任務難度對定向運動練習者路線決策的影響研究

趙明生 劉靜如 鮑圣彬 劉陽

摘 要：目的：利用功能性近紅外光譜成像技術（fNIRS）探討定向運動練習者前額葉皮層（PFC）在不同任務難度負荷下識圖路線決策的腦激活模式，揭示定向運動項目路線決策的認知特征和內在機制。方法：選取23名定向運動練習者，分別進行簡單任務和復雜任務的路線決策實驗，通過fNIRS監測左側腹外側前額葉（L-VLPFC）、右側腹外側前額葉（L-DLPFC）、左側背外側前額葉（R-VLPFC）、右側背外側前額葉（R-DLPFC）的血氧（Oxy-Hb）激活濃度變化。結果：（1）隨著任務難度的增加，受試者路線決策任務的正確率顯著下降，反應時顯著升高。（2）大腦雙側PFC的激活強度隨著任務難度增加而增強，背外側前額葉激活顯著（P<0.05）。（3）在復雜地圖條件下，背外側與腹外側前額葉血氧激活強度均與正確率相關顯著，在簡單地圖條件下右背外側前額葉相關不顯著。（4）復雜地圖條件下，前額葉各腦區間腦網絡連接相關性均顯著，簡單地圖條件下，右側腹外側與右背外側前額葉腦區相關不顯著。結論：fNIRS可以檢測到定向運動練習者在不同難度識圖路線決策任務下，大腦雙側PFC在激活強度和血氧響應模式存在差異，表現出隨著任務難度增加，行為績效能力下降，背外側前額葉功能激活顯著，前額葉各腦區功能連接增強的認知特征。

關鍵詞：定向運動;地圖;功能性近紅外光譜成像技術;前額葉皮質區;路線決策

中圖分類號：G804.8?? 文獻標識碼：A? 文章編號：1006-2076（2022）02-0110-08

The Influence of Task Difficulty on Route Decision of Orienteering Exercise Practitioners：Evidence from fNIRS

ZHAO Mingsheng1，LIU Jingru2，BAO Shengbin1，LIU Yang1，3

1. School of Physical Education， Shaanxi Normal University， Xi'an 710119，Shaanxi China; 2. School of Physical Education， Northeast NormalUniversity， Changchun 130024，Jilin China; 3. Laboratory of Sports Learning Science，Shaanxi Normal University， Xi'an 710119，Shaanxi China

Abstract：Objective：To explore the brain activation patterns of map-recognition route decision-making in the prefrontal cortex （PFC） of orienteering exercise practitioners under different task difficulty loads using functional near-infrared spectroscopic imaging （fNIRS）， and to reveal the cognitive characteristics and underlying mechanisms of route decision-making in orienteering exercise programs. Methods：Twenty-three orienteering exercise practitioners were selected to perform route decision-making experiments for simple and complex tasks， and the activation of blood oxygen （Oxy-Hb） in the left ventral lateral prefrontal lobe （L-VLPFC）， right ventral lateral prefrontal lobe （L-DLPFC）， left dorsolateral prefrontal lobe （R-VLPFC）， and right dorsolateral prefrontal lobe （R-DLPFC） was monitored by fNIRS concentration changes. Results：1. With increasing task difficulty， the correct rate of subjects on the route decision task significantly decreased and the reaction time significantly increased.2 The activation intensity of the bilateral PFC of the brain was enhanced with increasing task difficulty， and dorsolateral prefrontal activation was significant （P<0.05）.3. In the complex map condition， both dorsolateral and ventral lateral prefrontal blood oxygen activation intensity correlated significantly with correct rate， and in the simple map condition The correlation between right dorsolateral prefrontal and dorsolateral prefrontal brain regions was not significant in the complex map condition. 4. The correlation between brain network connections among prefrontal brain regions was significant in the complex map condition， and the correlation between right ventral lateral and dorsolateral prefrontal brain regions was not significant in the simple map condition. Conclusions：fNIRS can detect differences in activation intensity and blood oxygen response patterns in the bilateral PFC of the brain of orienteering exercise practitioners under different difficulty map-recognition route decision-making tasks， showing： a decrease in behavioral performance capacity with increasing task difficulty， significant functional activation in the dorsolateral prefrontal， and enhanced cognitive characteristics of functional connectivity among prefrontal brain regions.336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508

