孟國正，葛春林，岳曉燕

1 前言

隨著認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的飛速發(fā)展，為運動心理學(xué)的研究拓展了新視野，特別是磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術(shù)的出現(xiàn)，通過掃描提供高分辨率的大腦結(jié)構(gòu)圖像，將神經(jīng)機(jī)制的研究進(jìn)一步深入，也為運動腦功能研究提供新的途徑。許多研究者開始從動態(tài)的視角關(guān)注人類大腦的結(jié)構(gòu)、功能變化，提出大腦可塑性這個概念。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究者將大腦結(jié)構(gòu)可塑性界定為大腦改變其結(jié)構(gòu)的能力，認(rèn)為人類受到學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和經(jīng)驗等因素的影響，大腦皮層會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變化[17]。這種結(jié)構(gòu)的改變包括宏觀和微觀層面，從宏觀層面上講，由于學(xué)習(xí)和訓(xùn)練可以引起大腦結(jié)構(gòu)的改變包括腦重、皮層厚度和腦區(qū)溝回面積的變化等等；從微觀層面上講，因?qū)W習(xí)和訓(xùn)練引起的大腦結(jié)構(gòu)的改變包括樹突長度的增加、樹突棘密度和神經(jīng)元數(shù)量的改變以及大腦皮層新陳代謝的變化等等[7]。大量認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究顯示，在動物和人類發(fā)展的進(jìn)程中，大腦結(jié)構(gòu)具有一定的可塑性[26]。不僅動物在視覺、聽覺、感覺皮層存在可塑性[6，21]，人類的視覺、軀體感覺皮層也存在可塑性，并且在人類的語言、記憶以及運動技能學(xué)習(xí)等高級認(rèn)知領(lǐng)域也同樣存在可塑性[13，18]。

1.College of Physical Education，Henan Normal University， Xinxiang 453007，China；2.Beijing Sport University，Beijing 100084，China.

生態(tài)學(xué)的研究證明，隨著進(jìn)化人類大腦會產(chǎn)生功能的適應(yīng)和可塑性變化[15，24]。人類的大腦和身體存在著親密無間的交互作用，因此，理解運動中大腦的活動非常重要。運動中大腦的活動是兩方面的過程，一方面，運動員的行為改變了大腦，另一方面，大腦又改變了運動員的行為。諾貝爾獎獲得者Eric Kandel研究顯示，當(dāng)人類學(xué)習(xí)新的技術(shù)動作時，會影響到大腦神經(jīng)元基因的轉(zhuǎn)錄。因此，通過動作技能學(xué)習(xí)可以在某種程度上塑造基因，轉(zhuǎn)而會塑造人類大腦的微觀解剖結(jié)構(gòu)[23]。

運動員在動作執(zhí)行過程中準(zhǔn)確、高效、協(xié)調(diào)、自動化，這種超強(qiáng)的運動能力是經(jīng)過多年的動作技能學(xué)習(xí)和訓(xùn)練獲得的。運動員的神經(jīng)細(xì)胞可以產(chǎn)生適應(yīng)性的可塑性結(jié)構(gòu)改變的神經(jīng)機(jī)制已經(jīng)被認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的證據(jù)證實[11-12，14，19]。優(yōu)秀排球運動員是經(jīng)過多年動作技能學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練的人群，其動作技能和運動經(jīng)驗已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通人，從決策行為測試的研究結(jié)果可以看出，運動員不但決策速度快，而且決策準(zhǔn)確性高[1]，反映出經(jīng)過多年動作技能學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練，運動員的動作技能水平明顯優(yōu)于普通人。從人類大腦和身體的交互作用可以看出，運動員行為水平的提高將會對大腦的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。那么，經(jīng)過多年動作技能學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練的優(yōu)秀排球運動員的大腦結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生可塑性變化呢?基于此，本研究采用磁共振成像技術(shù)對優(yōu)秀排球運動員的大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，探討多年動作技能學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練對優(yōu)秀排球運動員大腦神經(jīng)機(jī)制產(chǎn)生的影響。本研究選取國家一級排球運動員和普通大學(xué)生作為被試，研究假設(shè)多年的動作技能學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練會對優(yōu)秀排球運動員大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生適應(yīng)性可塑性變化，優(yōu)秀排球運動員的大腦結(jié)構(gòu)不同于普通大學(xué)生，其差異是與運動經(jīng)驗相關(guān)的腦區(qū)。

