易妍，劉靜如，張言，唐思潔，劉陽(yáng)

摘? ? ? 要：從不同水平運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)者的專項(xiàng)心理旋轉(zhuǎn)能力出發(fā)，探究不同任務(wù)負(fù)荷條件下運(yùn)動(dòng)員心理旋轉(zhuǎn)能力的行為績(jī)效及腦加工特征，為進(jìn)一步了解運(yùn)動(dòng)員空間認(rèn)知加工機(jī)制及科學(xué)化訓(xùn)練提供理論依據(jù)。采用2（運(yùn)動(dòng)水平：專家、新手）×2（地圖難度：簡(jiǎn)單地圖、復(fù)雜地圖）的兩因素混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)功能性近紅外光譜成像（fNIRS）技術(shù)，比較專家和新手共27名在不同任務(wù)難度條件下心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中的正確率、反應(yīng)時(shí)、背外側(cè)前額葉（DLPFC）和腹外側(cè)前額葉（VLPFC）中含氧血紅蛋白（Oxy-Hb）濃度變化。結(jié)果：（1）隨著地圖難度的增大，正確率顯著降低、反應(yīng)時(shí)顯著加長(zhǎng)，專家組優(yōu)于新手組;（2）在復(fù)雜地圖條件下左右背、腹外側(cè)前額葉4個(gè)腦區(qū)的Oxy-Hb濃度均顯著高于簡(jiǎn)單地圖，專家運(yùn)動(dòng)員左右背、腹外側(cè)前額葉4個(gè)腦區(qū)Oxy-Hb濃度顯著低于新手組。結(jié)果說(shuō)明：專家運(yùn)動(dòng)員較新手運(yùn)動(dòng)員在完成識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)時(shí)表現(xiàn)出高任務(wù)績(jī)效，Oxy-Hb激活較新手組低，表現(xiàn)出了一定的專項(xiàng)認(rèn)知優(yōu)勢(shì)。心理旋轉(zhuǎn)認(rèn)知過(guò)程受認(rèn)知負(fù)荷的制約，不同認(rèn)知負(fù)荷條件對(duì)定向運(yùn)動(dòng)員心理旋轉(zhuǎn)加工產(chǎn)生了不同的績(jī)效影響及腦激活變化。

關(guān)? 鍵? 詞：心理旋轉(zhuǎn)能力;地圖難度;腦加工;定向運(yùn)動(dòng);功能性近紅外光譜技術(shù)

中圖分類號(hào)：G 804.2;G804.8? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1006-7116（2022）02-0136-09

Behavioral performance and brain processing characteristics of orienteering athletes' mental rotation ability under different cognitive load conditions

YI Yan1，LIU Jingru1，ZHANG Yan2，TANG Sijie3，LIU Yang4

（1.School of Physical Education，Northeast Normal University，Changchun 130024，China;

2.School of Physical Education，Inner Mongolia Minzu University，Tongliao 028000，China;

3.Shenzhen Oriental English College，Shenzhen 518128，China;

4. School of Physical Education，Shaanxi Normal University，Xi'an 710119，China）

Abstract： Starting from the professional mental rotation of athletes with different sports experience， explore the behavioral performance and brain processing characteristics of athletes' mental rotation under different task load conditions， and to provide a theoretical basis for further understanding of the athlete's spatial cognitive processing mechanism and scientific training. Adopting a two-factor mixed experimental design 2 （Level：expert， novice） ×2 （Map difficulty： Simple， complex）， and using functional near-infrared spectroscopy imaging technology to comparing athletes' correct rate， reaction time， changes of the Oxy-Hb concentration in the DLPFC and VLPFC in mental rotation tasks under different task difficulty conditions for 27 experts and novices. Results show that：（1） As the difficulty increases， the accuracy rate is significantly reduced， and the reaction time is significantly longer， and the experts is better than the novices; （2）under complex map conditions， the Oxy-Hb concentration in the four brain regions of the left and right dorsal and ventrolateral prefrontal lobes are significantly higher than simple map conditions. The Oxy-Hb concentration in the four brain regions of the left and right dorsal and ventrolateral prefrontal lobes of expert athletes is significantly lower than novices. Conclusion reveals that：Expert athletes showed higher task performance than novice athletes in completing mental rotation tasks of map reading， and Oxy-Hb activation was lower than that of novice athletes， showing certain specific cognitive advantages. The cognitive process of mental rotation is restricted by cognitive load. Different cognitive load conditions have different performance effects and brain activation changes on mental rotation processing of orienteering athletes.

