婁虎,劉 萍

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)運(yùn)動(dòng)員大腦功能可塑性變化的影響——基于fMRI研究的ALE分析

婁虎*,劉 萍

（南通大學(xué) 體育科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226000）

目的:闡明運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練是否能夠影響大腦功能可塑性變化，以及不同任務(wù)態(tài)下運(yùn)動(dòng)員如何誘發(fā)大腦皮層功能重組。方法:選取18項(xiàng)研究中的任務(wù)態(tài)下362名被試的功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging， fMRI)數(shù)據(jù)，采用激活似然估計(jì)法(activation likelihood estimation， ALE)計(jì)算體素被激活的分布情況。結(jié)果:運(yùn)動(dòng)員組在任務(wù)狀態(tài)下的腦活動(dòng)產(chǎn)生4個(gè)達(dá)到顯著水平的激活簇;對(duì)照組在任務(wù)狀態(tài)下的腦活動(dòng)產(chǎn)生5個(gè)達(dá)到顯著水平的激活簇;運(yùn)動(dòng)員組與對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)員組顯著激活左側(cè)上頂葉和下頂葉、右側(cè)額下回和額中回，對(duì)照組顯著激活輔助運(yùn)動(dòng)區(qū);在預(yù)判任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員有更廣泛的腦區(qū)激活，而在執(zhí)行任務(wù)中，對(duì)照組有更廣泛的腦區(qū)激活。結(jié)論:長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練使得運(yùn)動(dòng)員的大腦出現(xiàn)功能可塑性變化，表現(xiàn)為減少了在動(dòng)作執(zhí)行時(shí)與動(dòng)作控制有關(guān)的腦區(qū)活動(dòng)，增加了在預(yù)判時(shí)與認(rèn)知理解有關(guān)的腦區(qū)活動(dòng)。

腦功能可塑性；專(zhuān)家-新手范式；功能核磁共振；動(dòng)作執(zhí)行；動(dòng)作預(yù)判

大腦可塑性是指人類(lèi)大腦具有的根據(jù)環(huán)境、行為、習(xí)慣等的變化而改變其結(jié)構(gòu)和功能的能力，是心理和行為適應(yīng)性變化的生理基礎(chǔ)(陳愛(ài)國(guó)等, 2015; Pascual-Leone et al., 2005）。由于反復(fù)練習(xí)，大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞、分子、突觸等生理結(jié)構(gòu)和功能會(huì)發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，練習(xí)能夠?qū)е屡c任務(wù)相關(guān)的大腦區(qū)域激活增加或減少或出現(xiàn)不同激活組合，即大腦活動(dòng)的功能重組(Kelly et al., 2005, Zatorre et al., 2012）。大腦可塑性已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，探索運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)運(yùn)動(dòng)員大腦的影響，是其中重要的研究?jī)?nèi)容（Chang, 2014）。

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以改變?nèi)蝿?wù)相關(guān)腦區(qū)的活動(dòng)，已被廣泛認(rèn)可。任占兵等（2019）對(duì)近20年的運(yùn)動(dòng)員大腦可塑性研究進(jìn)行了歸納和總結(jié)，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)技能專(zhuān)家腦可塑性變化可能是對(duì)特定運(yùn)動(dòng)技能進(jìn)行長(zhǎng)期深入學(xué)習(xí)訓(xùn)練的結(jié)果，不同類(lèi)型運(yùn)動(dòng)技能專(zhuān)家共同激活的腦區(qū)主要表現(xiàn)在感覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、注意系統(tǒng)、邊緣和皮質(zhì)下系統(tǒng)等。但該研究未對(duì)納入文獻(xiàn)的腦成像數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和跨文獻(xiàn)的假設(shè)檢驗(yàn)，尚無(wú)法得知大腦激活的一致性情況。因此，還有對(duì)這一主題進(jìn)行探討的必要。

