趙琦 陸穎之 王瑩瑩 周成林

上海體育學(xué)院（上海 200082）

舞蹈動作由一系列復(fù)雜且精細(xì)的連貫動作構(gòu)成，舞者通過觀察和模仿學(xué)習(xí)舞蹈動作，學(xué)習(xí)過程中舞者需要不斷進(jìn)行感知加工和動作執(zhí)行的聯(lián)結(jié)。經(jīng)長期舞蹈訓(xùn)練，舞蹈專家在視聽感知轉(zhuǎn)換身體控制過程中體現(xiàn)優(yōu)勢特征[1,2]。從認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的角度探討舞者感知運動優(yōu)勢特征的大腦功能特點，有助于了解舞蹈練習(xí)產(chǎn)生優(yōu)勢特征的神經(jīng)機制。

靜息態(tài)功能磁共振（RS-fMRI）技術(shù)是研究大腦功能的重要手段之一。RS-fMRI主要在沒有任何刺激或任務(wù)的條件下，通過血氧水平依賴（BOLD）反映自發(fā)的大腦活動狀態(tài)[3]。學(xué)者們已應(yīng)用RS-fMRI對大腦感知運動系統(tǒng)功能進(jìn)行了研究。如，Verrel等[4]通過感知運動干預(yù)使被試運動腦區(qū)局部一致性（regional homogeneity，ReHo）增加，腦區(qū)活動同步性增強。Haag等[5]發(fā)現(xiàn)感知覺能力與初級軀體感覺皮層的比率低頻振幅（fractionalamplitudeoflow frequencyfluctuations，fALFF）相關(guān)，fALFF隨感知靈敏度的升高而提升。Rajab等[6]發(fā)現(xiàn)在有氧動作練習(xí)后，中央前回、中央后回、次級感覺皮層和丘腦共激活增強，促使感知運動系統(tǒng)功能連接（functionalconnectivity，F(xiàn)C）增強。這些研究表明，RS-fMRI技術(shù)可直觀探測動作練習(xí)對感知運動系統(tǒng)腦功能產(chǎn)生的影響。

在實驗研究中，靜息態(tài)具有操作便捷、可重復(fù)性高、無關(guān)變量少等優(yōu)點，可以更清晰地了解大腦活動的本質(zhì)。且有研究者發(fā)現(xiàn)：相比于認(rèn)知任務(wù)狀態(tài)，靜息態(tài)占用更多的大腦能量[7]。但目前鮮有研究者利用RS-fMRI研究舞蹈練習(xí)者感知運動系統(tǒng)功能變化，Li等[8]發(fā)現(xiàn)舞者中央前回、中央后回和豆?fàn)詈斯δ苓B接密度（FCD）增強，從FCD的角度揭示感知和運動相關(guān)腦區(qū)的變化。但目前尚未見研究從靜息態(tài)的經(jīng)典指標(biāo)，包括ReHo、fALFF和FC角度全面地探討舞者自發(fā)的腦功能活動特點。ReHo用于測量體素時間序列的相似性[9]，而fALFF可以反映局部腦區(qū)自發(fā)活動的強度[10]，上述兩個指標(biāo)相結(jié)合可全面揭示經(jīng)舞蹈練習(xí)后大腦產(chǎn)生功能變化的位置。FC是計算各個腦區(qū)之間時間序列相關(guān)性的神經(jīng)生理學(xué)指標(biāo)，可有效評估腦區(qū)間的功能連接強度[3,11]。

