Понятие и структура исполнительных функций, их роль в жизни человека
Способность контролировать мысли и действия значительно различается у представителей Homo sapiens. Поведение некоторых индивидов в значительной мере детерминировано импульсами, что приводит к снижению эффективности регуляции поведения. Саморегуляция формируется с раннего детства и может быть предиктором множества показателей здоровья, уровня жизни и преступности на протяжении многих десятилетий жизни (Moffitt et al., 2011). Известно, что уровень саморегуляции связан с академическими результатами у детей независимо от показателей общего интеллекта, в частности, он является значимым коррелятом как ранних математических способностей, так и способностей, связанных с чтением (Blair, Razza, 2007). Исследователи тем самым подтверждают тезис о том, что показатели саморегуляции в большей степени, чем IQ или социально-экономический статус, обладают прогностической силой в отношении благосостояния и качества жизни в зрелом возрасте (Diamond, 2013). Когнитивным источником поведенческой саморегуляции являются исполнительные функции, которые Ф. Моррисон и коллеги связывают с реализацией и проявлением когнитивных процессов в поведении (Morrison, Ponitz, McClelland, 2010).
С позиции когнитивной психологии, исполнительные функции можно определить как семейство сходных, но разделимых когнитивных процессов, образующих систему контроля. Основной функцией данной системы является осуществление регуляции психических функций низшего уровня и обеспечение выработки адаптивных когнитивно-поведенческих схем, лежащих в основе целенаправленного поведения (Friedman et al., 2008; Perrotta, 2019). Традиционная структура исполнительных функций включает тормозной контроль (торможение), рабочую память (обновление) и когнитивную гибкость. Предполагается, что тормозной контроль служит центральной опорой всей системы исполнительных функций, обеспечивая способность человека достигать когнитивных целей путем подавления преобладающих реакций, которые не соответствуют актуальной задаче (Miyake et al., 2000). Рабочая память в данной концепции рассматривается как подсистема, обеспечивающая выполнение когнитивных задач. Она обеспечивает возможность оперировать информацией, непосредственно не представленной в восприятии. Когнитивная гибкость, в свою очередь, заключается в переключении между задачами и может рассматриваться, с одной стороны, как отдельный феномен, а с другой — как результат взаимодействия торможения и рабочей памяти, тем самым представляя собой податливую форму контроля, которая адаптируется к изменениям в контексте окружающей среды (Wei et al., 2024).
На данный момент, целесообразно выделить два направления экспериментальных программ, связанных с повышением показателей исполнительных функций. К ним относят исследования, связанные с изучением эффекта когнитивных и физических упражнений (Diamond, 2013; Ishihara et al., 2021). Данные направления отличаются множеством опубликованных данных в систематических обзорах и метаанализах. Показано, что эффективность применения программ, направленных на развитие исполнительных функций, зависит от исходного значения их показателей. Применительно к программам, основанным на двигательной активности, предполагается, что целенаправленная физическая активность обусловливает «оздоровление» и способствует нормальному функционированию организма. Однако, по-видимому, эффект ограничен и не является стимулирующим фактором в случае высоких когнитивных показателей (Diamond, Lee, 2011), аналогично с когнитивными упражнениями, которые могут сгладить эффект когнитивной депривации, характеризующейся сниженным уровнем когнитивной стимуляции во время сензитивных периодов развития, но их эффект также ограничен (Thompson, Steinbeis, 2020).
Исследования, связанные с изучением эффекта когнитивных упражнений на исполнительные функции
Существуют основания полагать, что деятельность человека, его опыт и профессия приводят к структурным изменениям мозговой активности. Как правило, причиной тому служит специфика когнитивной деятельности, составляющей наиболее значительный период жизни человека. Изменения наблюдаются и в префронтальной коре, а значит, сказываются, в том числе, и на исполнительных функциях (Au et al., 2015). Систематический обзор Д. Реийндерс и коллег, оценивающий эффективность когнитивных тренировок, показал, что они связаны с улучшением различных показателей когнитивных процессов: производительности памяти, исполнительных функций, скорости обработки информации, внимания и флюидного интеллекта (Reijnders, van Heugten, van Boxtel, 2013).
