作記憶的影響

朱 瑜1,2, 許 翀3, 萬 芹4, 郭立亞2, Sean X.Cai5

孤獨癥譜系障礙(ASD)兒童的一個關(guān)鍵缺陷在于工作記憶。因此,本研究的目的在于討論ASD兒童經(jīng)過適應體育(APE)運動干預后,工作記憶能力是否能得到改善。采用視覺工作記憶的電腦程序進行測試,采用實驗前后的被試間設計,測試適應體育運動干預對ASD兒童視覺工作記憶能力的影響。研究結(jié)果顯示:1)APE干預可以顯著改善ASD個體視覺工作記憶任務表現(xiàn)和視覺工作記憶能力。研究結(jié)果證實APE運動干預的有效性。適應體育運功干預可作為對于低工作記憶能力的、存在發(fā)展障礙的ASD個體的補救干預措施。2)復雜球類技能運動干預可以改善ASD個體視覺工作記憶能力。3)未來的研究應根據(jù)不同群體的認知特征,針對適應體育的學科特征,發(fā)展更多有效的運動干預內(nèi)容和干預方法,手段。

孤獨癥譜系障礙; 視覺工作記憶;適應體育

1 問題的提出

Kanner等人于1943年第一次提出了孤獨癥譜系障礙(Autism Spectrum Disorder,ASD)是一種個體廣泛性發(fā)育障礙[38]。包括以下癥狀:1) 異常情緒,異常社會性發(fā)展、異常發(fā)展,同時存在交流障礙[17];2)刻板興趣和重復行為[5]。此外,相關(guān)研究證實,ASD的癥狀還涉及認知和執(zhí)行能力方面的障礙[62]。作為一個認知功能/執(zhí)行能力,工作記憶(Working Memory,WM)涉及多種認知能力,包括邏輯推理、問題解決等[24,34,41]。此外,WM能力還被認為是一項關(guān)鍵的認知功能,對社會性發(fā)展,行為和學業(yè)表現(xiàn)有重要意義[40]。研究發(fā)現(xiàn),ASD個體在WM方面的缺陷,會使其在行為規(guī)范、認知靈活性、抽象思維、注意集中和保持方面存在障礙[33]。

工作記憶是一種對信息進行暫時加工和貯存的容量有限的記憶系統(tǒng),在許多復雜的認知活動中,例如語言理解、學習、推理方面有重要作用。Baddeley[6,7]提出了工作記憶模型包括3個子系統(tǒng):1)語音回路。主要用于儲存和復述語音和身影信息。2)視覺空間模板。主要用于加工視覺和空間信息[31]。3)中央執(zhí)行器,主要是一個注意控制系統(tǒng),它對于技能有重要意義,例如,當外部或內(nèi)部干擾呈現(xiàn)時,保持任務相關(guān)注意、處理能力和自我調(diào)節(jié)技能。中央執(zhí)行器也參與處理認知任務,例如心算和問題解決。普遍認為,WM作為一個核心因素,在個體行為認知中具有不可替代的重要作用。多數(shù)研究報告了ASD群體在工作記憶方面的障礙。盡管對于“ASD兒童和典型發(fā)展兒童是否在工作記憶任務表現(xiàn)方面存在差異”這一問題仍然存在不一致的結(jié)果[40,73,19], 但是,WM的可訓練性和可塑性得到已有研究的證實,已有前期研究都證實適應性體育訓練可以顯著提高WM能力[27,57]。同時,另一些研究涉及了其他類型特殊群體的工作記憶與智能及推理關(guān)系的研究也證實了WM障礙可以通過訓練得到改善。例如,Klingberg[43]等證實:注意缺陷多動障礙(attention def i cit hyperactivity disorder,ADHD)兒童的WM能力可以通過訓練得到顯著改善,而且這一改善效應可以推廣到要求WM能力的未經(jīng)過訓練的任務上。研究還揭示,WM訓練可以潛在地臨床上用于改善ADHD癥狀。Loomes[49]等也證實了胎兒酒精譜系障礙(fetal alcohol spectrum disorder,F(xiàn)ASD)群體在WM上的缺陷,以及可以通過訓練改善FASD群體的工作記憶能力。后來的研究還提出,針對低WM能力個體,適應性WM 訓練可以作為一種矯正干預措施[42]。

