運動強度和任務難度對定向運動員識圖決策的影響

摘" " 要" "目的：探究運動強度和任務難度對不同水平定向運動員識圖決策行為績效和腦神經活動的影響。方法：采用2（運動水平：專家、新手）×2（運動強度：靜息態、高強度）×2（任務難度：簡單地圖、復雜地圖）的三因素混合實驗設計，使用功能性近紅外光譜技術（fNIRS）測量定向運動員在不同條件下識圖決策任務的大腦前額葉皮層（PFC）的含氧血紅蛋白（Oxy-Hb）濃度變化。結果：1）識圖決策正確率隨任務難度和運動強度的增加而顯著降低，專家組顯著高于新手組。2）不同水平定向運動員在左背外側前額葉（L-DLPFC）、左腹外側前額葉（L-VLPFC）腦區的Oxy-Hb激活存在顯著差異，專家組顯著低于新手組；除左側額極區（L-FOA）外，其余腦區Oxy-Hb激活均受到運動強度的影響，表現出高強度顯著低于靜息態；隨著任務難度的改變，左背外側前額葉（L-DLPFC）腦區的Oxy-Hb激活增強，復雜地圖顯著大于簡單地圖。3）專家組在復雜地圖靜息態下，L-DLPFC的血氧激活程度與正確率顯著正相關；新手組在簡單地圖靜息態下，L-DLPFC、R-VLPFC血氧激活程度與正確率均顯著正相關。結論：定向運動的識圖決策任務受運動強度、任務難度的制約，專家運動員具有認知優勢，表現出較高的任務績效和前額葉皮層相關腦區更低的血氧激活；任務難度造成L-DLPFC的特異性激活，在高強度下大腦血氧激活模式也發生改變。這對于優化運動員訓練策略、提升競技水平及推動運動領域認知決策研究具有重要意義。

關鍵詞" "定向運動；識圖決策；運動強度；近紅外光譜功能成像技術

中圖分類號：G804.8" " " " " 學科代碼：040302" " " " " "文獻標志碼：A

DOI：10.14036/j.cnki.cn11-4513.2025.01.011

Abstract" Objective：To explore the influence of exercise intensities and different task difficulties on the image recognition and decision-making of orienteering athletes with different levels. Method： Adopting 2 （exercise level： expert， novice） ×2 （exercise intensities：resting-state，high intensity） ×2 （exercise difficulties：simple map，complex map）. In the three-factor mixed experimental design， near-infrared functional imaging （fNIRS） was used to measure the concentration of Oxy-Hb in prefrontal cortex （PFC） of oriented-athletes during the mapping decision task. Results： 1） The accuracy of image recognition decision decreased significantly with the increase of task difficulty and exercise intensity; the expert group was significantly higher than the novice group， and the resting-state group was significantly higher than the high-intensity group. 2） Oxy-Hb activation in left dorsolateral prefrontal lobe （L-DLPFC） and left ventrolateral prefrontal lobe （L-VLPFC） showed group differences， and the expert group was significantly lower than the novice group. With the exceptionof the left frontal polar region （L-FOA）， Oxy-Hb activation in the remaining brain regions was affected by exercise intensity， showing a high intensity significantly lower than the resting state. With the change of task difficulty， Oxy-Hb activation in the left dorsolateral prefrontal lobe （L-DLPFC） was enhanced， which was significantly greater than that in simple maps under complex map conditions. 3）In the resting state of a complex map， the blood oxygen activation level of L-DLPFC is significantly positively correlated with accuracy in the expert group. In the resting state of a simple map， the blood oxygen activation levels of L-DLPFC and R-VLPFC are both significantly positively correlated with accuracy in the novice group.Conclusion： The map-reading decision-making task in orienteering is constrained by the intensity of exercise and the difficulty of the task. Expert athletes have certain cognitive advantages， demonstrating higher task performance and lower blood oxygen activation in relevant brain regions of the prefrontal cortex. Task difficulty results in specific activation of L-DLPFC， and the brain’s blood oxygen activation pattern also changes under high intensity.This research is of great significance for optimizing athletes’training strategies， improving competitive performance， and promoting the development of cognitive decision-making in sports.