2 研究方法

2.1 被試

本研究招募了兩組被試，一組為運動員組，另一組為對照組，運動員組的要求為國家一級排球?qū)I(yè)運動員，控制組的招募要求是沒有任何業(yè)余或?qū)I(yè)的運動訓(xùn)練且身體健康者，控制組被試在性別、年齡上與運動員組進(jìn)行匹配。運動員組共20名，男女各10人，均為國家一級排球運動員，均為北京體育大學(xué)運動排球隊運動員，平均年齡21.45±1.19，專業(yè)訓(xùn)練年限5.6±1.35；對照組共20名，男女各10人，均為北京師范大學(xué)在校大學(xué)生，平均年齡21.4±1.14歲。視力或矯正視力正常且不是色盲或色弱[2]。與此同時，每個被試都完成了一個愛丁堡利手測驗[20]，確保他們均為右利手。本研究所有被試要求身體健康、無藥物依賴病史、精神病史、腦外傷史、神經(jīng)病史及家族史。在實驗之前，所有被試都被告知實驗的目的和方法，并在《被試知情同意書》上簽字確認(rèn)。同時，也對這批被試進(jìn)行了磁共振實驗安全篩查，以排除視力或聽力障礙、身體受傷、有金屬植入、腦部創(chuàng)傷、幽閉恐懼的被試個體，實驗結(jié)束后，被試得到一定物質(zhì)報酬。

2.2 MRI掃描

本實驗所用的磁共振儀器為北京宣武醫(yī)院磁共振中心的一臺西門子3T Trio-TIM磁共振成像系統(tǒng)（Siemens Magnetom Trio 3.0T），用于采集結(jié)構(gòu)像。被試實驗時仰臥，頭部用耳機(jī)和頭部線圈之間的海綿墊固定以減少頭部運動。采集標(biāo)準(zhǔn)全腦高分辨率 3D圖像，掃描采用 T1-weighted MP-RAGE序列，掃描參數(shù)為：TR=2 500 ms，TE =2.15 ms，F(xiàn)A=9°。掃描采用矢狀切面，F(xiàn)OV=512 mm ×512 mm，像素矩陣=512×512。厚層=1 mm，無間隔，掃描層數(shù)176層，分辨率0.5 mm×0.5 mm×1 mm。

2.3 結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)分析

采用基于體素的形態(tài)測量學(xué)（voxel-based morphometry，VBM）工具箱分析結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)。VBM是一種基于像素對腦結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行自動、全面、客觀的分析技術(shù)，可定量檢測組織成分的密度。在本研究結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)分析中，采用MATLAB平臺下基于SPM 8的VBM 8工具箱進(jìn)行VBM分析。

數(shù)據(jù)分析主要步驟為：首先采用 SPM 8中的DICOM Import工具箱將所有的DICOM格式的結(jié)構(gòu)像轉(zhuǎn)換為SPM可以識別的N IFTI格式圖像；對每個個體的原始圖像進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化到 Montrcal Neurological Institute（MN I）模板上，接著將這些標(biāo)準(zhǔn)化了的圖像分別分割成灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液，最后用FWHM=8 mm的高斯核對圖像進(jìn)行平滑；對所有分隔過的灰質(zhì)圖像、白質(zhì)圖像和腦脊液圖像進(jìn)行平均，創(chuàng)建各自的模板；進(jìn)行灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液的最優(yōu)空間標(biāo)準(zhǔn)化，然后，將最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)化了的圖像繼續(xù)分割成灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液，同時去除掉非腦結(jié)構(gòu)組織；將Jacobi調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)化方法應(yīng)用到灰質(zhì)圖像中，保留標(biāo)準(zhǔn)化后的體積；采用FWHM=8 mm的高斯核對圖像進(jìn)行平滑；分析組間全腦灰質(zhì)和白質(zhì)體積與密度的差異；采用最優(yōu)化的VBM獲取高分辨率的全腦圖像，最后處理過的圖像分辨率為1 mm×1 mm×1 mm。