Yang（2015）采用系統(tǒng)綜述范式對(duì)運(yùn)動(dòng)專(zhuān)家大腦可塑性變化進(jìn)行元分析，對(duì)26項(xiàng)研究的fMRI圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行量化計(jì)算，結(jié)果顯示，專(zhuān)家比新手在左側(cè)下頂葉、額下回、中央前回有更強(qiáng)的激活，像素簇體積分別為228 mm3、320 mm3和256 mm3，而新手在右側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)和基底核有更強(qiáng)的激活。但是，正如Yang在研究局限中所述，該文納入的專(zhuān)家不僅包括運(yùn)動(dòng)員，還包括鋼琴家、鼓手和舞蹈家等，而鋼琴家、鼓手和舞蹈家的任務(wù)性質(zhì)以及執(zhí)行任務(wù)時(shí)的腦區(qū)激活與運(yùn)動(dòng)員有明顯差異，因此，他也建議未來(lái)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的腦可塑性進(jìn)行獨(dú)立的研究。此外，他的研究只包含英文文獻(xiàn)，忽略了我國(guó)中文期刊文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)。

長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練使得運(yùn)動(dòng)員與對(duì)照組在任務(wù)態(tài)下出現(xiàn)不同的腦區(qū)激活模式。有可能導(dǎo)致大腦活動(dòng)區(qū)域的擴(kuò)展和激活程度的增加，如初級(jí)和次級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層、后頂葉等（Baeck et al., 2012），也可能減少與認(rèn)知控制和注意控制相關(guān)的大腦區(qū)域，如前額葉、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)等（張?zhí)m蘭等, 2017），這些激活的減少也許可以表明與任務(wù)相關(guān)的具體神經(jīng)環(huán)路的更有效使用（Garavan et al., 2015）。因此，由運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練誘發(fā)的大腦功能重組反映出新的激活特征，但激活的模式尚不清晰。運(yùn)動(dòng)員任務(wù)態(tài)功能性磁共振成像(functiona I magnetic resonance imaging，fMRI)研究主要包括兩種實(shí)驗(yàn)任務(wù)范式：一是動(dòng)作預(yù)判，如Abreu等（2012）的籃球投籃預(yù)判研究和Balser等（2014）的網(wǎng)球方向預(yù)判研究等；二是動(dòng)作執(zhí)行，如Milton等（2007）對(duì)高爾夫揮桿和Kim等（2011）對(duì)射箭的研究。動(dòng)作預(yù)判的已有研究表明，運(yùn)動(dòng)員在多年訓(xùn)練后相關(guān)大腦區(qū)域會(huì)對(duì)熟知的動(dòng)作表現(xiàn)出提前的激活。并且運(yùn)動(dòng)員在執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作時(shí)，表現(xiàn)出動(dòng)作的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，自動(dòng)化執(zhí)行的動(dòng)作會(huì)占用較少的認(rèn)知資源，運(yùn)動(dòng)員激活的腦區(qū)更有針對(duì)性和經(jīng)濟(jì)性，但具體的激活模式還不清晰。

已有的綜述性文獻(xiàn)存在缺少量化計(jì)算、納入計(jì)算的數(shù)據(jù)不是單獨(dú)來(lái)自運(yùn)動(dòng)員被試等問(wèn)題。因此，本研究以前人綜述和實(shí)證文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步采用系統(tǒng)綜述的思路，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 研究方法

1.1 fMRI數(shù)據(jù)獲得方法

分別在Web of Science、PubMed、PsycINFO和中國(guó)知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫(kù)檢索平臺(tái)，檢索自2000年1月1日—2019年5月31日發(fā)表的運(yùn)動(dòng)員和對(duì)照組在任務(wù)狀態(tài)下大腦激活異同的研究。檢索的關(guān)鍵詞分為兩種類(lèi)別：1）神經(jīng)成像相關(guān)詞匯，包括“fMRI”“functional magnetic resonance imaging”“neuroimaging”“brain”“cortical”“neural”“功能磁共振成像”“腦功能成像”“腦”“神經(jīng)”；2）運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域相關(guān)詞匯，包括“sport expertise”“motor expertise”“skill expertise”“athlete”“expert”“player”“運(yùn)動(dòng)員”“運(yùn)動(dòng)”“技能”“動(dòng)作”。此外，對(duì)近5年此主題的綜述性研究的參考文獻(xiàn)進(jìn)行逐一分析，以補(bǔ)充文獻(xiàn)(圖1）。

