不同線索類型誘發不同運動技能類型運動員注意網絡功能的差異：基于fNIRS的研究

于淼 劉憶冰 楊光 羅躍嘉

摘? ? 要：采用近紅外腦成像技術，考察不同線索類型對不同運動技能類型運動員注意網絡功能產生的行為學差異及其右側額—頂網絡腦區的血氧特征。方法：對籃球運動員（30人）、乒乓球運動員（30人）、田徑運動員（24人）及非運動員（30人）進行注意網絡測試，同時采用多通道近紅外光譜成像技術記錄被試右側額-頂網絡腦區的血氧變化。結果：策略性運動項目（籃球）運動員在有效線索和無效線索條件下較乒乓球運動員和非運動員執行控制功能表現出更高的準確率和更低的準確率沖突效應，以及更長的反應時及其沖突效應，同時伴隨著右側背外側前額葉、前額眼區和額下回的顯著激活。截擊性運動項目（乒乓球）運動員則在各種線索條件下均表現出比其他組更快的反應速度和更低的沖突效應，并伴隨著右側前額眼區和額下回的顯著激活。結論：不同線索類型對運動員注意網絡功能的影響存在運動技能類型間的差異。在無效線索條件下，策略性運動項目運動員會做出更準確的判斷，其執行控制功能優勢表現在解決沖突的高準確率;截擊性運動項目運動員執行控制功能優勢表現在反應速度加快，解決沖突的速度也更快。該差異與右側額—頂網絡加工機制有關。

關鍵詞：注意網絡;執行控制;開放式運動技能;閉鎖式運動技能;截擊性運動;策略性運動

中圖分類號：G 804.8? ? ? ? ? 學科代碼：040302? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract：Objective： Using near-infrared brain imaging technology， attention network test and statistical methods， the effects of different cue types on attention network function of athletes with different types of sports skills were studied. Methods： 30 basketball athletes， 30 table-tennis athletes and 24 athletics athletes and 30 college students performed attention network test. By using multi-channel near infrared spectral brain imaging system， this paper records the subjects cerebral oxygenation change on the right frontoparietal network. Results： The results showed that strategic athletes （basketball） had higher accuracy and lower Flanker conflict effects on accuracy， as well as longer reaction time and stronger conflict effects under the valid cue and invalid cue conditions. These are accompanied by higher activity in rDLPFC， rFEF and the right inferior frontal gyrus. Interceptive sports athletes（table-tennis） had higher velocities and lower conflict effects on reaction time and lower conflict effects under the valid，? invalid and double cue conditions accompanied higher activity in rFEF and rIFG. Conclusions： These results extend the evidence suggesting that there are differences between skill types in the influence of cue conditions on the performance of attention network function of athletes. The superiority of interceptive sports athletes on the performance of attention network function are due to the higher velocities to solve conflicts， and strategic sports athletes' superiority are the higher accuracy in the same tasks. These effects are attributed to differences in the right frontoparietal network.

Keywords：attention network; efficiency on executive control; open-skill sports; closed-skill sports; interceptive sports; strategic sports

運動員的腦結構、腦網絡、信息加工效率均不同于普通人，且不同項目運動員之間也存在差異[1]。這可能源于運動技能的學習和訓練誘發的局部腦區結構和功能的適應性改變，其改變效果與該項運動技能的技術特征、運動強度等因素有關[2]。運動心理學和運動生理學將運動技能分為開放式（例如乒乓球、擊劍、籃球等）和閉鎖式（例如跑步、游泳、體操等）2種。也有研究將這二者分別稱為外部調節（EP）運動和自主調節（SP）運動[3-4]。Mann等[5]又將EP運動進一步分為截擊性運動和策略性運動，并將截擊性運動定義為參與者的全身、身體的某一部分（例如腿）或持器械（例如球拍等）與所處場地中的另一客體對抗才能完成的運動項目（例如乒乓球、拳擊、擊劍、散打等）;策略性運動則定義為參與者對隊友和對手的位置和意圖、球的位置和軌跡、戰術策略等一系列復雜信息進行同時加工才能完成的運動項目（例如籃球、足球、冰球等）。