Keywords" orienteering；image recognition decision；exercise intensity；fNIRS

識圖決策（Map Recognition Decision）是指在定向運動比賽或訓練中，運動員根據地形、距離、可跑性等因素進行地圖路線判斷，并做出最佳路線決策的過程［1-2］，識圖決策能力直接制約著選手的比賽成績。在運動領域中，運動決策主要包括直覺決策和認知決策，直覺決策以直覺判斷為主導，而認知決策主要依靠邏輯思維進行判斷和決策，屬于復雜的信息加工過程［3］。目前，國內外關于運動決策的研究大部分集中于直覺決策，如：籃球［4］、足球［5］、手球［6］及棒球［7］，而認知決策研究相對較少，定向運動屬于典型的認知決策類運動項目［8］，通過對定向運動項目識圖決策的研究將為運動領域認知決策研究提供新的視角及理論依據。

在運動領域中，高水平運動員的運動決策能力被視為專家優勢的主要表現。如在棋類項目中，專家棋手能夠憑借豐富的經驗和深厚的棋藝，在復雜的棋局中做出更加合理的決策［9］，同樣，在足球、籃球等團隊運動項目中，專家運動員在傳球、射門、防守等關鍵環節的決策能力也明顯高于新手運動員［10］。國內專家劉陽等人利用眼動技術研究發現，高水平定向運動員在完成識圖決策任務時，表現出專家認知優勢，具體體現為識圖能力強、工作記憶容量大、圖例識別速度快等特征［11］。此外，任務難度對運動員的決策速度和準確率具有顯著影響，在較簡單的任務中，運動員能夠迅速做出決策，且準確率較高，但隨著任務難度的增加，運動員的決策速度會逐漸降低，準確率也會受到一定影響［12］，如羽毛球運動員在比賽中，隨著比賽進程的推進，對手技戰術的變化、對抗速度的加快，任務難度增加，從而影響預判決策的準確性［13］；在定向運動中，研究者比較了任務難度對普通練習者識圖決策的影響，發現行為結果存在顯著差異且前額葉皮層也表現出不同的血氧激活水平［14-15］。研究結果揭示了識圖決策的認知特征，但相關研究缺乏不同水平運動員的差異比較，尚不明確高水平運動員在識圖決策任務時的認知優勢特征及相關的大腦神經活動變化。

同時，已有研究發現，運動員的認知決策表現與運動強度密切相關，隨著運動強度的增加，對認知能力產生一定的影響［16-17］。持續高強度運動會導致運動員身體機能下降，注意力難以集中，如水球運動員在訓練或比賽中因持續進行高強度沖刺和拼搶時產生疲勞，在這種情況下，運動員會在傳球、射門或防守時出現判斷失誤，從而影響比賽結果［18］。在定向運動比賽中同樣存在類似現象，在比賽中持續高強度運動，運動員往往會出現一些低級失誤，如，忽略地圖上的關鍵信息、方向選擇錯誤等［19］，這種現象很可能是因為選手的認知決策能力受到了高運動強度的制約［20］。但也有研究發現，高運動強度有利于運動員情景記憶的保留，能夠有效提升個體的注意力、記憶力和決策能力等認知能力，在決策任務上的表現有所提升［21-23］。目前關于高運動強度對認知能力的影響尚不明確，因此，本研究將運動強度作為控制變量，探究靜息態與高強度下定向運動員識圖決策過程中的大腦神經活動，揭示其內在神經特征。

功能性近紅外光譜技術（fNIRS）利用大腦組織的光穿透性來測量大腦皮層組織中的血流動力學變化指標［24-25］。氧合血紅蛋白（Oxy-Hb）血氧濃度［26-27］，可以有效反映大腦區域神經皮層的情況，進而分析個體的認知活動［28］。該技術目前已在運動領域得到了廣泛運用［29-30］，已有研究發現，定向運動員在不同的認知任務下各腦區激活表現出顯著差異，為本研究提供了相關理論支撐［14，29］。由于前額葉是接收外部信息，將記憶等信息進行整合并做出合理計劃的區域［31］，在認知決策起著非常重要的作用［32］，研究表明，運動強度的變化能夠引起前額葉血流量和血氧含量的顯著變化［33-34］。因此，本研究選取前額葉（PFC）來監測定向運動員在不同任務難度和不同運動強度下的血氧濃度變化，以此探究定向運動員識圖決策的腦加工機制。

研究采用功能性近紅外光譜成像技術，探究不同任務難度和運動強度對不同水平定向運動員識圖決策行為績效和腦神經活動特征的影響。綜上，提出以下假設：1）在識圖決策任務過程中，高強度運動會影響定向運動員的行為績效，專家組表現出專項認知優勢；2）在識圖決策任務中，行為學與腦血氧濃度具有相關性，不同水平運動員腦血氧表現出不同的激活特征，且不同的任務難度、運動強度會造成Oxy-Hb的激活差異。

