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本研究针对简单体力活动（如握力）为何会损害认知功能这一核心问题，通过两个结合行为学、脑电图（EEG）和功能磁共振成像（fMRI）的实验，揭示了体力消耗并非通过减少工作记忆（WM）存储资源，而是通过增加对控制过程的需求，特别是削弱对任务无关干扰物的抑制能力，从而导致WM绩效下降。结果表明，在高体力负荷下，即使行为表现变差，反映WM存储的神经指标（对侧延迟活动，CDA）振幅反而升高，fMRI进一步显示这一交互作用主要发生在前额叶-顶叶控制网络。该发现为理解行动与认知的交互机制提供了新视角，对人机工程学和认知老化研究具有重要意义。
从使用石器敲开坚果到紧握智能手机浏览信息，人类长期以来依赖一系列进化上保守的简单动作与环境互动。许多这类动作，如抓握和保持，是等长收缩的，涉及持续的肌肉激活而没有可见的关节位移。这些基本动作虽然简单，但对于复杂的、技术介导的任务却不可或缺：驾驶时握住方向盘通常需要个人最大自主收缩（MVC）的20-30%，而握住电脑鼠标则需要约5-10%的MVC。然而，尽管看似轻松，等长体力动作在认知上并非中性。即使是低水平的持续握力也会损害注意力警觉性、降低视觉搜索效率、扭曲时间知觉、破坏记忆表现，甚至抑制亲社会行为。这些汇聚的发现提出了一个关键难题：为什么简单、看似自动的体力动作——如持续的手部握紧——会带来可测量的心智成本？
一种解释是，同时执行认知和体力任务会放大感知到的努力——即意识到有限的资源正被消耗以满足任务需求——从而使观察者倾向于采用最小化总努力的策略。与这一观点一致，过去的研究表明，行动和认知可能依赖于重叠的认知和体力资源。近期的计算模型将这种重叠形式化，表明在一个领域付出努力可以通过一个共享的成本函数减少参与另一个领域的感知价值或效用。例如，当在并发握力下执行需要主动在脑中保留多个项目的视觉工作记忆（WM）任务时，人们通常表现更差。这种跨模态双任务成本的幅度可以通过将相同的努力折扣函数应用于体力握力和WM中保持的项目数量来预测。
然而，尽管最近取得了进展，认知和体力领域之间努力权衡的潜在机制仍然难以捉摸。例如，尽管在并发体力动作期间，在WM相关任务（如视觉搜索和变化检测）中经常观察到行为损伤，但这些损伤如何产生仍然是一个棘手的问题。鉴于其有限的存储容量，在WM中主动保持信息本质上是费力的，并且尽可能避免——这种倾向与人类作为“认知吝啬鬼”的概念一致。因此，当从事并发的费力体力动作时，观察者可能会丢弃一些任务相关的WM项目，因为维持体力和认知任务目标比单独维持任何一个都更费力。同时，由于WM涉及选择和管理哪些信息在有限存储系统中保持的控制相关过程，并发的体力消耗可能会损害这些过程，从而改变WM中保留信息的组成。例如，WM中的一个关键控制相关过程是干扰物过滤。这一过程的失败可能允许更多的任务无关内容进入WM，从而在不必然减少整体存储的情况下降低WM任务表现。这些考虑因素引发了一个更精确的、过程层面的问题：当并发体力动作损害WM表现时，它主要是减少了主动保留的信息量，破坏了调节哪些表征进入并在WM内竞争的控制相关过程，还是两者兼而有之？
为了解决这一不确定性，研究人员通过融合行为学、电生理学和神经影像学方法，阐明了并发体力消耗如何影响WM。在两个实验中，他们结合脑电图（EEG）和功能磁共振成像（fMRI）来测试体力消耗是通过减少整体保留还是通过破坏调节表征获取记忆访问权限的控制过程来损害WM。
实验1记录了头皮EEG的事件相关电位（ERPs），通过测量对侧延迟活动（CDA）——一种主动WM保留的神经标记物，来直接检验保留成本与控制成本假说。实验采用视觉WM任务，在存在或不存在任务无关干扰物的情况下，施加不同水平的并发体力负荷（握力）。研究人员预测，如果并发体力负荷减少WM保留，那么无论干扰物是否存在，CDA振幅都应随着并发握力的增强而降低。相反，如果体力负荷主要破坏控制相关过程，那么在更高的体力负荷下，CDA振幅在存在干扰物时应增加，这反映了在并发体力消耗期间未能抑制任务无关信息。