已有研究認為，不同類型運動項目對運動員的心智有著特定的要求，并且運動技能類型對運動—認知間的關系存在潛在的調節作用，運動員具有更強的知覺—認知技能，諸如有效的注意分配能力和線索利用能力，并且這些認知技能在運動技能的習得和在比賽過程中發揮重要作用[5]。注意作為認知功能的重要組成部分，是眾多心理因素發揮作用的基礎和橋梁，對比賽結果也起著一定作用[6]。孫玉靜等[7]依據注意的不同功能，將注意系統分為警覺、定向和執行3個子系統。Fan等[8]在此理論基礎上設計了注意網絡測試（ANT），將評估執行控制功能的Flanker任務與線索提示（目標刺激呈現之前，屏幕上矩形框的閃爍）相結合，通過改變線索提示類型和靶刺激狀態達到測量警覺、定向和執行控制功能的目的。已有研究使用ANT范式證明了注意網絡功能與運動訓練關系密切。例如余千春等[9]的研究發現，2年的乒乓球訓練對運動員注意網絡功能有明顯的改善作用。有研究者利用注意網絡測試也證實，乒乓球運動員大學生的執行控制網絡功能明顯優于普通大學生[10]。艾麗欣[11]使用ANT證明了排球運動員的執行控制網絡功能與發球命中率顯著正相關。這些研究主要觀點是運動訓練對注意網絡的執行控制功能具有選擇性促進作用，但并未關注這些促進作用是否存在運動技能類型間的差異。Fan等[12]曾采用ANT-R范式確定線索條件誘發的警覺和定向功能與Flanker沖突效應間存在顯著的交互效應，而運動員又具有較強的協調和利用線索的能力[5]，那么線索與執行控制網絡功能間的交互效應是否也存在技能類型間的差異？

有關神經影像研究已經證實，注意的執行控制網絡功能與額—頂網絡（FPN）激活有關[13]，并呈現明顯的右半球優勢[14-16]。元分析結果也顯示，與Flanker 任務相關的腦激活部位主要出現在右側背外側前額葉[17]，且不同類型線索條件與額—頂網絡激活相關。近紅外光譜技術（fNIRS）具有良好的生態效度[18]，是可實時通過腦區微血管血氧信號反映局部腦區神經激活水平的非介入性方法[19]。因此，筆者將右側額—頂網絡相關腦區作為感興趣區，采用單側化修改版注意網絡測試范式（revised lateralized attention network test，LANT-R）范式[12，20]，以田徑運動員（閉鎖式運動）、乒乓球運動員（開放式截擊性運動）、籃球運動員（開放式策略性運動）和非運動員為研究對象，進行注意網絡測試，探尋不同線索類型所誘發的運動員注意網絡功能的不同運動技能類型間的差異，以及相關的腦機制。

由此，筆者提出假設：不同線索類型能夠引起運動員執行控制網絡功能改變，并且不同類型運動技能間存在差異，而這一差異歸因于不同線索類型所誘發的右側背外側前額葉（rdLPFC）、右側額下回（rIFG）和右側前額眼區（rFEFs）的激活方式的不同。

1? ?研究對象與方法

1.1? 研究對象

國家二級籃球運動員[（23.03±1.27）歲]和乒乓球運動員[（20.65±2.98）歲]運動員各30人、田徑運動員[（22.68±2.11）歲]24人，非運動員[（21.53±1.77）歲]30人參與本研究。所有被試均為右利手，男女各半，主要來自于吉林省體育運動學校、吉林體育學院的運動訓練專業、運動康復專業（無專項訓練經歷）和公共事業管理專業（無專項訓練經歷）。訓練年限均在5年以上，所有被試身體健康，雙眼視力正常或校正后正常。本實驗經過本校學術倫理委員會的批準，所有被試都簽訂了知情同意書。

