《Brain Sciences》：Sleep Duration and Physical Activity as Predictors of Executive Function in Adolescents: A Longitudinal Study
Rosa Ayuso-Moreno,
Ana Rubio-Morales,
Rubén Llanos-Mu?oz,
Tomás García-Calvo and
Inmaculada González-Ponce
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本文通过纵向研究探讨了在真实校园环境中，客观测量的日常身体活动（PA，以每日步数为指标）是青少年执行功能（EF，涵盖抑制控制、持续注意和工作记忆）表现的有效预测因子，而睡眠时长本身（未考虑节律和变异性）则无显著关联。研究结果强调了在青少年教育环境中优先推广规律身体活动对提升认知效率的重要性，并为未来需超越单纯睡眠时长、关注更复杂睡眠节律的研究指明了方向。
执行功能（Executive Function, EF）的成熟是青少年时期神经认知发展的关键。尽管睡眠和身体活动（Physical Activity, PA）是公认的重要可调节生活方式因素，但它们在真实生活场景中对青少年执行功能的长期影响，仍缺乏充分的刻画。本研究旨在西班牙青少年群体中，通过纵向追踪，考察客观测量的睡眠时长、日常步数与三项核心执行功能表现之间的关联，从而为优化青少年学习环境提供实证依据。
1. 引言
青少年期是执行功能（EF）发展的关键窗口，在此期间前额叶皮层经历显著的突触修剪和髓鞘化。睡眠和身体活动（PA）被证实是塑造神经认知轨迹的可调节生活方式因素。然而，在生态效度更高的真实世界环境中，它们与执行功能之间的纵向关联仍不明确。
1.1. 睡眠与认知功能
睡眠是维持认知稳态的基础，支持记忆巩固、突触可塑性和代谢恢复。然而，青少年存在生物学驱动的昼夜节律相位延迟，倾向于晚睡晚起。全球范围内过早的学校上课时间加剧了这种不匹配，导致超过60%的青少年未能达到推荐的8-10小时睡眠，这可能损害早晨的认知准备状态。证据表明，睡眠与认知的关系存在领域特异性，睡眠不足会显著损害认知灵活性，但对抑制控制和工作记忆的影响则不一致。此外，自我报告睡眠与客观测量数据之间存在显著差异，因此在青少年群体中使用可穿戴设备进行连续、客观的监控至关重要。
1.2. 身体活动与执行功能
身体活动是另一个与青少年认知表现持续相关的可调节生活方式因素。国际指南建议青少年每日进行平均60分钟的中高强度身体活动，但依从率普遍不足。这尤其值得关注，因为久坐在校期间累积的精神疲劳会损害体能和认知表现。长期、规律的身体活动被认为能带来稳定的神经生物学适应，包括改善白质完整性、增加脑血流量和上调脑源性神经营养因子（Brain-Derived Neurotrophic Factor, BDNF）等，这些变化有望增强处理速度和执行控制能力，尤其是在需要持续注意和抑制过程的任务中。
1.3. 当前研究
本研究在西班牙青少年中开展，旨在生态效度条件下，考察客观测量的睡眠时长、身体活动与执行功能表现在一整个学年（约9个月）内的纵向关联。研究通过可穿戴设备（Fitbit Charge 6）捕捉自由生活条件下的连续行为数据，反映了青少年的自然日常作息。我们评估了执行功能的三个核心领域：抑制控制、持续注意和工作记忆。基于先前元分析的领域特异性效应以及身体活动作为昼夜节律调节器的机制可能性，我们假设：(1) 较高的身体活动水平将预测更快的反应时、更高的准确率和更少的注意力失误；(2) 身体活动与执行功能的关系在高活动量亚组中尤为明显。
2. 材料与方法
2.1. 参与者
共有168名西班牙青少年（年龄13-16岁）参与了这项纵向研究。参与者佩戴Fitbit Charge 6设备，在基线（M1；2024年9月）和随访（M2；2025年6月）两个时间点，各进行为期7天的睡眠和每日步数监测。执行功能通过三项经过验证的任务进行评估：斯特鲁普（Stroop）任务（抑制控制）、简易精神运动警觉任务（Psychomotor Vigilance Task-Brief, PVT-B；持续注意）和节奏听觉序列加法测试（Paced Auditory Serial Addition Test, PASAT；工作记忆）。
2.2. 结果与工具
睡眠时长和日常步数由Fitbit Charge 6设备客观测量。参与者基于平均睡眠时长（中位数7.26小时/晚）和平均每日步数（中位数9650步/天）的中位数分割，分别被分为“高睡眠/低睡眠”组和“高身体活动（High_PA）/低身体活动（Low_PA）”组。
2.3. 程序与统计分析
研究采用纵向观察设计。数据分析使用线性混合模型（Linear Mixed Models, LMM）进行，以处理不平衡纵向数据和缺失观测值。模型中纳入了“组别”（高/低活动或高/低睡眠）和“时间”（M1/M2）作为固定因素及其交互项，并将参与者ID作为随机截距。统计显著性设定为p < 0.05。此外，还进行了灵敏度分析，以临床阈值（≥10,000步/天；≥8小时/晚）和连续标准化预测因子（z分数）检验了研究结果的稳健性。