綜上，本研究以認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)為視角，采用專家-新手研究范式，同步使用靜息態(tài)磁共振成像技術(shù)，選取ReHo、fALFF和FC三個靜息態(tài)指標(biāo)，探究經(jīng)過長期專項練習(xí)后舞蹈運動員大腦感知運動系統(tǒng)的功能特征，進(jìn)一步了解舞蹈的認(rèn)知神經(jīng)機制及大腦皮質(zhì)的可塑性?；谝酝芯?，本研究預(yù)期：舞者感知運動系統(tǒng)ReHo、fALFF和FC值高于對照組，即這種感知運動系統(tǒng)功能的變化可能與長期舞蹈練習(xí)相關(guān)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選擇具有6年以上專業(yè)舞蹈練習(xí)經(jīng)驗的23名舞者作為舞蹈組，未經(jīng)過任何舞蹈練習(xí)的21名大學(xué)生作為對照組，年齡18～23歲，全部為女性。所有被試均符合如下標(biāo)準(zhǔn)：1）無精神病史和腦部創(chuàng)傷等影響腦結(jié)構(gòu)和功能的疾?。?）符合磁共振掃描條件，如體內(nèi)無金屬、無密閉恐懼癥等；3）右利手。所有被試均知曉實驗任務(wù)，并簽署知情同意書。本實驗通過上海體育學(xué)院和杭州師范大學(xué)實驗倫理委員會批準(zhǔn)。

舞蹈組和對照組年齡、身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）、受教育時間等基本信息均無顯著差異（P＞0.05），具體見表1。

表1 兩組對象基本資料比較（x±s）

1.2 RS-fMRI數(shù)據(jù)采集

使用杭州師范大學(xué)認(rèn)知與腦疾病研究中心GE 3.0T磁共振成像系統(tǒng)采集圖像。要求被試平躺在磁共振儀器中，睜眼觀看屏幕上的十字注視點，放松并盡量不去想具體化的事情，不要睡著。靜息態(tài)數(shù)據(jù)采集的掃描時間約為8 min，具體參數(shù)如下：重復(fù)時間/回波時間（TR/TE）2000/30 ms，翻轉(zhuǎn)角（Flip Angel）90度，層數(shù)43，隔層掃描，層厚3.2 mm，掃描視野（FOV）220 mm，掃描矩陣64×64，掃描范圍可以覆蓋大腦和全部小腦。高分辨率結(jié)構(gòu)像掃描參數(shù)如下：重復(fù)時間/回波時間（TR/TE）8.156/3.18 ms，翻轉(zhuǎn)角度8度，層厚1 mm，掃描視野（FOV）256 mm，掃描矩陣256×256。

1.3 RS-fMRI數(shù)據(jù)處理

本研究采用dpab（ihttp：//rfmri.org/dpabi）工具包[12]對靜息態(tài)圖像進(jìn)行預(yù)處理、局部一致性分析、比率低頻振幅分析、功能連接和統(tǒng)計分析以及統(tǒng)計結(jié)果的呈現(xiàn)。

1.3.1 RS-fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理

先將數(shù)據(jù)由DICOM格式轉(zhuǎn)換為NFTI格式，將每個被試靜息態(tài)功能像的前10幅圖像剔除，以去除噪音等干擾。首先進(jìn)行時間層校正，再進(jìn)行頭動校正，保留在2.0 mm以下的被試。然后進(jìn)行配準(zhǔn)、分割、標(biāo)準(zhǔn)化到MNI空間（體素大小 3×3×3 mm3）。去除協(xié)變量包括去線性漂移，去除白質(zhì)和腦脊液的信號干擾，并按照Friston 24個頭動參數(shù)去除頭動影響。

1.3.2 局部一致性（ReHo）

對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行0.01～0.1 Hz帶通濾波，之后計算 ReHo：該方法是以肯德爾和諧系數(shù)為分析方法，計算全腦每個體素與其相鄰的26個體素時間序列的肯德爾和諧系數(shù)值，以獲得每個被試的ReHo圖[9]；將每名被試的ReHo數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成m分?jǐn)?shù)（每個體素的ReHo值除以全腦ReHo均值），進(jìn)而獲得標(biāo)準(zhǔn)化的Re-Ho圖，再對其進(jìn)行4 mm全高半寬（FWHM）的高斯平滑。之后，選取活動組和久坐組平滑后的標(biāo)準(zhǔn)ReHo圖，用于后續(xù)的統(tǒng)計分析。