1.2? 研究方法

1.2.1? 注意網絡測試

注意網絡測試采用混合設計，被試一共完成4個單元，共計288個試次的LANT-R測試（即在ANT-R范式的基礎上，將箭頭排列方向由橫向變為縱向），每個單元包括72個試次。各單元之間被試可以做短暫休息，反應手以左、右、左、右順序在單元間更替。總測試時間約35 min。每次試驗時，要求被試注視屏幕上的“+”，待目標刺激（一組向上或向下的箭頭）呈現時盡可能快地對目標箭頭（中間箭頭）的方向作出判斷：如果目標箭頭朝上，用右手食指（右手單元）或中指（左手單元）點擊鼠標左鍵;如果目標箭頭朝下，用右手中指（右手單元）或食指（左手單元）點擊鼠標右鍵。各組目標箭頭與上下2個箭頭方向相同定義為一致情況;目標箭頭與上下2個箭頭方向不相同定義為不一致情況（如圖1所示）。在目標箭頭呈現之前，屏幕上矩形的閃爍作為提示線索將以4種可能方式中的一種呈現，分別為：不閃爍——無線索;雙側閃爍——雙重線索;單側閃爍（與目標箭頭位置相同）——有效線索;單側閃爍（與目標箭頭位置相反）——無效線索。

1.2.2? fNIRS 監測

采用事件相關fNIRS系統（NIRSport，USA）監測被試執行注意網絡任務過程中右側背外側前額葉（rDLPFC）、右側前額眼區（rFEFs）、右側額下回（rIFG）、右側顳頂聯合（rTPJ）和右側后頂葉皮層（rPPC）的血氧信號。NIRSport的光極包括8個雙波長光源（760 nm和850 nm）和8個探測器，以 3.0 cm的間距構成20個通道，覆蓋于右側FPN（如圖2所示），位置根據10-20系統布置。樣本采樣率為7.8 Hz。放置光極時保證傳感器與頭皮的良好接觸。

1.2.3? 數據處理

1.2.3.1? ? 行為學數據處理

注意網絡的執行控制功能被分為不一致情況與一致情況2種。根據此公式計算被試在準確率和反應時（reaction time，RT）2方面的沖突效應，所得差值絕對值越大，說明Flanker沖突效應越大，執行控制功能效率越低，如圖3所示。

1.2.3.2? ? fNIRS 數據處理

采用NIRSLAB軟件包對fNIRS數據進行處理，帶通濾波濾除小于0.01 Hz和大于0.3 Hz 數據，采用Beer-Lambert Law將光學數據轉換成血氧數據，再通過經典的血流動力學反應曲線對實驗相關氧合血紅蛋白反應進行一般線性模型分析。根據10-20系統和解剖學位置將感興趣區分為5個區域，分別是rDLPFC（通道1、2、3）、 rFEFs（通道6和7）、 rIFG（通道4和5）、rTPJ（通道12、13和19）及rPPC （通道16、17和18）。將ROIs所包含的2～3個通道的oxy-Hb信號進行平均，該均值即為該ROIs的血氧信號。各ROIs的Flanker效應為：不一致情況與一致情況的oxy-Hb信號的差值。

1.2.4? 統計學分析

數據統計采用SPSS21.0軟件包對行為學結果和fNIRS數據進行計算和統計分析。行為學分析先以總準確率、總反應時及其各自沖突效應為因變量，運動技能類型作為自變量，進行單因素方差分析;再分別以反應時和準確率的沖突效應作為因變量，線索類型和運動技能類型作為自變量，進行4（運動技能類型）×4（運動線索類型）混合設計的雙因素方差分析。fNIRS分析先對Flanker沖突效應相關的腦血氧變化量進行組間單因素方差分析;再進行4（線索類型）×5（ROIs）×4（運動技能類型）混合設計三因素方差分析。其中線索類型（無線索、有效線索、無效線索和雙重線索）和ROIs（rDLPFC、rFEFs、rIFG、rTPJ和rPPC）作為被試內變量，運動技能類型（閉鎖式項目運動員、開放式截擊性項目運動員、開放式策略性項目運動員和普通大學生）是被試間變量。在整個分析過程中，對不滿足球形檢驗的統計量采用Greenhouse Geisser法矯正，事后檢驗采用Bonferroni，以P<0.05為差異顯著，P<0.01為差異非常顯著。