В этой связи наиболее перспективной методикой когнитивной тренировки может являться применение вычислительного мышления, включающего семейство мыслительных операций, связанных с использованием вычислительных шагов и алгоритмов в решении задач. Предполагается, что обучение вычислительному мышлению, помимо улучшения навыков работы с компьютером, улучшает и исполнительные функции. Данная гипотеза соответствует теоретическим разработкам, поскольку исполнительные функции и вычислительное мышление основаны на совпадающих когнитивных и нейронных процессах. Выводы Робледо-Кастро и коллег позволяют подтвердить, что применение вычислительного мышления обеспечивает прирост результатов в показателях визуально-пространственной рабочей памяти, когнитивного торможения и последовательного мышления. Однако в показателях вербальной рабочей памяти и визуально-пространственного планирования изменений не выявлено (Robledo-Castro, Hederich-Martínez, Castillo-Ossa, 2023).
Оперирование двумя языками в течение всей жизни также рассматривается в качестве своеобразной когнитивной тренировки. Однако продолжаются дебаты относительно того, как и в какой степени практика попеременного пользования двумя языками влияет на исполнительные функции. Многочисленные публикации показывают, что билингвы испытывают замедленное когнитивное старение по сравнению с монолингвами, однако также опубликованы работы, в которых подобный эффект не был выявлен (Antoniou, 2019). Актуальные результаты исследования А. Юртсевера и коллег позволяют подтвердить положительное влияние двуязычия на исполнительные функции, но нельзя не отметить некоторые методологические проблемы. Предполагается, что когнитивно-стимулирующие виды деятельности (обучение, игра на музыкальном инструменте, владение двумя языками) приводят к изменениям в нейропластичности, однако их эффект может накладываться друг на друга и, как следствие, маскироваться, если у испытуемого наблюдается разнообразный жизненный опыт в результате нескольких причин (Yurtsever, Anderson, Grundy, 2023). Предполагается, что эффект билингвизма варьируется в зависимости от возраста, и сложнее всего он обнаруживается у молодых людей, чьи когнитивные способности, включая исполнительные функции, находятся на пике — «эффекте потолка». Особенно это наблюдается при использовании недостаточно чувствительных методов тестирования когнитивных функций (Antoniou, 2019).
Исследования, связанные с изучением эффекта физических упражнений на исполнительные функции
Идея связи двигательных и когнитивных способностей уходит корнями в теорию Ж. Пиаже о том, что сенсорные и моторные процессы играют важную роль в развитии интеллекта и лежат в основе первой стадии развития мышления (Piaget, 1952). В совокупности актуальные данные исследований позволяют утверждать, что гипотеза о взаимосвязи между двигательными навыками, физической активностью, когнитивными способностями и академическими результатами подтверждается, однако конкретные взаимосвязи между этими элементами остаются неясными (Zhou, Tolmie, 2024). Стоит отметить, что, несмотря на то что основные физиологические преимущества физических упражнений описаны и систематизированы, связь применяемых программ физических упражнений с результатами когнитивной деятельности не является убедительной. В том числе отсутствует единая концепция, признанная в научном сообществе, которая интегрировала бы актуальные эмпирические данные из различных областей нейронауки. Как правило, исследователи ограничиваются данными о том, что двигательное и когнитивное развитие неразрывно связаны, предлагая некоторые гипотезы, раскрывающие причины и следствия этих отношений.
Рассматривая результаты исследований о влиянии физической активности на основные структурные элементы исполнительных функций, стоит отметить противоречия в данных. В качестве примера приведем заключения из некоторых актуальных публикаций. С. Хсиех и коллеги утверждают, что когнитивные преимущества, обусловленные однократными высокоинтенсивными интервальными тренировками, связаны с функцией торможения, как у детей, так и у взрослых. Положительное влияние регулярных высокоинтенсивных интервальных тренировок исследователи наблюдали в отношении функций торможения и рабочей памяти преимущественно у детей (Hsieh et al., 2021). В свою очередь, результаты С. Лиу и коллег свидетельствуют о том, что однократные и регулярные упражнения стимулируют развитие функций, связанных не только с торможением, но и с рабочей памятью и когнитивной гибкостью (Liu et al., 2020).
