急性阻力運動對老年與年輕男性執行功能與腦血流之影響

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(1)國立臺灣師範大學運動休閒學院體育學系碩士學位論文. 急性阻力運動對老年與年輕男性執行功能與腦血流之影響. 研究生：謝漱石指導教授：方進隆. 中華民國 103 年 8 月中華民國台北市.

(2) i.

(3) ii.

(4) 急性阻力運動對老年與年輕男性執行功能與腦血流之影響 2014 年 8 月研究生：謝漱石指導教授：方進隆摘要目的：本研究之主要目的為： (一) 探討中等強度急性阻力運動對老年與年輕男性執行功能的影響，並觀察年齡是否影響急性阻力運動對執行功能的效果； (二) 探討急性阻力運動對老年與年輕男性前額葉血流變化的影響； (三) 了解執行功能表現與前額葉血流變化之相關。方法：招募老年組 (65-69歲) 與年輕組 (21-30歲) 各20名，以Sternberg Working Memory Task (測量工作記憶) 與Go/No-Go Task (測量反應抑制) 來測量執行功能，並以近紅外線光譜儀來測量右半腦前額葉血流的變化。參與者以平衡次序的方式參加四次主要實驗處理 (工作記憶情境-運動處理、工作記憶情境-控制處理、反應抑制情境-運動處理、反應抑制情境-控制處理) 。阻力運動內容包含8個肌肉群運動：坐姿胸推、腿部前伸、滑輪下拉、腿部後曲、坐姿划船、大腿推蹬、坐姿肩推、肱二頭彎曲，每個運動進行2組，每組10次反覆次數，以70% 10RM (約50% 1RM) 為強度。參與者行為表現與前額葉血流的資料以變化率 (% change) 呈現。統計分析方法以三因子及二因子重複量數變異數分析來檢驗阻力運動對不同年齡組在行為表現與前額葉血流變化的影響。假使阻力運動對行為表現與前額葉血流變化皆有影響，進而以皮爾遜績差相關分析來了解行為表現與前額葉血流變化之相關。結果：經統計分析後發現： (一) 中等強度急性阻力運動能顯著提升年輕組在Sternberg作業的反應時間變化率 (p ≤ .05) ，進步幅度沒有作業難度間的差異；相反的，急性阻力運動對老年組的反應時間變化率沒有正面影響； (二) 急性阻力運動能顯著提升年輕組在Go/No-Go作業中Go情境的反應時間變化率 (p ≤ .05) ，對老年組同樣無正面影響； (三) 兩組參與者在Sternberg與Go/No-Go作業中的反應正確率與反應性錯誤率未受到急性阻力運動的影響； (四) 兩組參與者的前額葉血流變化率不受到急性阻力運動的影響。結論：中等強度急性阻力運動可以加快年輕. iii.

(5) 男性對執行功能相關作業或基礎訊息的處理速度，對老年男性則無正面影響；另外，中等強度急性阻力運動不影響老年人與年輕人的前額葉血流變化，表示前額葉血流的變化可能不是急性阻力運動促進執行功能的可能生理機轉。. 關鍵詞：急性運動、局部腦血流、Sternberg作業、Go/No-Go作業. iv.

(6) Effects of Acute Resistance Exercise on Executive Function and Cerebral Blood Flow in Older and Younger Men August, 2014 Author: Hsieh, Shu-Shih Adviser: Fang, Chin-Lung. Abstract PURPOSE: Purposes of the current study were three-fold: (1) To investigate the effect of acute moderate-intensity resistance exercise (RE) on older and younger men’s executive function, and realize the impact of age on the relation of RE and executive function; (2) To explore the effect of RE on older and younger men’s prefrontal blood flow (PBF); and (3) To understand the correlation of improvements in executive function and alterations in PBF. METHOD: 20 older men (aged 65-69 years old) and 20 younger men (aged 21-30 years old) were recruited. The Sternberg Working Memory Task (specified to test working memory) and the Go/No-Go Task (specified to test response inhibition) were applied as paradigms of executive function. The near-infrared spectroscopy was adopted to assess PBF change. Participants underwent four main sessions (working memory-exercise session, working memory-control session, inhibition-exercise session, inhibition-control session) in a counter-balanced fashion. Resistance exercise protocol included 8 exercises: chest press, leg extension, high pull-down, leg curl, sit-rowing, leg press, shoulder press, biceps curl. Participants performed 2 sets of 10 repetitions of 70% 10RM (approximately 50% 1RM) of each exercise. Data of behavioral performance and PBF alteration were presented by % change. The 3-way and 2-way repeated measures ANOVA were applied to test the effect of RE on behavioral performance and PBF change. The Pearson correlation test was further applied once positive effects of RE on both behavioral and PBF data were observed to understand the correlation of executive function and PBF change. RESULTS: (1) Acute RE enhanced the % change of reaction times of Sternberg Task in younger group only (p ≤ .05),. v.

(7) where the magnitude of effect may not affected by task difficulty; (2) Acute RE facilitated the % change of reaction times of the Go stimuli in the Go/No-Go Task in younger group only (p ≤ .05); (3) PBF change was not altered by RE in both age groups. CONCLUSIONS: Acute moderate-intensity RE may facilitate the processing speed in executive function or basic information of younger but older adults. On the other hand, acute RE may not affect PBF change in both age groups, which postulates that PFB change may not be a physiological mechanism that acute RE facilitate executive function.. Key words: acute exercise, regional cerebral blood flow, Sternberg task, Go/No-Go task. vi.

(8) 謝. 誌. 歷經九個月的實驗、分析及論文撰寫終於告一段落，兩年的碩士生涯要感謝的人很多，首先要感謝指導教授方進隆博士，感恩方老師願意給我許多嘗試與挑戰的機會，讓我在甫進入碩班就能完整地參與國科會研究的執行、資料分析及報告撰寫，更有幸能將研究成果撰寫成論文投稿至國際期刊，這些寶貴經歷都是幫助我快速成長的基礎。同時，要感謝老師的寬宏大量，讓我在幾經波折後終於找到研究興趣並奮力一搏。另外，感謝三位口試委員：洪聰敏博士、李再立博士及張育愷博士。洪老師從碩一開始便不斷給予我正面鼓勵，讓我相信自己有能力達成目標，老師在研究方法及文章撰寫的建議更讓我獲益良多；再立老師是引領我進入運動科學殿堂及嘗試英文論文寫作的貴人，老師在文章結構、用句與邏輯推理的嚴謹態度幫助我養成良好的習慣；育愷老師在研究設計的獨到見解讓本研究的設計更趨完善，老師的鼓勵更是我不斷向前的動力。除此之外，感謝鶴森老師在課堂上的指導並讓我有擔任外賓接待的難得機會，以及景峰老師讓我有擔任教學助理的機會。實驗室的厚諭學長及麟翔學長更是功不可沒，學長們兩年來的照顧與陪伴，不論是平常的閒聊或下午的籃球聚會皆讓忙碌的碩士生涯不至於索然無味，而是充滿歡笑與回憶。最後，我最想感謝的是我的家人和摯友：爸爸、媽媽、妹妹及宏欣。常因為太過專注於自已的事物而忽略身旁的人，但他們總是願意給予我支持與陪伴，他們是我的精神支柱及避風港，沒有他們，我絕對無法完成那麼多事情，對他們的感謝實在很難用簡單的言語來表達，只能用不斷的努力來回報！未來的研究道路雖漫長，但我充滿希望，也慶幸自己身旁總是有許多貴人相助，讓我能朝著目標邁進！謹致於民國 103 年 8 月. vii.

(9) 目. 次. 口試委員與系主任簽字之論文通過簽名表..............................................................................i 論文授權書................................................................................................................................ii 中文摘要……………………………………………………………………………………...iii 英文摘要……………………………………………………………………………………….v 謝誌…………………………………………………………………………………………..vii 目次………………………………………………………………………………………….viii 表次…………………………………………………………………………………………….x 圖次……………………………………………………………………………………………xi. 第壹章. 緒論…………………………………………………………………...1. 第一節前言……………………………………………………………………...............1 第二節研究目的…………………………………………………………………...……4 第三節研究假設……………………………………………………………...…………4 第四節名詞操作性定義………………………………………………………...………5 第五節研究限制…………………………………………………………………...……6 第六節研究之重要性…………………………………………………………………...6. 第貳章. 文獻探討…………………………………………………………..….7. 第一節急性有氧運動對認知功能的影響……………………………………….……..7 第二節急性阻力運動對認知功能的影響……………………………………..…….....9 第三節急性運動促進認知功能表現的可能生理機轉……………………………….11. viii.