1" "研究對象與方法

1.1" 研究對象

選取32名定向運動員，其中包括16名專家組，16名新手組成員。專家組年齡（21.07±1.58）歲，BMI指數為（21.0±0.7）kg/m2，技術等級一級以上，訓練年限 6 年以上，每周訓練頻次（4.00±0.46）次。新手組年齡（20.53±1.36）歲，BMI指數為（22.0±0.8）kg/m2，訓練年限在半年以上，每周訓練頻次（1.2±0.16）次。受試者標準：1）無腦創傷及精神疾病等；2）視力或矯正視力正常；3）右利手；4）熟練掌握定向運動基礎知識；5）能夠熟知鍵盤按鍵位置，且未參加過類似實驗。參加試驗之前告知受試者整個實驗流程以及注意事項，并簽署實驗知情同意書。本研究已得到陜西師范大學倫理委員會的批準（批準文號：SNNU2023301）。

1.2" 實驗設計和材料

實驗采用 2（運動水平：專家、新手）×2（運動強度：靜息態、高強度）×2（任務難度：簡單地圖、復雜地圖）的三因素混合實驗設計。因變量為識圖決策正確率和前額葉各興趣區（ROI）的Oxy-Hb濃度變化。

識圖決策任務刺激材料：采用標準定向比賽中的真實點位場景地圖作為原材料，像素800×600，比例尺1∶4 000，并由3名專家進行地圖難度5分評分，簡單地圖平均得分（1.2±0.6）分，復雜地圖平均得分（4.5±0.3）分［35］，簡單地圖為校園地圖（地圖多由房屋、道路等地物符號組成），復雜地圖為公園地圖（地圖由等高線等地貌符號和相關地物符號組成），每張地圖含12條路線規劃任務（如圖1所示）。

1.3" 實驗儀器及設備

實驗儀器為便攜式功能性近紅外光譜成像儀LIGHTNIRS系統（島津，日本），以3種不同波長的近紅外光（780 mm、805 mm、830 mm），13.33 Hz的采樣率，對不同水平定向運動員識圖決策任務時不同腦區的氧合血紅蛋白（Oxy-Hb）血氧濃度進行采集［36-37］。通道布局采用2×8個光極探頭（8個發射光極和8個接收光極）的多通道相連布局，共組成22個通道，利用3D數字儀（FASTRAK系統）定位光極位置，通過NIRS_SPM軟件空間概率配準方法確定各通道位置的MNI位置坐標，在成人布羅德曼區（Brodmann）圖譜中查找對應腦區，劃分出8個興趣區（region of interest，ROI）：R-DLPFC、L-DLPFC、R-FOA、L-FOA、R-VLPFC、L-VLPFC、R-OFA和L-OFA，如圖2所示。

1.4" 實驗流程

實驗分為兩個階段，練習階段和正式測試階段，練習階段：在實驗前告知受試者整個實驗流程以及注意事項，并提醒受試者在實驗過程中保持頭部的穩定性。本實驗采用手繪方式進行路線決策，首先受試者坐在自行車上采集30 000 ms靜息態下的電生理信息（靜息態和高強度任務前均需采集），完成后提醒受試者開始實驗測試。進行高強度任務之前受試者先做準備活動，做完準備活動后，讓受試者在功率自行車進行大負荷運動，實驗負荷為每隔5 min遞增25 W功率持續運動，保持轉數55～65轉/min的勻速蹬車［38］。實驗中使用HRV檢測儀對心率進行實時監測，按照美國運動醫學會（ACSM）運動測試與運動處方指南，確定高強度為76%～96%HRmax（HRmax=208-0.7×年齡）［39］。測試場景見圖3。

靜息態條件下識圖決策測試：測試地圖每個難度共有11個目標點位，受試者從地圖的起點出發，完成12次路線決策最后到達終點，每4次路線決策為一個組塊（block）（大約40 s），總共3個組塊，每完成一個組塊休息20 s。高強度識圖決策同靜息態，但每一個組塊間繼續完成騎行任務，保持高強度運動狀態。每個條件測試間隔24 h，保證受試者體力與腦力完全恢復，正式試驗階段與練習階段相同（如圖4所示）。