Key words：orienteering; maps; functional near-infrared spectral imaging; prefrontal cortical areas; route decision making

定向運動（Orienteering）是利用一張詳細精確的地圖和一個指北針，按順序到達地圖上所指示的各個點標，以用時最短者為勝的運動項目[1]。定向運動不僅需要參與者具備良好的身體素質，還需擁有較高的認知能力[2]，被譽為一項同時進行國際象棋和馬拉松賽跑的高認知決策和體能類運動項目。比賽過程中，運動員需要快速準確讀取地圖信息，結合地圖路線的可跑性、爬高量、地貌以及所存在的障礙物等因素，利用自身的知識結構和經驗對地圖上的信息快速而有效地識別、加工和編碼[3]，從而規劃出一條合理的跑動路線。快速、準確的路線決策是定向運動項目取得比賽勝利的關鍵所在。

決策是大腦根據決策者的主觀意愿及現實情況進行選擇行為的過程[4]。決策行為的發生伴隨著視覺搜索[5]等基本腦認知功能[6]。運動決策是指運動員通過視覺搜索感知信息、查找情景特征，尋找與運動任務有關的線索、應用基本腦認知功能確定線索并調整注意、進行決策，采取行動[7]，一般分為直覺決策[8]和認知決策[9]。目前研究多集中在直覺決策項目。直覺決策是指運動員在運動環境中做出的一種快速的、直接的、偶然的決策，如網球接球位置的決策需要500～600 ms內進行判斷[10]。認知決策主要依靠邏輯思維，在嚴密的邏輯體系和嚴格的邏輯規則下進行，需要在一定時間內進行多個目標運動決策[11]。定向運動是典型的認知決策類項目[1]，對定向運動項目識圖路線決策進行深入研究，可為運動領域認知決策研究提供更廣泛的理論支撐。

定向運動項目的相關研究主要體現在定向運動員認知優勢和定向運動改善不同人群認知功能價值研究兩方面。在定向運動員認知優勢研究中，主要有視覺搜索、工作記憶、認知決策、心理旋轉[12-16]等認知指標，多采用行為學測試方法[17]。對定向運動員識圖效率的研究發現，地圖難度會制約定向運動選手識圖決策行為表現[17-18]。也有學者通過眼動指標分析發現，路線決策過程受視覺搜索和工作記憶的制約，不同任務難度條件下表現出不同的眼動特征[19]。相關的研究結論均反映了任務難度對定向運動員空間認知加工過程具有顯著的影響。此外已有研究表明，定向運動練習對注意缺陷多動障礙（ADHD）兒童執行功能、青少年和老年人空間導航能力具有改善效益[20-23]。然而，以往的研究對識圖路線決策任務中的腦加工作用機制還不明確，在不同任務難度水平下大腦不同腦區的血氧響應模式還不清楚。

近年來，隨著認知神經科學的深入開展，為定向運動員認知特征研究提供了更多的技術手段和思路。功能性近紅外光譜成像儀（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）具有受頭動的影響較小、安全性能高、便攜、時空分辨率較高、可以長時間且重復測量等優點[24-25]，已經廣泛應用在足球[26]、羽毛球[27]、太極拳[28]等運動項目，這為本研究探索定向運動中任務難度和路線決策之間的內在關系及腦加工機制提供了很好的技術支撐。通過fNIRS技術發現，前額葉（PFC）在認知過程中扮演著重要的角色。PFC是接收來自大腦其他功能區的經過處理的外部信息，然后整合記憶、意圖等大腦信息，立即做出合理的計劃的區域[29]。背外側前額葉（DLPFC）和腹外側前額葉（VLPEC）作為前額葉皮質的主要功能區與運動認知相關的腦功能和依賴于情境的決策行為息息相關。因此，本研究選取DLPFC和VLPEC為興趣區，對不同難度條件下定向運動練習者路線決策的認知機制進行探究。