(10) 第參章. 實驗方法與步驟…………………………………………….………15. 第一節實驗參與者…………………………………………………………………….15 第二節實驗設計與流程……………………………………………………………….15 第三節測量工具及方法……………………………………………………………….18 第四節統計分析方法………………………………………………………………….25. 第肆章. 結果………………………………………………………………….26. 第一節描述性統計資料……………………………………………………………….26 第二節運動強度操弄檢核…………………………………………………………….27 第三節行為資料結果………………………………………………………………….29 第四節 NIRS 資料結果………………………………………………………………...32. 第伍章. 討論………………………………………………………………….34. 參考文獻……………………………………………………………………….39 附件一參與者知情同意書………………………………………………………………….46 附件二 IPAQ 身體活動量問卷……………………………………………….......................48 附件三 PARQ 身體活動預備問卷……………………………………………….................52 附件四簡易智能狀態測驗………………………………………………………………….53 附件五參與者招募傳單…………………………………………………………………….54. ix.

(11) 表次. 表一. 參與者描述性統計資料表………………………………………………...…………26. 表二. 老年組在不同作業情境與處理的運動強度操弄檢核表………………………...…27. 表三. 年輕組在不同作業情境與處理的運動強度操弄檢核表………………………...…28. 表四. 參與者工作記憶反應時間之描述性統計資料……………………………...………30. 表五. 參與者工作記憶反應正確率之描述性統計資料…………………………………...30. 表六. 參與者 Go 情境反應時間之描述性統計資料……………………………………….31. 表七. 參與者 No-go 情境反應性錯誤率之描述性統計資料………..…………………….31. 表八. 參與者在工作記憶情境 NIRS 之描述性統計資料………………..………………...32. 表九. 參與者在反應抑制情境 NIRS 之描述性統計資料……………………………….…33. x.

(12) 圖次. 圖一. 實驗流程示意圖……………………………………………………………………...17. 圖二. 主要實驗示意圖……………………………………………………………………...18. 圖三. NIRS 儀器及其配戴位置………………………………………………………….....20. 圖四. Go/No-go 作業程序圖………………………………………………………………..21. 圖五. Sternberg 作業程序圖…………………………………………………….………......22. 圖六. 參與者工作記憶反應時間變化率表現之比較……………………………………...30. 圖七. 參與者 Go 情境反應時間變化率表現之比較………………………………….……32. xi.

(13) 第壹章. 第一節. 緒論. 前言. 在認知神經科學領域中，執行功能所代表的是一個目標導向且連結不同心智操作項目的系統，其範疇包含了計畫 (planning) 、排序 (scheduling) 、反應抑制 (response inhibition) 與工作記憶 (working memory) 等子項目 (subcomponent) (Colcumbe & Kramer, 2003) 。上述子項目中，「反應抑制」與「工作記憶」是兩個重要功能 (Etnier & Chang, 2009; Miller & Cohen, 2001; Miyake, Friedman, Emerson, Witzki, & Howerter, 2000) ，原因為前者是大腦抑制情緒衝動及不適當行為反應的能力 (Diamond, 2013) ，後者是大腦對訊息做暫時性的儲存與操作的能力，兩者皆與日常生活息息相關 (Baddeley, 1992) 。前額葉是大腦的指揮中心，與高層意識、判斷、意志力與同理心的表現相關 (石恆星、洪聰敏，2006) 。根據神經造影研究，在執行與工作記憶或反應抑制相關的作業時，大腦前額葉皮質及其周邊的神經網絡會活化 (Belger et al., 1998; Chafee & Goldman-Rakic, 1998; Blasi et al., 2006; Bunge, Dudukovic, Thomason, Vaidya, & Gabrieli, 2002) ，突顯了前額葉對此二作業歷程的重要性。根據過去研究，透過中等強度的長期運動介入 (chronic exercise intervention) ，不論是以有氧運動或阻力運動的模式，皆有助於認知功能的提升 (Berchicci, Lucci, & Di Russo, 2013; Colcumbe & Kramer, 2003; Colcombe et al., 2006; Komulainen et al., 2010; Kramer et al., 2003; Liu-Ambrose et al., 2008; Perrig-Chiello et al., 1998) 。近期更有研究聚焦於急性運動介入 (acute exercise intervention) 的效果，而中等強度急性有氧運動的正面效益已被許多研究證實 (Arent & Landers, 2003; Cordova et al., 2009; Del Giorno et al., 2010; Hung, Tsai, Chen, Wang, & Chang, 2013; Joyce, Graydon, McMorris, & Davranche, 2009; Murray & Russoniello, 2012; Pontifex, Hillman, Fernhall, Thompson, & Valentini, 2009) 。同時，過去亦有研究 (Drollette et al., 2014; Sibley & Beilock, 2007) 建議急性有氧運動的效益可能具有「選擇性」，表示單次中等強度有氧運動對運動前執行功能 (以 1.

(14) 反應抑制與工作記憶為代表) 較差的參與者可能會有較大的提升效果，對於本身已有較高執行功能水準的參與者效益可能較小，但此研究發現僅適用於急性有氧運動研究。過去急性運動與認知功能相關研究以有氧運動作為介入模式 (Chang, Labban, Gapin, & Etnier, 2012; Lambourne & Tomporowski, 2010) ，以阻力運動作為介入模式的研究較少，待釐清的議題也較多，故值得做進一步了解，尤其是許多研究已支持阻力運動在健康促進上能帶來多面向的健康效益 (Williams et al., 2007) 。Chang 等的系列性研究 (Chang & Etnier, 2009; Chang, Chu, Chen, & Wang, 2011; Chang, Tsai, Huang, Wang, & Chu, 2014) 是少數聚焦於急性阻力運動與認知功能之關係的研究。該系列性研究發現透過單次中等強度的阻力運動能提升年輕、中年或中老年混合參與者的認知功能表現，尤其對需要較多執行功能涉入的心智歷程有顯著的提升效果。雖然上述系列性研究使我們對急性阻力運動的效益有相當程度的了解，但仍有許多待釐清的議題。其中，急性阻力運動對 65 歲以上「高齡者」族群之執行功能的效益至今仍不明確，過去研究以招募年輕人或中年人為主，老年人僅佔少數，故急性阻力運動對執行功能的提升效果是否適用於老年族群仍有待進一步證實。根據 Chang 等 (2012) ，急性運動促進執行功能的可能生理機轉亦是一個待釐清的議題。過去針對急性有氧運動的研究發現運動後執行功能的提升可能與心跳率的增加有關 (Hung et al., 2013; Kamijo et al., 2004; Murray & Russoniello, 2012) 。過去研究發現心跳率的上升可能與覺醒程度 (arousal level) 的提高有關 (Thayer, Lane, & Bernard, 2009) ，因此建議運動後覺醒水準的升高可能影響著執行功能表現 (Hung et al., 2013; Kamijo et al., 2004; Murray & Russoniello, 2012) 。然而，上述現象卻未見於急性阻力運動相關研究，說明急性阻力運動可能透過其它生理機轉來促進執行功能表現 (Chang & Etnier, 2013) 。近期研究更發現單次中等強度的有氧運動 (自行車) 能促進執行功能表現並提高前額葉血流，尤其是右半腦的前額葉及其周邊部位 (Endo et al., 2013; Hydo et al., 2012) 。前額葉血流的上升可能說明著前額葉神經細胞的活化 (Ehlis, Herrmann, Wagener, & Fallgatter, 2005; Schroeter, Cutini, Wahl, Scheid, & von Cramon, 2007) ，進而影響執行功能的表現。然而，上述發現是否適用於急性阻力運動研究仍不得知，故值得進 2.

(15) 一步的了解，Pontifex 等 (2009) 也推測阻力運動後所誘發大腦局部血流的改變可能影響著後續的認知功能。 NIRS 是一個測量大腦血流動力學的非侵入性儀器，可即時測量大腦特定部位微血管內的含氧血紅素 (oxygenated hemoglobin, Oxy-Hb) 、去氧血紅素 (deoxygenated hemoglobin, Deoxy-Hb) 及總血紅素 (total hemoglobin) 的變化 (Cope & Deply, 1988) ，利用腦神經細胞活化會誘發周邊血流增加的原理來了解特定腦區的神經活化與代謝情形。NIRS 所採集的變項中，Oxy-Hb 可能是對局部血流與代謝變化最敏感的指標 (Hoshi & Tamura, 1993; Hoshi, Kobayashi, & Tamura, 2001) 。目前已有研究以 NIRS 為測量工具，嘗試探討執行工作記憶及反應抑制相關作業時大腦局部血流變化的情形 (Boecker, Buecheler, Schroeter, & Gauggel, 2007; Vermeij, van Beek, Olde Rikkert, Claassen, & Kessels, 2012) ，結果發現參與者於執行工作記憶相關作業時背外側前額葉 (dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC) 的血流增加，其中右側 DLPFC 的增加幅度又大於左側；而執行反應抑制相關作業時兩半腦前額葉的血流皆增加，其中右半腦前額葉於執行較高難度的作業情境 (需要較多反應抑制或干擾控制歷程的涉入) 時血流增加的幅度大於左半腦 (Boecker et al., 2007) 。根據上述發現，本研究以 NIRS 為量測工具，配置於參與者右半腦前額葉位置，即時記錄 Oxy-Hb 的變化。綜合上述，本研究同時招募老年人與年輕人，嘗試探討急性阻力運動對不同執行功能水準之族群是否如同有氧運動存在著選擇性的正面效益，並了解急性阻力運動對65歲以上老年人執行功能的影響。NIRS為測量工具，配戴於參與者之右前額葉，探討急性阻力運動促進執行功能的可能生理機轉，期望能延伸過去的研究成果。本研究假設急性阻力運動對老年人的執行功能會有較大的正面效益，運動後執行功能的進步與右前額葉 Oxy-Hb的變化呈正相關，代表前額葉血流 (或神經活性) 的上升將影響著運動後的執行功能表現。. 3.