1.5" 數據采集與分析

行為學數據：首先，請3名定向運動專家對所有受試者路線決策結果進行5分制評定并取平均值作為最終成績，然后換算為百分比［11］，首先對正確率進行正態分布檢驗，S-W檢驗結果顯示，服從正態分布。采用2（運動水平：專家、新手）×2（運動強度：靜息態、高強度）×2（任務難度：簡單地圖、復雜地圖）進行三因素混合方差分析，對識圖決策任務中行為學數據進行統計分析。

fNIRS數據：利用fNIRS設備自帶軟件對采集的原始數據進行解算，基于Matlab（R2013b）平臺的NIRS_SPM軟件，通過修正的比爾－朗伯定律將光強數據轉換為血氧數據，然后對數據進行預處理，消除異常值，提高信噪比，使整體濾波后的信號便于后續計算分析［MNI坐標配準；基于一般線性模型（GLM）的設計矩陣的構建；基于具有時間導數的血流動力學響應函數（HRF）的低通濾波器；基于小波分析法（wavelet-MDL）的高通濾波器］；然后對任務條件下的β值進行評估，作為相應通道的激活指標。采用 2（運動水平：專家、新手）×2（任務難度：簡單地圖、復雜地圖）×2（運動強度：靜息態、高強度）三因素混合方差分析，將興趣區（ROI）所包含各通道的β進行平均，該均值即為該ROI激活強度，運用SPSS27.0進行分析，并對存在交互效應的變量進行簡單效應分析，plt;0.05被認為是具有統計學意義。所有數據均使用SPSS27.0進行統計和分析，多重比較采用Bonferroni法進行校正。

2" "結果

2.1" 行為學結果

為了探索專家組和新手組在不同運動強度和不同任務難度下的行為學指標差異，對行為學數據進行統計分析，描述性結果如表1所示。

結果顯示，運動水平主效應顯著［F（1，30）=58.141，plt;0.001，η2=0.839］，專家組正確率顯著大于新手組，運動強度主效應顯著［F（1，30）=441.618，plt;0.001，η2=0.770］，靜息態下的正確率顯著大于高強度，任務難度主效應顯著［F（1，30）=67.105，plt;0.001，η2=0.337］，簡單地圖正確率顯著大于復雜地圖；運動水平×運動強度交互效應顯著［F（1，30）=20.148，plt;0.01，η2=0.132］，簡單效應分析，在靜息態下，運動水平主效應顯著［F（1，30）=4.953，plt;0.05，η2=0.036］，專家組的正確率顯著大于新手組，在高強度下，運動水平主效應顯著［F（1，30）=73.884，plt;0.001，η2=0.357］，專家組正確率顯著大于新手組；專家組運動強度主效應顯著［F（1，30）=109.383，plt;0.001，η2=0.451］，靜息態時的正確率顯著大于高強度，新手組運動強度主效應顯著［F（1，30）=440.845，plt;0.001，η2=0.768］，靜息態時的正確率顯著大于高強度。運動水平×任務難度交互效應不顯著；任務難度×運動強度交互效應顯著［F（1，30）=4.499，plt;0.05，η2=0.033］，簡單效應分析，在靜息態下，任務難度主效應顯著［F（1，30）=16.783，plt;0.01，η2=0.124］，簡單地圖正確率顯著大于復雜地圖，在高強度下，任務難度主效應顯著［F（1，30）=56.147，plt;0.01，η2 =0.297］，簡單地圖的正確率顯著大于復雜地圖；在簡單地圖條件下，運動強度主效應顯著［F（1，30）=184.481，plt;0.001，η2=0.581］，靜息態正確率顯著大于高強度，在復雜地圖條件下，運動強度主效應顯著［F（1，30）=280.435，plt;0.001，η2=0.678］，靜息態正確率顯著大于高強度下的正確率；三者交互效應不顯著。以上結果表明，在不同條件下，專家組正確率均高于新手組；在簡單地圖下，專家組和新手組的正確率高于復雜地圖；靜息態下專家組和新手組的正確率顯著高于高強度。