2? ?研究結果

2.1? 行為學結果

如表1所示，組間總準確率及其Flanker效應差異顯著（F（3，113）=8.528，P=0.000;F（3， 113）=2.915，P=0.038），事后檢驗發現，籃球運動員準確率明顯高于乒乓球運動員和非運動員，沖突效應明顯低于非運動員。運動技能類型主效應顯著（F（3， 113）=2.832，P=0.003，？濁2P=0.072），線索類型的主效應顯著（F（3，284）=25.373，P=0.000，？濁2P=0.187），二者具有顯著的交互效應（F（3， 284）=3.784，P=0.000，？濁2P=0.094）。進一步簡單效應分析結果表明：有效線索條件下籃球運動員的Flanker沖突效應顯著低于非運動員（P<0.05），與其他不同運動技能類型運動員比較未見顯著性差異;在無效線索條件下，籃球運動員的Flanker效應顯著低于乒乓球運動員（P<0.05）和非運動員（P<0.01），田徑運動員的Flanker效應顯著低于非運動員（P<0.01），與籃球運動員比較未見顯著性差異。

如表2所示，組間總反應時及其Flanker效應差異顯著（F（3，113）=17.471，P=0.000;F（3，113）=10.309，P=0.038），事后檢驗發現：乒乓球運動員的反應時及其Flanker效應明顯低于其他組。運動技能類型主效應顯著（F（3， 113）=6.003，，P=0.001，？濁2P=0.141），線索類型的主效應顯著（F（3， 284）=47.108，P=0.000， ？濁2P=0.300），二者具有顯著的交互效應（F（3， 284）=1.921，P=0.048，？濁2P=0.050）。進一步簡單效應分析結果表明，在有效條件下，乒乓球運動員的Flanker沖突效應顯著低于其他組（P<0.01）;無效線索條件下，籃球運動員的Flanker沖突效應明顯大于乒乓球運動員（P<0.01）;雙重線索條件下，乒乓球運動員的Flanker沖突效應顯著低于非運動員（P<0.01）。

這些結果表明，運動員的執行控制功能優于非運動員，籃球運動員在反應速度上與田徑運動員無差異。與乒乓球運動員相比，籃球運動員在無效線索條件下具有更高的準確率，但也表現出更大的反應時沖突效應，而乒乓球運動員在有效、無效和雙重條件下，均表現出更快的反應速度。為進一步分析這一行為學優勢，筆者通過fNIRS，分析不同運動項目運動員解決沖突和線索提示出現時的腦活動特征。

2.2? fNIRS結果

如圖4所示，rDLPFC與Flanker效應相關的血氧變化量組間差異顯著（F（3，113）=5.671，P=0.001，P<0.01），事后檢驗顯示，籃球運動員rDLPFC激活水平明顯高于其他組，非運動員的激活水平最低（P<0.05）。如圖5所示，ROIs、線索類型和運動技能類型均具有顯著主效應（F（3， 113）=6.071，P=0.000，？濁2P=0.051;F（3，284）=9.416，P=0.000，？濁2P=0.073;F（3， 113）=7.631，P=0.000，？濁2P=0.171）。并且二重交互作用和三重交互作用均顯著（P<0.01），二重交互簡單效應檢驗顯示，有效線索條件下籃球運動員腦區激活水平最顯著，無效線索條件下籃球運動員和乒乓球運動員腦區激活水平顯著高于其他組，且籃球運動員激活水平大于乒乓球運動員，雙重線索條件下，乒乓球運動員腦區激活水平最顯著。有效線索條件下rDLPFC的激活水平最顯著，無效線索條件下rIFG和rFEFs激活水平最顯著，雙重線索條件下rFEFs激活水平最顯著。籃球運動員腦激活區主要在rDLPFC和rIFG，乒乓球運動員腦激活區主要在rIFG和rFEF，而田徑運動員和非運動員在各腦區激活量均不顯著。三重交互簡單效應檢驗顯示，乒乓球運動員在有效線索條件下rFEFs的激活水平顯著（如圖6A所示），無效線索條件下rIFG的激活水平顯著（如圖6C所示），雙重線索條件下rFEFs的激活水平顯著（如圖5C所示）;籃球運動員在有效線索條件下rDLPFC和rFEFs激活水平顯著（如圖6B所示），在無效線索條件下rIFG的激活水平顯著（如圖6D所示）;田徑運動員僅在雙重線索條件下rFEF有顯著激活（如圖5C所示）。這些結果為籃球運動員和乒乓球運動員行為學中表現出來的各自優勢提供了腦影像學解釋。