Keywords： mental rotation ability;map difficulty;brain processing;orienteering;functional near infrared spectroscopy technology

定向運(yùn)動(dòng)是指參與者借助地圖和指北針在陌生環(huán)境中去確定自身方位和尋找目標(biāo)點(diǎn)的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)[1]。在定向運(yùn)動(dòng)行進(jìn)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)員拿到的地圖與實(shí)地方向往往是不一致的，面對(duì)方向的不斷變動(dòng)，運(yùn)動(dòng)員需不斷調(diào)整地圖和自身方位來(lái)更新與參照物的位置關(guān)系[2]。在這一過(guò)程大腦會(huì)自動(dòng)表征地圖，從而形成心象地圖，方便運(yùn)動(dòng)員將心理地圖與實(shí)際環(huán)境匹配。心理旋轉(zhuǎn)能力在協(xié)助定向運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行空間定位過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用，其能力的好壞直接影響到定向運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)表現(xiàn)[3]。

心理旋轉(zhuǎn)是空間認(rèn)知能力的重要成分，同時(shí)也為研究個(gè)體的空間認(rèn)知能力提供了定量、客觀的方法。科研人員通過(guò)心理旋轉(zhuǎn)去測(cè)量空間認(rèn)知能力，研究表明個(gè)體的空間認(rèn)知能力與心理旋轉(zhuǎn)的測(cè)驗(yàn)成績(jī)顯著相關(guān)[4]，心理旋轉(zhuǎn)會(huì)消耗大量的精神資源，是一種認(rèn)知壓力[5-6]。心理旋轉(zhuǎn)測(cè)驗(yàn)得分越高意味著空間認(rèn)知能力越好[7]。隨著認(rèn)知心理學(xué)在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中的發(fā)展，體育科研者對(duì)心理旋轉(zhuǎn)的研究更加深入，心理旋轉(zhuǎn)能力作為運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)技能所必備的重要能力，能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)水平和空間認(rèn)知能力[8-9]。在定向運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，劉陽(yáng)[10]、李俊[11]、宋楊[8]先后從不同角度對(duì)定向運(yùn)動(dòng)員認(rèn)知能力展開(kāi)了相關(guān)研究，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：地圖方位和難度在視覺(jué)注意和工作記憶過(guò)程中制約著定向運(yùn)動(dòng)員的識(shí)圖能力，心理旋轉(zhuǎn)和地圖特征在識(shí)圖過(guò)程中大大制約運(yùn)動(dòng)員的識(shí)圖能力[12]，也了解到不同水平的定向運(yùn)動(dòng)員之間任務(wù)績(jī)效存在差異[13]。

定向運(yùn)動(dòng)已有研究范式多為行為指標(biāo)的探究及經(jīng)驗(yàn)性的描述，缺乏深入的科學(xué)探索[14]。近年來(lái)，隨著認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的不斷發(fā)展，為定向運(yùn)動(dòng)提供了更多的研究技術(shù)和思路。功能性近紅外光譜成像技術(shù)（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）在為進(jìn)一步了解運(yùn)動(dòng)認(rèn)知加工過(guò)程的機(jī)制具有重要的應(yīng)用價(jià)值[15]。文獻(xiàn)表明運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程中，由額葉和頂葉組成的額頂神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是調(diào)節(jié)認(rèn)知能力的主要功能腦區(qū)[16]。前額葉皮層接收來(lái)自大腦其他功能區(qū)的經(jīng)過(guò)處理的外部信息，然后整合記憶、意圖等大腦信息，立即作出合理的計(jì)劃[17]。背外側(cè)前額葉（DLPFC）和腹外側(cè)前額葉（VLPEC）作為額葉皮質(zhì)的主要功能區(qū)，在與運(yùn)動(dòng)認(rèn)知相關(guān)的腦功能中發(fā)揮著重要作用，對(duì)依賴于情境的計(jì)劃和決策具有重要意義。定向運(yùn)動(dòng)員在識(shí)圖空間認(rèn)知過(guò)程中，不可避免會(huì)誘發(fā)額葉血氧濃度的激活。不同水平運(yùn)動(dòng)員的心理旋轉(zhuǎn)能力是否存在差異？是否表現(xiàn)出不同的腦激活特征？不同認(rèn)知負(fù)荷下心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)表現(xiàn)出什么樣的腦激活特征？這一系列問(wèn)題急需解決。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，研究者可以通過(guò)fNIRS技術(shù)得到定向運(yùn)動(dòng)員在任務(wù)下腦機(jī)制的變化情況，了解定向運(yùn)動(dòng)員在不同地圖難度條件下的心理旋轉(zhuǎn)能力，以及不同水平定向運(yùn)動(dòng)員前額葉血氧濃度變化特征，從大腦加工機(jī)制的視角來(lái)探討定向運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的專項(xiàng)認(rèn)知加工問(wèn)題。

因此，針對(duì)上述問(wèn)題，研究提出假設(shè)：（1）在任務(wù)過(guò)程中，專家組與新手組運(yùn)動(dòng)員之間呈現(xiàn)出不同的行為績(jī)效;（2）專家組運(yùn)動(dòng)員會(huì)表現(xiàn)出專項(xiàng)認(rèn)知優(yōu)勢(shì);（3）不同的地圖難度會(huì)造成心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中Oxy-Hb信號(hào)在前額葉（PFC）功能腦區(qū)上的差異，不同水平運(yùn)動(dòng)員的腦激活程度存在差異。通過(guò)研究可以挖掘定向運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的理論依據(jù)，完善定向運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目訓(xùn)練體系，為定向運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中專家認(rèn)知優(yōu)勢(shì)研究提供理論支撐與實(shí)踐指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練的最優(yōu)化。