2.2" fNIRS結果

探究不同水平運動員不同任務難度、運動強度下各興趣區Oxy-Hb濃度的變化，對收集數據進行統計分析，結果如表2和圖5所示。

2.2.1" 右側背外側前額葉（R-DLPFC）

運動水平主效應不顯著，運動強度主效應顯著［F（1，30）=17.957，plt;0.001，η2 =0.140］，靜息態下血氧濃度顯著高于高強度，任務難度主效應不顯著；運動水平×運動強度交互效應顯著［F（1，30）=11.704，plt;0.01，η2=0.096］；簡單效應分析，在靜息態下，運動水平主效應顯著［F（1，30）=7.803，plt;0.01，η2=0.066］，新手組的血氧濃度顯著大于專家組，在高強度下，運動水平主效應顯著［F（1，30）=4.212，p＜0.05，η2=0.037］，新手組的血氧濃度顯著大于專家組；新手組運動強度主效應顯著［F（1，30）=3.64，plt;0.05，η2=0.03］，靜息態顯著高于高強度；專家組運動強度主效應顯著［F（1，30）=27.019，plt;0.001，η2=0.197］，靜息態下的血氧濃度顯著大于高強度，其余交互效應均不顯著。

2.2.2" 左側背外側前額葉（L-DLPFC）

運動水平主效應顯著［F（1，30）=5.868，plt;0.05，η2=0.003］，新手組的血氧濃度顯著大于專家組，運動強度主效應顯著［F（1，30）=5.035，plt;0.05，η2=0.044］，靜息態下的血氧濃度顯著大于高強度，任務難度主效應顯著［F（1，30）=5.416，plt;0.05，η2=0.047］，復雜地圖下的血氧濃度顯著大于簡單地圖；交互效應均不顯著。

2.2.3" 右側額極區（R-FOA）

運動水平效應不顯著，運動強度主效應顯著［F（1，30）=9.868，plt;0.05，η2=0.082］，靜息態血氧濃度大于高強度，任務難度主效應不顯著；運動水平×運動強度交互效應顯著［F（1，30）=8.518，plt;0.05，η2=0.072］；簡單效應分析，在靜息態下，運動水平主效應不顯著，高強度下，運動水平主效應顯著［F（1，30）=10.066，plt;0.05，η2=0.084］，新手組血氧濃度顯著大于專家組；新手組運動強度主效應顯著［F（1，30）=2.07，plt;0.05，η2=0.001］，靜息態血氧濃度顯著高于高強度；專家組運動強度主效應顯著［F（1，30）=16.916，plt;0.01，η2=0.133］，靜息態下的血氧濃度顯著大于高強度；其余交互效應均不顯著。

2.2.4" 左側額極區（L-FOA）

該腦區運動水平、任務難度、運動強度主效應以及交互效應均不顯著。

2.2.5" 右側腹外側前額葉（R-VLPFC）

運動水平、任務難度主效應不顯著，運動強度主效應顯著［F（1，30）=39.266，plt;0.001，η2=0.263］，靜息態下的血氧濃度顯著大于高強度；交互效應均不顯著。

2.2.6" 左側腹外側前額葉（L-VLPFC）

運動水平主效應顯著［F（1，30）=12.627，plt;0.01，η2=0.103］，新手組的血氧濃度顯著高于專家組，運動強度主效應顯著［F（1，30）=45.729，plt;0.001，η2=0.294］，靜息態血氧濃度顯著高于高強度，任務難度主效應不顯著；交互效應均不顯著。

2.2.7" 右側眶額區（R-OFA）

運動水平、任務難度主效應不顯著，運動強度主效應顯著［F（1，30）=24.986，plt;0.01，η2=0.185］，靜息態血氧濃度顯著高于高強度；運動水平×運動強度交互效應顯著［F（1，30）=6.975，plt;0.01，η2=0.06］，簡單效應分析，在靜息態下，運動水平主效應不顯著，在高強度下，運動水平主效應顯著［F（1，30）=9.927，plt;0.05，η2=0.083］，新手組的血氧濃度顯著高于專家組；新手組運動強度主效應顯著［F（1，30）=3.034，plt;0.05，η2=0.27］，靜息態下的血氧濃度顯著高于高強度；專家組運動強度主效應顯著［F（1，30）=26.872，plt;0.01，η2=0.196］，靜息態的血氧濃度顯著大于高強度下的運動強度；其余交互效應均不顯著。

2.2.8" 左側眶額區（L-OFA）

運動水平、任務難度主效應不顯著，運動強度主效應顯著［F（1，30）=19.52，plt;0.01，η2=0.151］，靜息態血氧濃度顯著高于高強度；交互效應均不顯著。