3? ?討論

筆者對不同運動技能類型運動員和非運動員進行了注意網絡測試，探索了不同線索條件下各組被試執行控制功能的差異，并使用近紅外光譜技術記錄了被試執行注意網絡任務過程中的腦血氧變化量，發現截擊性運動技能運動員和策略性運動技能運動員在有效和無效線索條件下執行控制的“速度—準確性權衡”中存在較大差異，該差異與右側額頂網絡的加工機制有關。

行為學結果顯示，與非運動員相比，運動員在解決沖突時表現出更快的反應速度和更高的準確率。運動員的執行控制功能確實呈現出顯著優勢，表現出更快、更準確的察覺和解決沖突的能力。這與已有的研究結果相一致[21-24]，原因可能是運動員在比賽場上需要具有敏銳的反應速度和運動能力，長時間的專業訓練增加了神經生長因子的表達[25]，進而提高了運動員信息加工的效率，并且能夠更有效地使用線索提示[26]。線索提示對執行控制功能的影響也存在組間差異，乒乓球運動員在有效、無效和雙重線索條件下反應時沖突效應均最小，而籃球運動員的反應時沖突效應均大于另外2組運動員，但同時也表現出最低的準確率沖突效應，田徑運動員僅在無效線索條件下準確率的沖突效應小于非運動員。說明籃球運動員和乒乓球運動員在整合線索提示和目標任務時所采取的加工策略有所不同。乒乓球屬于截擊性運動項目，要求乒乓球運動員在最短時間內有效整合自上而下（TD）和自下而上（BU）的信息加工過程，使TD的加工過程最小化，以獲得最快的加工速度對外界信息做出快速決策[27]，這種反射性加工方式的優勢在于使運動員反應速度加快，解決沖突的速度也更快。而籃球屬于策略性運動項目，籃球運動員在賽場上更多的是要對動態情境中的多元信息作出準確判斷和決策，既要注意身體和球的相對位置，還要考慮球的軌跡和落點，同時根據對手的肢體動作、眼神甚至是表情來判斷其動作的真實意圖。不僅如此，籃球運動員還要確定隊友的位置，合理布置戰術，做好攻防轉換，這些都要求籃球運動員不能僅依靠某個線索提示做出判斷及決策，而是要對多目標進行合理的注意分配，采用最佳策略利用注意資源，并做出合理的預判[28]。這些都要通過TD加工過程來完成，因此，其處理速度相對慢于BU加工過程，RT相對較長，沖突效應更大。Shih等[29]和Vestberg等[30]的研究證實，越是高水平足球運動員越能夠在面對賽場復雜情況時，快速整合賽場各種信息并做出合理決策。

為進一步分析這種加工策略，筆者對所采集的腦影像信息進行了分析。從fNIRS結果來看，籃球運動員的rDLPFC與Flanker沖突效應相關的血氧變化量明顯高于其他組，且與行為學上表現出的高準確率同步出現，筆者推測籃球運動員在察覺和解決沖突時的高準確性可能源自于rDLPFC的神經高度激活，即Byun等[31]和Yanagisawa等[32]提出的在執行控制加工過程中，更高的資源募集保證了在沖突情境下更高的信息加工效率。而rDLPFC是右側額頂網絡中 TD 加工的重要組成部分[10]，該腦區的顯著激活也支持了籃球運動員TD加工策略的優勢參與假設。

