激活似然估計法分析運動相關專業人員腦灰質可塑性

劉述芝，陳 渝，周任潔

(重慶大學體育學院，重慶 400044)

神經影像學和基于體素對運動員大腦灰質厚度、體積、密度及白質纖維結構變化的形態學研究[1-5]發現，運動相關專業人員大腦灰質結構變化可能與其接受的長期特定運動技能訓練所涉認知過程相關。既往研究[4-8]多針對某運動項目的熟練運動員與新手進行對照研究，以觀察大腦結構的可塑性，不同研究間運動項目不同，結論各不相同，而運動任務訓練各自具有其特殊性，可比性較差。本研究采用腦成像領域最常用的元分析方法——激活似然估計法(activation likelihood estimation, ALE)對運動相關專業人員大腦灰質結構可塑性研究進行Meta分析，探討長期訓練誘發大腦灰質可塑性的特征及其神經機制。

1 資料與方法

1.1 文獻檢索 以“大腦灰質”、“體素形態”、“腦可塑性”、“腦結構”、“運動員”、“運動技能專家”、“專業舞者”為中文檢索詞，以“gray matter”、“voxel-based morphometry”、“brain plasticity”、“brain structure”、“athlete”、“motor skill expert”、“professional dancer”為英文檢索詞，于CNKI、PubMed、Web of Science進行檢索，檢索時間為2005年1月1日—2020年6月12日。應用Google scholar搜索引擎對已有元分析或綜述文獻的參考文獻進行人工補充檢索，以確保納入文獻的完整性。

1.2 文獻篩選 納入標準：①正式發表的中文或英文完整論文；②以年齡、性別不限健康優秀運動員(國家二級及以上運動員或具有優秀運動技能的專業人員，如雜技演員)為試驗組、非運動相關人員為對照組，進行組間比較的橫斷面研究；③采用SPM或FSL軟件對MRI數據進行基于體素的全腦形態學分析(voxel-based morphometry, VBM)，并報告標準化腦灰質密度增強或灰質體積增加的蒙特利爾神經學研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)或Talairach三維空間峰值坐標；④對于符合上述標準且由同一作者或研究機構完成的多項研究，將其中樣本量最大者納入分析。排除標準：①基于感興趣腦區分析的坐標數據；②文獻類型為摘要、會議、綜述或元分析；③未報告比較結果；④坐標空間不明。

1.3 ALE分析 以Ginger ALE 3.02軟件為腦成像ALE元分析工具。將原始報告中的Talairach標準空間坐標轉換為MNI空間坐標。以P<0.001為激活似然估計圖的閾值，采用未矯正P值(UncorrectedP)進行糾正，設簇像素最小值為100 mm3[1-2]。采用Mango 4.0軟件將三維坐標與標準大腦進行重合，以可視化ALE分析結果。

2 結果

2.1 納入文獻基本特征 初步檢出589篇文獻，根據納入及排除標準篩選后最終納入21篇[3-23](圖1)，其基本特征見表1。21篇中，15篇涉及腦灰質體積增加[3-17]、7篇涉及腦灰質密度增加[3，18-23]；總樣本量為934名，其中試驗組396名、對照組538名。

圖1 文獻篩選流程圖

表1 21篇納入文獻基本特征

2.2 ALE元分析結果 相比對照組，試驗組共存在7個灰質體積增加的激活簇和7個灰質密度增加的激活簇，見表2；試驗組左側腦島、右側頂下小葉、右側額中回、右側前扣帶回、左側楔前葉、右側顳上回表現為灰質體積增大(圖2)，右側小腦前葉、右側小腦頂、左側海馬旁回、右側丘腦、右側小腦后葉、右側額上回及左側楔前葉灰質密度增加(圖3)。

圖2 灰質體積增加的ALE可視化激活腦區(橙黃色區域) L：左側；R：右側；INS：腦島；IPL：頂下小葉；MFG：額中回；AC：前扣帶回；PR：楔前葉；STG：顳上回