1? 研究對(duì)象與方法

1.1? 研究對(duì)象

選取專家組運(yùn)動(dòng)員14名和新手組13名共27名（男性）定向練習(xí)者參加本實(shí)驗(yàn)，平均年齡為（20.54±0.76）歲。專家組為現(xiàn)役陜西省定向運(yùn)動(dòng)隊(duì)隊(duì)員，運(yùn)動(dòng)等級(jí)一級(jí)以上，訓(xùn)練年限6年以上;新手組均為某高校定向運(yùn)動(dòng)公共體育課的學(xué)生，訓(xùn)練年限3個(gè)月以上。所有被試者裸眼視力或矯正視力正常，無(wú)任何精神疾病史，均未參加過(guò)類似實(shí)驗(yàn)。

所有被試者提前一天均被告知實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的內(nèi)容，如時(shí)間安排和注意事項(xiàng)等，要求被試者在測(cè)試進(jìn)行之前保證充足的睡眠，以及頭部的清潔，并在實(shí)驗(yàn)前一天內(nèi)不進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)，均征得了被試者的同意，并簽署了實(shí)驗(yàn)知情同意書(shū)，完成實(shí)驗(yàn)后被試者將會(huì)領(lǐng)取到相應(yīng)的報(bào)酬。該研究已得到本校倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。

1.2? 研究設(shè)計(jì)

采用2（運(yùn)動(dòng)水平：專家、新手）×2（地圖難度：簡(jiǎn)單地圖、復(fù)雜地圖）的兩因素混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。地圖難度為組內(nèi)變量，運(yùn)動(dòng)水平為組間變量，考察不同認(rèn)知負(fù)荷下專項(xiàng)識(shí)圖情景下的心理旋轉(zhuǎn)能力。因變量指標(biāo)為受試者的正確性、反應(yīng)時(shí)和Oxy-Hb血氧濃度。

1.3? 實(shí)驗(yàn)儀器和刺激材料

所有刺激均在Panasonic CF-53顯示器上顯示，分辨率為1 366×768，刷新率為60 Hz，由運(yùn)行IBM的PC兼容計(jì)算機(jī)管理，測(cè)驗(yàn)程序均用E-prime 2.0軟件編寫(xiě)而成。

fNIRS設(shè)備：本實(shí)驗(yàn)儀器是便攜式近紅外光譜腦功能成像系統(tǒng)Nirsport 2，實(shí)現(xiàn)對(duì)前額葉皮層腦血氧數(shù)據(jù)采集。以國(guó)際10-10系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)探頭布置，通過(guò)校準(zhǔn)儀器確保既定通道上可以準(zhǔn)確探測(cè)到前額葉皮質(zhì)區(qū)。

刺激材料：實(shí)驗(yàn)材料采用800×600像素定向運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)比賽地圖，由地圖難度構(gòu)成刺激材料（簡(jiǎn)單地圖、復(fù)雜地圖）。其中簡(jiǎn)單地圖多為校園、公園場(chǎng)景，比例尺為1︰4 000，地圖信息多為建筑物等地物特征。復(fù)雜地圖多為野外、山地場(chǎng)景，比例尺為1︰10 000，地圖信息多為山體等地貌特征（見(jiàn)圖1和圖2）。

兩種類型地圖共44張（4張圖用于練習(xí)實(shí)驗(yàn)，其余40張作為正式實(shí)驗(yàn)材料）。所有刺激材料均采用近一年內(nèi)未舉辦過(guò)定向運(yùn)動(dòng)賽事的定向運(yùn)動(dòng)地圖，由3名具有國(guó)家資格的定向運(yùn)動(dòng)地圖制圖員進(jìn)行難度評(píng)分，并通過(guò)OCAD 11.0版（定向運(yùn)動(dòng)地圖開(kāi)發(fā)的專業(yè)軟件）繪制而成。每張刺激材料由1張?jiān)瓐D+3張旋轉(zhuǎn)成不同方向的圖片組成，在3張不同方向的圖片中只有1張與原圖的點(diǎn)位（圖1、2中圓圈位置）完全一致，被試者需觀察并按對(duì)應(yīng)的1、2、3鍵盤(pán)按鍵，做出判定。

1.4? 實(shí)驗(yàn)流程

測(cè)試內(nèi)容經(jīng)由計(jì)算機(jī)與fNIRS系統(tǒng)相連接，要求參與者坐在計(jì)算機(jī)顯示器前且不受限制的80 cm處完成實(shí)驗(yàn)，且在電腦屏幕上可清楚地看到呈現(xiàn)的測(cè)試內(nèi)容。受試者戴上佩戴fNIRS光極帽實(shí)驗(yàn)人員對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，使其通道連接，期間讓受試者熟讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語(yǔ)，開(kāi)始練習(xí)后，所有刺激均呈現(xiàn)在電腦屏幕上，待練習(xí)結(jié)束后收集120 s安靜狀態(tài)下受試者血樣數(shù)據(jù)方可開(kāi)始正式測(cè)試，從定向地圖來(lái)設(shè)計(jì)任務(wù)，地圖難度分為簡(jiǎn)單地圖和復(fù)雜地圖。實(shí)驗(yàn)條件對(duì)應(yīng)受試者空間認(rèn)知加工過(guò)程中所涉及的心理旋轉(zhuǎn)和空間定向。受試者通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)實(shí)驗(yàn)刺激進(jìn)行判斷，由此可得改編后識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)的反應(yīng)時(shí)和正確率，以及測(cè)試出受試者的腦血流變化程度。

