張文　宋楊　劉陽

摘? ? 要? ?目的：利用功能性近紅外光譜成像技術監(jiān)測定向運動員在不同認知任務下大腦皮層腦血氧激活變化，揭示定向運動項目認知加工特征和內在機制。方法：24名定向運動員參加實驗，通過行為測量和近紅外光譜功能成像系統(tǒng)腦血氧激活程度的測量，記錄并分析被試在識圖決策和圖景識別2種認知任務執(zhí)行過程中的行為表現(xiàn)和大腦前額葉皮層的氧合血紅蛋白濃度變化。結果：1）圖景識別任務行為績效顯著好于識圖決策任務；2）識圖決策任務下，大腦左右腹外側前額葉大腦皮層腦血氧激活程度顯著大于圖景識別任務；3）圖景識別任務下，腦功能連接相關程度顯著大于識圖決策任務。結論：不同認知任務下大腦前額葉在認知加工模式上存在差異，左右腹外側前額葉腦區(qū)在識圖決策認知任務加工過程中起到重要作用，圖景識別認知加工過程中，腦網絡功能連接更強。

關鍵詞? ?定向運動；識圖決策；圖景識別；功能性近紅外光譜成像技術；前額葉皮層區(qū)

中圖分類號：G 804.8? ? ? ? ? ?學科代碼：040302? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

DOI：10.14036/j.cnki.cn11-4513.2023.02.008

Abstract? ?Objective： Functional near-infrared spectroscopy imaging （fNIRS） was used to monitor the activation of cerebral oxygen （Oxy-hb） in the cerebral cortex of orienteering athletes under different cognitive tasks， to reveal the cognitive processing characteristics and internal mechanism of orienteering events. Methods： Twenty-four orienteering athletes participated in the experiment to record and analyze the participantsbehavior and the changes in the concentration of oxyhemoglobin in the prefrontal cortex of the brain during the two tasks of map recognition decision-making and picture recognition by measuring the degree of activation of cerebral blood oxygen through behavioral measurement and near-infrared spectroscopy functional imaging systems. Results： 1） The performance of picture recognition task completion behavior is significantly better than that of map recognition decision-making task. 2） Under the map recognition decision-making task， the degree of Oxy-hb activation of the left and right ventrolateral prefrontal lobe （VLPFC） of the brain was significantly greater than that of the image recognition task. 3） Under the picture recognition task， the correlation degree of brain function connection is significantly greater than that of the map recognition decision-making task. Conclusion： Under different cognitive tasks， the prefrontal lobe of the brain has differences in cognitive processing mode， and the brain region of the left and right ventrolateral prefrontal lobes plays an important role in the processing of cognitive tasks for map recognition decision-making， and the brain network function connection is stronger during the cognitive processing of picture recognition.

Keywords? ?orienteering; map-recognition decision-making; picture recognition; fNIRS; prefrontal cortical areas

定向運動是指利用地圖和指北針進行導航，完成選擇道路、尋找目標的體育運動，是1個具有高度認知成分和身體參與的運動項目。在比賽中，選手需要通過地圖信息的識別決策合理的跑動路線，并不斷地將地圖與實景信息進行匹配，完成標定自身位置和尋找目標的任務［1］。識圖決策和圖景識別是定向運動的技術核心，決定著運動員的競技成績。

決策是人通過對現(xiàn)實情況的判斷進而選擇行動的過程［2］。定向運動中識圖決策是指個人在其心理系統(tǒng)中輸入、編碼、存儲和提取地圖信息以決定最佳路線的認知過程［3］。這一過程涉及了識別地圖符號，對地圖信息的選擇注意、有效的記憶等多項認知成分［4］。情景識別是首先對刺激物的特征進行分析，即提取刺激物的相關特征，然后將這些提取的特征進行整合，再與長期記憶中各種刺激物的特征進行比較。這與感知覺、記憶、思維、想象等心理過程密切相關。參與定向運動的運動員需要對地圖上各種符號進行處理和編碼，對地圖符號進行情景匹配與識別，盡可能多地識別周圍的必要特征，忽略地圖上不相關的情景，并快速、準確地選擇與行進路線有關的情景特征。表征地圖、心理旋轉、目標搜索等認知任務都參與了這個過程。識圖決策與圖景識別在認知加工過程中既具有共通性，也具有差異性，本研究力求通過行為及神經績效的分析，探究兩者之間的異同。