針對上述問題，本研究提出以下假設：（1）不同任務難度條件下，定向運動練習者會表現出不同的行為績效。（2）行為學結果與腦血氧結果具有相關性，不同的任務難度類型會造成識圖路線決策任務中Oxy-Hb在PFC功能腦區上的激活差異。本研究通過探討大腦雙側PFC分別在識圖路線決策不同任務難度水平下的血氧響應特性，明確雙側PFC的功能活動隨著任務難度的不同而發生的變化，以期為進一步揭示不同任務難度下定向運動練習者大腦的功能活動機制提供參考，為今后通過神經調控提升高難度下的識圖績效提供客觀依據，為定向運動改善認知的不同干預模式效益提供理論支撐與實踐指導。

1 研究方法

1.1 實驗對象

選取23名（男生11人，年齡19.16±1.01歲，女生12人，年齡18.63±0.68歲）陜西師范大學定向運動代表隊隊員作為受試者，訓練時間均為1年以上。所有被試者采用以下納入標準：（1）受教育程度一致;（2）右利手;（3）裸眼視力或矯正視力正常;（4）無任何無精神疾病史;（5）能夠熟練掌握定向運動專項基礎知識;（6）均未參加過類似實驗。實驗均征得了被試者的同意，并簽署了實驗知情同意書，完成實驗后被試者將會領取到相應的報酬，該研究已得到本校倫理委員會的批準。

1.2 實驗設計和材料

研究自變量為不同難度的地圖類型，分為簡單地圖和復雜地圖，因變量為行為學的正確率和反應時以及大腦前額葉4個腦區的含氧血紅蛋白的濃度變化。

刺激材料：地圖采用800×600像素的定向運動比賽標準，分為簡單地圖和復雜地圖。定向運動地圖由3名定向運動專家（國家級制圖員）進行難度評分，簡單地圖為校園場景，地圖信息多為建筑物等地物特征，復雜地圖為野外山地場景，地圖信息多為山體等地貌特征（見圖1）。

1.3 實驗設備和fNIRS測試方案

本實驗采用便攜式近紅外腦功能成像系統Nirsport 2，檢測受試者任務期間局部腦區的血氧動力學信號。以國際標準10-20系統法和人腦生理解剖結構來佩戴fNIRS光極帽實現探頭布置，經過儀器和相應模板進行校準，確保既定通道可以準確落入前額葉皮質區。采用松緊頭帽對模板和頭部進行固定，在將探測器探頭、近紅外光源探頭放置模板中時，需要將受試者的頭發充分撥開，確保探頭和頭皮充分接觸。在通道布局方面，包括13個光源探頭以及8個接收探頭，共同構成了28個測量通道，采樣頻率設為7.812 5 Hz（見圖2）。根據已有的解剖標定體系（Anatomical Labeling Systems，LBPA40）來劃分感興趣區（Region of interest，ROI），共劃分出4個ROI（表1）：左側腹外側前額葉（L-VLPFC）、左側背外側前額葉（L-DLPFC）、右側腹外側前額葉（R-VLPFC）、右側背外側前額葉（R-DLPFC）。以上4個ROI均勻分布在前額葉，采用多通道近紅外數據空間配準到MNI空間的方法。336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508

1.4 實驗流程

在實驗前讓被試者熟悉實驗環境，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。之后由實驗人員為被試者佩戴fNIRS光極帽，并進行校準，使其通道連接。

實驗包括兩個階段：練習階段和正式測試階段。練習階段受試者完成5個點位共6次路線決策練習，因路線決策無法完成電腦端的路線繪制，實驗采用手

繪方式進行路線決策。因此，練習階段在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，保持相對穩定的狀態。

正式測試階段：首先采集正常狀態下的電生理信號，時間為30 s，受試者保持放松狀態，30 s后受試者在時間提醒下開始測試任務。每張包括20個目標點位，受試者從地圖的起點出發，完成21次路線決策最后到達終點，每3次路線決策為一個block，每完成一個block，休息30 s（保證受試者的腦血氧恢復基線水平），30 s后提示受試者進行下一次任務。每張地圖共計7個block，每個block前后手動標記mark點;兩種地圖之間的測試間隔為3 min，整個實驗任務總計14個block，完成42次路線決策任務，實驗全程設置時間提醒裝置，受試者在觀察紙質版定向地圖并規劃路線過程中記錄測試總時間和腦血氧的變化（見圖3）。