(16) 第二節. 研究目的. 一、了解年齡與急性阻力運動對執行功能的影響。二、了解急性阻力運動對老年人與年輕人右前額葉血流的影響。三、探討執行功能表現的變化與右前額葉血流變化之關聯。. 第三節研究假設. 一、相較於年輕男性，老年男性於急性阻力運動後兩個執行功能相關作業的表現會有較大的進步。二、比起控制處理，老年人及年輕人於阻力運動後右前額葉血流會增加。三、不論是年輕人或老年人，急性阻力運動後執行功能表現的進步幅度與右前額葉血流之變化成正相關。. 4.

(17) 第四節名詞操作性定義. 一、中等強度阻力運動本研究之中等強度阻力運動係參考Chang等 (2009) 、 (2011) 與 (2014) ，並做出些微調整，包含八個肌肉群運動，依序為：坐姿胸推、腿部前伸、滑輪下拉、腿部後屈、坐姿划船、腿部推蹬、坐姿肩推及二頭彎曲。每個肌肉群進行2組運動，每組運動10次反覆次數，強度為70% 10RM (約等於50% 1RM) 。根據研究，此阻力運動處方能對執行功能表現有最佳的提升效果。. 二、執行功能相關作業本研究以Sternberg Working Memory Task及Go/No-go Inhibition Paradigm作為工作記憶與反應抑制之作業典範。. 三、前額葉血流測量本實驗以 NIRS 作為量測工具，其配戴位置為右半腦的前額葉。測量變項包括：含氧血紅素 (Oxy-Hb) 、去氧血紅素 (Deoxy-Hb) 、總血紅素及組織氧飽合指數，其中以 Oxy-Hb 為前額葉血流變化之指標 (Hoshi & Tamura, 1993; Hoshi et al., 2001) 。所測量之腦區以右半腦的背外側前額葉 (DLPFC) 、額極皮質 (fronto-polar cortex) 為主。. 5.

(18) 第五節研究限制. 一、 NIRS所測得之數值可能受到參與者本身大腦解剖構造的影響。二、本研究所招募之參與者多為適度運動者，參與者間的身體活動量差異較大。過去橫斷式的研究已發現身體活動量可能影響著老年人的工作記憶，故本研究無法排除身體活動量對本研究老年人之結果產生干擾的可能性。. 第六節研究之重要性. 一、延伸過去研究結果，針對過去的知識缺口進行補充。二、研究結果可作為未來研究的參考。. 6.

(19) 第貳章. 文獻探討. 除了長期運動介入，近期更有研究聚焦於急性運動介入對認知功能的效益 (Arent & Landers, 2003; Cordova et al., 2009; Del Giorno et al., 2010; Hung et al., 2013; Joyce et al., 2009; Murray & Russoniello, 2012; Pontifex et al., 2009) 。研究者認為，探討急性運動的效益和探討長期運動的效益同等重要，原因是多次急性運動的參與可能導致慢性運動結果的改變，且兩者不論是在促進認知表現的機轉或臨床應用皆是不同的 (Kesaniemi et al., 2001; 張育愷、吳聰義，2011; 陳豐慈、張育愷，2012) ，也因此受到許多研究的關注。本章將會針對三個主題進行介紹： (一) 急性有氧運動對認知功能的影響； (二) 急性阻力運動對認知功能的影響； (三) 急性運動促進認知功能的可能生理機轉。. 第一節. 急性有氧運動對認知功能的影響. 過去研究發現，急性有氧運動強度與執行功能表現可能存在著「倒U字型」的劑量反應關係 (dose-response relationship) (Arent & Landers, 2003; Cordova et al., 2009; Del Giorno et al., 2010; Murray & Russoniello, 2012) 。研究發現當有氧運動強度介於60-70% 心跳率保留值或75-90%無氧閾值 (anaerobic threshold) 時，有氧運動對認知功能的提升效果最佳。當運動強度過高或過低時不論是在運動中或運動後所測量的認知功能表現都呈現退步的情形 (Arent & Landers, 2003; Cordova et al., 2009; Del Giorno et al., 2010; Murray & Russoniello, 2012) ，上述研究結果也為後續研究在訂定有氧運動強度時提供參考的依據。首先，Joyce等 (2009) 招募了10名年輕男女 (23.0 ± 2.0歲)，以持續時間30分鐘、強度約40%最大有氧動力 (maximal aerobic power) 的有氧運動 (自行車) 作為介入 (運動中心跳率約130bpm) ，於運動結束後的立即與30分鐘兩個時間點進行Stop-signal Task (主要測量反應執行與反應抑制) ，結果發現中等強度的有氧運動可以提升反應執行與反 7.

(20) 應抑制的表現。接著，Pontifex等 (2009) 招募21名年輕男女 (20.0 ± 0.3歲)，進行持續時間30分鐘，強度介於 60-70%最大攝氧量的有氧運動 (跑步) ，於運動前、運動後立即與運動後30分鐘三個時間點分別進行Sternberg Working Memory Task (包含三個不同難度的作業情境，主要測量變項為反應時間與反應正確率) 。結果發現，中等強度有氧運動能加快參與者的反應時間，其效益可維持至運動後約45分鐘，且對於較高心智負荷 (mental loading) 的作業情境 (需要較多工作記憶涉入的作業歷程) 提升效益更明顯。而 Hung等 (2013) 則招募40名年輕參與者 (22.6 ± 1.9歲) 進行持續時間30分鐘的中等強度 (60-70%心跳率保留值) 有氧運動 (自行車) ，於運動前、運動後立即、運動後30分鐘及運動後60分鐘四個時間點進行倫敦塔測驗 (Tower of London Task, TOL) (主要測量計畫能力、反應抑制與工作記憶等執行功能子項目) ，結果發現中等強度有氧運動對參與者的整體移動次數 (測量計劃能力並涉及反應抑制與工作記憶的參與，次數越低表現越好) 有正面效果，對於整體起初時間 (測量反應抑制能力，時間越長表現越好) 也呈現正面效益，且此效益在運動後立即、運動後30分鐘與運動後60分鐘三個時間點皆維持。因此， Hung等 (2013) 建議為期30分鐘的中等強度有氧運動可能有效地提升與計畫、反應抑制及工作記憶相關的作業表現，尤其是反應抑制的提升可能持續至運動後約80分鐘。除此之外，目前有兩篇研究發現急性有氧運動對執行功能的正面效益可能是具有「選擇性」的 (Drollette et al., 2014; Sibley & Beilock, 2007) 。Sibley 與 Beilock (2007) 探討持續時間30分鐘的單次中等強度 (60-80%心跳率預測值) 有氧運動 (跑步) 對不同工作記憶容量成年人 (21.5 ± 0.7歲) 的影響，以Operation Span及Reading Span作為工作記憶的作業典範，依據參與者的工作記憶容量分成四個實驗組別：高工作記憶容量組、中高工作記憶容量組、中低工作記憶容量組以及低工作記憶容量組，於運動前、後兩個時間點進行工作記憶測驗。研究結果發現急性有氧運動僅對低工作記憶組有正面效益，表示中等強度的有氧運動對不同工作記憶容量的成年人可能有選擇性效益。近期類似的研究 (Drollette et al., 2014) 利用持續時間20分鐘的中等強度 (運動中平均心跳率為 128.3 ± 1.2 bpm) 有氧運動 (走路) 作為介入模式，探討急性有氧運動對不同反應抑制能力 (以Erickson Flanker Task為作業典範) 孩童 (9.7 ± 0.7歲) 的影響。研究結果發現運動 8.