綜合分析國內外已有研究發(fā)現(xiàn)，對定向運動項目的認知研究多采用問卷、訪談等方法對識圖注意、記憶、決策等認知能力進行行為學數(shù)據(jù)分析。劉陽等將地圖類型和信息量雙任務范式與眼動技術相結合，研究了定向運動員識圖決策過程中視覺搜索特征，發(fā)現(xiàn)地圖類型與信息量影響定向運動員的視覺搜索特征，進而影響了選手的識圖決策績效［5］。定向運動員的識圖決策能力受到記憶能力的制約，擁有好的記憶能力，有利于記憶更多的地圖信息，從而提高識圖決策效率［6］。在定向運動員的圖景識別研究中，主要圍繞地圖記憶和心理旋轉2種認知能力進行探究。有研究發(fā)現(xiàn)，通過專項記憶訓練，有利于提升練習者的特定信息快速編碼和提取的能力，可提高專項技能的情景識別水平和場景識別轉換能力［7］。一項空間定位的行為學研究發(fā)現(xiàn)，心理旋轉能力在定向運動圖景識別的方位匹配過程中起著重要的作用［8］。綜上，已有的研究證實定向運動員識圖決策與圖景識別受到多種認知能力的影響，但研究缺乏對不同認知任務的比較分析，不同認知加工過程中的大腦變化機制尚不清楚。本研究借助神經影像技術監(jiān)測心理任務執(zhí)行期間的血流動力學信號變化，以期進一步探討不同認知任務間大腦激活模式。

近年來，功能性近紅外光譜成像技術（fNIRS）在運動領域的應用越來越廣泛，在籃球［9］、太極拳［10］、乒乓球［11］、有氧運動［12］等方面都有一定的進展與突破。前額葉皮質層是接收來自大腦其他功能區(qū)的經過處理的外部信息，然后整合記憶、意圖等信息，立即作出合理的計劃的區(qū)域［13］。許多功能性神經影像學研究報告顯示了在注意和記憶相關任務過程中前額葉的激活［14-16］。因此，本研究選取大腦腹外側前額葉（VLPFC）和背外側前額葉（DLPFC）來監(jiān)測定向運動員在識圖決策、圖景識別的任務下含氧血紅蛋白（Oxy-hb）信號的變化，從行為績效和fNIRS指標進行分析，并提出以下研究假設：1）識圖決策和圖景識別2種認知任務下定向運動員的行為績效和腦激活模式存在顯著差異。2）識圖決策和圖景識別任務下行為學指標與腦血氧結果具有相關性，不同認知任務體現(xiàn)出腦功能連接的差異性。

1? ?研究對象與方法

1.1? 實驗對象

本研究共招募24名定向運動隊隊員，平均年齡為（22.78±0.85）歲，年齡范圍在21～25歲之間；均為國家一級運動員以上，平均訓練年限為（8.37±2.12）年；左、右眼視力或矯正視力正常，皆為右利手，受教育程度一致；無色盲色弱現(xiàn)象、無神經病癥史、無嚴重身體疾病、無酒精或者藥物依賴；從未參加過類似實驗及提前一天告知被試實驗相應的內容，受試者均同意簽署《實驗知情同意書》。該研究已獲得陜西師范大學倫理委員會的批準（20191011）。