3. 结果
睡眠时长的作用
研究结果显示，睡眠时长对各执行功能领域均无显著主效应（所有p > 0.05）。无论是基于中位数分组还是回归分析，睡眠时长与持续注意（PVT-B反应时）和抑制控制（Stroop反应时）均无显著关联。回归线在图示中呈现近乎平坦的趋势。此外，尽管观察到显著的“时间”主效应（如PASAT任务反应时和准确率的显著提升），但这主要反映了练习效应，而非睡眠的影响。
身体活动的作用
与睡眠不同，身体活动是执行功能表现的重要预测因子。高身体活动组在抑制控制（Stroop反应时，p = 0.007）和持续注意（PVT-B失误次数，p = 0.014）方面表现更优，工作记忆准确性也更高（PASAT，p = 0.043）。
线性回归分析进一步证实，在总样本中，更高的每日步数显著预测了更快的持续注意反应时（r = -0.173, p = 0.002），这种关系主要由高活动量组驱动。然而，一个意外的发现是，在低活动量组中，每日步数与Stroop反应时呈正相关（r = 0.181, p = 0.027），意味着在该亚组中，更高的步数反而与更慢的抑制控制相关，这一结果需谨慎解读，可能反映了混杂因素或适应性差异。
灵敏度分析（使用临床阈值和连续预测因子）确认了这些身体活动-执行功能关联的稳健性，它们并非源于特定的分组标准。
4. 讨论
4.1. 睡眠时长与执行功能：对无效结果的解读
平均睡眠时长未能预测执行功能表现。这一无效发现与“领域特异性脆弱性”框架相符，该框架认为认知灵活性比抑制控制或工作记忆对睡眠不足更敏感。该结果不应被解释为睡眠对认知不重要，而是说明“时长”这一单一指标可能不足以捕捉与执行功能最相关的睡眠过程。方法论因素包括：未考虑夜间变异性、昼夜节律失调（如社交时差）；样本平均睡眠时长范围受限（M1: 7.47 ± 0.83小时），未包含严重睡眠不足者；任务准确率接近天花板（>98%）；以及可能存在未测量的混杂变量。
4.2. 身体活动作为执行功能表现的稳健预测因子
身体活动是多个执行功能结果的显著预测因子。高身体活动组表现出更快的抑制控制反应时、更少的注意失误和更高的工作记忆准确率。每日步数与反应时之间的线性关系，尤其是在高活动量组中，表明习惯性从事较高水平身体活动的青少年发展出了更高效的神经处理过程。该关联与“运动诱导的神经可塑性”模型一致，该模型认为长期身体活动可促进神经生物学适应并增强神经效率。然而，必须考虑到反向因果关系的可能性：执行功能较好的青少年可能通过更佳的自我调节和计划能力，更好地维持规律的身体活动。
在低活动量组中观察到的“每日步数与更慢的抑制控制”之间的正相关，效应量虽小但需审慎解释。这可能是由于不习惯的运动对体能不佳个体的暂时性影响、神经基础不足、或与恢复不足相关的竞争需求，也可能是未被测得的第三变量所致。该模式与U型模型一致，即中等强度的习惯性身体活动有益，而不活动和偶发高强度活动则可能效果不佳。
4.3. 研究优势、局限性与未来方向
本研究优势在于将消费级可穿戴技术与纵向认知评估相结合，在生态效度的学校环境中进行。使用线性混合模型（LMM）处理存在缺失值的纵向数据是方法学上的一个优点。
局限包括：采用中位数分割创建活动/睡眠分组可能过于简单，但灵敏度分析支持了结果的稳健性；仅依赖睡眠时长指标，忽略了睡眠时机、效率、结构等其他关键维度；观察性设计无法推断因果关系；未控制潜在的混杂或中介变量（如BDNF水平、社会经济地位）；样本存在练习效应，可能掩盖细微变化；研究结论可能受限于西班牙青少年的特定文化背景。
4.4. 实际应用
研究揭示的身体活动与执行功能之间的稳健关联，对西班牙乃至全球的中学教育政策具有直接启示。鉴于西班牙青少年在校期间高达78%的时间处于久坐状态，将基于运动的干预措施整合到学校日程中，可能在不牺牲教学时间的前提下，带来认知红利。循证策略包括：
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活动间歇：在课间实施短暂（5-10分钟）的中等强度身体活动。机制上，这类活动可增强脑血流和神经效率，有助于恢复因长时间认知努力而耗竭的注意力资源。
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积极通勤：鼓励步行或骑自行车上学。
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课程整合运动：在课程计划中融入动觉学习活动。
5. 结论
本纵向研究表明，在西班牙青少年中，习惯性身体活动与更好的执行功能表现（特别是抑制控制和持续注意）相关。相比之下，平均7天的睡眠时长与执行功能结果无显著关联。这些无效发现很可能反映了睡眠-认知关系的复杂性，其影响超越了总时长，涵盖了睡眠时机、夜间变异性和昼夜节律一致性。未来研究应超越单纯睡眠时长，考察昼夜节律同步性和睡眠结构。同时，需要通过随机对照试验来确认观察到的身体活动-执行功能关联是否反映了可用来促进青少年认知发展的因果关系。总之，在真实的学校生活条件下，习惯性身体活动比单纯的睡眠时长，表现出与执行功能更强、更可操作的关联。