Также важным является вопрос о продолжительности и характере физической активности, оказывающей наибольший эффект на исполнительные функции (Ho et al., 2024). И. Веи и коллеги, изучая влияние физической активности на улучшение исполнительных функций у детей, показали, что наиболее выраженный эффект наблюдается при продолжительности физической активности свыше 12 недель и варьируется в зависимости от модерирующих переменных (Wei et al., 2024). Аналогичные исследования также позволяют заключить, что эффективные программы когнитивного развития характеризуются значительным периодом физической активности, а также связаны с высокой частотой и продолжительностью сеансов двигательных упражнений.
Рассматривая данные о влиянии характера физической активности, в первую очередь стоит отметить, что целенаправленное изучение новых и координационно трудных упражнений, вероятно, имеет более выраженный эффект на когнитивное развитие по сравнению с циклическими повторяющимися упражнениями (Ishihara et al., 2021). Фенг-Тзу Чен и коллеги на выборке пожилых людей получили данные о том, что для развития исполнительных функций предпочтительно, применительно к недельному циклу, использовать тренировочные сессии продолжительностью 3—4 раза в неделю. Исследователи отмечают, что частота тренировок 1—2 раза в неделю характеризуется меньшей эффективностью (Chen et al., 2020).
Однако некоторые полученные данные позволяют сделать важные выводы: показано, что положительный эффект физической активности на исполнительные функции выражен сильнее у испытуемых с более низкими результатами в когнитивных задачах до начала тестирования (Chen et al., 2024a). Т. Ишихара и коллеги отмечают, что несмотря на то, что более трети включенных в анализ исследований не смогли обнаружить благоприятного воздействия единовременных аэробных упражнений на исполнительные функции, суммарная совокупность исследовательских данных свидетельствует о том, что гипотеза подтверждается (Ishihara et al., 2021). В соответствие с этим, особое значение имеет целенаправленное использование физической активности для развития исполнительных функций, когда диагносцирован когнитивный дефицит.
Х. Чен и коллеги, в свою очередь, представили данные о значимом влиянии спортивных игр на когнитивные функции у детей с выраженным и всесторонним дефицитом социального взаимодействия и общения. После восьми недель вмешательства у детей с аутизмом наблюдались улучшение показателей исполнительных функций и значительные изменения нейронной активности во время решения задач в префронтальной коре, а также увеличение функциональной связности областей мозга в состоянии покоя после программы физических упражнений по сравнению с состоянием до вмешательства. Отметим, что исполнительная дисфункция является распространенной проблемой у детей с диагнозом расстройства аутистического спектра, что подчеркивает роль целенаправленного воздействия на ее развитие (Chen et al., 2024b).
В этой связи использование физических упражнений имеет значительный положительный эффект для пожилых людей. Показано, что исполнительные функции и двигательные навыки взаимосвязаны на протяжении всего процесса старения и часто демонстрируют одновременное ухудшение у пожилых людей с когнитивными нарушениями (Embon-Magal et al., 2022). Важно отметить, что полученные данные для этой возрастной категории наиболее убедительно свидетельствуют о том, что физическая активность обусловливает рост показателей всех элементов структуры исполнительных функций: торможения, рабочей памяти и когнитивной гибкости.