1.2? 研究方法

1.2.1? 實驗材料

1）識圖決策任務刺激材料。采用800×600像素定向運動標準比賽地圖，比例尺為1∶5 000，地圖信息多為建筑物等地物特征，每張地圖含24條路線規(guī)劃任務。

2）圖景識別刺激材料。運動員應根據(jù)紙質版地圖信息及檢查點點位信息在實景中快速搜索，圖景識別任務中有4個選擇位置（用白色與橙色相間的點標旗表示），其中一個為與地圖點位一致的正確選項。地圖信息及檢查點說明表在刺激材料左側，指北標識顯示與實景方位一致。定向運動員需要在實景中找出認為相應匹配的點位。

對實驗范式進行了信效度檢驗。效度采用專家訪談法，由3位專家對本研究的實驗材料進行評分（4.30±0.33），評分結果說明本研究的實驗材料具有效度。信度采用時間信度檢驗，在預實驗中對10名受試者進行實驗，1周后進行第2次測試，2次測試的結果進行相關性分析，r＞0.80，說明實驗信度可靠。

1.2.2? 實驗程序

實驗前讓被試者熟悉實驗環(huán)境，并記錄被試者的性別、年齡、訓練年限、運動等級等基本情況，期間告知被試者實驗注意事項。之后由實驗人員對被試者佩戴fNIRS光極帽，并進行校準，使其通道連接。實驗包括2個階段：練習階段和正式測試階段。練習階段受試者完成8個點位共4次識圖決策練習和4次圖景識別練習（練習階段和正式階段實驗材料隨機選?。?。在練習階段考察受試者實驗操作熟練度的同時，重點要求受試者頭部和肢體盡量少動，保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

正式測試階段：首先讓受試者保持放松狀態(tài)，30 s后受試者在時間提醒下開始測試識圖決策任務。識圖決策共有23個目標點位，受試者從地圖的起點出發(fā)，完成24次路線決策最后到達終點，每4次路線決策為1個組塊，每完成1個組塊，休息30 s（保證受試者的腦血氧恢復基線水平）。圖景識別任務正式實驗共有16個圖景識別選項，每4個圖景識別選項為1個組塊，完成一個組塊休息30 s，整個實驗任務總計4個組塊。

1.2.3? 數(shù)據(jù)采集

本實驗儀器采用德國某公司的便攜式fNIRS設備（Nirsport2）。在前額葉皮層區(qū)域的測量通道布局上，由13個光源探頭和8個接收探頭組合成28通道，采樣頻率設為7.813 Hz（如圖1所示）。興趣區(qū)（ROI）是根據(jù)已有的解剖標定體系進行劃分［17-18］。為了提高信噪比和信號可靠性，測量通道分為左、右兩側區(qū)域，共劃分出4個ROI，每個區(qū)域由6～7個通道表示，可確保區(qū)域之間的信噪比相同。左側腹外側前額葉（L-VLPFC）為Ch1、Ch2、Ch3、Ch4、Ch5、Ch7；左側背外側前額葉（L-DLPFC）為Ch6、Ch8、Ch9、Ch10、Ch11、Ch12、Ch13；右側腹外側前額葉（R-VLPFC）為Ch23、Ch24、Ch25、Ch26、Ch27、Ch28；右側背外側前額葉（R-DLPFC）為Ch16、Ch17、Ch18、Ch19、Ch20、Ch21、Ch22（見表1）。以上4個ROI均勻分布在PFC，采用多通道近紅外數(shù)據(jù)空間配準到MNI空間的方法。

1.2.4? 數(shù)據(jù)處理與分析

采集定向運動員在圖景識別、識圖決策任務中的正確率、反應時。使用“SPSS 23.0”軟件對測量數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，夏皮洛－威爾克檢驗（S-W）結果顯示數(shù)據(jù)均大于0.05閾值，服從正態(tài)分布；通過配對樣本t檢驗，觀察不同認知任務下的行為學指標的差異。