實(shí)驗(yàn)由練習(xí)階段和正式測(cè)試階段組成。在兩個(gè)階段中，每個(gè)軌跡的處理過(guò)程都相同，首先出現(xiàn)刺激地圖，每道題包括1個(gè)參考圖形和3個(gè)備選圖形，受試者需要從3個(gè)備選圖形中選出1個(gè)與參考圖形相同，然后在白色背景（完整的計(jì)算機(jī)顯示）的中心出現(xiàn)黑色的“+”注視點(diǎn)，持續(xù)20 000 ms;為了避免熟悉度造成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，整個(gè)過(guò)程要求6 min內(nèi)完成。任務(wù)要求受試者仔細(xì)觀察原圖上的點(diǎn)位位置，快速搜索與原圖點(diǎn)位一致的地圖（持續(xù)10 000 ms），并按對(duì)應(yīng)的數(shù)字鍵作答。請(qǐng)?jiān)诒ＷC正確的前提下盡快按鍵。測(cè)試階段根據(jù)受試者的反應(yīng)，在屏幕中央會(huì)顯示“正確”“錯(cuò)誤”或“未響應(yīng)”的反饋1 500 ms。為了剔除受試者對(duì)練習(xí)效應(yīng)和地圖的復(fù)雜程度的影響，在練習(xí)階段受試者需要對(duì)不熟悉的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一定程度的練習(xí)，待成績(jī)穩(wěn)定后再進(jìn)行正式測(cè)試。練習(xí)階段使用的刺激材料與隨即進(jìn)行的正式實(shí)驗(yàn)（測(cè)試階段）所用的刺激材料不同。練習(xí)階段的目的是幫助參與者熟悉實(shí)驗(yàn)，并且在此期間未收集任何數(shù)據(jù)。

待練習(xí)結(jié)束后方可開(kāi)始正式測(cè)試，正式實(shí)驗(yàn)與練習(xí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程相同，但當(dāng)受試者做出反應(yīng)后不會(huì)得到反饋，而是呈現(xiàn)20 000 ms的注視點(diǎn)“+”，讓受試者保持放松狀態(tài)，直到黑色注視點(diǎn)“+”結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)試次的實(shí)驗(yàn)刺激。期間受試者對(duì)任務(wù)的行為數(shù)據(jù)和fNIRS數(shù)據(jù)被記錄到文件中，一直循環(huán)進(jìn)行直至任務(wù)完成（見(jiàn)圖3）。

1.5? 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)前把受試者的頭發(fā)充分的撥開(kāi)，為了確保探頭和頭皮的充分接觸采用松緊頭帽將其固定。在通道布局上，包括13個(gè)光源探頭以及8個(gè)接收探頭，組合成28通道，采樣頻率設(shè)為7.8 125 Hz（見(jiàn)圖4）。興趣區(qū)（region of interesting，RIO）是根據(jù)已有的解剖標(biāo)定體系（anatomical labeling systems，LBPA40）進(jìn)行劃分[18-19]。為了提高信噪比和信號(hào)可靠性，測(cè)量通道分為左、右兩側(cè)區(qū)域，共劃分出4個(gè)RIO，每個(gè)區(qū)域由6～7個(gè)通道表示，可確保區(qū)域之間的信噪比相同[20]。左側(cè)腹外側(cè)前額葉（left-ventrolateral prefrontal cortex，L-VLPFC）：Ch1、Ch2、Ch3、Ch4、Ch5、Ch7;左側(cè)背外側(cè)前額葉（left-dorsolateral prefrontal cortex，L-DLPFC）：Ch6、Ch8、Ch9、Ch10、Ch11、Ch12、Ch13;右側(cè)腹外側(cè)前額葉（right-ventrolateral prefrontal cortex，R-VLPFC）：Ch23、Ch24、Ch25、Ch26、Ch27、Ch28;右側(cè)背外側(cè)前額葉（right-dorsolateral prefrontal cortex，R-DLPFC）：Ch16、Ch17、Ch18、Ch19、Ch20、Ch21、Ch22。以上4個(gè)RIO均勻分布在PFC，采用多通道近紅外數(shù)據(jù)空間配準(zhǔn)到MNI空間的方法。

