基于磁共振成像的優秀排球運動員大腦結構可塑性研究

孟國正，葛春林，岳曉燕

1 前言

隨著認知神經科學的飛速發展，為運動心理學的研究拓展了新視野，特別是磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術的出現，通過掃描提供高分辨率的大腦結構圖像，將神經機制的研究進一步深入，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的視角關注人類大腦的結構、功能變化，提出大腦可塑性這個概念。認知神經科學的研究者將大腦結構可塑性界定為大腦改變其結構的能力，認為人類受到學習、訓練和經驗等因素的影響，大腦皮層會出現結構的變化[17]。這種結構的改變包括宏觀和微觀層面，從宏觀層面上講，由于學習和訓練可以引起大腦結構的改變包括腦重、皮層厚度和腦區溝回面積的變化等等；從微觀層面上講，因學習和訓練引起的大腦結構的改變包括樹突長度的增加、樹突棘密度和神經元數量的改變以及大腦皮層新陳代謝的變化等等[7]。大量認知神經科學研究顯示，在動物和人類發展的進程中，大腦結構具有一定的可塑性[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習等高級認知領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.

生態學的研究證明，隨著進化人類大腦會產生功能的適應和可塑性變化[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，當人類學習新的技術動作時，會影響到大腦神經元基因的轉錄。因此，通過動作技能學習可以在某種程度上塑造基因，轉而會塑造人類大腦的微觀解剖結構[23]。

運動員在動作執行過程中準確、高效、協調、自動化，這種超強的運動能力是經過多年的動作技能學習和訓練獲得的。運動員的神經細胞可以產生適應性的可塑性結構改變的神經機制已經被認知神經科學的證據證實[11-12，14，19]。優秀排球運動員是經過多年動作技能學習和運動訓練的人群，其動作技能和運動經驗已經遠遠超過普通人，從決策行為測試的研究結果可以看出，運動員不但決策速度快，而且決策準確性高[1]，反映出經過多年動作技能學習和運動訓練，運動員的動作技能水平明顯優于普通人。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構產生一定的影響。那么，經過多年動作技能學習和運動訓練的優秀排球運動員的大腦結構是否會發生可塑性變化呢?基于此，本研究采用磁共振成像技術對優秀排球運動員的大腦結構進行研究，探討多年動作技能學習和運動訓練對優秀排球運動員大腦神經機制產生的影響。本研究選取國家一級排球運動員和普通大學生作為被試，研究假設多年的動作技能學習和運動訓練會對優秀排球運動員大腦結構產生適應性可塑性變化，優秀排球運動員的大腦結構不同于普通大學生，其差異是與運動經驗相關的腦區。

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專業運動員，控制組的招募要求是沒有任何業余或專業的運動訓練且身體健康者，控制組被試在性別、年齡上與運動員組進行匹配。運動員組共20名，男女各10人，均為國家一級排球運動員，均為北京體育大學運動排球隊運動員，平均年齡21.45±1.19，專業訓練年限5.6±1.35；對照組共20名，男女各10人，均為北京師范大學在校大學生，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。同時，也對這批被試進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、腦部創傷、幽閉恐懼的被試個體，實驗結束后，被試得到一定物質報酬。

2.2 MRI掃描

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

2.3 結構像數據分析

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

數據分析主要步驟為：首先采用 SPM 8中的DICOM Import工具箱將所有的DICOM格式的結構像轉換為SPM可以識別的N IFTI格式圖像；對每個個體的原始圖像進行空間標準化到 Montrcal Neurological Institute（MN I）模板上，接著將這些標準化了的圖像分別分割成灰質、白質和腦脊液，最后用FWHM=8 mm的高斯核對圖像進行平滑；對所有分隔過的灰質圖像、白質圖像和腦脊液圖像進行平均，創建各自的模板；進行灰質、白質和腦脊液的最優空間標準化，然后，將最優標準化了的圖像繼續分割成灰質、白質和腦脊液，同時去除掉非腦結構組織；將Jacobi調制標準化方法應用到灰質圖像中，保留標準化后的體積；采用FWHM=8 mm的高斯核對圖像進行平滑；分析組間全腦灰質和白質體積與密度的差異；采用最優化的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 皮層厚度數據分析

對結構像采用Freesurfer分析軟件包進行皮層重構和分割。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，然后進行自動的泰勒（Talairach）坐標系轉換，對皮下白質和深層灰質核團進行分割，分割出海馬、杏仁核、尾狀核、殼核，并對余下的大腦皮層進行灰度標準化，然后粗略估計出灰質和白質分界線，并采用自動的拓撲學校正，并根據灰度梯度最佳描繪出灰質/白質以及灰質/腦脊液邊界。皮層模型完成后，采用一系列的變換方法進行進一步的數據處理，包括表面展開，將不同被試的皮層展開配準到標準展開模板上，根據大腦溝和回的分布對皮層分區，并生成一系列的基于皮層表面的數據，如皮層厚度等。后續的數據分析采用ROI分析方法，將 Freesurfer測量出來的皮層厚度數據進行組間方差分析，找到運動員和普通大學生皮層厚度存在顯著差異的區域。