使用MATLAB對fNIRS采集的數(shù)據(jù)進行初步分析。采用主成分分析（PCA）法去除噪聲和運動偽跡。根據(jù)血液動力響應函數(shù)和運用帶通濾波的方法（大于0.30 Hz和小于0.01 Hz的成分被濾除）過濾心跳，呼吸等因素對fNIRS數(shù)據(jù)的影響。通過朗伯比爾定律對采集的光學數(shù)據(jù)進行計算，得到Oxy-Hb、Deoxy-Hb和Total-Hb的血氧信號數(shù)據(jù)［19］。相比于Deoxy-Hb而言，以Oxy-Hb反映大腦神經激活水平更為真實有效［20-21］，獲得28個通道的Oxy-Hb原始數(shù)據(jù)后，計算各任務條件下所有試次的Oxy-Hb數(shù)值的平均數(shù)，得到了受試者在各個任務條件下每個通道在單位時間內每個采樣點的均值，再將ROIs包含的6～7個通道的oxy-Hb數(shù)據(jù)進行平均數(shù)計算，即為該ROI的血氧信號。運用“SPSS23.0”軟件對各指標的Oxy-Hb數(shù)據(jù)進行了配對t檢驗，使用FDR校正所有的p值，校正后以p＜0.05被認為是具有統(tǒng)計學意義。

分析各個通道的Oxy-Hb值在時間序列上的Pearson相關系數(shù)，相關系數(shù)范圍位于［0，1］，數(shù)字越大表示其相關性越強。根據(jù)以往的研究［22-23］，將具有相關性的通道定義為相關系數(shù)大于0的通道，生成一個28×28的對角矩陣。根據(jù)對應行的序號和列的序號可以得到所選通道之間的相關系數(shù)。經過Fisher-Z轉換，改善這些相關系數(shù)的正態(tài)分布，使用反Fisher變換將分析后的Z值矩陣逆變換，根據(jù)轉換后的數(shù)值界定通道之間的功能連接強度。

2? ?結果

2.1? 行為學結果

定向運動員在不同認知任務下的正確率和反應時比較結果見表2，對識圖決策、圖景識別間認知任務的正確率、反應時分別進行配對樣本t檢驗，結果顯示，在正確率上，識圖決策任務顯著低于圖景識別任務（t=6.494，p<0.01）；在反應時上，識圖決策任務顯著大于圖景識別任務（t=10.042，p<0.01）。

2.2? fNIRS結果

通過ROI的劃分，對定向運動員在識圖決策、圖景識別任務下的L-VLPFC、L-DLPFC、R-VLPFC和R-DL

PFC分別進行配對樣本t檢驗，結果如圖2所示。

分析結果顯示：在識圖決策任務下，L-VLPFC（t=2.406， p<0.05）和R-VLPFC（t=2.080，p<0.05）的激活程度顯著大于圖景識別。

2.3? 相關性分析結果

2.3.1? 不同認知任務下正確率與腦區(qū)激活程度的相關性分析

為了探究定向運動員在進行不同認知任務時與行為學（正確率）相關的腦區(qū)，將圖景識別任務和識圖決策任務存在顯著差異的腦區(qū)分別進行相關性分析，結果如圖3所示。

分析結果顯示：圖景識別任務下L-VLPFC（r=0.624，p=0.001）和R-VLPFC（r=0.577，p=0.004）與正確率相關顯著。識圖決策任務下L-VLPFC（r=0.492，p=0.017）和R-VLPFC（r=0.561，p=0.005）與正確率相關顯著。

2.3.2? 不同認知任務下腦區(qū)之間激活程度的相關性分析

為了進一步評估定向運動員在圖景識別任務和識圖決策任務的腦網絡功能連接，采用皮爾遜相關系數(shù)計算通道之間的相關性，分析結果如表3所示。

對不同認知任務下腦區(qū)之間功能連接的比較進行配對樣本t檢驗，結果表明：圖景識別任務下L-VLPFC和L-LPFC之間的相關系數(shù)顯著大于識圖決策任務（t= 3.329，p<0.01）；圖景識別任務下R-VLPFC和R-