(21) 前具有高反應抑制能力的孩童運動後的作業正確率與P3振幅 (代表對目標訊息的注意力資源投入；Polich, 2007) 沒有改變；相較之下，運動前低抑制控制能力的孩童運動後的作業正確率提高，同時P3振幅增加，代表較佳的注意力資源分配及投入。另外，不論高或低抑制控制能力的孩童皆在運動後觀察到較小的N2振幅 (代表對於錯誤反應的控制與監控；Folstein & VanPetten, 2008) 與較短的P3潛時 (代表對目標訊息的分類與評估速度；Verleger, 1997) ，代表較少的反應衝突與較快的訊息分類。因此，Drollette等 (2014) 建議中等強度的急性有氧運動對於不同反應抑制水準的孩童可能皆有正面效果，但對於運動前反應抑制水準較低的孩童正面效果可能較大，原因是透過運動能獲得較佳的注意力資源分配。總結來說，綜觀過去的急性有氧運動相關研究，可以發現參與者對象以年輕人與中年人為主，而目前的主要研究發現為： (一) 介入強度以中等強度為佳 (60-70%最大攝氧量、60-70%心跳率保留值、75-90%無氧閾值) ； (二) 急性有氧運動對執行功能的效益可持續到運動後約 80 分鐘； (三) 急性有氧運動對執行功能的效益可能具有選擇性，運動前執行功能水準較低者可能獲得較大的正面效益；(四) 過去研究多半以年輕人、中年人及孩童為參與者，針對老年人的研究仍缺乏。. 第二節. 急性阻力運動對認知功能的影響. 根據過去研究，急性阻力運動對執行功能的影響仍沒有一致的結果，可能原因為每個研究所採用的作業典範、阻力運動處方內容與參與者年齡皆不同 (Chang & Etnier, 2009; Chang et al., 2011, Chang et al., 2014; Pontifex et al., 2009) ，加上針對此議題的研究為數較少，故值得更多研究來投入。 Pontifex等 (2009) 發現在單次中高強度 (80%1RM，8-12次反覆次數，七個肌肉群運動，每個肌肉群運動 3組) 的阻力運動後參與者在工作記憶的表現 (以Sternberg Working Memory Task為作業典範) 沒有進步。相較之下，Chang等分別在2009、2011及. 9.

(22) 2014年進行一系列探討急性阻力運動對認知功能的研究並發現阻力運動的正面效益 (Chang & Etnier, 2009; Chang et al., 2011, Chang et al., 2014) 。首先，Chang 與 Etnier (2009) 將68位參與者 (26.0 ± 3.2歲) 隨機分派至控制組、40% 10RM組、70% 10RM組與 100% 10RM組，進行包含六個肌肉群運動、每個肌肉群運動2組、每組10次反覆次數的單次阻力運動訓練，探討參與者在運動前、後兩個時間點 Stroop Color-naming Task (測量反應抑制為主) 及Paced Auditory Serial Addition Task (測量注意力為主) 表現的差異。研究結果發現相較於低 (40% 10RM) 或中等 (70% 10RM) 強度，高強度阻力運動 (100% 10RM) 對基礎的訊息處理 (basic information processing) 有最大的提升效益；而中等強度阻力運動則對需要執行功能涉入的心智歷程有最佳提升效果，此結果也與急性有氧運動的研究結果相類似，表示中等強度的急性阻力運動對執行功能相關作業的表現效果最佳 (Chang et al., 2009) 。Chang等 (2011) 接續 Chang 與 Etnier (2009) 的結果進行探討，招募17名介於40-65歲的中年參與者 (55.4 ± 9.1歲) ，以參與者內設計的方式來進行研究，每位參與者分別參加控制處理、40% 10RM處理、70% 10RM處理以及100% 10RM處理，進行包含九個肌肉群運動、每個肌肉群運動2組、每組10次反覆次數的單次阻力運動，探討參與者在運動前後倫敦塔測驗的表現差異。研究結果與 Chang 與 Etnier (2009) 相似，發現以70% 10RM 為介入強度的阻力運動能誘發參與者倫敦塔測驗最大的進步 (總正確次數提高、整體移動次數減少，代表較佳的工作記憶與計劃能力) ，並將過去的研究成果延伸至中年參與者。近期，Chang等 (2014) 則進一步延伸Chang等 (2011) 的研究成果，同樣以參與者內設計來進行，每位參與者分別參加運動處理與控制處理，嘗試探討中等強度急性阻力運動對30位中老年混合參與者 (58.1 ± 3.1歲) 在 Stroop測驗中五個不同難度的作業情境 (congruent, word, color, neutral, incongruent) 的影響，阻力運動內容為七個肌肉群運動、每個肌肉群運動2組、每組10次反覆次數。研究結果發現，比起控制處理，阻力運動對 Stroop 測驗中五個不同心智負荷難度的作業情境皆有提升效果，尤其在需要較多反應抑制涉入的 incongruent情境，阻力運動後的進步幅度最大。因此，Chang等 (2014) 做出以下結論：對於中老年混合的族群而言，中等強度的急性阻力運動所誘發的認知功能表現進步可能是「整體性」的 (從基礎的訊息處 10.

(23) 理到高階的執行功能皆可能進步) ，且對於需要執行功能涉入的心智歷程正面效果特別顯著。綜觀探討急性阻力運動的相關研究，可以發現研究對象以年輕、中年或中老年混合的參與者為主。過去的研究結果未趨一致，可能是因為作業典範或參與者年齡的差異所致。目前的研究發現為： (一) 最佳處方內容可能為：70% 10RM為強度，6-9個肌肉群運動，每個肌肉群運動進行兩組，每組10次反覆次數； (二) 過去研究以年輕人、中年人及中老年為參與者，針對老年人的研究仍缺乏。. 第三節. 急性運動促進認知功能表現的可能生理機轉. 在探討急性運動促進認知功能的可能生理機轉方面，研究主要聚焦在運動中或運動後認知表現提升的可能調節因子，而本節將著重於運動後認知表現進步的可能調節機轉。目前研究已發現三大可能調節因子：周邊血液生化指標、覺醒水準與大腦局部血流變化。而本節將針對覺醒水準與大腦局部血流的變化進行探討，進而提出過去研究的知識缺口，呼應本文之研究目的。. 一、覺醒水準神經電生理相關研究指出，覺醒水準的提高能誘發前額葉 P3 成分波的振幅增加與潛時減少，代表較好的注意力資源投入及較快的訊息分類與評估 (Kamijo et al., 2009) 。同時，心跳率被認為可用來表示覺醒水準的變化，其變異性 (variability) 可反應前額葉的皮質活動 (Thayer, Lane, & Bernard, 2009) 。過去研究於運動前、後進行心跳率的測量，嘗試用覺醒水準的提高來解釋認知功能的進步。Kamijo 等 (2004) 發現中等強度的有氧運動能夠有效促進認知功能，並誘發較大的 CNV 成分波振幅 (CNV 成分波被認為能夠反應覺醒水準與注意力的高低，振幅愈大表示覺醒水準或注意力愈高) ，說明中等強度有氧運動後認知表現的進步可能受到覺醒水準與注意力的提高所影響。另. 11.

(24) 外，Murray 與 Russoniello (2012) 招募了 120 名年輕男女 (21.1 ± 2.9 歲)，進行為期 30 分鐘、自我配速 (運動中心跳率約 75%最大心跳率估計值) 的有氧運動 (自行車) ，於運動前、運動後立即兩個時間點進行 Trail-making Test (主要測量作業轉換) ，同時測量心跳變異率 (hear rate variability) 代表覺醒水準的變化。結果發現，運動後覺醒水準的高低與 Trail-making Test 的表現呈現倒 U 字形關係，表示在適當的覺醒水準下， Trail-making Test 的表現是最好的，運動後過高或過低的覺醒水準都不利於 Trail-making Test 的表現。近期 Hung 等 (2013) 也發現類似的結果，指出中等強度的急性有氧運動能促進運動後的執行功能表現並維持至運動後約 80 分鐘，而執行功能的進步可能受到覺醒水準 (以心跳率代表) 的提高所影響。相較之下，覺醒水準在急性阻力運動與認知功能之間的調節作用則未受到研究的支持。事實上，Chang 與 Etnier (2013) 認為阻力運動後覺醒水準的變化 (以心跳率變化作為指標) 可能不是一個準確的調節因子，並建議其它的生理機轉可能扮演著調節的角色。Pontifex 等 (2009) 也建議未來研究可嘗試聚焦在阻力運動、大腦局部血流與運動後認知功能的關係。. 二、大腦局部血流變化大腦重量僅占身體的 2% ，卻須使用約 20-25% 的體內氧氣含量來維持其運作 (Friedland, 1990) 。氧氣無法被儲存於大腦神經細胞內 (Moss & Scholey, 1996) ，因此大腦的循環系統會依中樞神經系統的需求，快速的提供氧氣至活化的腦區，以利其運作 (Girouard & Ainslie, 2006) 。許多採用功能性磁振造影 (functional MRI, fMRI) 的研究嘗試探討執行認知作業時大腦各區域的血流與代謝變化，並提出了「神經血管偶合」 (neurovascular coupling) 理論 (Buxton, Uludag, Dubowitz, & Liu, 2004) ，假設大腦某特定區域之神經細胞因刺激而活化時，會伴隨著該區域的代謝率及氧需求量的增加，因此周邊動脈及微血管內的血流會增加以提供氧氣 (Girouard & Ainslie, 2006) 。血流增加的時間點會比神經活化延遲約數秒，與突觸後電位 (post-synaptic potentials) 產生的時間點相似 (Logothetis, Pauls, Augath, Trinath, & Oeltermann, 2001) 。 12.