1.3.3 比率低頻振幅（fALFF）

基于上述RS-fMRI預(yù)處理步驟，對圖像進(jìn)行4 mm全寬半高（FWHM）的高斯平滑。將全腦所有體素在0.01～0.1 Hz頻段內(nèi)的信號功率譜開方，得到低頻振幅值后進(jìn)行相加，再與全頻段振幅總和相除，即獲得fALFF圖[10]；將每名被試的fALFF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成m分?jǐn)?shù)（每個體素的fALFF值除以全腦fALFF均值），進(jìn)而獲得標(biāo)準(zhǔn)化的fALFF圖，用于后續(xù)的統(tǒng)計分析。

1.3.4 功能連接（FC）

基于上述RS-fMRI預(yù)處理步驟，對圖像進(jìn)行4 mm全寬半高（FWHM）的高斯平滑。將fALFF組間差異腦區(qū)作為感興趣區(qū)（ROI），基于體素為基礎(chǔ)的功能連接方法（voxel-wisebased FC）提取每個被試的每個體素在ROI區(qū)域內(nèi)的時間序列并計算出均值，再將其與全腦其它體素進(jìn)行皮爾遜相關(guān)。對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行Fisher Z分?jǐn)?shù)變換，由此獲得ROI與全腦各體素的功能連接值（FC值），用于后續(xù)的統(tǒng)計分析。

1.3.5 統(tǒng)計分析

進(jìn)行舞蹈組和對照組之間的獨立樣本t檢驗，逐一比較兩組之間ReHo、fALFF和FC值的組間差異。最后，基于高斯隨機場理論（GRF）進(jìn)行多重比較校正，呈現(xiàn)ReHo、fALFF和FC值的組間差異結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 局部一致性（ReHo）

通過對全腦體素與其周圍26個體素的肯德爾和諧系數(shù)值進(jìn)行計算獲得ReHo值，將舞蹈組和對照組標(biāo)準(zhǔn)化的ReHo圖進(jìn)行獨立樣本t檢驗，并基于高斯隨機場理論（GRF）進(jìn)行多重比較校正[體素（voxel）水平P＜0.001，團(tuán)簇（cluster）水平P＜0.01]，結(jié)果顯示：兩組在雙側(cè)中央后回、左側(cè)顳上回、右側(cè)中央前回、右側(cè)枕中回ReHo值的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，舞蹈組高于對照組（見表2和圖1）。這一結(jié)果表明，上述腦區(qū)的局部一致性增高可能與舞蹈練習(xí)相關(guān)，從而加強了個體對舞蹈動作的感知和記憶加工能力。

表2 ReHo值增高腦區(qū)信息

圖1 舞蹈組的ReHo值顯著高于對照組的腦區(qū)圖

2.2 比率低頻振幅（fALFF）

通過對全腦體素比率低頻振幅的計算并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化獲得mfALFF圖，對舞蹈組和對照組mfALFF圖進(jìn)行t檢驗，并基于高斯隨機場理論（GRF）進(jìn)行多重比較校正[體素（voxel）水平P＜0.001，團(tuán)簇（cluster）水平P＜0.01]發(fā)現(xiàn)：舞蹈組雙側(cè)中央前回fALFF值顯著高于對照組（表3和圖2）。本結(jié)果表明，這兩個腦區(qū)的比率低頻振幅升高可能與長期舞蹈訓(xùn)練有關(guān)，從而提升了舞者的動作控制、記憶加工及學(xué)習(xí)能力。