DLPFC之間的相關系數(shù)顯著大于識圖決策任務（t= 4.147，p<0.01）。

3? ?討論

3.1? 不同認知任務下行為學特征分析

本研究結果顯示：識圖決策的正確率顯著低于圖景識別，識圖決策的反應時顯著大于圖景識別，說明不同的識圖任務影響定向運動員的行為績效，圖景識別效率更高。在識圖決策過程中，定向運動員合理的路線決策需要對點與點之間的眾多地物（例如：房屋、建筑物等）和地貌（例如：等高線）符號進行綜合判斷，從而決策出一條合理路線。這一過程涉及到對輸入信息進行辨別，根據(jù)大腦記錄的行為信息及關鍵因素，進一步對這些信息進行加工與分析。而信息認知加工過程中，任務越復雜使得識別加工占用和消耗更多的注意資源［24-25］，這種高認知負荷、低效率資源消耗的特征，不利于中樞資源合理的分配［26］。因此表現(xiàn)出識圖決策的正確率低和反應時長。定向運動員的行為績效與任務難度緊密相關，難度的加大會制約個體的行為績效，高認知負荷會消耗更多認知資源，這也是為什么定向運動員在圖景識別任務中行為績效高于識圖決策任務的原因。本研究用正確率和反應時2個指標比較識圖決策和圖景識別任務的差異，然而這2個指標主要反映定向運動員在2種認知任務中的行為學表現(xiàn)，無法了解其內在機制及原因，因此借助fNIRS技術監(jiān)測定向運動員在不同認知任務執(zhí)行過程中大腦前額葉皮質區(qū)的變化。

3.2? 不同認知任務下的腦激活特征分析

fNIRS結果顯示，左、右兩側VLPFC在識圖決策任務下的激活程度顯著大于圖景識別任務，這可能是任務難度影響著運動員的腦激活模式。相關研究表明，VLPFC腦區(qū)的激活被認為在抑制控制［27］、工作記憶［28］、選擇性注意過程中發(fā)揮作用［29］，在行動控制過程中，當復雜性或整合性需求增加時，VLPFC腦區(qū)的認知負荷升高，激活隨之增強，負荷降低，激活隨之減弱［30］。此外，在任務過程中VLPFC腦區(qū)激活程度與任務難度存在相關性［31］，與簡單任務相比復雜任務會誘發(fā)腦區(qū)更大程度的激活［32］。依據(jù)知覺負載理論，知覺負載水平決定了當前認知任務過程中的資源的分配。在認知資源有限的情況下，簡單任務只需要耗費較少的認知資源，而復雜任務則需要耗費更多的認知資源，分心刺激干擾水平更高［33］。因此，識圖決策任務中VLPFC的激活表現(xiàn)得更明顯。

在本研究中，定向運動員在不同認知任務時腦激活差異可以用以下事實來解釋。例如，在執(zhí)行任務時，參與者必須采用第一視角在想象的運動環(huán)境中進行，并且在識圖決策過程中要對地圖符號特征中的等高線、建筑物等信息進行抽象的三維想象，從平面信息變?yōu)榱Ⅲw信息的合理規(guī)劃都要伴隨著復雜的認知加工，對運動員的認知負荷要求也越大［34］。在這一過程中對地圖信息的選擇性注意、符號的編碼與記憶影響著定向運動員的識圖決策績效，任務的復雜程度誘發(fā)了前額葉腦功能活動強度，因此與之相關的腦區(qū)表現(xiàn)出了腦激活特性。在圖景識別任務中需要單一地提取所需地圖符號的特征進行分析，將這些提取的特征進行整合并在實景中搜索正確的目標。相比圖景識別任務，識圖決策任務認知負荷強度更大，認知負荷的差異可能引起了VLPFC的功能活動變化［35］，導致大腦VLPFC更大程度地激活。本研究發(fā)現(xiàn)了VLPFC在識圖決策任務中的重要作用，將為今后通過神經調控提升識圖績效提供客觀依據(jù)。