圖1　文獻(xiàn)選擇流程圖

Figure 1.Flowchart of the Literature Selection

根據(jù)研究目標(biāo)和同類(lèi)研究所采用的方法，納入和排除文獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)如下。

研究對(duì)象：研究對(duì)象為運(yùn)動(dòng)員，運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目、性別和水平不限，排除非運(yùn)動(dòng)員的研究，如普通人、鋼琴家、舞蹈家。只納入同時(shí)包含運(yùn)動(dòng)員和對(duì)照組的研究，或者包含運(yùn)動(dòng)員與對(duì)照組大腦激活區(qū)域?qū)Ρ鹊难芯浚懦酥挥羞\(yùn)動(dòng)員或者只有對(duì)照組數(shù)據(jù)的研究。另外，排除了綜述、元分析和個(gè)案研究。

研究技術(shù)：為了分析大腦激活情況，選擇fMRI、PET和SPECT等成像技術(shù)的研究，進(jìn)一步，為了確保計(jì)算中所有原始數(shù)據(jù)具有近似的空間分辨率，最終只納入fMRI的數(shù)據(jù)，排除了采用PET、TMS、MEG和EEG的數(shù)據(jù)。

研究任務(wù)：選擇具有明確動(dòng)作任務(wù)的研究。包括動(dòng)作預(yù)判（如預(yù)判網(wǎng)球落點(diǎn)）、動(dòng)作執(zhí)行（如排球攔網(wǎng))和運(yùn)動(dòng)專(zhuān)項(xiàng)無(wú)關(guān)任務(wù)(如圖形判斷)。

研究結(jié)果：納入激活點(diǎn)在Talairach空間和MNI空間中使用3D標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)對(duì)全腦數(shù)據(jù)分析的研究，排除了只分析感興趣區(qū)域ROI的研究和未報(bào)告坐標(biāo)的研究。

1.2 ALE計(jì)算方法

激活似然性評(píng)估法（activation likelihood estimation, ALE）是一種能夠?qū)⒈姸嗄X成像研究進(jìn)行整合的量化分析方法。它具有以下特點(diǎn)：1）能夠進(jìn)行一致性腦區(qū)的定量分析；2）為研究者提供單一研究無(wú)法得出的新視角；3)可以對(duì)各類(lèi)研究進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)；4）還能提供不同任務(wù)條件下的對(duì)比（鄧沁麗等, 2015）。使用ALE計(jì)算每個(gè)研究中的各個(gè)體素被激活的概率分布。這種方法假設(shè)激活的體素最有可能位于某個(gè)坐標(biāo)和附近，以三維坐標(biāo)的形式呈現(xiàn)激活信息，并對(duì)這種可能性進(jìn)行跨研究的假設(shè)檢驗(yàn)，從而得到大腦激活的一致性（Turkeltaub et al., 2015）。

使用Ginger 3.0.6軟件在Talairach和MNI空間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算，使用Mango 4.1軟件進(jìn)行結(jié)果的圖像可視化。首先提取任務(wù)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)員組、對(duì)照組和兩組對(duì)比的3D坐標(biāo)，按照ALE要求的格式進(jìn)行錄入。由于本研究中只有少量坐標(biāo)采用Talairach標(biāo)準(zhǔn)，因此為了統(tǒng)一尺度，應(yīng)用icbm2tal插件將標(biāo)準(zhǔn)Talairach空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)MNI坐標(biāo)。在跨實(shí)驗(yàn)的模型化激活圖與零假設(shè)分布圖進(jìn)行差異的顯著性檢驗(yàn)中，將閾值設(shè)定為0.05，如果＜0.05，則可拒絕零假設(shè)，為了克服多重比較的假陽(yáng)性問(wèn)題，使用錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率法進(jìn)行矯正，簇像素最小值設(shè)為200 mm3（Yang, 2015）。采用Mango軟件在Colin27_T1_seg_MNI模板上疊加矯正后的ALE圖像，結(jié)果以3個(gè)方位的視角呈現(xiàn)在坐標(biāo)重合的標(biāo)準(zhǔn)大腦圖像中。