表3 fALFF值增高腦區(qū)信息

圖2 舞蹈組的fALFF值顯著高于對照組的腦區(qū)圖

2.3 功能連接（FC）

選取舞蹈組比率低頻振幅升高的右側(cè)中央前回作為感興趣區(qū)，對全腦體素進(jìn)行皮爾遜相關(guān)計算，獲得FC值，將舞蹈組和對照組標(biāo)準(zhǔn)化的FC圖進(jìn)行t檢驗，并基于高斯隨機場理論（GRF）進(jìn)行多重比較校正[體素（voxel）水平P＜0.01，團(tuán)簇（cluster）水平P＜0.05]發(fā)現(xiàn)：舞蹈組右側(cè)中央前回與左側(cè)中央前回，右側(cè)中央前回與雙側(cè)中央后回的連接強度顯著高于對照組（見表4，圖3）。上述結(jié)果表明，個體在感知運動系統(tǒng)腦區(qū)間的功能連接更強，可能與舞蹈練習(xí)相關(guān)，從而加強了感知與運動整合，建立了復(fù)雜動作從觀測到執(zhí)行控制的良好加工模式。

表4 右側(cè)中央前回FC值增高腦區(qū)信息

圖3 舞蹈組的右側(cè)中央前回FC值顯著高于對照組的腦區(qū)圖

3 討論

3.1 局部一致性與比率低頻振幅

本研究選用局部一致性和比率低頻振幅兩個指標(biāo)來探索舞者大腦功能特點，研究結(jié)果顯示相比于對照組，經(jīng)過長期專項訓(xùn)練的舞蹈運動員在雙側(cè)中央后回、左側(cè)顳上回、右側(cè)中央前回、右側(cè)枕中回局部一致性更高，在雙側(cè)中央前回比率低頻振幅更大。其中，中央前回主要與舞者動作學(xué)習(xí)、控制和記憶能力相關(guān)，中央后回、顳上回和枕中回主要負(fù)責(zé)舞者對動作的感知和記憶加工。

在本研究結(jié)果中，中央前回屬于初級運動皮層（M1）[13]，主要與動作記憶[14]、動作技能學(xué)習(xí)[15,16]和動作控制[17,18]能力相關(guān)。舞者在長期的舞蹈練習(xí)過程中，持續(xù)學(xué)習(xí)和記憶復(fù)雜動作序列，且不斷調(diào)整動作的空間方位、速度、旋律和振幅，促使中央前回的功能發(fā)生變化。在前人研究中也發(fā)現(xiàn)中央前回與動作掌握程度相關(guān)，Cross等[19]讓舞者五周內(nèi)每周花5小時練習(xí)一段舞蹈，每周練習(xí)結(jié)束后進(jìn)行fMRI掃描，同時讓他們觀看之前練習(xí)或未練習(xí)過的舞蹈視頻，發(fā)現(xiàn)中央前回在觀看掌握的舞蹈動作時激活更顯著，通過五周短期動作學(xué)習(xí)的縱向追蹤研究，也一定程度上顯示中央前回的皮質(zhì)可塑性。

中央后回主要位于初級軀體感覺皮層（S1），接受大量的感覺輸入并存儲感覺體驗[20,21]。顳上回和枕中回均屬于動作觀察網(wǎng)絡(luò)[22]，主要負(fù)責(zé)聽覺和視覺的感知加工和記憶[23,24]。舞者正是通過不斷地對舞蹈動作的觀察和記憶，配合音樂不斷模仿和練習(xí)從而提升動作技巧。在前人研究中也發(fā)現(xiàn)舞蹈動作與上述腦區(qū)密切相關(guān)，經(jīng)正電子發(fā)射型計算機斷層顯像技術(shù)（PET）也發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行腿部舞蹈動作時，初級運動皮質(zhì)、初級軀體感覺皮質(zhì)和顳上回等腦區(qū)激活[25]。對舞蹈動作的感知是舞蹈學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)。舞蹈專家在觀看其熟悉的舞蹈動作時，與舞蹈動作相關(guān)的知識存儲會影響其對動作過程的處理[26]。已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在觀看動態(tài)舞蹈動作和靜止舞蹈圖片時，動態(tài)舞蹈動作枕中回、中央前回的激活更明顯，且枕中回隨著對動作喜好程度的增加而加強[27]。且顳上回與動作間的連接性相關(guān)，在觀察動作連貫性強的舞蹈動作時顳上回激活更明顯[28]。正是由于感知系統(tǒng)對技術(shù)動作及神經(jīng)肌肉協(xié)調(diào)具有調(diào)控作用，舞者經(jīng)長期舞蹈練習(xí)后在動作的振幅和速度控制、姿勢調(diào)節(jié)、平衡能力等方面體現(xiàn)出優(yōu)勢[1,2]。本研究對有長期舞蹈練習(xí)經(jīng)驗的專家與新手進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，通過感知運動系統(tǒng)局部一致性增加和比率低頻振幅的升高豐富了舞蹈動作感知加工和動作執(zhí)行的腦神經(jīng)機制，并進(jìn)一步揭示舞蹈動作學(xué)習(xí)與大腦可塑性的關(guān)系。