在WM訓練的神經(jīng)關(guān)聯(lián)性方面,前期研究顯示,改善的WM表現(xiàn)與神經(jīng)元的變化有關(guān),這種變化涉及從細胞內(nèi)水平到皮質(zhì)功能組織[13],有研究證實WM的可塑性涉及前額葉皮質(zhì)[60]。此外,Klingberg的研究還報告,經(jīng)過5周的適應性WM訓練后,被試的WM表現(xiàn)得到改善,并且這種訓練效應普遍延伸至與WM、推理以及前額葉皮質(zhì)活動相關(guān)的非訓練任務上[65]。神經(jīng)影像學方面的研究得出,成年個體在頂內(nèi)區(qū)和前額葉皮質(zhì)中的活動差異與WM能力差異有關(guān)[47,54,67,70,72]。WM能力更強的個體的一個潛在機制在于,額頂區(qū)的聯(lián)結(jié)能力更強[22,23]。

孤獨癥群體的標準治療方法包括:1) 行為訓練和管理[53];2)專門治療,例如言語、職業(yè)治療[61];3)藥物治療[44];4)社區(qū)支持和父母訓練[66]。然而近來,適應體育(adapted physical education,APE)作為一種干預手段,其潛在的有益影響引起了關(guān)注。有研究證實;對ASD兒童的適應體育運動干預不僅可以改善體質(zhì)和社會性發(fā)展[14,45],還可以改善與WM相關(guān)的認知功能。前期研究也證實了復雜體育運動可以潛在地提高WM。一些運動項目,例如,劇烈有氧運動對于WM有積極影響[11,25,69]。此外,由于認知訓練和體育運動之間可能潛在的聯(lián)系,已有研究證實了體育運動對于認知的積極影響[15,31]。

作為一種需要協(xié)調(diào)配合的運動,球類運動對于個體認知發(fā)展的影響顯著高于那些無須配合的簡單運動。Budde通過研究提出[12],需要配合的運動對于個體的注意集中表現(xiàn)有更顯著的影響。復雜的配合協(xié)調(diào)運動項目更多地要求額葉皮質(zhì)獨立的認知處理,這就增強了前額葉神經(jīng)功能。而無須配合的簡單運動項目,則不需要前額葉神經(jīng)環(huán)路。鑒于復雜而動態(tài)的運動環(huán)境,球類運動被認為是一種復雜動作技能[32],在動態(tài)變換的運動場景中,例如,團隊比賽中,成功的運動表現(xiàn)(例如在賽場上的注意轉(zhuǎn)換、行動計劃、推理和問題解決等認知過程)需要WM能力來處理大量賽場信息[21],同時還要在高度時間壓力和空間壓力的賽場環(huán)境建立連接,最終做出行動決策,因此,復雜球類運動被視為一種有效的運動干預模式,本研究選擇復雜球類運動作為適應體育運動干預實驗?;谝陨系囊延欣碚摵颓捌谘芯浚狙芯磕康脑谟谔接戇m應體育的運動干預是否可以改善ASD兒童的視覺工作記憶能力。研究預期,適應體育運動干預后,ASD個體的認知能力能有顯著改善。