Физиологическое обоснование влияния физической активности на когнитивные способности связано с изменением структуры и функций мозга. Предполагается, что физическая активность приводит к увеличению объема гиппокампа и базальных ганглиев, а также является фактором большей целостности белого вещества (Larson, 2020). Вероятной причиной является улучшенный мозговой кровоток, стимулирующий нейрогенез, синаптогенез и ангиогенез. Исследователи отмечают, что связь между выживанием, дифференцировкой, ростом нейронов и увеличением кровотока во время сердечно-сосудистых упражнений обусловлена высвобождением нейротрофического фактора мозга (BDNF) (de Vargas et al., 2017). BDNF также улучшает синаптическую связь и передачу данных, изменяя морфологию постсинаптических нейронов (De Nys et al., 2022). Даже один сеанс упражнений средней и высокой интенсивности повышает уровень BDNF в областях, связанных с обучением и памятью. После однократной интенсивной физической нагрузки уровень BDNF увеличивается на короткий период времени, что исследователи связывают с повышением уровня возбуждения, внимания и воли, а также с эффективностью выполнения когнитивных задач (Kashihara et al., 2009). К. Кашихара и др. также отмечают, что зависимость может носить U-образный характер: умеренные физические нагрузки улучшают когнитивные функции, а упражнения высокой интенсивности, превышающей оптимальную, снижают работоспособность. Оптимальная интенсивность физических упражнений для когнитивных функций может быть тесно связана с анаэробным порогом (Kashihara et al., 2009).
Б.М. Оспина и Н. Кадавид-Руис свидетельствуют о том, что 30-минутная физическая нагрузка высокой или средней интенсивности оказывает различный эффект в зависимости от уровня физической активности испытуемых. Исследователи приводят данные о том, что регулярные занятия спортом у молодых людей связаны с регистрацией более низкого уровня выработки и высвобождения BDNF в сыворотке крови по сравнению с молодыми людьми с выраженной гиподинамией. Предполагается, что более высокий уровень физической подготовки может быть связан с улучшением чувствительности к BDNF и BDNF-TrkB (Ospina, Cadavid-Ruiz, 2024). Б.М. Оспина и Н. Кадавид-Руис также отмечают, что физические упражнения могут стимулировать переход BDNF через гематоэнцефалический барьер, что объясняет снижение периферических уровней BDNF у лиц, регулярно занимающихся умеренными кардионагрузками. По их мнению, одним из наиболее сложных для интерпретации (из-за противоречивых данных предыдущих исследований) является модерирующая роль возраста, пола и состояния здоровья. В работе исследователей подробно анализируются исследования с противоречивыми выводами (Ospina, Cadavid-Ruiz, 2024).
Рассматривая влияние физических упражнений на исполнительные функции, также важно остановится на их косвенной взаимосвязи. Во-первых, наблюдается высокий потенциал физической активности как средства регуляции настроения. Специалисты показали, что повышение уровня ежедневной физической активности у студентов оказывает влияние на снижение интенсивности отрицательных эмоций, что является фактором уменьшения уровня тревоги и стресса, в результате чего наблюдается улучшение психологического благополучия и, как следствие, увеличение показателей исполнительных функций (Ren et al., 2024). Двунаправленная связь в свою очередь, обеспечивает увеличение эффекта, так как рост показателей эффективности также способствует таким позитивным эмоциям, как оптимизм, надежда, удовлетворение от достижений.
Во-вторых, важным модератором связи является фактор сна. Его низкое качество вместе с высокими показателями гиподинамии являются одними из самых больших факторов риска снижения когнитивных функций, связанных с образом жизни. К. Севелл и коллеги отмечают, что сон и физическая активность влияют на исполнительные функции как через общие, так и отдельные пути. Исследователи предполагают, что физическая активность может смягчить некоторые негативные последствия низкого качества сна для когнитивной функции и, таким образом, может быть эффективной терапевтической стратегией улучшения познавательных функций (Sewell et al., 2021).
В-третьих, физическая активность является неотъемлемой частью поведенческих паттернов, оказывающих позитивное влияние на развитие исполнительных функций. В частности, в дошкольном возрасте косвенное влияние двигательной активности может быть обусловлено ее включением в игровую деятельность. Подвижные игры — важный элемент ведущей деятельности дошкольников, что определяет интерес к изучению роли движений в когнитивном развитии (Wei et al., 2024).