2.4 皮層厚度數(shù)據(jù)分析

對結(jié)構(gòu)像采用Freesurfer分析軟件包進(jìn)行皮層重構(gòu)和分割。首先 Freesurfer采用一種混合分水嶺/表面變形（Hybrid Watershed/Surface Deformation）的方法將被試的腦組織從 T1圖像中提取出來，然后進(jìn)行自動的泰勒（Talairach）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，對皮下白質(zhì)和深層灰質(zhì)核團(tuán)進(jìn)行分割，分割出海馬、杏仁核、尾狀核、殼核，并對余下的大腦皮層進(jìn)行灰度標(biāo)準(zhǔn)化，然后粗略估計出灰質(zhì)和白質(zhì)分界線，并采用自動的拓?fù)鋵W(xué)校正，并根據(jù)灰度梯度最佳描繪出灰質(zhì)/白質(zhì)以及灰質(zhì)/腦脊液邊界。皮層模型完成后，采用一系列的變換方法進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，包括表面展開，將不同被試的皮層展開配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)展開模板上，根據(jù)大腦溝和回的分布對皮層分區(qū)，并生成一系列的基于皮層表面的數(shù)據(jù)，如皮層厚度等。后續(xù)的數(shù)據(jù)分析采用ROI分析方法，將 Freesurfer測量出來的皮層厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行組間方差分析，找到運動員和普通大學(xué)生皮層厚度存在顯著差異的區(qū)域。

2.5 統(tǒng)計分析

采用SPM 8中的 Two-samplet檢驗對灰質(zhì)體積和密度進(jìn)行組間比較。最后采用SVC（Small Volume Correction）進(jìn)行局部多重比較校正（P＜0.001，Voxel＞50）。統(tǒng)計結(jié)果最后在標(biāo)準(zhǔn)空間（MNI）的3D圖像上進(jìn)行投影顯示。閾值設(shè)定為20個激活簇以上，P＜0.001（未校正）。

3 研究結(jié)果

3.1 組間大腦皮層厚度對比

大腦的皮層厚度通常指的是大腦灰質(zhì)的厚度，它是由大量的神經(jīng)元細(xì)胞構(gòu)成，是人類大腦進(jìn)行信息加工處理的基礎(chǔ)。本研究采用freesurfer軟件，采用cluster校正方法，通過對運動員組和對照組的大腦皮層厚度磁共振結(jié)構(gòu)像測得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，以對照組為參照，組間皮層厚度結(jié)果顯示見圖1，運動員組在大腦右半球的枕葉外側(cè)上（sup LOC）區(qū)域（MN I：24，-82，16）的皮層厚度要顯著厚于對照組（圖2），在大腦左半球的皮層厚度不呈現(xiàn)顯著性差異，其中，運動員組在枕葉外側(cè)上區(qū)域的平均皮層厚度為2.36 mm（SD=0.10），對照組在此區(qū)域的平均皮層厚度為2.25 mm（SD=0.10），組間存在非常顯著性差異[t（38）=3.496，P＜0.001，表1]。

表1 本研究組間大腦皮層厚度比較一覽表 （n=39）

圖1 運動員組與對照組皮層厚度比較圖

圖2 運動員組大腦皮層厚度顯著高于對照組的腦區(qū)圖注：采用cluster校正，A為外側(cè)視角，B為內(nèi)側(cè)視角，中心坐標(biāo)（x=24，y=-82，z=16）。