2 研究方法

2.1 被試和ASD評估

在美國俄亥俄州阿克倫大學(The University of Akron,OH)的適應體育實驗室(Adapted Physical Education Lab)招募36名孤獨癥譜系障礙兒童。招募標準如下:1)6~12歲被診斷為孤獨癥譜系障礙兒童;2)在研究進行期間沒有進行藥物或其他干預手段。在實驗前獲得被試家長簽署的知情同意書。3)實驗由阿克倫大學的適應體育教育實驗室進行。所有實驗程序經(jīng)阿克倫大學倫理委員會批準,實驗程序符合美國心理協(xié)會倫理準則。4)被試被隨機分為兩組:實驗組與控制組。其中,3名ASD兒童因不能理解視覺工作記憶任務而刪除實驗數(shù)據(jù),2名ASD兒童在實驗過程中放棄實驗。最后采集了31名被試的數(shù)據(jù)。實驗組包括7名女童和10名男童(=11.2,SD=2.1)??刂平M包括5名女童和9名男童(=11.8,SD=3.0)。兩組被試在年齡上沒有顯著差異,對于視覺工作記憶任務的實驗前測得分無顯著差異(t=1.104,P=0.279>0.05),對于視覺工作記憶任務的實驗前測反應時方面差異顯著(t=2.746,P=0.010<0.05,表2、圖2)。

2.2 被試年齡、性別和IQ匹配

2組被試在年齡、性別、非言語智商測試方面匹配(表1)。鑒于視覺工作記憶任務的性質(zhì)和已知ASD兒童在交流上可能存在的障礙,因此測試被試的非言語IQ。采用t檢驗測試2組被試的基線特征。結(jié)果顯示,前測中兩組被試在年齡和非言語IQ方面沒有顯著差異,隨機分組無顯著差異。

2.3 適應體育教育干預

以往的研究已顯示,復雜和協(xié)作性的動作技能干預,例如,球類技能和水上運動,可以顯著改善ASD兒童的執(zhí)行功能,而執(zhí)行功能涉及工作記憶[72]。本研究中,對實驗組被試進行了20周的球類適應體育運動干預,每周3次,每次120 min,控制組沒有進行適應體育干預。

本研究中的球類技能干預擬采用結(jié)構(gòu)化方式進行。前6周只進行簡單和靜態(tài)的球類練習,例如,和教師進行傳接球練習,以及變換方向的練習。簡單球類干預的目的在于發(fā)展基本球類技能,促進技能達到自動化階段,從而改善被試預判能力和發(fā)展被試的認知技能。在接下來的14周,將采用復雜球類技能干預:要求被試進行球類運動時,在注意隊友位置的同時,完成傳球/擊球、跳躍等技能。與簡單球類運動干預相比,復雜球類運動干預要求被試有更多的認知參與,以及更高的視覺工作記憶負荷[72]。在適應體育教育干預組別,教師分別對被試進行教育干預,因此在所有干預環(huán)節(jié),師生比率為1:1。

表1 實驗組與對照組ASD被試基線特征一覽表Table 1 The baseline characteristics of the experimental group and control group

2.4 實驗材料和程序

鑒于ASD兒童的年齡特征和認知能力,本研究采用被

試熟悉的卡通動物圖片作為實驗材料(圖1)。

圖1 實驗材料Figure 1 Experimental Materials

實驗程序由E-prime 2.0軟件編寫和控制,并在一臺屏幕大小為 17 英寸的液晶電腦上呈現(xiàn),屏幕分辨率為1 024×768,刷新屏幕為90 Hz。被試舒服地坐在安靜的行為實驗室里的椅子上,兩眼平視電腦顯示器,眼睛距離顯示器大約1 m,并且被試到電腦顯示屏的水平和垂直視角都不超過5°。制作若干幅白色背景下的圖形,其高度和寬度均為15 cm。以圖1的圖片作為實驗刺激,實驗刺激的8個可能呈現(xiàn)的位置均勻分布在以屏幕中心為圓心,以4.8 cm為半徑的圓周上。被試眼睛與屏幕中心等高。研究采用單因素實驗前后測被試間設計。工作記憶任務得分和反應時間為因變量。鑒于ASD被試的認知特征,本研究只采用低工作記憶負荷。