Исследования, связанные с изучением влияния синергии физических и когнитивных упражнений на исполнительные функции
К перспективным средствам развития исполнительных функций относят программы физического воспитания, ядром которых является эффект сопряженного воздействия когнитивных и физических упражнений. Предполагается, что интеграция когнитивных задач в программы физического воспитания позволит объединить два основных метода развития исполнительных функций, что ценно с позиции практического применения инновационных программ физического воспитания в образовательных учреждениях. Фан Мао и коллеги подтверждают тезис о том, что сопряженное воздействие когнитивной и физической активности оказывает небольшое, но значимое положительное влияние на исполнительные функции у детей и подростков, особенно на тормозной контроль (Mao et al., 2024). Преимуществом двигательно-когнитивной тренировки с включенными когнитивными задачами является стимуляция нескольких сенсорных систем (благодаря выполнению когнитивных и двигательных задач в один и тот же момент времени) (Herold et al., 2018).
Представлены данные о том, что образовательная среда, в которой обучающийся решает когнитивно-сложные задачи в процессе двигательной активности, имеет более выраженный эффект на прирост исполнительных функций по сравнению с повторяющимися, однотипными упражнениями. Это стимулирует исследователей к изучению синергии когнитивных и физических упражнений. П. Калока и коллеги показали, что двигательная активность, сопряженная с ситуацией выбора, необходимостью решения проблемных задачи и реакцией на изменяющиеся стимулы более эффективна для стимулирования исполнительных функций. В частности, школьники, участвовавшие в физических играх с описанными выше характеристиками, получили более высокие баллы в решении когнитивных задач, чем те, кто участвовал в занятиях по футболу или легкой атлетике (Kaloka et al., 2024).
Исследователи также делают важное замечание о том, что активность, связанная с новыми упражнениями, обусловливает повышенный интерес у обучающихся, таким образом, предполагается, что они в большей степени вовлекаются как в физическую активность, так и в когнитивную деятельность, которая ее сопровождает. Соответственно, это может сказываться на увеличении развивающего эффекта данных упражнений.
Ф. Хэрольд и др. предлагают классифицировать двигательно-когнитивные упражнения по двум категориям: (I) последовательное двигательно-когнитивное упражнение (двигательная и когнитивная тренировка проводятся с разницей во времени) и (II) одновременное двигательно-когнитивное упражнение. В частности, одновременные двигательно-когнитивные упражнения предлагается подразделять на две категории. Если успешное решение когнитивной задачи не связано с выполнением моторно-когнитивной задачи, этот тип исследователи называют моторно-когнитивной тренировкой с дополнительной когнитивной задачей (IIa). Напротив, если решение когнитивной задачи является необходимым для решения моторно-когнитивной задачи, такой тип указывается как моторно-когнитивная тренировка с включенной когнитивной задачей (IIb). Как отмечают исследователи, интеграция когнитивных задач в двигательные упражнения является наиболее многообещающей, и она более эффективна по сравнению с отдельной тренировкой когнитивных и физических функций (Herold et al., 2018).
Социальное взаимодействие также является важным фактором, оказывающим как прямое, так и косвенное влияние на формирование исполнительных функций. Прогнозирование поведения, проявление эмпатии, анализ намерений непосредственно связаны с работой исполнительных функций. Совместные действия, которые способствуют формированию социальной общности и предъявляют познавательные задачи, также обладают значительной эффективностью в повышении мотивации и удовольствия от игровой деятельности, что обусловливает формирование устойчивого интереса к игровым взаимодействиям и обеспечивает большие когнитивные преимущества (Wei et al., 2024).
На данный момент все популярнее становится применение видеоигр, направленных на проявление физически активных действий, что обусловливает активное развитие фиджитал-технологий (Aminov et al., 2018). С учетом простоты их использования в клинических или домашних условиях и относительно низких затрат, данные методы могут оптимизировать использование ресурсов здравоохранения. Решение когнитивных задач с применением технологий виртуальной реальности имеет несколько преимуществ по сравнению с обычным применением компьютерных программ. Технологии виртуальной реальности позволяют создавать когнитивные задачи, вовлекающие более широкий спектр исполнительных функций, обеспечивая возможность их решения с помощью двигательных действий. Фиджитал-технологии в том числе имеют более высокий потенциал создания увлекательных упражнений, ориентированных на пациента, с учетом относительно недорогих затрат на их разработку и применение в системе здравоохранения. Основным технологическим преимуществом служит мультисенсорная обратная связь, которая позволяет создавать приближенные к реальности задачи с возможностью их многократного решения (Wei et al., 2024).