3.2 組間大腦灰質(zhì)體積對比

以對照組作為參照，組間灰質(zhì)體積比較結(jié)果顯示 （圖3），運動員組在大腦右半球枕葉外側(cè)上（sup LOC）腦區(qū)的灰質(zhì)體積顯著高于對照組（圖4），在大腦左半球的灰質(zhì)體積不呈現(xiàn)顯著性差異，其中運動員組灰質(zhì)體積為540.92 ml（SD=122.13），對照組灰質(zhì)體積為 390.32 m l（SD= 89.88），組間存在非常顯著性差異[F（38，1）=19.927，P＜0.001，表2]。

4 討論

本研究的目的是基于磁共振成像探討優(yōu)秀排球運動員與普通大學(xué)生大腦結(jié)構(gòu)的差異，及動作技能學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練對優(yōu)秀排球運動員大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生適應(yīng)性可塑性的變化。研究結(jié)果表明，運動員組在大腦右半球的枕葉外側(cè)上腦區(qū)的皮層厚度顯著厚于對照組；運動員組在大腦右半球的枕葉外側(cè)上腦區(qū)灰質(zhì)體積顯著高于對照組，在大腦左半球的皮層厚度和灰質(zhì)體積均不呈現(xiàn)顯著性差異，該研究的結(jié)果部分證實了前期研究假設(shè)。

表2 本研究組間大腦灰質(zhì)體積比較一覽表 （n=40）

圖3 本研究運動員組與對照組大腦灰質(zhì)體積比較示意圖

圖4 本研究運動員組大腦灰質(zhì)體積顯著高于對照組的腦區(qū)圖注：圖4顯示，運動員組在枕葉外側(cè)上灰質(zhì)體積要顯著高于對照組，P＜0.001，中心坐標(biāo)（x=28，y=-70，z=28）。

從以往的研究中可以發(fā)現(xiàn)，枕葉在視覺信息加工和處理中起著重要的作用。本研究中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)秀排球運動員在枕葉外側(cè)上區(qū)域灰質(zhì)體積顯著增高的現(xiàn)象，提示該區(qū)域出現(xiàn)了與運動經(jīng)驗相關(guān)的結(jié)構(gòu)性可塑性變化。本研究招募的優(yōu)秀排球運動員是經(jīng)過多年動作技能學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練的專業(yè)人群，擁有豐富的運動經(jīng)歷和經(jīng)驗。優(yōu)秀排球運動員在運動情境中執(zhí)行動作時，其視覺搜索系統(tǒng)可以關(guān)注到重要的信息，然后經(jīng)過大腦的信息加工處理，迅速進(jìn)行判斷和決策，采取行動執(zhí)行動作，這種特殊的技能，也被稱之為專家技能。有研究顯示，高水平排球運動員在排球運動情境中進(jìn)行信息加工過程中尋找關(guān)鍵信息的能力具有明顯的優(yōu)勢[4]。很明顯，專家和新手使用的是非常不同的視覺信息加工策略[25]。經(jīng)過多年的動作技能學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練，優(yōu)秀排球運動員的肌肉和神經(jīng)聯(lián)結(jié)變得更協(xié)調(diào)，更平穩(wěn)，在排球運動情境中進(jìn)行視覺信息加工時，動作執(zhí)行更加精確、快速、清晰、有效和更加強(qiáng)有力，鞏固了大腦的神經(jīng)環(huán)路，因此，對大腦負(fù)責(zé)視覺信息加工的腦區(qū)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。事實上，這種影響已經(jīng)被許多關(guān)于動作技能學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練對大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的可塑性的研究所證實[5，9，10，16]。