(25) 眾多大腦血流動力學測量工具中，NIRS為一非侵入性儀器，可測量大腦特定區域微血管內的含氧血紅素 (oxygenated hemoglobin, Oxy-Hb) 、去氧血紅素 (deoxygenated hemoglobin, Deoxy-Hb) 及總血紅素的即時變化 (Cope & Deply, 1988) ，利用腦神經細胞活化可能會伴隨著周邊動脈與微血管血流增加的原理來了解局部腦區的活化與代謝情形。所測量的參數中，Oxy-Hb可能是對大腦局部代謝與血流變化最敏感的指標 (Hoshi & Tamura, 1993; Hoshi et al., 2001) 。過去已有研究 (Boecker et al., 2007; Vermeij et al., 2012) 以NIRS為測量工具，嘗試探討執行認知作業時 (以工作記憶及反應抑制相關作業為主) 大腦活化的情形，結果發現參與者於執行工作記憶相關作業時兩半腦的背外側前額葉皮質 (dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC; BA 10 & 46) 會活化 (Oxy-Hb增加) ，其中右半腦DLPFC的活化程度又大於左半腦 (Vermeij et al., 2012) 。在執行反應抑制作業時兩半腦的前額葉 (BA 46) 皆可能活化，其中在執行需要較多反應抑制歷程涉入的作業情境時右半腦活化程度大於左半腦 (Boecker et al., 2007) 。上述發現建議右半腦前額葉及其周邊腦區在執行需要訊息更新、訊息暫存、抑制控制等歷程涉入的作業時會有較高的神經活化，伴隨著較高的代謝需求與血流灌注，可透過Oxy-Hb的增加來觀察。 NIRS亦逐漸被應用於急性運動-認知功能相關研究，主因是其測量品質不易受到參與者頭部動作變化而影響，故能夠在運動前、中、後任何時間點進行量測，此優勢是其它大腦血流動力學測量工具所缺乏的。截至目前，已有兩篇研究嘗試探討急性有氧運動對運動後認知功能與大腦局部血流變化的影響 (Endo et al., 2013; Hydo et al., 2012) 。首先，Hydo等 (2012) 招募了16位老年人 (69.3 ± 3.5歲) 並發現為期10分鐘的中等強度 (50%最大攝氧量) 有氧運動 (自行車) 能有效提升參與者在Stroop測驗中interference condition (需要較多的反應抑制與干擾控制涉入) 的表現，同時發現運動前、後老年人在執行作業時會有不同的神經資源招募形態。在安靜狀態下，老年人執行Stroop測驗時兩半腦前額葉所測得的Oxy-Hb皆增加，代表兩半腦的前額葉及其周邊部位同時活化，但經過10分鐘的有氧運動後，右半腦的額極皮質 (fronto-polar cortex, BA10) 有較高的活化 (Oxy-Hb更進一步的上升) ，說明了運動可能對老年人的神經資源招募產生影響，進而影響運動後的認知作業表現。另外，Endo等 (2013) 招募了13位年輕人 (23.1 ± 1.0歲) ， 13.

(26) 在運動結束後第5分鐘時測量參與者Stroop測驗的表現，結果發現為期15分鐘的中等強度 (40%最大功率輸出) 有氧運動 (自行車) 除了提升運動後Stroop測驗的表現外，亦發現測驗中兩半腦前額葉所測得的Oxy-Hb升高，代表運動後前額葉神經活化所誘發的血流增加可能影響著認知功能的進步。由上述研究可以發現老年人與年輕人於中等強度的急性有氧運動後前額葉的神經活化可能會有增加的現象，尤其是右半腦的前額葉，進而反應在大腦局部血流的變化上，此一現象可能影響著運動後認知作業的表現。然而過去研究侷限於探討有氧運動、前額葉血流變化與執行功能表現三者的關係，尚未有研究採用阻力運動作為介入模式。有鑑於過於研究 (Pontifex et al., 2009) 建議局部腦血流變化可能為急性阻力運動促進認知功能的可能生理機轉，未來研究宜針對此議題做進一步的探討。. 14.

(27) 第參章. 實驗方法與步驟. 第一節. 實驗參與者. 本研究以資訊公告的方式 (網路、傳單) ，招募46名參與者，對象為24名年輕 (21-30歲) 健康男性及22名老年 (65-69歲) 健康男性，最後選出條件符合且資料完整的年輕與老年人各20名進行資料分析。參與者篩選條件為：為右慣用手；近期未受過任何運動訓練；沒有阻力運動習慣；無心血管疾病或代謝疾病 (心臟病、動脈粥狀硬化、中風、糖尿病等) ；未有腦部受損、腦震盪情況；近期未服用任何會影響自律神經系統之藥物；視力為正常或矯正後正常且能看清楚電腦螢幕內所出現的數字圖案；簡易智能狀態測驗 (Mini-Mental Standardized Examination, MMSE) ≥26分。參與者於實驗開始前皆已簽屬知情同意書及身體活動預備問卷 (PARQ) 以確保其意願及安全，本研究已通過台灣大學人體試驗委員會審查核准執行。. 第二節. 實驗設計與流程. 一、實驗地點本研究之實驗地點包含：國立臺灣師範大學分部校區重量訓練室、運動生理實驗室以及室內操場。. 二、實驗流程參與者以平衡次序的方式進行四次主要實驗 (兩種認知軟體測試，分別包含運動及控制實驗) ，加上前測，共計五次完成，每次實驗需間隔至少48小時，實驗時間設定在早上以避免日夜節律的影響。參與者於每次實驗前皆需空腹約1.5小時、實驗前一天避免酒. 15.

(28) 精、咖啡因攝取及劇烈運動，詳細實驗流程圖可參考圖一。 (一) 前測前測內容為個人資料建立、基礎值測量包含身高、體重、BMI、心跳、血壓，以及認知軟體熟悉與個人10RM測量，估計2-2.5小時可完成。參與者抵達實驗室後由實驗人員向其說明實驗目的及流程並填寫個人資料包含參與者知情同意書、IPAQ身體活動量問卷、PARQ身體活動預備問卷及MMSE簡易智能狀態測驗，完成上述步驟後參與者採靜坐姿勢15分鐘並測量安靜狀態之心跳及血壓，隨後測量參與者的身高體重等數值並進行兩個認知測驗的練習。上述測量結束後進行個人10RM的測量，測量方法係參考《肌力與體能訓練》一書 (林正常。2004。臺北市：禾楓) 。 (二) 主要實驗主要實驗共四次，每次實驗時間約2小時。參與者抵達實驗室後立即配戴NIRS並靜坐15 分鐘，隨後進行10分鐘的NIRS基礎值測量，接著進行認知測驗，測驗順序同樣以平衡次序的方式來安排。認知測驗於無聲光干擾的環境下進行，為期約15分鐘，過程中持續測量NIRS。完成測驗後參與者進行阻力運動，包含8個動作：坐姿胸推、腿部前伸、滑輪下拉、腿部後屈、坐姿划船、腿部推蹬、坐姿肩推、二頭彎曲，以70% 10RM為強度 (約等於50% 10RM) ，每個肌肉群運動2組，每組10次反覆次數，組間及運動間分別有約30 秒及90秒的休息時間，約30分鐘左右完成阻力運動。阻力運動結束後則重複先前流程，先進行一次10分鐘的安靜NIRS測量，再進行一次認知測驗。控制處理時，除了阻力運動的部分改為靜坐閱讀與本研究領域相關之科普書籍30分鐘外，其餘流程皆與運動處理相同。主要實驗的流程可參考圖二。. 16.