2.5 視覺工作記憶任務

在測試視覺工作記憶方面,本研究采用工作記憶測試常用的變化覺察任務范式[26,37],在De近來的研究中[18],采用變化覺察任務,測試高低兩種工作記憶負荷下的注意特征。本研究的實驗流程以上述已有研究為依據(jù),測試低工作記憶負荷(2項)下,被試在變化覺察任務范式中的得分和反應時(圖2)。低負荷工作記憶中,圖片呈現(xiàn)數(shù)量為2,2幅白色背景下的卡通動物圖形作為實驗刺激,其高度和寬度均為15 cm,2幅圖片中的X、Y坐標位置分別為以下4種坐標組合之一:1)(200,240),(440,240);2)(320,120),(320,360);3)(235,155),(405,325);4)(235,325),(405,155)。

在每個trial中,首先出現(xiàn)指導語,被試閱讀完指導語后按鍵。接著屏幕中央出現(xiàn)一個“+”持續(xù)400 ms提醒被試實驗馬上開始,然后立即呈現(xiàn)實驗刺激材料,持續(xù)2 000 ms,實驗刺激材料消失800 ms后出現(xiàn)探測刺激,探測刺激的呈現(xiàn)時間直至被試按鍵判斷為止。此時被試的任務是盡可能快速按鍵判斷探測刺激是否在先前的實驗刺激圖形中呈現(xiàn)過。

被試完成8次練習試次,屏幕會有提示語詢問是否完全熟悉并理解任務規(guī)則,如被試按鍵回答“是”,則進入正式實驗;如被試按鍵回答“否”,則再進行8次練習試次,8次練習試次后再出現(xiàn)提示語詢問是否完全熟悉并理解任務規(guī)則,直至被試完全熟悉并理解任務,按鍵回答“是”后,則進入正式實驗。計算機會自動記錄被試的按鍵回答正誤情況,以及被試每次按鍵反應時。采用SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)分析。

圖2 低工作記憶負荷條件下實驗流程圖。Figure 2 Experimental Design in Low Working Memory Load condition

表2 實驗組與控制組前測VWM任務得分與按鍵反應時情況Table 2 VWM task score and Reaction time in Experimental group and Control group

2.6 實驗前后測試

所有被試在實驗前/后進行視覺工作記憶任務測試,每次測試大約10 min。適應體育運動訓練干預前,所有被試完成視覺工作記憶的變化覺察任務測試,前測成績得分和反應時作為被試的基線得分。該任務范式在先前已有的相關(guān)研究中均采用過[18,67,68]。20周的適應體育干預(球類運動)后,實驗組和對照組的所有被試再次完成視覺工作記憶任務測試。

3 研究結(jié)果與分析

在視覺工作記憶測試任務中,要求被試判斷探測刺激是否與呈現(xiàn)刺激相匹配(圖2、表2)。實驗前測關(guān)注基線表現(xiàn),實驗后測測試適應體育干預潛在的改善效應。

3.1 視覺工作記憶任務得分前、后測協(xié)方差分析

研究采用單因素協(xié)方差分析,采用被試間設計,比較兩組被試(運動干預組 vs. 控制組)實驗前、后在視覺工作記憶(visual working memory,VWM)任務得分上的差異。在協(xié)方差分析中將VWM任務測試的得分作為協(xié)變量。協(xié)方差分析得出:F(1,29)=11.115,P=0.002<0.01.分析結(jié)果顯示:兩組被試在VWM任務中的表現(xiàn)存在顯著差異??梢缘贸觯簩WM前測得分做協(xié)變量進行控制后,適應體育運動對于視覺工作記憶的干預效應顯著(表3、圖3)。

3.2 視覺工作記憶反應時前、后測反應時協(xié)方差分析

為了進一步探討兩組ASD兒童的VWM在適應體育干預前、后的差異,在接下來的分析中,采用單因素協(xié)方差分析,采用被試間設計,比較2組被試(運動干預組 vs. 控制組)實驗前、后在視覺工作記憶(visual working memory,VWM)任務上按鍵反應時的差異。在協(xié)方差分析中將VWM任務測試的按鍵反應時作為協(xié)變量。協(xié)方差分析得出:F(1,29)=6.819,P=0.014<0.05。分析結(jié)果顯示:2組被試在實驗后的按鍵反應時有顯著差異。適應體育干預對于被試視覺工作記憶的反應時有顯著改善(表4、圖4)。