3.3? 不同認知任務下腦功能連接相關性分析

比較正確率和大腦激活程度的相關性分析進一步證實了圖景識別、識圖決策任務下的L-VLPFC和R-VLPFC均與正確率相關顯著。從不同認知任務下腦功能連接發(fā)現(xiàn)，在圖景識別任務下L-VLPFC和L-DL

PFC、R-VLPEC和R-DLPEC的腦區(qū)功能連接更具有相關性，表明腦區(qū)之間功能整合的增加與大腦活動的增加密切相關［36］。依據(jù)認知加工通路假說，認知加工主要有2條不同的皮層加工通道，一個是腹側通路（what通路），另一個是背側通路（where通路）。腹外側前額葉主要控制方位認知和地圖表征［37］，背外側前額葉參與決策中個體整合信息并作出最適合當前情境的行為控制視覺搜索的過程［38］。視覺空間信息在腹側通路的區(qū)域進行處理，并通過背腹側功能連接與背側通路中處理的信息相整合［39］。腦神經相關研究表明，圖景識別與多個腦區(qū)的活動相關。一項fMRI研究發(fā)現(xiàn)，腹側前額葉皮層在提取情景信息和模擬情景預見的任務中被激活［40］。Westerberg發(fā)現(xiàn)圖景識別與腹側和背側視覺通路的視覺區(qū)域相關［41］，較高的功能連接表明特定大腦區(qū)域之間的信息流更高［42］。在情景記憶編碼時，前額葉區(qū)域出現(xiàn)了更強的功能連接，其原因是在對視覺信息進行加工與編碼、并與真實場景進行不斷地提取與轉換的過程中，前額葉皮質區(qū)會積極參與注意力重新分配、內部狀態(tài)處理、關系整合和記憶感知［43］。這些腦區(qū)神經元功能耦合增強可能與運動員在圖景識別過程中應對目標識別、記憶檢索或地圖表征需動用更多的神經資源有關，從而需要較多的腦區(qū)協(xié)同合作。

4? ?結論

本研究整合了行為學和神經影像學證據(jù)，發(fā)現(xiàn)定向運動員在圖景識別任務、識圖決策任務下行為績效和前額葉激活的變化存在顯著性差異。VLPFC的神經激活在識圖決策任務中較為重要，圖景識別任務下行為績效與功能連接腦區(qū)協(xié)同合作更廣泛。該結論較好地揭示了定向運動項目中不同認知任務腦區(qū)激活的神經功能連接機制，從關聯(lián)腦區(qū)激活和功能連接視角評價定向運動員在不同認知任務時的腦加工策略，可以更好地科學指導訓練，并能反映定向運動項目的鍛煉效益。

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收稿日期：2022-06-21

基金項目：陜西省社會科學基金項目（2022P003）；陜西省教育科學“十三五”規(guī)劃2020年度課題（SGH20Y1061）。

第一作者簡介：張文（1998—），男，碩士在讀，研究方向為戶外運動理論與方法。E-mail：903411756@qq.com。

通信作者簡介：劉陽（1979—），男，博士，教授，研究方向為運動領域的注意、記憶與決策。E-mail：liuyang0330@snnu.edu.cn。

作者單位：1.陜西師范大學體育學院，陜西西安 710119；2.天津財經大學競技運動管理中心，天津? 300222。

1.School of Physical Education， Shaanxi Normal University，Xian，Shaanxi? 710119， China；2.Tianjin University of Finance and Economics Athletic Sports Management Center，Tianjin? 300222， China.