3.2 功能連接

本研究以比率低頻振幅升高腦區(qū)（右側(cè)中央前回）為感興趣區(qū)，進(jìn)行全腦功能連接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比于對照組，經(jīng)過長期專項訓(xùn)練的舞蹈運動員在右側(cè)中央前回與左側(cè)中央前回、右側(cè)中央前回與雙側(cè)中央后回連接強度更高，即感知運動系統(tǒng)腦區(qū)間的功能連接性更強。

舞蹈充分塑造人類大腦中感知和動作的聯(lián)系，舞者通常是通過復(fù)制他們觀察到的動作來學(xué)習(xí)復(fù)雜的動作序列，即將視覺和語言信息轉(zhuǎn)化為動作，這就需要形成觀察、執(zhí)行和調(diào)整復(fù)雜的動作模式，要求身體動作和知覺技巧的結(jié)合。舞者可以通過長期的視覺記憶去存儲精細(xì)動作和情景表征[29]，利用視覺背側(cè)通路和腹側(cè)通路對所觀察到的動作目的和意圖進(jìn)行理解加工[30]，并會主動模仿視覺接收的動作[31]，感知覺在動作學(xué)習(xí)的整個過程中發(fā)揮了重要作用。且中央后回與動作控制密切相關(guān)，通過對本體感覺的反饋直接影響動作執(zhí)行[32]。而中央后回與中央前回的連接加強使感知信息與動作之間更好地傳遞與整合。

這一結(jié)果與前人研究相一致，已有研究者發(fā)現(xiàn)舞者中央前回、中央后回和豆?fàn)詈斯δ苓B接密度增強[8]。使用圖論方法對與舞蹈相似的體操運動進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，中央前回、中央后回、扣帶回和顳葉的局部傳輸效率增強[33]，而在籃球運動員中并未發(fā)現(xiàn)中央前回和中央后回的連接加強[34]。究其原因，舞蹈類運動在訓(xùn)練過程中感知信息和動作之間不斷進(jìn)行傳遞和反饋，從而使動作之間連貫銜接，促使感知運動系統(tǒng)功能連接增強。本研究基于前人研究結(jié)果，結(jié)合舞蹈的行為表現(xiàn)，探索舞者大腦感知與運動整合能力，并為揭示舞者大腦可塑性、舞蹈練習(xí)與大腦的相互作用提供進(jìn)一步的證據(jù)支持。

4 結(jié)論

4.1 經(jīng)過長期專項練習(xí)的舞蹈運動員在感知運動腦區(qū)表現(xiàn)為局部一致性和比率低頻振幅增高，從而加強了個體對舞蹈動作的感知和記憶加工能力。

4.2 經(jīng)過長期專項練習(xí)的舞蹈運動員中央前回和中央后回的功能連接增強，從而建立了對復(fù)雜動作的觀測與執(zhí)行控制的良好加工模式。