表3 視覺工作記憶任務得分前、后測協(xié)方差分析Table 3 Tests of Between-Subjects Effects (Dependent Variable:score of correct reaction rate in VWM task)

表4 視覺工作記憶任務反應時前后測協(xié)方差分析Table 4 Tests of Between-Subjects Effects (Dependent Variable:correct reaction time in VWM task)

圖3 視覺工作記憶任務得分協(xié)方差分析Figure 3 Mean Score for improvement of VWM Task on Pre-test and Post-test

圖4 視覺工作記憶任務反應時協(xié)方差分析Figure 4 Mean React Time (RT) for Improvement on Pre-test and Post-test

4 討論

孤獨癥是一種神經(jīng)發(fā)育障礙,表現(xiàn)為認知障礙。已有研究通常報告ASD兒童的智力水平比典型發(fā)展兒童的智力水平低。然而,有研究證實,ASD兒童與典型發(fā)展兒童的重要區(qū)別在于認知缺陷,而不在于總體智力。近來,有研究強調(diào)了執(zhí)行功能的重要意義,認為執(zhí)行功能(包括工作記憶障礙)是ASD兒童在社會障礙和重復行為方面存在問題的主要因素[48,50]。而且,有研究報告了ASD個體在提取整體視覺場景輪廓時存在一些視覺障礙[30,64]。

“ASD兒童在視空間工作記憶方面存在障礙”已被研究者證實[46,52,55,58,65],另一方面,部分研究支持了WM干預/訓練對于ASD兒童是有效的[8,39,71]。近來的研究也已經(jīng)證實適應訓練和拓展訓練可以提高工作記憶能力,但是少有研究直接探討是否適應體育訓練能改善ASD兒童工作記憶能力。鑒于此,以上述研究為基礎,本研究采用變化覺察任務測試ASD兒童的視覺工作記憶,實證了ASD兒童經(jīng)過球類技能的適應體育運動干預對于其視覺工作記憶的影響。測試了ASD兒童經(jīng)過20周球類技能干預后,適應體育干預對于其工作記憶能力的影響。與以往類似特殊群體的研究結(jié)果一致[56,59],本研究證實了體育運動可以改善特殊ASD兒童的工作記憶能力。

本研究得出以下結(jié)論:1)與控制組相比,實驗組個體經(jīng)過適應體育教育和運動訓練后,視覺工作記憶能力有顯著提高。2)鑒于本研究的實驗設計只涉及低工作記憶負荷條件(記憶項為2),對于ASD兒童,這種WM能力在運動干預后的改善在低負荷視覺工組記憶條件下表現(xiàn)顯著,但是在高工作記憶負荷(記憶項為4或4以上)的運動干預影響還有待進一步研究。3)復雜球類技能項目的干預效果顯著,但適應體育運動干預對ASD兒童WM能力的改善是否存在運動項目差異還有待進一步研究。

神經(jīng)心理學方面,動作與認知發(fā)展之間的緊密聯(lián)系由小腦的協(xié)調(diào)來進行調(diào)整。小腦的協(xié)調(diào)調(diào)整對于復雜協(xié)調(diào)動作有重要意義。前額葉皮質(zhì)則對于認知執(zhí)行功能(executive function,EF)至關(guān)重要。執(zhí)行功能包括幾個高級認知過程,例如工作記憶。復雜動作技能、執(zhí)行功能和工作記憶三者聯(lián)系緊密,可以預期復雜動作技能干預可以改善個體工作記憶。與預期相一致[42],本研究揭示,即使工作記憶被認為是恒定的,但是適應體育運動訓練可以改善工作記憶能力。適應體育運動干預可作為對于低工作記憶能力的、存在發(fā)展障礙的ASD個體的補救干預措施。鄰近領域的研究已揭示了動作發(fā)展和認知發(fā)展的密切相關(guān)性[20],劇烈體育運動會改善工作記憶的執(zhí)行控制能力。球類運動技能被認為是復雜運動技能,因為球類技能是在動態(tài)復雜的運動場景中習得。因此可以認為,球類動作技能適應干預可以有效改善ASD個體的工作記憶能力。