1.6? 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理部分由行為學(xué)和fNIRS兩部分組成。行為學(xué)部分：為了減少極端值給結(jié)果帶來(lái)不必要的影響，將反應(yīng)時(shí)小于5 000 ms和大于 15 000 ms的試次剔除掉。fNIRS部分：用NirsLab通過(guò)朗伯比爾定律（Lambert Beer law）對(duì)采集的光學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到含氧血紅蛋白（Oxy-Hb）濃度的相對(duì)變化。本研究腦血氧數(shù)據(jù)分析重點(diǎn)分析Oxy-Hb，相比DeOxy-Hb而言，用Oxy-Hb來(lái)反映大腦神經(jīng)激活水平信噪比更好，對(duì)任務(wù)響應(yīng)也更敏感[21]。fNIRS數(shù)據(jù)的預(yù)處理使用了帶通濾波的方法（大于0.1Hz和小于0.01Hz的成分被濾除）過(guò)濾掉心跳，呼吸等因素對(duì)fNIRS數(shù)據(jù)的影響，采用主成分分析（principal components analysis，PCA）的方法來(lái)去除運(yùn)動(dòng)偽跡[22]。然后平均各任務(wù)條件下所有試次的Oxy-Hb濃度數(shù)值，得到了被試者在各個(gè)任務(wù)條件下每個(gè)通道在單位時(shí)間內(nèi)（試次開(kāi)始后2～20s）每個(gè)采樣點(diǎn)的均值。

2? 研究結(jié)果

2.1? 行為數(shù)據(jù)結(jié)果

采用2（運(yùn)動(dòng)水平：專家、新手）×2（地圖難度：簡(jiǎn)單地圖、復(fù)雜地圖）兩因素重復(fù)測(cè)量方差分析，對(duì)識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中正確率和反應(yīng)時(shí)兩個(gè)部分的行為數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。先對(duì)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后在此基礎(chǔ)上，檢驗(yàn)識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中地圖難度和運(yùn)動(dòng)水平的主效應(yīng)和交互效應(yīng)（見(jiàn)表1、圖5）。

1）正確率結(jié)果。

重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果顯示，地圖難度×運(yùn)動(dòng)水平的交互效應(yīng)顯著[F（1，26）=4.671，P<0.05，η2=0.152]。運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)顯著[F（1，26）=115.641，P<0.001，η2 =0.816]，地圖難度主效應(yīng)顯著[F（1，26）=338.809，P<0.001，η2=0.929]。進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)單效應(yīng)分析，在復(fù)雜地圖條件下，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)[F（1，26）=127.679，P<0.001，η2=0.831]，專家運(yùn)動(dòng)員的正確率顯著高于新手運(yùn)動(dòng)員。在簡(jiǎn)單地圖條件下，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)[F（1，26）=41.481，P<0.001，η2=0.615]，相比復(fù)雜地圖，在簡(jiǎn)單地圖條件下，兩者之間的顯著性有所降低。新手組，地圖難度主效應(yīng)顯著[F（1，26）=197.418，P<0.001，η2=0.884]，專家組，地圖難度主效應(yīng)[F（1，26）=142.111，P<0.001，η2=0.845]，無(wú)論是專家組還是新手組，隨著地圖難度的加大，正確率降低（見(jiàn)圖5（a））。

2）反應(yīng)時(shí)結(jié)果。

重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果顯示，地圖難度×運(yùn)動(dòng)水平的交互效應(yīng)不顯著[F（1，26）=0.79，P=0.782，η2=0.003]，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)顯著[F（1，26）=11.584，P<0.01，η2=0.317]地圖難度主效應(yīng)顯著[F（1，26）=158.102，P<0.001，η2=0.860];專家組反應(yīng)時(shí)顯著低于新手組，復(fù)雜地圖條件顯著高于簡(jiǎn)單地圖條件（見(jiàn)圖5（b））。

2.2? fNIRS數(shù)據(jù)結(jié)果

采用2（運(yùn)動(dòng)水平：專家、新手）×2（地圖難度：簡(jiǎn)單地圖、復(fù)雜地圖）兩因素重復(fù)測(cè)量方差分析受試者在完成識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)時(shí)左右腹外側(cè)前額葉（L-VLPEC、R-VLPFC）和左右背外側(cè)前額葉（L-DLPFC、R-DLPFC）的Oxy-Hb濃度（見(jiàn)表2、圖6、圖7）。

1）左側(cè)腹外側(cè)前額葉（L-VLPFC）測(cè)試結(jié)果。

結(jié)果顯示：地圖難度×運(yùn)動(dòng)水平的交互效應(yīng)不顯著[F（1，25）=1.724，P=0.201，η2=0.065]，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)顯著[F（1，25）=6.237，P<0.05，η2=0.200]，新手組Oxy-hb濃度顯著高于專家組;地圖難度主效應(yīng)顯著[F（1，25）=7.104，P<0.05，η2=0.221]，復(fù)雜地圖條Oxy-Hb濃度顯著高于簡(jiǎn)單地圖（見(jiàn)圖6（a））。

2）右側(cè)腹外側(cè)前額葉（R-VLPFC）測(cè)試結(jié)果。

結(jié)果顯示：地圖難度×運(yùn)動(dòng)水平的交互效應(yīng)顯著[F（1，25）=6.634，P<0.05，η2=0.210]，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)顯著[F（1，25）=6.811，P<0.05，η2=0.214]，地圖難度主效應(yīng)顯著[F（1，25）=27.402，P<0.001，η2=0.523]（見(jiàn)圖6（b））。