在線索提示誘發的腦激活分析中，筆者發現，在有效線索條件下，籃球運動員rDLPFC、rFEFs激活水平顯著，而乒乓球運動員僅rFEFs激活水平高于田徑運動員和非運動員，且與籃球組無差異。首先說明有效線索提示為籃球運動員和乒乓球運動員的注意轉向提供準備[32]，而這一加工過程已證實與rFEFs功能顯著相關[33]。功能解剖學研究也證實FEFs參與調動注意的分配和與注意有關的眼動[13，34-35]。本研究結果顯示，開放式運動技能訓練能夠提高FEF的神經激活水平，從而提高運動員對先驗信息快速提取加工和反應的能力。其次，有研究認為，FEFs既接收源自視覺區的BU視覺信息，又受到rDLPFC的TD調節[36]，那么本研究rDLPFC的激活就為籃球運動員預判的高準確率提供了保障，二者的同步激活也進一步說明了籃球運動員的TD加工優勢。在雙重線索條件下乒乓球運動員rFEFs的血氧變化量明顯高于籃球運動員和非運動員，可能與rFEF在最佳的持續性注意過程中起的重要作用有關[37]，雙重線索所起到的警覺作用有效加速了運動員對沖突的察覺和解決。在無效線索條件下，籃球運動員和乒乓球運動員rIFG均呈現顯著激活水平，且前者大于后者，而該區域的激活已證實與運動員對動作的觀察與預判密切相關[38]。Simone的研究發現，無效線索能夠增強視區向rTPJ的聯系，進而影響IFG的TD調節，并呈現明顯的右側偏側化[39]。rIFG的顯著激活反映了開放式運動技能運動員在先驗信息錯誤情況下的TD加工策略，截擊性運動項目和策略性運動項目運動員之間的“速度—準確性權衡”差異表明，后者會給予更多的注意和預判資源，做出更準確的判斷。

在本研究中，筆者觀察到了不同運動技能類型項目運動員在執行控制功能方面的明顯差異，但無法確定這些差異是源自于專項訓練的結果，還是遺傳因素，或是二者共同作用的結果。因此，在今后的研究中，應嘗試對運動員做縱向動態跟蹤研究，以進一步確定其中的原因，為運動員的選材和訓練提供理論依據。此外，本研究選取的截擊性運動項目為乒乓球，屬于隔網對抗項目，而與其相對應的決策性運動項目是籃球，屬非隔網對抗項目，這一因素是否會對研究結果產生影響尚不明確，有待進一步研究加以確定。在本研究中田徑運動員行為學結果中僅在無效線索條件下準確率的沖突效應小于非運動員，但影像學結果并未呈現明顯差異，而其在雙重線索條件下雖然rFEF激活水平顯著高于非運動員，但行為學上差異不具有顯著性，這些可能與該組被試中包含了田賽運動員和徑賽運動員有關，原因有待進一步分析。

4? ?結論

不同線索類型對不同運動技能類型運動員執行控制功能的影響存在差異，乒乓球運動員在有效線索、無效線索和雙重線索條件下反應時沖突效應均最小，而籃球運動員的反應時沖突效應則均大于另外2組運動員;但同時也表現出最低的準確率沖突效應，田徑運動員僅在無效線索條件下準確率的沖突效應小于非運動員。在有效線索條件下，籃球運動員rDLPFC、rFEFs激活水平顯著，而乒乓球運動員僅rFEFs激活水平高于田徑運動員和非運動員，且與籃球運動員無差異。與非運動員相比，運動員在解決沖突時表現出更快的反應速度和更高的準確率，說明運動員的執行控制功能呈現出顯著優勢，表現出更準確的察覺和解決沖突的能力。筆者推測籃球運動員在察覺和解決沖突時的高準確性可能源自于rDLPFC的神經高度激活。

開放式運動技能訓練能夠提高運動員對先驗信息快速提取加工和反應能力。在無效線索條件下，開放式運動技能運動員在先驗信息錯誤情況下，截擊性運動項目運動員和策略性運動項目運動員之間的“速度—準確性權衡”存在較大差異，策略性運動項目運動員會做出更準確的判斷，其執行控制功能優勢表現在解決沖突的高準確率。截擊性運動項目運動員執行控制功能優勢表現在反應速度加快，解決沖突的速度也更快。在有效線索和無效線索條件下截擊性運動項目運動員和策略性運動項目運動員執行控制的“速度—準確性權衡”存在較大差異，該差異與右側額—頂網絡加工機制有關。

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