(29) 圖一. 實驗流程示意圖同意書、問卷填寫、基礎值測量、認知軟體熟悉、10RM 肌力測量. 第一天. 至少 48 小時. 第二天. Go/No-go. Go/No-go. Sternberg. Sternberg. 休息. 運動. 休息. 運動. Go/No-go. Go/No-go. Sternberg. Sternberg. Go/No-go. Go/No-go. Sternberg. Sternberg. 運動. 休息. 運動. 休息. Go/No-go. Go/No-go. Sternberg. Sternberg. 至少 48 小時. 第三天. NIRS 測量. 至少 48 小時. 第四天. Sternberg. Sternberg. Go/No-go. Go/No-go. 休息. 運動. 休息. 運動. Sternberg. Sternberg. Go/No-go. Go/No-go. Sternberg. Sternberg. Go/No-go. Go/No-go. 運動. 休息. 運動. 休息. Sternberg. Sternberg. Go/No-go. Go/No-go. 至少 48 小時. 第五天. 17.

(30) 圖二. 主要實驗流程示意圖. 休息. NIRS. 認知前測 +. 基礎值. NIRS. 10 分. 休息 +. 認知後測 +. NIRS. NIRS. 10 分. 15 分. 運動/閱讀休息. 15 分. 30 分. 15 分. 心跳率測量. 心跳率測量. 第三節. 心跳率測量. 心跳率測量. 測量工具及方法. 一、身高體重與身體質量指數 (body mass index, BMI) 測量利用身高體重測量器進行身高、體重及BMI的測量。. 二、安靜狀態心跳血壓測量以自動血壓心跳計 (ORMEN HEM-7200) 於靜坐15分鐘後測量安靜狀態心跳及血壓。. 18.

(31) 三、主要實驗心跳率測量測量時間點有四個：認知前測、介入中、介入後立即與認知後測，同樣以自動血壓心跳計進行測量。認知前測心跳率為進行第一次認知測驗前的心跳率數值，介入中心跳率為阻力運動時每個動作完成時或休息時每三分鐘的心跳率平均值，介入後心跳率為阻力運動/休息後的心跳率，認知後測心跳率為進行第二次認知測驗前的心跳率數值。測量單為次/分鐘，測量點亦可參考圖二。. 四、NIRS前額葉血流測量大腦前額葉血流變化以 NIRS 作為測量工具，配戴於參與者之右前額葉進行量測 (圖三C & D) 。NIRS 為一種方便攜帶、非侵入性的檢測工具，可連續監測腦部氧氣和血紅素結合的狀況。紅外線光譜 (PortLite) 是依據 Portamon 設計原理所研發的儀器。本儀器的感應器有三個光束 (Light Bundles) ，如圖三- B。每個光束釋放兩個波長 760nm 和 850nm，兩個光束的平均距離為 35mm，樣本測量的頻率 (Sample Rate) 設為 10Hz。感應器的體積很小很輕，容易貼於身體任何部位。感應器將以彈性敷膜固定於右前額葉部位. (測量之解剖位置約為 Brodmann area 10 & 46；額極皮質及 DLPFC) ，參照過去研. 究方法，第一個感應器的尾端會貼在每位參與者前額的同一位置，可參考圖三- C & D，其它詳細的測量方法參照過去研究與本儀器的操作手冊實施。主要分析變項為以 Oxy-Hb 代表前額葉微血管血流的即時變化，並間接代表前額葉神經活化程度 (Hoshi & Tamura, 1993; Hoshi et al., 2001) 。主要分析的時間區段為介入前靜坐 10 分鐘、認知前測 15 分鐘、介入中、介入後靜坐 10 分鐘及認知後測 15 分鐘，最後再以介入前靜坐 10 分鐘的 Oxy-Hb 數值為基礎值，將另外四個時間區段之 Oxy-Hb 數值以 [(後測-前測) /前測] x 100%所得之變化率 (% change) 來呈現。. 19.

(32) 圖三. NIRS儀器及其配戴位置 (A). (B). (C). (D). 五、Go/No-Go反應抑制作業本測驗使用Neuroscan Stim software 2.0版 (Neuroscan Ltd., EI Paso, TX, USA) 為測量工具，測驗共有5組 (block) ，每組40回合 (trial) ，每回合包含準備期與反應期。準備期螢幕上出現黃色正方形預備圖案，顯示時間為500毫秒，隨後出現一個探測圖形，顯示時間為200毫秒，預備圖形與探測圖形之間有1500毫秒的延遲。假使探測圖形為綠色，稱作Go情境，參與者必需用食指按下鍵盤之L鍵，反應時間之上限為1000毫秒；探測圖形若為紅色，稱作No-go情境，參與者應不做任何反應。兩種探測圖型出現的比例為7： 3，目的是讓參與者對Go情境 (綠色) 形成優勢反應 (proponent response) ，並測驗其對 No-go情境 (紅色) 的主動抑制能力，測驗的流程圖可參見圖四。最後收集參與者Go情. 20.

(33) 境的反應時間 (測量較基礎的訊息處理速度) 及反應性錯誤率 (commission error; 測量反應抑制) ，各數值之資料會以反應時間變化率【[(後測-前測) /前測] x 100%】及反應性錯誤率變化 (後測-前測) 的方式來呈現。. 圖四. Go/No-Go作業程序圖. 黃色預備圖型. 1500 毫秒探測圖型：若為綠→ 反應若為紅→ 不反應綠：紅=7：3. 六、Sternberg工作記憶作業同樣以Neuroscan Stim software 2.0版為測量工具，並參考Deeny等 (2008) 的版本，將英語字母修正為適合國人辨認的阿拉伯數字。測驗內容為對先前出現的數字加以記憶，並和後續出現的數字做辨識連結，快速地做出正確辨識反應。測驗總共有4組，每組有40 回合，回合之間有500毫秒的間隔，每回合分成兩部分：記憶數字階段及探測數字階段。記憶數字階段螢幕每次顯示三個由1-9隨機選取的並列數字，顯示時間為200毫秒，探測數字階段開始前會有3000毫秒的延遲，隨後出現一個由1-9隨機選取的探測數字，顯示時間為1500毫秒。探測數字若與記憶數字其中之一相符，稱為In-set probe，此時參與者需用右手食指按下鍵盤之L鍵，反應時間上限為1000毫秒，此情境需要較少的工作記憶與執行功能涉入，對參與者的心智負荷較小；探測數字若與記憶數字皆不相符，稱為 Out-of-set probe，此時參與者需用左手食指按下鍵盤之A鍵，反應時間之上限為1000毫 21.

(34) 秒，此情境需要較多的工作記憶與執行功能涉入，對參與者的心智負荷較大。最後分別記錄參與者In-set probe與Out-of-set probe的反應時間及反應正確率，最後以反應時間變化率【[(後測-前測) /前測] x 100%】及反應正確率變化 (後測-前測) 的形式來呈現。 Sternberg作業的操作流程可參見圖五。. 圖五. Sternberg作業程序圖 (A) 數字記憶階段示意圖. 記憶數字 7, 8, 9. 3000 毫秒. (B) 探測數字階段示意圖探測圖型：若為 8 →右手按下 L 鍵若為 2 →左手按下 A 鍵 -. 七、10RM測量測量過程中，實驗人員皆在旁監督，確定參與者動作之正確性，並顧及其安全，避免運動傷害的發生。測量方法係參考《肌力與體能訓練》一書中的步驟，其過程如下所述： (1) 先進行熱身活動，採用可輕鬆做8-10次反覆次數的重量。 (2) 休息1-2分鐘. 22.

(35) (3) 加重：視參與者自身情況與費力程度而定，上身動作加10-50磅 (4.5-20公斤) ，下身動作加20-90磅 (9-40公斤) ，如參與者自覺能夠完成10次反覆次數則可停止動作以避免疲勞，每次試舉皆測量參與者之RPE以確定其費力程度，並作為後續加重之參考。 (4) 休息1-2分鐘 (5) 再加重：視參與者自身情況與費力程度而定，上身動作加10-50磅 (4.5-20公斤) ，下身動作加20-90磅 (9-40公斤) ，如參與者自覺能夠完成10次反覆次數則可停止動作以避免疲勞，每次試舉皆測量參與者之RPE以確定其費力程度，並作為後續加重之參考。 (6) 休息1-2分鐘 (7) 再加重：視參與者自身情況與費力程度而定，上身動作加10-50磅 (4.5-20公斤) ，下身動作加20-90磅 (9-40公斤) ，如參與者自覺能夠完成10次反覆次數則可停止動作以避免疲勞，每次試舉皆測量參與者之RPE以確定其費力程度，並作為後續加重之參考。 (8) 完整試舉10RM重量。 (9) 如果成功，休息2分鐘，重複 (7) ；如果失敗，休息1-2分鐘後進行減重，上身動作減10-20磅 (4.5-9公斤) ；下身動作減20-30磅 (9-13.5公斤) 。 (10) 繼續加重或減重，直到可以正確的完成10次反覆。最好能在4次的嘗試中，測出10RM的重量。. 八、PARQ身體活動預備問卷身體活動預備問卷 (Physical Activity Readiness Questionnaire, PARQ) 是由加拿大健身運動生理協會 (The Canadian Society for Exercise Physiology, CSEP) 於2002年修訂，適用於15至69歲的對象，其方法是評估參與者是否適合參與身體活動，共有7個問題，題目如心臟疾病或高血壓藥物的服用、骨骼或關節惡化等。. 23.