進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)單效應(yīng)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在簡(jiǎn)單地圖條件下，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)不顯著[F（1，25）=1.837，P=0.187，η2=0.068];在復(fù)雜地圖條件下，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)顯著[F（1，25）=11.157，P<0.01，η2=0.309]，新手組血氧濃度大于專家組。在新手組條件下，地圖難度主效應(yīng)不顯著[F（1，25）=3.409，P=0.077，η2=0.120];在專家組條件下，地圖難度主效應(yīng)顯著[F（1，25）=31.674，P<0.001，η2=0.559]，復(fù)雜地圖血氧濃度顯著高于簡(jiǎn)單地圖。

3）左側(cè)背外側(cè)前額葉（L-DLPFC）測(cè)試結(jié)果。

結(jié)果顯示：地圖難度×運(yùn)動(dòng)水平的交互效應(yīng)顯著[F（1，25）=7.820，P<0.001，η2=0.401]，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)顯著[F（1，25）=7.418，P<0.05，η2=0.229]，地圖難度主效應(yīng)顯著[F（1，25）=33.024，P<0.001，η2=0.569]（見(jiàn)圖6（c））。

進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)單效應(yīng)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在簡(jiǎn)單地圖條件下，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)不顯著[F（1，25）=2.154，P=0.155，η2=0.079];在復(fù)雜地圖條件下，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)顯著[F（1，25）=14.763，P<0.01，η2=0.371]，新手組血氧濃度大于運(yùn)動(dòng)員受試者。在新手組條件下，地圖難度主效應(yīng)顯著[F（1，25）=4.187，P<0.05，η2=0.145];在專家組條件下，地圖難度主效應(yīng)顯著[F（1，25） =37.895，P<0.001，η2=0.603]，復(fù)雜地圖血氧濃度顯著高于簡(jiǎn)單地圖。

4）右側(cè)背外側(cè)前額葉（R-DLPFC）測(cè)試結(jié)果。

結(jié)果顯示：地圖難度×運(yùn)動(dòng)水平的交互效應(yīng)顯著[F（1，25）=16.702，P<0.001，η2=0.401]，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)顯著[F（1，25）=4.338，P<0.05，η2=0.148]，地圖難度主效應(yīng)顯著[F（1，25）=31.976，P<0.001，η2=0.561] （見(jiàn)圖6（d））。

進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)單效應(yīng)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在簡(jiǎn)單地圖條件下，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)不顯著[F（1，25）=1.087，P=0.307，η2=0.042];在復(fù)雜地圖條件下，運(yùn)動(dòng)水平主效應(yīng)顯著[F（1，25）=8.006，P<0.01，η2=0.243]，新手組血氧濃度大于專家組受試者。在新手組條件下，地圖難度主效應(yīng)顯著[F（1，25）=4.533，P<0.05，η2=0.153]，復(fù)雜地圖血氧濃度顯著高于簡(jiǎn)單地圖;在專家組條件下，地圖難度主效應(yīng)顯著[F（1，25）=35.281，P<0.001，η2=0.585]，復(fù)雜地圖血氧濃度顯著高于簡(jiǎn)單地圖。

3? 結(jié)果分析

3.1? 定向運(yùn)動(dòng)員心理旋轉(zhuǎn)能力的行為學(xué)特征

研究以定向運(yùn)動(dòng)專項(xiàng)地圖作為刺激材料對(duì)不同水平定向運(yùn)動(dòng)員在不同地圖難度條件下的心理旋轉(zhuǎn)能力進(jìn)行測(cè)試。從行為學(xué)結(jié)果可以得知，地圖難度的主效應(yīng)表現(xiàn)為對(duì)復(fù)雜地圖的識(shí)圖反應(yīng)時(shí)顯著長(zhǎng)于簡(jiǎn)單地圖，正確率顯著偏低，難度的加大制約了個(gè)體的行為績(jī)效。運(yùn)動(dòng)水平的主效應(yīng)表現(xiàn)為新手組識(shí)圖反應(yīng)時(shí)顯著長(zhǎng)于專家組，正確率上顯著偏低。行為結(jié)果比較表明，新手組在心理旋轉(zhuǎn)能力上與專家組有一定差距，專家組運(yùn)動(dòng)員的心理旋轉(zhuǎn)能力優(yōu)于新手組，具體呈現(xiàn)在高準(zhǔn)確率和較快的加工速度，該結(jié)果也驗(yàn)證了本研究的假設(shè)，心理旋轉(zhuǎn)能力與運(yùn)動(dòng)員過(guò)去經(jīng)驗(yàn)有著很大的關(guān)聯(lián)，專家運(yùn)動(dòng)員在專項(xiàng)績(jī)效上具有認(rèn)知優(yōu)勢(shì)，這與已有的研究結(jié)果一致[23]。許多研究發(fā)現(xiàn)，專家組運(yùn)動(dòng)員能夠充分調(diào)動(dòng)豐富的體育經(jīng)驗(yàn)，也能夠更靈活地利用先驗(yàn)信息;去提高匹配條件下的決策速度，同時(shí)減少非匹配條件下的決策損失[24]。Eccles等[25]的研究表明定向?qū)＜疫\(yùn)動(dòng)員已經(jīng)掌握了預(yù)測(cè)和計(jì)劃技能，可以幫助他們準(zhǔn)備對(duì)環(huán)境的快速變化做出最佳反應(yīng)。定向?qū)＜医M運(yùn)動(dòng)員通過(guò)表征過(guò)程對(duì)心象地圖進(jìn)行再現(xiàn)，不斷完善心象地圖，從而提高定向?qū)＜医M運(yùn)動(dòng)員的空間認(rèn)知加工速度，表征心理旋轉(zhuǎn)能力形成優(yōu)勢(shì)效應(yīng)[26-27]。