1.5 數據采集與處理

行為學數據：請3名定向運動專家對所有受試者路線決策結果進行5分制評定，取平均值作為路線決策正確率指標;分別記錄受試者在兩種不同地圖難度下的路線反應時，反應時為測試總時間減去每個block間休息時間。利用SPSS 22.0對測量數據進行正態分布檢驗，夏皮洛-威爾克檢驗（S-W）檢驗結果顯示數據均大于0.05閾值，服從正態分布;通過配對樣本t檢驗，觀察不同地圖難度下的行為學指標的差異。

fNIRS數據：帶通濾波濾除小于0.01 Hz和大于0.3 Hz數據，Nirsport 2系統通過朗伯比爾定律（Lambert Beer law）對采集的光學數據進行解算，得到Oxy-Hb的血氧信號數據。相較于Deoxy-Hb而言，Oxy-Hb對大腦局部血流變化更為敏感，因此本研究選取Oxy-Hb來反映大腦神經激活水平更為真實有效[30]。獲得28個通道的Oxy-Hb原始數據后，使用MATLAB進行初步數據分析。采用主成分分析（PCA）的方法來去除運動偽跡對fNIRS數據的影響，平均各決策任務條件下的Oxy-Hb數值，得到受試者每個通道在單位時間內采樣點的均值，將ROI所包含的6～7個通道的Oxy-Hb數據進行平均，該均值即為該 ROI 的血氧信號[31]。利用SPSS 22.0對測量數據進行正態分布檢驗，夏皮洛-威爾克檢驗（S-W）檢驗結果顯示本文的數據均大于0.05閾值，服從正態分布;通過Mauchly球形檢驗對上述重復測量方差分析的數據對稱性進行檢驗，Greenhouse-Geisser矯正的方法對發生對稱性偏離的數據進行矯正。對于方差分析中存在顯著主效應的變量，使用成對比較的方法進行進一步分析;對于方差分析中存在顯著交互作用的變量組合，進行進一步分析。同時，運用Pearson相關分析對受試者每個ROI的Oxy-Hb濃度與路線決策正確率結果進行相關性分析，P<0.05被認為是具有統計學意義。

2 研究結果

2.1 行為學結果

定向運動練習者路線決策的正確率和反應時比較結果見表2。

結果顯示：在路線決策的正確率上，復雜地圖顯著低于簡單地圖（P=0.000）;在路線決策的反應時上，復雜地圖顯著大于簡單地圖（P=0.000）。

2.2 fNIRS結果

不同地圖難度對路線決策時興趣區激活強度的影響結果見表3、圖4、圖5。

結果顯示，地圖難度主效應顯著，F（1，22）=5.518，P=0.028， η2=0.201;興趣區主效應顯著，F（3，66）=8.129，P=0.003， η2=0.270;地圖難度×興趣區的交互效應顯著，F（3，66）=3.368，P=0.014， η2=0.164。對地圖難度和興趣區兩個因素進一步分析發現：任務難度對于ROI血氧激活響應上存在差異，L-VLPFC和R-VLPFC血氧激活強度沒有顯著差異（P=0.088，P=0.722），L-DLPFC在復雜地圖下的血氧激活強度顯著大于簡單地圖（P=0.001），R-DLPFC在復雜地圖下的血氧激活強度顯著大于簡單地圖（P=0.004）。

2.3 各ROI腦血氧激活強度與路線決策的正確率相關性分析結果

變量之間的相關程度一般用相關系數來表示，其值在-1到1之間，大于0代表正相關，小于0代表負相關，相關系數r在0～0.30為低相關，0.31～0.49為中度相關，0.5～0.69為高度相關，0.7～0.89為非常高度相關[32]。定向運動練習者再進行路線決策任務時各ROI下的Oxy-Hb濃度與行為學（正確率）進行相關性分析，激活強度和行為績效的相關程度見表4。