2.5 統計分析

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

3 研究結果

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的厚度，它是由大量的神經元細胞構成，是人類大腦進行信息加工處理的基礎。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構像測得數據進行比較分析，以對照組為參照，組間皮層厚度結果顯示見圖1，運動員組在大腦右半球的枕葉外側上（sup LOC）區域（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顯著性差異，其中，運動員組在枕葉外側上區域的平均皮層厚度為2.36 mm（SD=0.10），對照組在此區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圖注：采用cluster校正，A為外側視角，B為內側視角，中心坐標（x=24，y=-82，z=16）。

3.2 組間大腦灰質體積對比

以對照組作為參照，組間灰質體積比較結果顯示 （圖3），運動員組在大腦右半球枕葉外側上（sup LOC）腦區的灰質體積顯著高于對照組（圖4），在大腦左半球的灰質體積不呈現顯著性差異，其中運動員組灰質體積為540.92 ml（SD=122.13），對照組灰質體積為 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秀排球運動員與普通大學生大腦結構的差異，及動作技能學習和運動訓練對優秀排球運動員大腦結構產生適應性可塑性的變化。研究結果表明，運動員組在大腦右半球的枕葉外側上腦區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上腦區灰質體積顯著高于對照組，在大腦左半球的皮層厚度和灰質體積均不呈現顯著性差異，該研究的結果部分證實了前期研究假設。

表2 本研究組間大腦灰質體積比較一覽表 （n=40）

圖3 本研究運動員組與對照組大腦灰質體積比較示意圖

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

從以往的研究中可以發現，枕葉在視覺信息加工和處理中起著重要的作用。本研究中發現，優秀排球運動員在枕葉外側上區域灰質體積顯著增高的現象，提示該區域出現了與運動經驗相關的結構性可塑性變化。本研究招募的優秀排球運動員是經過多年動作技能學習和運動訓練的專業人群，擁有豐富的運動經歷和經驗。優秀排球運動員在運動情境中執行動作時，其視覺搜索系統可以關注到重要的信息，然后經過大腦的信息加工處理，迅速進行判斷和決策，采取行動執行動作，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行信息加工過程中尋找關鍵信息的能力具有明顯的優勢[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]。經過多年的動作技能學習和運動訓練，優秀排球運動員的肌肉和神經聯結變得更協調，更平穩，在排球運動情境中進行視覺信息加工時，動作執行更加精確、快速、清晰、有效和更加強有力，鞏固了大腦的神經環路，因此，對大腦負責視覺信息加工的腦區結構產生影響。事實上，這種影響已經被許多關于動作技能學習和運動訓練對大腦結構產生的可塑性的研究所證實[5，9，10，16]。

本研究顯示，磁共振結構像結果呈現顯著性差異的腦區位于大腦的右半球，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、知覺功能和運動認知活動等方面，這些都與動作技能的學習、掌握、鞏固、提高和體育比賽中的發揮有著直接的關系。有研究證實，運動員進行認知活動時，與右腦功能的關系十分密切[3]。另外，本研究還發現，與對照組相比，運動員組在枕葉外側上的皮層厚度出現顯著性增加。枕葉主要負責視覺中樞，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行活動中起著重要的作用。根據以往動物和人類的研究結果，枕葉認為是負責視覺信息加工和處理的關鍵腦區。因此，筆者認為，運動員組和對照組在枕葉外側上的灰質體積和皮層厚度的差異可能與優秀排球運動員多年的動作技能學習和運動訓練中進行的視覺信息加工及處理有著密切的關系。

研究結果顯示，優秀排球運動員在負責視覺信息加工系統的枕葉外側上大腦功能區出現灰質體積增加和皮層增厚的現象，這些腦區主要功能與視覺信息加工處理密切相關。因此可以推斷，經過多年的動作學習和運動訓練，優秀排球運動員在運動情境中進行大量的視覺信息加工和處理，可能會導致負責視覺信息系統的枕葉外側下腦區灰質體積和大腦皮層厚度出現適應性的結構變化，從而呈現優秀排球運動員與普通大學生大腦結構的顯著性差異。

5 結論與展望

本研究采用MRI技術，對優秀排球運動員和普通大學生大腦結構進行研究，結果顯示，優秀排球運動員大腦右半球枕葉外側上的灰質體積顯著高于普通大學生；優秀排球運動員大腦右半球枕葉外側上的皮層厚度顯著厚于普通大學生；優秀排球運動員灰質體積顯著增多和皮層厚度增厚的腦區主要是負責視覺信息加工的枕葉外側上腦功能區。結論：經過多年的動作技能學習和運動訓練，優秀排球運動員提高動作技能的同時，大腦右半球負責視覺信息加工的枕葉腦區結構會產生可塑性變化。隨著認知神經科學技術的迅猛發展，越來越多的心理學研究者開始關注運動員大腦的神經機制研究，關注不同運動項目運動員由于其運動經歷和專業訓練的不同，大腦結構產生的可塑性變化。當前，采用先進的磁共振儀器對運動員在運動情境中進行動態的和在線的運動決策研究，探討運動員在運動情境中進行決策任務時的大腦神經機制，是認知神經科學研究的一個重要的發展趨勢，也將會對運動員的動作技能學習和運動訓練產生重要的意義。

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