認(rèn)知負(fù)荷對(duì)心理旋轉(zhuǎn)的影響是研究人員關(guān)注的重要問(wèn)題之一。研究中采用的刺激材料均為定向運(yùn)動(dòng)比賽專用地圖，復(fù)雜地圖相較于簡(jiǎn)單地圖涉及到更多的地貌信息，復(fù)雜地圖是經(jīng)過(guò)高度概括綜合的圖形，包括復(fù)雜各異的地圖形狀、符號(hào)和注記。復(fù)雜地圖無(wú)疑更加考驗(yàn)定向運(yùn)動(dòng)員的識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)能力，不單單是反應(yīng)時(shí)，也包括正確率。這與Bethell-Fox等[28]的研究也一致，他們認(rèn)為受試者進(jìn)行心理旋轉(zhuǎn)加工，反應(yīng)時(shí)會(huì)伴隨著圖像的復(fù)雜程度而延長(zhǎng)。難度在一定程度上也代表著認(rèn)知負(fù)荷，復(fù)雜地圖比簡(jiǎn)單地圖難，但需要受試者在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下去甄別，面對(duì)復(fù)雜地圖時(shí)需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力去進(jìn)行精確的判斷。反之，簡(jiǎn)單地圖條件下所需認(rèn)知資源較少，相對(duì)認(rèn)知負(fù)荷也會(huì)變化，因此對(duì)任務(wù)干擾較小。定向運(yùn)動(dòng)普修課的大學(xué)生，由于對(duì)定向運(yùn)動(dòng)地圖有用信息的把握還不是很準(zhǔn)確，從而在地圖空間認(rèn)知任務(wù)下績(jī)效不如專家組運(yùn)動(dòng)員。

綜上可知，地圖難度制約著定向?qū)＜医M運(yùn)動(dòng)員和新手組的識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)能力，運(yùn)動(dòng)水平也影響著運(yùn)動(dòng)員和新手組的識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)能力和定向運(yùn)動(dòng)員的任務(wù)績(jī)效。本研究用反應(yīng)時(shí)和正確率來(lái)衡量定向運(yùn)動(dòng)員心理旋轉(zhuǎn)能力，然而這兩個(gè)指標(biāo)主要反映運(yùn)動(dòng)員任務(wù)測(cè)試的結(jié)果，無(wú)法準(zhǔn)確地了解識(shí)圖過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)，因此借助fNIRS技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)任務(wù)過(guò)程中定向運(yùn)動(dòng)員大腦前額葉皮質(zhì)區(qū)的變化。

3.2? 定向運(yùn)動(dòng)員心理旋轉(zhuǎn)能力的腦激活表現(xiàn)

本研究使用多通道fNIRS系統(tǒng)探索識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)過(guò)程中定向運(yùn)動(dòng)員VLPFC和DLPFC的參與，目的是了解不同水平運(yùn)動(dòng)員心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)行為績(jī)效結(jié)果與腦活動(dòng)的關(guān)系，深入探究定向運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的認(rèn)知價(jià)值。

在fNIRS結(jié)果中得知，在復(fù)雜地圖條件下，專家組Oxy-Hb濃度顯著低于新手組，通過(guò)腦血氧激活圖也發(fā)現(xiàn)，新手復(fù)雜地圖條件下大腦激活最為顯著。不同水平的運(yùn)動(dòng)員在腦血氧激活上表現(xiàn)出了不同的差異，也與本研究的假設(shè)及相關(guān)領(lǐng)域的研究結(jié)果相一致，以往對(duì)神經(jīng)效率的研究表明，相關(guān)領(lǐng)域的表現(xiàn)越高（認(rèn)知能力越高），大腦皮層的激活程度越低，呈負(fù)相關(guān)。大腦的神經(jīng)資源被保存和自動(dòng)化，展現(xiàn)出大腦皮層神經(jīng)的高效率[29]。一些研究人員在邏輯推理[30]、處理速度[31]、工作記憶[32]、問(wèn)題解決[33]、駕駛[34]等任務(wù)處理方面取得了類似的結(jié)果，解釋了個(gè)體表現(xiàn)差異的腦功能機(jī)制。一些與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的研究表明，長(zhǎng)期學(xué)習(xí)或訓(xùn)練可以提高大腦神經(jīng)的效率。原因可能與通過(guò)鍛煉來(lái)優(yōu)化大腦皮層功能、減少大腦激活有關(guān)。從大腦皮層功能激活來(lái)看，解釋運(yùn)動(dòng)員績(jī)效的內(nèi)在神經(jīng)功能機(jī)制，進(jìn)而驗(yàn)證神經(jīng)效率假說(shuō)[35]。