(36) 九、IPAQ國際身體活動量調查問卷國際身體活動量調查問卷 (International Physical Activity Questionnaire, IPAQ) 是由行政院衛生署健康局編制，其方法是讓參與者回顧過去七天的活動量，包含工作、家務、交通及休閒活動或運動所花費的時間，其中涵蓋4種不同強度的代謝量 (METs) ，如費力 /8METs、中等費力/4METs、走路/3.3METs、坐式生活/1METs，經由此方法來推斷參與者過去七天的總身體活動量，中文版信度達到0.78，與國際上的英語版本信度相近。. 十、MMSE簡易智能狀態測驗簡易智能狀態測驗 (Mini-Mental State Examination, MMSE) 是臨床與研究上常用來評估參與者整體認知功能或失智症風險的工具之一，其測量範圍包含定向力 (orientation) 、訊息登錄 (registration) 、注意力及計算 (attention & calculation) 、短期記憶 (recall) 以及語言能力 (language) 等認知功能，共有26個子題，滿分30分。依據受測者教育程度而訂定界定標準，以教育程度達10年以上之受測者為例，男性26分為正常標準，女性則為27分 (郭乃文等，1988) 。. 十一、運動費力知覺量表 (Ratings of Perceived Exertion scale, RPE scale) 此量表由Borg所設計，提供實驗參與者在運動進行中，了解個人知覺努力程度，量表範圍從6-20的參考指標，其「6-11」為「非常非常輕鬆至輕鬆」，「12-15」為「有些吃力至吃力」，「16-20」為「非常吃力至非常非常吃力」。本實驗於阻力運動過程中每完成一個肌肉群運動時詢問參與者一次，紀錄其個人對當下運動的知覺費力程度。. 24.

(37) 第四節統計分析方法. 本研究將採用SPSS 19.0版作為統計分析軟體，以α = .05達顯著水準，並以下列方法來進行資料分析，所有數據以平均值 ± 標準差呈現： 1.. 以獨立樣本t檢定來考驗兩組別之間描述性統計資料的同質性。. 2.. 以混合設計三因子重複量數變異數分析 [2組別 (老年 vs. 年輕) x 2處理 (運動 vs. 控制) x 2情境 (In-set probe vs. Out-of-set probe) ] 來探討年齡與阻力運動對不同工作記憶情境表現的影響，以作業的反應時間變化率與正確率變化為依變項。. 3.. 以混合設計二因子重複量數變異數分析 [2組別 (老年 vs. 年輕) x 2處理 (運動 vs. 控制) ] 來探討年齡與阻力運動對反應抑制表現的影響，以Go情境的反應時間變化率、反應性錯誤率變化為依變項。. 4.. 以混合設計三因子重複量數變異數分析【2組別 [老年 vs. 年輕] x 2處理 [運動 vs. 控制] x 4時間 [認知前測15分鐘 (T1) vs. 介入中 (T2) vs. 介入後休息10分鐘 (T3) vs. 認知後測15分鐘 (T4) ] 】來探討年齡與阻力運動對不同時間區段Oxy-Hb變化率的影響。. 5.. 以相依設計二因子重複量數變異數分析【2介入 [運動 vs. 控制] x 4時間 [認知前測 (T1) vs. 介入中 (T2) vs. 介入後立即 (T3) vs. 認知後測 (T4) ] 】來分別了解阻力運動對老年組與年輕組心跳率的影響，作為運動強度的操弄檢核。. 6.. 假使運動前、後的行為表現資料與T1、T4的Oxy-Hb變化率之差異皆達顯著水準，進而以皮爾遜績差相關分析來了解行為表現與Oxy-Hb變化率的相關性。. 25.

(38) 第肆章. 第一節. 結果. 描述性統計資料. 經統計分析後發現兩組參與者在描述性統計資料大致上沒有組間差異，僅有年齡、身高、體重、中度身體活動量與 10RM 等測量參數有組間差異。這樣的結果表示老年組與年輕組在可能影響認知功能的參數上 (教育程度、社經地位、MMSE) 是同質的，兩組的描述性統計與 10RM 資料請詳見表一。. 表一. 參與者描述性統計與 10RM 資料表 (平均值 ± 標準差). 26.

(39) 第二節. 運動強度操弄檢核. 老年組運動強度的操弄檢核部分，工作記憶情境下，二因子重複量數變異數分析發現處理 (F(1, 19) = 103.19, p = .000，ES = 0.85) 與時間 (F(3, 17) = 38.20, p = .000，ES = 0.67) 的主要效果以及處理與時間的交互作用 (F(3, 17) = 43.90, p = .000，ES = 0.70) 。單純主要效果事後比較發現不論是在介入中 (T2) 、介入後立即 (T3) 與認知後測 (T4) 四個測量點皆發現運動處理的心跳率大於控制處理；運動處理時，T2、T3 與 T4 的心跳率皆大於認知前測 (T1) 之心跳率，同時 T2 的心跳率大於 T3 與 T4，而 T3 的心跳率又大於 T4；控制處理時，心跳率則呈現逐漸降低的趨勢，其中 T1、T2 及 T3 的心跳率皆大於 T4。老年組在 Go/No-Go 情境下，二因子重複量數變異數分析發現處理 (F(1, 19) = 37.07, p = .000，ES = 0.66) 與時間 (F(3, 17) = 22.42, p = .000，ES = 0.54) 的主要效果，以及處理與時間的交互作用 (F(3, 17) = 46.60, p = .000，ES = 0.71) 。單純主要效果事後比較發現不論是在 T2、T3、T4 皆發現運動處理的心跳率大於控制處理；運動處理時，T2、T3 與 T4 的心跳率皆大於 T1 之心跳率，同時 T2 與 T3 之心跳率皆大於 T4；控制處理時， T1 的心跳率大於 T2、T3 及 T4，T2 的心跳率又大於 T4。另外，老年組在運動中的 RPE 分別為 12.93 ± 0.94 (工作記憶) 與 12.65 ± 1.21 (反應抑制) ，根據量表分級約介於「輕鬆」至「有點辛苦」之間。老年組在不同作業情境與處理的運動強度操弄檢核資料請參見表二。表二. 老年組在不同作業情境與處理的運動強度操弄檢核表 (平均值 ± 標準差). 27.

(40) 年輕組在工作記憶情境運動強度操弄檢核的部分，結果呈現處理 (F(1, 19) = 104.73, p = .000，ES = 0.85) 與時間 (F(3, 17) = 67.37, p = .000，ES = 0.78) 的主要效果，以及處理與時間的交互作用 (F(3, 17) = 85.37, p = .000，ES = 0.82) 。單純主要效果事後比較發現不論是在 T2、T3 及 T4 皆發現運動處理的心跳率大於控制處理；運動處理時，T2、 T3 與 T4 的心跳率皆大於 T1，同時 T2 與 T3 之心跳率皆大於 T4；控制處理時僅發現 T2 的心跳綠大於 T4。年輕組在 Go/No-Go 情境下，發現處理 (F(1, 19) = 78.43, p = .000, ES = 0.81) 與時間 (F(3, 17) = 63.38, p = .000, ES = 0.77) 的主要效果，以及處理與時間的交互作用 (F(3, 17) = 74.93, p = .000, ES = 0.80) 。單純主要效果事後比較發現不論是在 T2、T3 及 T4 皆發現運動處理的心跳率大於控制處理；運動處理時 T2、T3 與 T4 的心跳率皆大於 T1，同時 T2 與 T3 之心跳率皆大於 T4；控制處理時各時間點所測得之心跳率沒有差異。 RPE 資料部分，運動中 RPE 分別為 13.38 ± 1.37 (工作記憶) 與 13.50 ± 1.64 (反應抑制) ，根據量表分級約等同於「有點辛苦」。年輕組在不同作業情境與處理的運動強度操弄檢核資料請參見表三。表三. 年輕組在不同作業情境與處理的運動強度操弄檢核表 (平均值 ± 標準差). 28.