2 結(jié)果

2.1 納入文獻(xiàn)的基本特征

通過(guò)主題詞搜索共獲得文獻(xiàn)9 230篇，使用endnote X7進(jìn)行文獻(xiàn)管理，去除重復(fù)文獻(xiàn)之后剩余3 872篇。按照題目、摘要和全文的順序進(jìn)行篩選，分別去除不符合要求的文獻(xiàn)2 873篇、875篇、106篇，最后剩余文獻(xiàn)18篇（圖1）。參照已有ALE研究的程序，不需要對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，但為了確保本研究的質(zhì)量，參考Cochrane對(duì)被試選擇偏倚、實(shí)施偏倚、數(shù)據(jù)偏倚等內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行文獻(xiàn)評(píng)估，并未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的偏倚（表1）。

表1 　納入文獻(xiàn)的偏倚風(fēng)險(xiǎn)分析

共獲得18項(xiàng)研究中256名運(yùn)動(dòng)員和257名對(duì)照組被試在任務(wù)態(tài)下的腦成像數(shù)據(jù)（表2）。其中10項(xiàng)研究的任務(wù)類(lèi)型為根據(jù)前一動(dòng)作對(duì)未來(lái)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)判，采集預(yù)判期間的fMRI，例如，任務(wù)要求羽毛球運(yùn)動(dòng)員根據(jù)擊球動(dòng)作預(yù)判落點(diǎn)，或者籃球運(yùn)動(dòng)員根據(jù)投籃出手的瞬時(shí)動(dòng)作預(yù)判是否進(jìn)球等。6項(xiàng)研究的任務(wù)類(lèi)型是運(yùn)動(dòng)員根據(jù)即時(shí)情況做出動(dòng)作反應(yīng)或想象，采集動(dòng)作執(zhí)行期間的fMRI，主要包括完成射箭瞄準(zhǔn)動(dòng)作，表象完成排球、射箭、籃球等動(dòng)作，其他2項(xiàng)研究的任務(wù)類(lèi)型是一般的動(dòng)作任務(wù)，例如空間認(rèn)知任務(wù)等非運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練的專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)。

2.2 運(yùn)動(dòng)員任務(wù)狀態(tài)下腦活動(dòng)

運(yùn)動(dòng)員任務(wù)狀態(tài)下腦活動(dòng)的元分析包括13項(xiàng)研究，181名運(yùn)動(dòng)員在任務(wù)狀態(tài)下產(chǎn)生187個(gè)活動(dòng)增加點(diǎn)（孟國(guó)正, 2016；吳殷, 2013；張?zhí)m蘭等, 2017；Abreu et al., 2012；Chang et al., 2011；Guo et al., 2017；Kim et al., 2008, 2011；Olsson et al., 2013；Seo et al., 2012；Wei et al., 2010；Wimshurst et al., 2016；Wright et al., 2013）。結(jié)果顯示，共產(chǎn)生4個(gè)激活簇，集中在右側(cè)額中回、右側(cè)中央前回、右側(cè)下回、左側(cè)額中回、左側(cè)中央前回、右側(cè)額下回、右側(cè)額上回、右額內(nèi)側(cè)回（圖2、表3）。

2.3 對(duì)照組任務(wù)狀態(tài)下腦活動(dòng)