实验2使用fMRI扩展了这些发现，以刻画在WM期间对体力动作和干扰物干扰之间相互作用敏感的大脑系统。研究目的不是将单个脑区映射到离散的心理结构上，而是采用基于对比的系统水平方法，来测试体力负荷和视觉干扰之间的相互作用是优先在初级感觉和运动系统（预期视觉输入和体力动作分别施加自下而上和输出驱动的影响）中表达，还是在跨认知和体力领域普遍存在并涉及控制过程的网络中表达。
实验1的结果显示，在行为层面，更高的并发体力负荷会放大视觉干扰物对WM任务表现的损害效应。关键的是，EEG数据显示，在更高的体力负荷下，当存在干扰物时，CDA振幅显著增加，而不是减少。这表明在体力消耗下，更多的任务无关信息被编码并保留在WM中。进一步的相关分析表明，在高体力负荷下，CDA振幅和行为指标（Cowan‘s K）随着有效WM集大小的增加而同步缩放，这支持了控制成本假说，即体力负荷损害了干扰物过滤能力。
实验2的fMRI结果复现了行为上的交互作用。更重要的是，fMRI分析揭示，体力负荷与干扰物存在之间的交互作用主要显现在前额叶-顶叶控制网络，包括双侧额下回（IFC）和后顶叶皮层（PPC），而不是与视觉输入或体力动作相关的初级感觉和运动皮层。这表明体力消耗对WM的影响主要是通过影响高阶的控制网络来实现的，而不是直接争夺感觉或运动资源。
本研究主要应用了行为学测量、脑电图（EEG）和功能磁共振成像（fMRI）三种关键技术方法。行为学通过视觉工作记忆（WM）变化检测任务评估认知表现，并使用Cowan‘s K公式量化WM精度。EEG用于记录事件相关电位（ERPs），重点关注对侧延迟活动（CDA）这一WM保留的神经标记。fMRI则用于在全脑范围内定位与体力负荷和干扰物处理相关的神经活动，特别是通过对比分析来识别交互作用显著的脑区。
2.3. 结果与讨论
2.3.1. 行为结果
行为数据显示，体力负荷本身对WM整体表现（Cowan‘s K）没有显著影响。然而，体力负荷调节了干扰物存在对WM任务表现的影响。在低体力负荷下，干扰物的影响不显著；但在高体力负荷下，干扰物显著降低了Cowan‘s K，且效应量更大。这表明更高的体力消耗损害了参与者抑制干扰物的能力，导致更大的干扰效应和更差的任务表现。
2.3.2. ERP证据
CDA的结果与行为结果形成对比。在更高的体力负荷下，当存在干扰物时，CDA振幅显著增加，而在低体力负荷下这种效应不显著。这表明并发体力负荷促进了任务无关信息在WM中的编码和保留，很可能是由于在并发体力消耗下干扰物过滤能力受损。 within-subject 相关分析进一步支持了这一解释，显示在高体力负荷下，CDA振幅和Cowan‘s K随着有效WM集大小的增加而共同变化。
3.3. 结果与讨论
3.3.1. 行为结果
实验2的行为结果成功复现了实验1的模式：体力负荷主效应不显著，但体力负荷与干扰物存在之间存在显著的交互作用。干扰物在高体力负荷下对WM表现的损害效应比在低体力负荷下更强。
3.3.2. fMRI结果
fMRI分析表明，体力负荷的主效应激活了对侧初级运动皮层（M1）等运动相关脑区。干扰物存在的主效应激活了广泛的视觉处理区域，如初级视觉皮层和后顶叶皮层。最关键的是，体力负荷与干扰物存在的交互作用显著地体现在前额叶-顶叶控制网络，包括双侧额下回（IFC）和左后顶叶皮层（PPC）。而在早期视觉皮层或初级运动皮层中几乎没有发现交互作用的证据。
本研究通过结合行为、EEG和fMRI证据，表明并发体力动作对认知的影响源于其对控制相关过程的干扰，特别是削弱了过滤任务无关干扰物的能力，而不是直接减少WM的存储容量。这导致在高体力负荷下，WM中保留了更多无关信息，从而损害了目标导向的任务表现。神经影像学证据进一步将这一交互作用的神经基础定位到前额叶-顶叶控制网络。这一发现澄清了行动与认知交互的机制，对理解双任务代价、人机工程学设计以及认知老化等领域具有重要的理论和实践意义。它表明，简单的体力动作之所以产生心智成本，主要是因为它们增加了大脑控制网络的需求，影响了信息处理的效率和质量。