(41) 第三節. 行為資料結果. 在工作記憶作業的反應時間變化率結果部分，三因子重複量數變異數分析發現處理 (F(1, 38) = 21.38, p = .000, ES = 0.36) 與情境 (F(1, 38) = 6.21, p = .017, ES = 0.14) 的主要效果，以及組別與處理 (F(1, 38) = 6.54, p = .015, ES = 0.15) 與組別與情境 (F(1, 38) = 4.57, p = .039, ES = 0.11) 的交互作用。組別與處理交互作用的單純主要效果事後比較發現運動處理時老年組 (5.37 ± 5.73%) 的整體反應時間變化率與年輕組 (8.23 ± 5.14%) 沒有差異 (p = .104) ，控制處理時老年組 (3.30 ± 3.49%) 的整體反應時間變化率與年輕組 (0.10 ± 4.65%) 同樣沒有差異 (p = .085) ；老年組中運動處理整體反應時間變化率與控制處理沒有差異 (p = .178) ，而年輕組在運動處理的整體反應時間變化率則大於控制處理 (p = .000) 。組別與情境交互作用的單純主要效果事後比較發現老年組在 In-set probe (5.71 ± 3.48%) 的整體反應時間變化率大於 Out-of-set probe (2.95 ± 4.24%) (p = .004) ，年輕組在 In-set probe (4.72 ± 4.27%) 與 Out-of-set probe (4.51 ± 4.27%) 的整體反應時間變化率沒有差異 (p = .805) ；老年組與年輕組在 In-set probe 的整體反應時間變化率沒有差異 (p = .427) ，在 Out-of-set probe 的整體反應時間變化率亦沒有差異 (p = .253) 。參與者工作記憶反應時間的描述性統計資料 (含變化率) 可參考表四，兩組在不同工作記憶情境的反應時間變化率之比較可參考圖六。不同作業情境的反應正確率變化的部分則沒有觀察到任何因子的主要效果或因子間的交互作用，表示參與者在認知處理速度的進步可歸因於運動介入而非速度-準確率之間的權衡現象 (speed-accuracy tradeoff) 。參與者工作記憶反應正確率的描述性統計資料 (含變化) 可參考表五。. 29.

(42) 表四. 參與者工作記憶反應時間之描述性統計資料 (含變化率) (平均值 ± 標準差). 表五. 參與者工作記憶反應正確率之描述性統計資料 (含變化) (平均值 ± 標準差). 圖六. 參與者不同工作記憶情境的反應時間變化率比較. 30.

(43) 反應抑制作業的部分，二因子重複量數變異數分析僅發現在 Go 情境的反應時間變化率上有處理的主要效果 (F(1, 38) = 7.97, p = .008, ES = 0.17) ，其中所有參與者在運動處理 (3.70 ± 4.73%) 的反應時間變化率大於控制處理 (0.63 ± 4.92%) (p = .008) 。除此之外，組別與處理的交互作用趨近於顯著 ((F(1, 38) = 3.99, p = .053, ES = 0.10) 。基於本研究欲探討年齡與阻力運動對參與者作業表現之影響的緣故，嘗試進行後續單純主要效果事後比較，發現老年組在運動處理 (2.10 ± 4.55%) 的反應時間變化率與控制處理 (1.20 ± 5.05%) 無差異 (p = .554) ，年輕組在運動處理 (5.31 ± 4.45%) 的反應時間變化率大於控制處理 (0.06 ± 4.86%) (p = .004) ；運動處理時年輕組的反應時間變化率大於老年組 (p = .030) ，控制處理時組別間則無差異 (p = .471) 。參與者 Go 情境反應時間的描述性統計資料可參考表六，兩組在 Go 情境反應時間變化率的比較可參考圖七。至於反應性錯誤率變化則沒有觀察到任何因子的主要效果或因子間的交互作用。參與者反應性錯誤率的描述性統計資料可參考表七。. 表六. 參與者 Go 情境反應時間之描述性統計資料 (含變化率) (平均值 ± 標準差). 表七參與者 No-go 情境反應性錯誤率之描述性統計資料 (含變化) (平均值 ± 標準差). 31.

(44) 圖七. 參與者 Go 情境反應時間變化率之表現比較. 第四節. NIRS 資料結果. 在工作記憶作業情境下的 NIRS 變化率部分，三因子重複量數變異數分析僅發現時間的主要效果 (F(3, 36) = 5.05, p = .005, ES = 0.12) 。主要效果事後比較發現介入中 (T2) 與介入後休息 (T3) 兩時間區段的 Oxy-Hb 變化率皆大於認知前測 (T1) 的變化率 (p = .000, .006) ，而認知後測 (T4) 的變化率與 T1 的差異則趨近於顯著 (p = .056) 。此結果表示不論是阻力運動或是閱讀皆可能增加前額葉 Oxy-Hb 的變化率，變化率的提高可維持至介入後約 10 分鐘，直至 T4 時逐漸下降，且此現象可能不受到年齡的影響。兩組在工作記憶情境的 NIRS 描述性統計資料可參考表八。表八. 參與者在工作記憶情境 NIRS 之描述性統計資料 (平均值 ± 標準差). 32.

(45) 在反應抑制作業情境下的 NIRS 資料部分，三因子重複量數變異數分析發現時間的主要效果 (F(3, 36) = 6.61, p = .001, ES = 0.15) 及處理與時間的交互作用 (F(3, 36) = 4.42, p = .011, ES = 0.10) 。單純主要效果事後比較發現，四個時間區段中，僅在 T2 觀察到處理間的差異 (F(1,39) = 6.94, p = .012, ES = 0.15) ，運動處理時的 Oxy-Hb 變化率大於控制處理，其餘的時間區段皆未觀察到處理之間的差異。另外，運動處理時 T2 的 Oxy-Hb 變化率大於 T1 (p = .002) 及 T3 (p = .019) ；至於控制處理時則觀察到 T2 的變化率有大於 T1 的趨勢 (p = .058) ，同時亦觀察到 T3 的變化率大於 T1 (p = .044) 。以上結果與工作記憶情境時相類似，雖然運動介入時前額葉 Oxy-Hb 的變化率的確高於閱讀，但整體來說不論是運動或是閱讀皆可能讓 Oxy-Hb 的變化率上升，上升的現象大約持續至介入後約 10 分鐘便逐漸下降，且此一現象也同樣未受到年齡的影響。兩組在反應抑制情境的 NIRS 描述性統計資料可參考表九。表九. 參與者在反應抑制情境 NIRS 之描述性統計資料 (平均值 ± 標準差). 33.

(46) 第伍章. 討論. 本研究主要發現為： (一) 中等強度急性阻力運動僅對年輕人的工作記憶表現有正面效益，進步幅度沒有作業情境間的差異； (二) 不論是否有運動介入，老年人在低心智負荷的工作記憶情境 (In-set probe) 表現較好； (三) 年輕人也許能透過急性阻力運動來加快 Go/No-Go 作業中 Go 情境的處理速度，老年人則否； (四) 不論是在工作記憶或反應抑制作業情境下，前額葉 Oxy-Hb 的變化可能與運動後的行為表現無關。在工作記憶表現的部分，相較於老年人，年輕人在高、低心智負荷的工作記憶情境皆獲得正面效益，此效益沒有作業情境間的差異。過去採用 Stroop 測驗作為作業典範的研究發現單次中等強度的阻力運動能對年輕人、中年人與中老年混合族群的認知功能帶來正面效益 (Chang & Etnier, 2009; Chang et al., 2011, Chang et al., 2014) ，其中對中老年混合族群的認知功能更具有整體性的提升效果，意即：不論是基礎的訊息處理速度或需要較多執行功能涉入的作業歷程皆能透過急性阻力運動得到正面影響。本研究年輕人的行為表現結果與過去文獻相符，顯示急性阻力運動對年輕人、中年人或中老年混合族群的認知功能可能具有整體性的提升效果，且透過不同神經心理測驗 (Stroop 測驗、倫敦塔測驗與 Sternberg 測驗) 仍得到類似的結果，更為此一假設提供有力的支持。然而，本研究年輕人的結果與 Pontifex 等 (2009) 不符，該研究同樣以年輕人為參與者，阻力運動處方內容如下：強度 80% 1RM，每組 8-12 次反覆次數，七個肌肉群運動，每個肌肉群運動 3 組，結果發現急性阻力運動無法提升參與者的工作記憶表現。相較之下，本研究所採用的阻力運動處方與 Chang 等的系列性研究 (Chang & Etnier, 2009; Chang et al., 2011; Chang et al., 2014) 相似，內容為強度 70% 10RM (約 50% 1RM) ，每組 10 次反覆次數，八個肌肉群運動，每個肌肉群運動 2 組。因此，本研究推測兩個研究在阻力運動強度的差異是造成結果不一致的原因，也突顯了阻力運動處方內容對工作記憶表現的影響，對年輕人的工作記憶而言，中等強度的急性阻力運動似乎能呈現最佳的提升效果。. 34.