在這13項(xiàng)研究中，181名對(duì)照組被試在任務(wù)狀態(tài)下產(chǎn)生173個(gè)活動(dòng)增加點(diǎn)。結(jié)果顯示，共產(chǎn)生5個(gè)激活簇，集中在左額內(nèi)側(cè)回、左側(cè)額中回、左側(cè)下回、右側(cè)中央前回、右側(cè)額下回、右側(cè)額中回、右側(cè)上頂葉（圖3、表4）。

表2　納入分析的fMRI文獻(xiàn)概況

2.4 運(yùn)動(dòng)員與對(duì)照組的腦活動(dòng)對(duì)比

9篇研究中報(bào)道71項(xiàng)對(duì)照組激活了更明顯的腦區(qū)坐標(biāo)（孟國(guó)正, 2016；吳殷, 2013；張?zhí)m蘭等, 2017；Balser et al., 2014；Chang et al., 2011；Guo et al., 2017；Wimshurst et al., 2016；Wright et al., 2011；Xu et al., 2016），對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行元分析計(jì)算，結(jié)果產(chǎn)生1個(gè)激活簇，集中在左側(cè)運(yùn)動(dòng)輔助區(qū)（圖4、表5）。11篇研究中報(bào)道136項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員組激活了更明顯的腦區(qū)坐標(biāo)（吳殷, 2013；張?zhí)m蘭等, 2017；Balser et al., 2014；Bishop et al., 2013；Kim et al., 2011；Seo et al., 2012；Tomasino et al., 2013；Wimshurst et al., 2016；Wright et al., 2011, 2013；Xu et al., 2016），對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行元分析計(jì)算，結(jié)果共產(chǎn)生2個(gè)顯著性的激活簇，集中在左側(cè)上頂葉和下頂葉、右側(cè)額下回和額中回。

圖2　運(yùn)動(dòng)員任務(wù)下的ALE分析結(jié)果

Figure 2.ALE Results in the Motor Expert Group

注：1、2、3、4分別表示達(dá)到顯著激活水平的激活簇，用彩色在3D的MNI標(biāo)準(zhǔn)空間中反映，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　運(yùn)動(dòng)員任務(wù)下產(chǎn)生的激活簇

注: x, y， z表示MNI空間的三維坐標(biāo)。

圖3　對(duì)照組任務(wù)下的ALE分析結(jié)果

Figure 3.ALE Results in the Control Group

注:1、2、3、4、5分別表示達(dá)到顯著激活水平的激活簇，用彩色在3D的MNI標(biāo)準(zhǔn)空間中反映，具體參數(shù)見(jiàn)表4。

2.5 不同任務(wù)的腦激活對(duì)比

根據(jù)各自研究的任務(wù)特征分為3類(lèi)：動(dòng)作預(yù)判任務(wù)、動(dòng)作執(zhí)行任務(wù)和非專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)。動(dòng)作預(yù)判任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員組共產(chǎn)生3個(gè)激活簇，集中在左側(cè)上頂葉和下頂葉、右側(cè)額下回和額中回；未發(fā)現(xiàn)對(duì)照組腦活動(dòng)出現(xiàn)激活簇。動(dòng)作執(zhí)行任務(wù)中，對(duì)照組腦區(qū)激活多于運(yùn)動(dòng)員的數(shù)據(jù)產(chǎn)生1個(gè)激活簇，位于輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)；未發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員腦活動(dòng)出現(xiàn)激活簇。在非運(yùn)動(dòng)員專(zhuān)項(xiàng)的一般任務(wù)中，均未出現(xiàn)明顯不同的激活簇（表6）。