本研究還存在以下局限性,需要在后續(xù)進行深入研究:1)研究只涉及了低工作記憶負荷,研究結(jié)果得到的改善效應也只是在低工作記憶條件下的改善(記憶項為2),而高工作記憶負荷,即視覺工作記憶負荷能力的最大記憶項目,一般認為是4[4,16,51]或6個記憶項[35,36]。本研究沒有探討高負荷VWM條件下球類運動干預的效果。2)此外,關(guān)于適應體育教育/運動干預,仍有一系列問題有待研究,例如,動作干預對于工作記憶能力干預效應的穩(wěn)定性、干預的普遍性和干預的長期性問題。本研究邁出了第一步:證實適應體育運動對于ASD兒童工作記憶能力的積極干預效應。未來的研究仍需針對不同群體的認知特征,探究促進個體認知發(fā)展的專門體育教育運動干預方法(例如針對典型發(fā)展兒童群體和特殊兒童群體)。最后,還應發(fā)展更多有效的具體運動干預內(nèi)容和干預的方法手段。

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Effects of Adapted Physical Exercise Intervention on Visual Working Memory in Children with Autism Spectrum Disorder

ZHU Yu1,2,XU Chong3,WAN Qin4,GUO Li-ya2,Sean X.Cai5

A key area of weakness in children with autism spectrum disorders (ASD) is working memory (WM),therefore,the purpose of this research was to discuss whether the visual working memory (VWM) of children with autism spectrum disorder (ASD) can be improved after adapted physical education intervention. In the present study,we used a computer working memory test and evaluated the influence of adapted physical exercise intervention with Pre- and Posttest betweensubjects design. The result showed that 1) the Adapted PE. Intervention significantly improved performance on a VWM task. The results demonstrated that performance of children with ASD on VWM tasks can be effectively improved by adapted physical exercise intervention. The result in the research suggest that APE could be as a remediating in intervention for individuals for whom low WM capacity and developmental challenge are limiting factor for ASD individuals. 2) It has emphasized that complex ball skill intervention could improve VWM capacity of individuals with ASD. 3) In the future research,based on cognitive characteristics among different population,more effective APE intervention contents and methods need to be developed.

autism spectrum disorder;visual working memory;adapted physical education

G804.8

A

1002-9826(2017)03-0055-08

10. 16470/j. csst. 201703009

2016-01-27;

2017-04-09

重慶市體育局體育科研項目專項資金資助(B201618);重慶市民族宗教事務委員會少數(shù)民族傳統(tǒng)體育研究項目(2015-160)。

朱瑜,女,副教授,在讀博士研究生,主要研究方向為體育教育與認知發(fā)展,E-mail:zhuyu@swu.edu.cn。

1.西南大學 教育學部,重慶 400715;2.西南大學 體育學院 國家體育總局體質(zhì)評價與運動機能監(jiān)控重點實驗室,重慶 400715;3.重慶電子工程職業(yè)學院 馬克思主義與通識教育學院,重慶 401331; 4.上海應用技術(shù)大學 體育教育部,上海 201418;5.阿克倫大學 體育科學與健康學院,美國,俄亥俄州 44325

1.Southwest University,Chongqing 400715,China;2.Key Lab of Physical fitness evaluation and Motor Functional Monitoring, Southwest University,Chongqing 400715,China;3.Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China;4.Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China;5.University of Akron, OH,44325 USA.

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