如圖6所示，各ROI的激活強度與路線決策正確率的相關程度不同：簡單地圖條件下，路線決策正確率與L-VLPFC（r=0.566）和R-VLPFC（r=0.547）激活強度高度相關，與L-DLPFC（r=0.470）激活強度中度相關，與R-DLPFC激活強度不相關（P=0.089）;復雜地圖條件下，路線決策正確率與L-VLPFC激活強度高度相關（r=0.504），與L-DLPFC（r=0.498）、R-VLPFC（r=0.499）和R-DLPFC（r=0.423）激活強度中度相關。

2.4 前額葉興趣區腦網絡功能連接變化

對比分析不同任務難度條件下前額葉不同興趣區之間的相關性。

如圖7所示，兩種地圖ROI腦網絡的連接有顯著差異，簡單地圖條件下，L-VLPFC和R-VLPFC（r=0.90）、L-DLPFC（r=0.75）、R-DLPFC（r=0.51）腦區相關均顯著，L-DLPFC和R-VLPFC（r=0.62）、R-DLPFC（r=0.86）相關顯著，R-VLPFC與R-DLPFC腦區相關不顯著（r=0.39）;復雜地圖條件下，L-VLPFC和R-VLPFC（r=0.86）、L-DLPFC（r=0.87）、R-DLPFC（r=0.67）相關顯著，L-DLPFC和R-VLPFC（r=0.72）、R-DLPFC（r=0.88）相關顯著，R-VLPFC與R-DLPFC腦區相關顯著（r=0.55）。336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508

3 討論與分析

3.1 定向運動練習者行為學特征分析

本研究結果顯示，地圖難度的主效應表現為復雜地圖路線決策正確率顯著降低，反應時顯著升高，說明難度的加大制約了定向運動練習者的行為績效。認知加工理論模型說明[33]，在運動決策情境中，首先要對輸入的信息進行辨別，根據大腦所記錄的行為信息及關鍵因素，進一步對這些信息進行加工、分析，而這一過程就是為運動決策做準備，包括運動員自己的直覺、記憶、注意及問題解決等幾個重要組成部分，越是決策復雜性的運動項目，對于最終成績的影響也越大[34]。任務難度的增加使得識別加工占用消耗更多的注意資源，個體的正確率會有所降低[35]，執行任務所需要的反應時也會越長[36]。

認知負荷對決策的影響是研究人員關注的重要問題之一，合理的規劃和準確的預測是專業知識和技能學習中的兩個重要策略[37]，研究中采用的刺激材料均為定向運動比賽專用地圖，復雜地圖符號特征多為野外地形，多用棕色等高線表示山谷、山背、山脊的地貌信息，等高線信息需要進行抽象的三維想象，從平面信息轉化為立體信息，符號特征雖單一但難以識別，難度要遠遠超過簡單地圖;簡單地圖多為公園、校園建筑環境，地圖信息多為道路、房屋、湖泊等，符號較易識別。定向練習者對于復雜地圖的信息加工，就需要更多認知資源來進行分配，從而會表現出對路線決策的正確率降低，并在反應時這一指標表現出來。

3.2 不同任務難度路線決策的腦激活表現

fNIRS結果顯示，隨著任務負荷難度的增加，PFC的激活強度增強，這是因為難度越大的任務需要被試的注意力更集中，腦力負荷也就越大，因此腦血氧的激活更大[38]，向大腦前額葉提供更多的能源物質，這個結論跟以往的fNIRS研究一致[39]。