表4　對(duì)照組任務(wù)下產(chǎn)生的激活簇

圖4　運(yùn)動(dòng)員與對(duì)照組激活腦區(qū)對(duì)比的ALE分析結(jié)果

Figure 4.Comparison of ALE Results between Athletes and Control Group

3 討論

本研究采用系統(tǒng)綜述的元分析方法，對(duì)有關(guān)運(yùn)動(dòng)員fMRI研究中包含的360個(gè)激活點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行ALE分析與整合。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)員在任務(wù)期間表現(xiàn)出與對(duì)照組被試不同的腦激活區(qū)域。運(yùn)動(dòng)員主要激活額中回、中央前回、額下回等腦區(qū)，對(duì)照組被試主要激活輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、額中回、中央前回、額下回等腦區(qū)。具體在預(yù)判任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員組比對(duì)照組更多的激活了上頂葉、下頂葉、額上回、額中回等腦區(qū)，而在動(dòng)作執(zhí)行中，對(duì)照組比運(yùn)動(dòng)員組更多的激活了輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)。本研究結(jié)果支持了運(yùn)動(dòng)員通過(guò)長(zhǎng)期訓(xùn)練表現(xiàn)出大腦功能可塑性的觀點(diǎn)，體現(xiàn)在與普通人不同腦區(qū)活動(dòng)的增加和/或減少。在動(dòng)作預(yù)期任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員比普通人激活了更為廣泛的腦區(qū)，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)員能夠根據(jù)線索進(jìn)行提前的準(zhǔn)備；在動(dòng)作執(zhí)行任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員有更加精簡(jiǎn)高效的腦區(qū)激活，說(shuō)明訓(xùn)練使得運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作執(zhí)行相關(guān)的特定神經(jīng)回路能夠更有效地使用。

本研究的ALE結(jié)果與以往包含鋼琴家、舞蹈家等被試數(shù)據(jù)的ALE結(jié)果不完全一致。這可能是因?yàn)榕c音樂(lè)相關(guān)的動(dòng)作訓(xùn)練，例如彈鋼琴、擊鼓、舞蹈等，都需要聽(tīng)覺(jué)反饋，因此，在訓(xùn)練過(guò)程中，聽(tīng)覺(jué)輸入和動(dòng)作輸出之間的耦合增加，聽(tīng)覺(jué)皮層和運(yùn)動(dòng)皮層之間的功能連接也可能相應(yīng)增加。但是，聽(tīng)覺(jué)反饋對(duì)于多數(shù)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練不是特別必要的，而視覺(jué)和體感反饋卻非常重要。所以，運(yùn)動(dòng)員的長(zhǎng)期訓(xùn)練可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)、視覺(jué)和體感區(qū)域的大腦功能重組。盡管我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員可能與音樂(lè)家表現(xiàn)出不同的激活腦區(qū)，但具體的腦區(qū)和機(jī)制如何還不得而知，這需要今后的對(duì)比研究來(lái)回答這一問(wèn)題。

表5　運(yùn)動(dòng)員與對(duì)照組腦區(qū)對(duì)比的激活簇

表6　不同任務(wù)下運(yùn)動(dòng)員與對(duì)照組腦區(qū)對(duì)比的激活簇

在預(yù)判任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員比對(duì)照組更多的激活了上頂葉、下頂葉、額上回、額中回等更廣泛的腦區(qū)。ALE結(jié)果表明，雖然運(yùn)動(dòng)員和普通人在完成任務(wù)時(shí)都激活了動(dòng)作觀察神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)腦區(qū)，但運(yùn)動(dòng)員在預(yù)判任務(wù)時(shí)比普通人的上頂葉和下頂葉更容易被激活，這一區(qū)域是動(dòng)作觀察和鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分（Allison et al., 2000；Battelli et al., 2003）。頂葉的激活與信息整合有關(guān)，反映運(yùn)動(dòng)員可能獲得有價(jià)值的信息，而提前準(zhǔn)備下一步行動(dòng)，而普通人則不能準(zhǔn)確預(yù)判，也沒(méi)有表現(xiàn)出這一腦區(qū)的激活簇。運(yùn)動(dòng)員在預(yù)判任務(wù)中，額上回和額中回也有明顯的激活簇，額葉活動(dòng)被認(rèn)為具有重要的認(rèn)知作用（Leech et al., 2014），并與其他腦區(qū)共同調(diào)節(jié)空間注意力的預(yù)期分配（Small et al., 2003）。因此，運(yùn)動(dòng)員在長(zhǎng)期的訓(xùn)練中，提高了關(guān)鍵信息的搜索、動(dòng)作識(shí)別和動(dòng)作預(yù)判等動(dòng)作處理能力，這些能力的提高可能是由于相關(guān)腦區(qū)功能整合的增強(qiáng)。