圖3 灰質密度增加的ALE可視化激活腦區(橙黃色區域) L：左側；R：右側；AL：小腦前葉；CUL：右側小腦頂；PG：海馬旁回；THA：丘腦；PL：小腦后葉；SFG：額上回；PRE：楔前葉

表2 ALE分析激活簇結果

3 討論

體育比賽中常出現外部場景、目標和對手等環境背景動態變化，運動員需根據現場不確定因素及時做出判斷，例如對手進攻策略及隊員之間相互配合等，故應具有較普通人更強的預測功能，對某些必須具備運動相關技能的專業演出人員亦然。本研究采用ALE觀察長期專業運動訓練對運動相關專業人員大腦灰質體積和密度的影響，結果顯示左側腦島(BA13)、右側頂下小葉(BA40)、右側額葉(BA11、BA6)、右側前扣帶回(BA24)、左側楔前葉(BA7)及右側顳上回(BA41)灰質體積增大，使其擁有高度協調的腦島，可精確預測身體下一刻的感覺，提示經過長期專業訓練刺激，運動相關專業人員腦島灰質體積可能增大。對于這些專業人員而言，比賽或演出及訓練時，注意處理、運動感知和意圖分析過程是決定結果的關鍵因素。

有學者[24]分析16名健康受試者，發現顳上回在觀察復雜的視覺運動、點光源運動、觀看他人動作并判斷意圖任務時出現激活，表明顳上回參與感知和理解他人動作的行為。YU等[25]研究證實，顳上回與顳中回于感知和分析自身運動狀態具有重要作用。大腦皮層對感覺信息與軀體運動之間在協調互動處理過程，楔前葉在調節視覺-運動轉換方面具有重要作用[26-27]。訓練和比賽或演出中，運動相關專業人員需根據不同對視覺刺激信息不斷調整和變換身體動作，以適應當前情境；長期動作學習和運動訓練帶來的大量視覺信息加工和處理可使負責視覺信息系統的楔前葉灰質體積出現適應性變化；頂下小葉在觀察和模仿他人動作時均發生激活，提示頂下小葉可能是人類識別和模仿他人行為和姿勢的神經基礎。前扣帶回皮層可監控正在進行的目標定向行為，長期專業訓練可使前扣帶回發生可塑性變化而體積增大，在不斷提升與強化運動技能的過程中，前扣帶回可能具有糾正錯誤或抑制干擾信息的作用，以提升執行控制的正確率[28]。

本研究發現，運動相關專業人員右側小腦前葉、右側小腦頂、左側海馬旁回(BA19)、右側丘腦、右側小腦后葉、右側額上回(BA10)及左側楔前葉(BA7)灰質密度均增加。丘腦是大腦傳遞信息的中繼站，而快速空間信息處理、精確感應運動、精確控制與協調身體均為運動相關專業人員必須具備的條件，長期訓練可誘發相關區域神經可塑性[29]。海馬旁回是介導短時程記憶轉化為長時程記憶的重要腦區，在情景記憶、情緒、空間位置定向等行為編碼中扮演重要角色。運動相關專業人員的海馬旁回在長期訓練和比賽或演出中不斷被激活，使其灰質密度增加[30-31]。相關解剖學、臨床及神經成像研究[8,32]表明，長期運動技能訓練可誘發小腦結構的可塑性，導致小腦前葉、后葉灰質密度顯著增加，不僅支持運動控制功能，還有助于加強非運動功能如視動協調、執行控制等。

本研究的主要不足：①基于具有顯著差異的已發表坐標、而非原始數據進行分析；②采用比較保守的多重比較矯正方法分析納入文獻數據，有待納入更多文獻、以更嚴格的矯正方法進一步觀察；③基于橫斷面研究數據進行分析，不能完全排除先天優勢條件等其他因素的影響。

綜上所述，運動相關專業人員多個腦區灰質結構的可塑性可能與其接受長期技能訓練有關。