不同的任務難度條件下，左右前額腦區表現出了血氧激活的差異，VLPFC腦區激活差異不顯著，DLPFC腦區復雜地圖條件下血氧激活強度顯著大于簡單地圖。這可能是因為大腦左右前額葉認知功能與優勢的不同而產生的差異。Kelly 等[40]認為DLPFC的參與程度取決于所執行任務的認知特征，分析原因可能是由于復雜地圖中等高線需要受試者進行認知標準，表象為山的形狀，增加了認知加工任務。相關研究也指出前額葉的血氧激活因任務情境而異[41]，不同的地圖類型可能是造成前額葉血氧激活強度差異的重要原因。DLPFC在決策能力中發揮著重要作用[42-43]，涉及到空間信息的保持、監控以及認知決策等相關功能[44-45]，在進行有關沖突任務的實驗中被顯著激活[46]，在任務過程中的復雜性或整合需求增加時，DLPFC激活也更為明顯[47]。簡單地圖條件下，符號較易識別，任務相比較為簡單，個體的認知決策加工的有關腦區資源分配比較輕松，對注意資源進行調動的時候，并沒有太大的難度[48]。而復雜地圖完成任務需要投入更多的認知努力，所以DLPFC含氧血紅蛋白濃度增多，即腦血氧激活強度增加，說明DLPFC在任務難度增加的條件下，具備一定的優勢加工，對于復雜地圖的路線決策發揮著重要作用。根據Hikosaka理論，DLPFC參與空間序列獲取的過程，涉及處理最初的感覺輸入以及描繪空間序列的過程，最終到達運動皮層[41]，兩種地圖采用不同的運動情景，野外地圖涉及到的空間信息量較為復雜，需要進行更多的空間序列描繪。研究發現DLPFC在復雜地圖路線決策中的重要作用，將為我們在今后通過神經調控提升高難度下的識圖績效提供客觀依據。

進一步分析行為學績效與腦血氧以及各腦區腦血氧的相關性，我們發現，在復雜地圖條件下，左、右DLPFC與VLPFC均與正確率相關顯著，而簡單地圖條件下R-DLPFC相關不顯著。對左、右DLPFC與VLPFC腦網絡連接相關性分析同樣發現，復雜地圖條件下4個興趣區均相關顯著，而簡單地圖條件下，R-DLPFC與R-VLPFC相關不顯著。綜合分析兩者的相關特征我們發現，在復雜地圖條件下，腦區激活更全面，覆蓋面更廣。大腦是一個計算和決策系統它包含復雜的網絡。執行特定的認知任務活動需要大腦的幾個功能區域和復雜的功能網絡由這些聯系組成，腦認知水平一般受三個因素的影響：學習材料中包含的知識的復雜性，學習的組織規則或呈現方法材料和學習者的經驗[49]。有學者提出認知加工通路假說[50]，認為認知決策加工主要有兩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）。背外側前額葉（DLPFC）和腹外側前額葉（VLPEC）作為前額葉皮質的主要功能區與運動認知相關的腦功能和依賴于情境的決策行為息息相關。其中腹外側前額葉主要控制方位認知和地圖表征[44];背外側前額葉主要控制視覺搜索和認知決策[51]，是認知決策的關鍵皮層。在定向運動的路線決策過程中包括了對地圖信息進行輸入、編碼、存儲和提取，最后做出決策[52]。復雜地圖與簡單地圖相比，地圖均通過等高線進行山形的表示，在認知加工過程中，相對比簡單地圖等城市符號信息多了等高線與山形的表征過程，這可能是造成復雜地圖條件下腦區直接網絡連接增強的原因，在復雜任務條件下，練習者需要更多腦區協同合作完成認知決策。

4 結 論

本研究采用（fNIRS）技術考察了不同任務難度條件下定向運動練習者識圖路線決策行為績效和前額葉激活的變化情況。發現在不同難度識圖路線決策任務下，大腦雙側PFC在激活強度和血氧響應模式存在差異，隨著任務難度增加，行為績效能力下降，背外側的功能激活顯著顯得較為重要，可為今后通過神經調控提升高難度下的識圖績效提供了參考依據。同時發現，高難度條件下更多腦區參與決策任務，各腦區功能連接增強，該結論或可為定向運動項目科學訓練及促進認知功能改善的訓練模式構建提供理論支撐。

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收稿日期：2022-02-15

基金項目：陜西省教育科學“十三五”規劃課題（編號：SGH20Y1061），陜西師范大學公共課改革專項課題（編號：21GGK-JG06）。

作者簡介：趙明生（1996- ），男，甘肅環縣人，在讀碩士研究生，研究方向認知運動心理學。

通訊作者：劉 陽（1979- ），男，遼寧錦州人，教授，研究方向運動與注意、記憶、決策的認知關系。

作者單位：1.陜西師范大學體育學院，陜西 西安 710119;2.東北師范大學體育學院，吉林 長春 130024;3.陜西師范大學運動學習科學實驗室，陜西 西安 710119336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508