ALE結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，在動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，非運(yùn)動(dòng)員的大腦激活程度高于運(yùn)動(dòng)員，特別是輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)有明顯的激活簇，即運(yùn)動(dòng)員在動(dòng)作執(zhí)行中表現(xiàn)出較少的大腦激活，與以往的研究結(jié)果一致。例如，Babiloni等（2009）的研究顯示，體操運(yùn)動(dòng)員比非體操運(yùn)動(dòng)員在枕區(qū)和顳區(qū)的腹側(cè)和背側(cè)的低頻和高頻α波振幅低。較少的激活反映了運(yùn)動(dòng)員不需要像對(duì)照組一樣進(jìn)行過(guò)多的認(rèn)知活動(dòng)，經(jīng)過(guò)多年的訓(xùn)練，運(yùn)動(dòng)員能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)作的自動(dòng)執(zhí)行，這可能與皮層的選擇性激活和建立更高效的聯(lián)結(jié)有關(guān)，體現(xiàn)了神經(jīng)效能的可塑性。由于長(zhǎng)期訓(xùn)練使得運(yùn)動(dòng)員發(fā)展出有針對(duì)性的、高效的，并只與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組織（Milton et al., 2007）。運(yùn)動(dòng)員大腦的激活程度較低表明在處理動(dòng)作執(zhí)行的任務(wù)時(shí)，可能只需要較少的額外監(jiān)控。輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)參與從記憶中產(chǎn)生序列運(yùn)動(dòng)，它主要是自我啟動(dòng)而非外部誘發(fā)的動(dòng)作序列，因此，非運(yùn)動(dòng)員在動(dòng)作執(zhí)行時(shí)似乎需要更多的認(rèn)知資源。

但是本研究中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員實(shí)驗(yàn)的任務(wù)為非專(zhuān)項(xiàng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，并未出現(xiàn)和對(duì)照組明顯不同的激活簇，也就是說(shuō)運(yùn)動(dòng)員在不熟悉的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中并未表現(xiàn)出與對(duì)照組有明顯不同的腦活動(dòng)區(qū)域。這一結(jié)果與Calvo-Merino等（2005）的觀點(diǎn)一致，他們認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)員只有在執(zhí)行自己熟悉的項(xiàng)目時(shí)才會(huì)出現(xiàn)特殊的腦反應(yīng)。類(lèi)似的研究還有Aglioti等（2008）發(fā)現(xiàn)，籃球和足球運(yùn)動(dòng)員只有觀看他們從事的項(xiàng)目時(shí)才出現(xiàn)MEP，以及Balser等（2014）的研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)球和排球運(yùn)動(dòng)員有不同的動(dòng)作觀察網(wǎng)絡(luò)。Wimshurst等（2016）的研究認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)員和對(duì)照組在完成一項(xiàng)新任務(wù)時(shí)，雖然成績(jī)的差異沒(méi)有顯著性，但會(huì)使用不同的策略，只是策略可能并不成功。需要注意的是在這一部分的ALE分析中，納入分析的研究數(shù)量偏少,且各個(gè)研究的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目和所需要完成的另外項(xiàng)目任務(wù)均不相同。因此，這也可能是未形成明顯激活簇的原因。未來(lái)應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員非專(zhuān)項(xiàng)動(dòng)作的fMRI研究，這需要進(jìn)行更多項(xiàng)目和更長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練，也許可以找到共同的激活模式。