本研究顯示，磁共振結(jié)構(gòu)像結(jié)果呈現(xiàn)顯著性差異的腦區(qū)位于大腦的右半球，可能與其主要功能是注意[22]和視覺空間信息加工處理[8]有著密切的聯(lián)系。人類大腦右半球的主要功能是形象思維、空間、想象、知覺功能和運動認(rèn)知活動等方面，這些都與動作技能的學(xué)習(xí)、掌握、鞏固、提高和體育比賽中的發(fā)揮有著直接的關(guān)系。有研究證實，運動員進(jìn)行認(rèn)知活動時，與右腦功能的關(guān)系十分密切[3]。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，運動員組在枕葉外側(cè)上的皮層厚度出現(xiàn)顯著性增加。枕葉主要負(fù)責(zé)視覺中樞，位于大腦后中心部位的下方，是處理視覺刺激的主要中心，又被稱為視覺皮層，枕葉在視覺信息加工及處理的執(zhí)行活動中起著重要的作用。根據(jù)以往動物和人類的研究結(jié)果，枕葉認(rèn)為是負(fù)責(zé)視覺信息加工和處理的關(guān)鍵腦區(qū)。因此，筆者認(rèn)為，運動員組和對照組在枕葉外側(cè)上的灰質(zhì)體積和皮層厚度的差異可能與優(yōu)秀排球運動員多年的動作技能學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練中進(jìn)行的視覺信息加工及處理有著密切的關(guān)系。

研究結(jié)果顯示，優(yōu)秀排球運動員在負(fù)責(zé)視覺信息加工系統(tǒng)的枕葉外側(cè)上大腦功能區(qū)出現(xiàn)灰質(zhì)體積增加和皮層增厚的現(xiàn)象，這些腦區(qū)主要功能與視覺信息加工處理密切相關(guān)。因此可以推斷，經(jīng)過多年的動作學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練，優(yōu)秀排球運動員在運動情境中進(jìn)行大量的視覺信息加工和處理，可能會導(dǎo)致負(fù)責(zé)視覺信息系統(tǒng)的枕葉外側(cè)下腦區(qū)灰質(zhì)體積和大腦皮層厚度出現(xiàn)適應(yīng)性的結(jié)構(gòu)變化，從而呈現(xiàn)優(yōu)秀排球運動員與普通大學(xué)生大腦結(jié)構(gòu)的顯著性差異。

5 結(jié)論與展望

本研究采用MRI技術(shù)，對優(yōu)秀排球運動員和普通大學(xué)生大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，優(yōu)秀排球運動員大腦右半球枕葉外側(cè)上的灰質(zhì)體積顯著高于普通大學(xué)生；優(yōu)秀排球運動員大腦右半球枕葉外側(cè)上的皮層厚度顯著厚于普通大學(xué)生；優(yōu)秀排球運動員灰質(zhì)體積顯著增多和皮層厚度增厚的腦區(qū)主要是負(fù)責(zé)視覺信息加工的枕葉外側(cè)上腦功能區(qū)。結(jié)論：經(jīng)過多年的動作技能學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練，優(yōu)秀排球運動員提高動作技能的同時，大腦右半球負(fù)責(zé)視覺信息加工的枕葉腦區(qū)結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生可塑性變化。隨著認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的心理學(xué)研究者開始關(guān)注運動員大腦的神經(jīng)機(jī)制研究，關(guān)注不同運動項目運動員由于其運動經(jīng)歷和專業(yè)訓(xùn)練的不同，大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的可塑性變化。當(dāng)前，采用先進(jìn)的磁共振儀器對運動員在運動情境中進(jìn)行動態(tài)的和在線的運動決策研究，探討運動員在運動情境中進(jìn)行決策任務(wù)時的大腦神經(jīng)機(jī)制，是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究的一個重要的發(fā)展趨勢，也將會對運動員的動作技能學(xué)習(xí)和運動訓(xùn)練產(chǎn)生重要的意義。

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