此外，難度變量條件下腦血氧的差異也是本研究的重點(diǎn)。行為學(xué)數(shù)據(jù)表明，難度加大制約了個(gè)體的行為績(jī)效。通過(guò)近紅外數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)隨著難度的提升Oxy-Hb濃度顯著提升，專家組更為明顯。這說(shuō)明，認(rèn)知負(fù)荷誘發(fā)了前額葉腦功能活動(dòng)強(qiáng)度，在其他研究中也發(fā)現(xiàn)DLPFC在沖突任務(wù)中被激活[36]，當(dāng)任務(wù)過(guò)程中復(fù)雜性或整合需求增加時(shí)，DLPFC也同樣被激活[37]。同時(shí)，空間注意、場(chǎng)景記憶、空間定位的關(guān)鍵區(qū)域是VLPFC[38-39]。根據(jù)前額葉皮層網(wǎng)絡(luò)模型[40]，VLPFC在空間認(rèn)知中起著關(guān)鍵作用。在行動(dòng)控制過(guò)程中，當(dāng)復(fù)雜性或整合需求增加時(shí)，大腦也相應(yīng)會(huì)增加其認(rèn)知負(fù)荷，因此運(yùn)動(dòng)員在任務(wù)中需要選擇對(duì)應(yīng)信息以采取行動(dòng)，調(diào)動(dòng)VLPFC和DLPFC去感知任務(wù)過(guò)程中識(shí)圖空間方面的信息，通過(guò)獲得的信息與運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)產(chǎn)生聯(lián)系。定向運(yùn)動(dòng)心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)是一個(gè)復(fù)雜的認(rèn)知加工過(guò)程，地圖難度的變換涉及到二維（簡(jiǎn)單地圖）和三維（復(fù)雜地圖）的轉(zhuǎn)換，受試者為了想象出導(dǎo)航空間整體性，需要拼接整合地圖上分散的信息碎片，以形成完整的心象地圖[41]。識(shí)圖過(guò)程中大腦中Oxy-Hb的濃度高意味著更充足的血流供應(yīng)，帶來(lái)大腦代謝所需要的能源物質(zhì)，因此在復(fù)雜地圖條件下其中復(fù)雜的地形會(huì)調(diào)動(dòng)更加多的認(rèn)知參與定向?qū)＜医M運(yùn)動(dòng)員受任務(wù)難度改變的影響更為顯著，這可能是由于在對(duì)復(fù)雜地圖的理解和認(rèn)知加工上專家運(yùn)動(dòng)員具有著專項(xiàng)認(rèn)知優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)對(duì)不同難度定向地圖時(shí)不同水平運(yùn)動(dòng)員所采用的策略也出現(xiàn)了差異。通過(guò)腦血氧的激活程度表明難度制約著定向運(yùn)動(dòng)員的行為績(jī)效，這次績(jī)效差異是由于對(duì)地圖專項(xiàng)的認(rèn)知所導(dǎo)致，在未來(lái)的專項(xiàng)訓(xùn)練中，需增加復(fù)雜地圖認(rèn)知的刻意訓(xùn)練，進(jìn)一步提升新手組的心理旋轉(zhuǎn)能力，從而提升運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

4? 結(jié)論

良好的識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)能力是定向運(yùn)動(dòng)員快速選擇目標(biāo)點(diǎn)、完成比賽的基礎(chǔ)，深入了解定向運(yùn)動(dòng)員的識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)能力，對(duì)于提升專項(xiàng)技能水平具有積極的意義。研究通過(guò)不同地圖難度條件下不同水平運(yùn)動(dòng)員的識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)行為學(xué)及腦激活特征分析得知，專家運(yùn)動(dòng)員較新手運(yùn)動(dòng)員在完成識(shí)圖心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)時(shí)表現(xiàn)出高任務(wù)績(jī)效，Oxy-Hb激活較新手組低，展現(xiàn)出了一定的專項(xiàng)認(rèn)知優(yōu)勢(shì)，不同地圖難度條件對(duì)定向運(yùn)動(dòng)員空間認(rèn)知加工產(chǎn)生了不同的績(jī)效影響及腦激活變化。研究所采用的研究方法對(duì)于深入開(kāi)展定向運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)認(rèn)知優(yōu)勢(shì)方面的相關(guān)研究具有很好的推動(dòng)作用，獲得的研究結(jié)論對(duì)于加深人們對(duì)定向運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目認(rèn)知價(jià)值的認(rèn)識(shí)很有幫助。

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[收稿日期：2021-10-23

基金項(xiàng)目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（202102223033）;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（GK202007035）。

作者簡(jiǎn)介：易妍（1986-），女，講師，博士研究生，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。E-mail：38663926@qq.com? 通信作者：劉陽(yáng)]