研究的局限主要在于：1）納入分析的fMRI圖像數(shù)據(jù)只包括全腦分析的激活坐標(biāo)，而排除了特定興趣區(qū)（region of interest,ROI）分析的結(jié)果。由于ALE的計(jì)算要求納入的數(shù)據(jù)必須為全腦分析的坐標(biāo)，這使得已有的ROI結(jié)果被排除，而這些ROI結(jié)果也非常有價(jià)值。例如，Milton等（2007）的一項(xiàng)ROI研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組比高爾夫運(yùn)動(dòng)員在輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、外側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層、M1等區(qū)域有更多的激活，說(shuō)明在任務(wù)執(zhí)行中，運(yùn)動(dòng)員動(dòng)員較少的資源，可能存在神經(jīng)元激活減少和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接減弱。但是，類(lèi)似研究卻由于ALE分析方法本身的局限而不能納入統(tǒng)計(jì)。因此，在腦成像元分析方法上如何納入ROI結(jié)果是需要進(jìn)一步探討的內(nèi)容。2）納入ALE分析的數(shù)據(jù)中，多數(shù)研究中設(shè)計(jì)的動(dòng)作和實(shí)際的真實(shí)情況還存在一定的差距，這可能會(huì)使研究結(jié)果并不一定真實(shí)的反映運(yùn)動(dòng)實(shí)踐，而只是實(shí)驗(yàn)室情境下的運(yùn)動(dòng)任務(wù)腦活動(dòng)情況。更巧妙的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或發(fā)展fMRI技術(shù)，直接在實(shí)際比賽訓(xùn)練情境中探索相關(guān)內(nèi)容也是未來(lái)研究的方向。3）本研究在進(jìn)行不同任務(wù)比較時(shí)，一般任務(wù)（非專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)）的文獻(xiàn)只有2篇，可能會(huì)由于數(shù)據(jù)不充足,而產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)偏差。今后應(yīng)對(duì)執(zhí)行一般任務(wù)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員與對(duì)照組被試腦區(qū)的激活情況進(jìn)行高質(zhì)量的對(duì)比研究，以彌補(bǔ)這部分的數(shù)據(jù)不足。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練使得運(yùn)動(dòng)員的大腦出現(xiàn)功能可塑性變化，具體表現(xiàn)為減少在動(dòng)作執(zhí)行時(shí)與動(dòng)作控制有關(guān)的腦區(qū)活動(dòng)，增加在動(dòng)作預(yù)判時(shí)與認(rèn)知理解有關(guān)的腦區(qū)活動(dòng)。今后應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行更多項(xiàng)目任務(wù)下的運(yùn)動(dòng)員fMRI分析，或者進(jìn)行實(shí)際動(dòng)作完成任務(wù)下的fMRI分析，以及將ROI數(shù)據(jù)納入元分析的研究。

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The Influence of Sports Training on the Brain Plasticity of Athletes: An ALE Analysis of fMRI Studies

LOU Hu*,LIU Ping

Objectives: To clarify whether sports training can affect brain functional plasticity and how acquiring athletes induces cortical reorganization in different sports task states. Methods: Selected 362 subjects' functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) data in the task state of 18 studies， and used Activation Likelihood Estimation (ALE) to calculate the distribution of voxels. Results: Athletes' brain activity in the task state produced four activation clusters; in the control group， the brain activity in the task state produced five activation clusters; compared with control group, athletes activated Left Superior Parietal Lobule and Inferior Parietal Lobule， Right Inferior Frontal Gyrus and Middle Frontal Gyrus. Compared with athletes， control group activated Suppl ementary Motor Area. In prediction task， athletes had wider activation of brain regions， while in execution task， control group had wider acti vation. Conc. lusions: long-term sports training has resulted in functional plasticity changes in athletes' brains, which are manifested in in the reduction of brain activity related to motor control during execution， and the increase of brain activity related to cognitive understanding in the prediction.

1000-677X（2020）07-0065-07

10.16469/j.css.202007008

2019-07-12;

2020-06-24

浙江省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃課題（18NDJC087YB）。

婁虎（1980-），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員壓力下的表現(xiàn)，E-mail:15692068@qq.com。

G804.23

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