Актуальные исследования свидетельствуют о том, что применение средств виртуальной реальности является эффективной формой организации двигательно-когнитивных задач для улучшения исполнительных функций и увеличения физических кондиций. Данная технология хорошо переносится и принимается пожилыми людьми с когнитивными дефицитами, о чем свидетельствует высокая посещаемость занятий и незначительные симптомы VR-болезни. Однако долгосрочные эффекты их применения на уровне повседневной жизни остаются неясными (Kwan et al., 2024).
Заключение
Мы обсудили вопрос о том, какие проблемы развития исполнительных функций рассматриваются в современных зарубежных исследованиях. На данный момент целесообразно выделить два основных направления исследований, изучающих методы развития исполнительных функций. Первое направление связано с изучением эффекта влияния когнитивных упражнений на исполнительные функции. Предполагается, что наиболее перспективной методикой когнитивной тренировки может стать применение вычислительного мышления, включающего семейство мыслительных операций, которые связаны с использованием вычислительных шагов и алгоритмов в решении задач. Актуальной проблемой также является применение современных технологических средств, обеспечивающих тренировку когнитивных способностей. В частности, ведется активная работа над использованием технологии виртуальной реальности, как средства вовлечения множества сенсорных систем в решение когнитивных задач. Второе направление исследует влияние физических упражнений на исполнительные функции. Среди ключевых параметров, определяющих положительный эффект, выделяются продолжительность и характер активности, а также исходный уровень когнитивных показателей. Физиологический механизм влияния физической активности исследователи связывают со структурными изменениями в мозге, возникающими в результате повышенной выработки BDNF. Кроме того, положительный эффект физических упражнений может быть опосредован улучшением настроения, качества сна и формированием положительных поведенческих паттернов.
Перспективным направлением в развитии исполнительных функций является подход, предполагающий сопряжение физической и когнитивной активности. Включение когнитивных задач в программы физического воспитания позволяет объединить два основных метода развития исполнительных функций, что ценно для практического применения в образовательных учреждениях. Ключевым фактором эффективности является не простое сочетание, а интеграция в формате одновременного выполнения, когда двигательное действие непосредственно связано с решением когнитивной задачи. Перспективным инструментом для реализации такого подхода становятся фиджитал-технологии и VR, позволяющие создавать комплексные, вовлекающие и адаптивные среды.
Ограничения.
Данное исследование имеет несколько ограничений. Во-первых, варьируются параметры двигательной активности (длительность, интенсивность, тип упражнений), методы оценки исполнительных функций и характеристики выборок. Это ограничивает возможность прямого сопоставления результатов исследований и проведения количественного анализа данных. Во-вторых, значительная часть исследований сосредоточена на краткосрочных эффектах когнитивных и физических тренировок, тогда как долгосрочные эффекты остаются недостаточно изученными. В-третьих, в литературе, включённой в анализ, отсутствует единая концептуальная модель, интегрирующая различные механизмы влияния физической и когнитивной активности на исполнительные функции. Разрозненность теоретических подходов затрудняет интерпретацию результатов. В-четвёртых, выборка исследований преимущественно представлена детскими и пожилыми возрастными группами, а также выборками с когнитивными нарушениями. Данные о развитии исполнительных функций у здоровых взрослых представлены фрагментарно.
Limitations.
This study has several limitations. First, the parameters of motor activity (duration, intensity, type of exercise), methods of evaluating executive functions, and characteristics of samples vary. This limits the possibility of direct comparison of research results and quantitative data analysis. Secondly, much of the research focuses on the short-term effects of cognitive and physical training, while the long-term effects remain poorly understood. Thirdly, there is no single conceptual model in the literature included in the analysis that integrates the various mechanisms of the influence of physical and cognitive activity on executive functions. The disparity of theoretical approaches makes it difficult to interpret the results. Fourth, the research sample is predominantly represented by children and the elderly, as well as samples with cognitive impairments. Data on the development of executive functions in healthy adults are presented fragmentally.