以上結果表明，不同運動水平運動員在L-DLPFC、L-VLPFC的血氧濃度具有顯著差異，具體的表現為新手組大于專家組；不同運動強度在R-DLPFC、L-DLPFC、R-FOA、R-VLPFC、L-VLPFC、R-OFA和L-OFA血氧濃度有顯著差異，具體的表現為在靜息態下的血氧濃度顯著高于高強度；不同任務難度在L-DLPFC的血氧濃度具有顯著差異，具體的表現為復雜地圖大于簡單地圖。運動水平與運動強度交互作用下，在R-DLPFC、R-FOA、R-OFA中具有顯著差異，具體的表現為在新手組、專家組條件下運動強度主效應顯著，靜息大于高強度；在R-DLPFC中，靜息態、高強度條件下，運動水平主效應顯著新手大于專家組。

2.3" fNIRS數據與正確率的相關性結果

fNIRS數據分析結果見表3、圖6。

對2（運動水平：新手組、專家組）×2（運動強度：靜息態、高強度）×2（任務難度：簡單地圖、復雜地圖）在識圖決策任務中的行為學數據與8個興趣區的Oxy-Hb濃度值進行相關性分析，得到如下結論。

在識圖決策任務中，fNIRS結果和正確率顯著相關，體現在：專家組復雜地圖靜息態，L-DLPFC（r=0.678，plt;0.01）血氧激活程度與正確率呈正相關，即正確率越高，血氧激活程度越高；新手組在簡單地圖靜息態下，L-DLPFC（r=0.533，plt;0.05），R-VLPFC（r=0.609，plt;0.05）血氧激活程度與正確率均呈正相關，即正確率越高，血氧激活程度越高。

3" "討論

3.1" 不同條件下定向運動員識圖決策的行為績效分析

行為學結果顯示，專家組在不同條件下均表現出較高的行為績效，且兩個組別運動員均表現出簡單地圖正確率顯著高于復雜地圖，靜息態正確率顯著高于高強度，表明不同水平定向運動員在完成識圖決策任務時的行為績效受運動強度和任務難度的影響，假設1得到驗證。專家運動員具有專項認知優勢，國內劉陽等學者在對定向運動員識圖決策過程中視覺搜索特征研究中發現，專家組識圖決策任務中具有較高的行為績效［40-41］，這可能與專家運動員經過長年專項訓練具有較強的視覺搜索、符號識別、信息轉換的能力相關［42］。根據認知加工理論模型，運動員在運動決策情景中首先是輸入信息，對關鍵信息進行記錄，然后對信息進行加工處理，為運動決策做好準備，高水平運動員這一過程中表現出較高的視覺搜索效率以及多信息組塊加工的記憶提取特征［43-44］。任務難度和運動強度的變化會影響運動員認知資源的分配與能量的消耗，有學者研究發現，運動員持續高強度運動時運動表現顯著下降［45-46］，這與本研究結果一致。運動能力的下降可能是由于疲勞影響了運動員的神經傳導速度，以及高強度運動會消耗大量的能量，運動員大腦氧氣供應不足，影響大腦的正常運轉，導致認知能力下降［47］，表現在運動員的選擇注意力、集中注意力明顯降低［48］。此外易妍等研究發現，定向運動員在完成簡單任務時的行為績效顯著高于復雜任務［15］，本研究發現復雜地圖下，專家組與新手組行為績效均顯著下降，這可能是由于在高認知負荷條件下，占用和消耗運動員更多的注意資源，不利于中樞資源的合理分配［49］，且在運動員大腦處理的信息量達到個體所能承受的極限時，工作效率也會顯著降低，因而表現出較低的正確率。以上的研究結果可以得出，在高任務難度、高運動強度下，無論是專家組還是新手組運動員，皆表現出相對較低的行為績效。

由于本研究用正確率來比較專家組和新手組定向運動員在識圖決策任務中的差異，只是反映二者之間的行為學結果，無法了解其內在機制以及運動強度和任務難度改變下大腦的神經活動，因此借助fNIRS來監測任務過程中大腦前額葉皮質區的變化。

3.2" 定向運動員識圖決策的腦激活表現

fNIRS結果顯示，專家組腦區大腦Oxy-Hb激活顯著低于新手組，大量研究表明，專項認知能力與血氧激活程度呈負相關，即認知能力越強，血氧激活程度越低［50］，這種激活差異可能是由于腦認知加工造成，專家組成員普遍具有專項認知優勢，有學者認為高水平定向運動員經過長時間的訓練和比賽積累了大量的知識和實踐經驗，能夠在較短的時間內進行合理的任務決策，而新手組運動員在進行任務決策時，無法快速篩選和處理相關信息，需動用更多的認知資源，表現出較高的血氧激活特征［29，51］。神經效率假說也為其提供了依據，該假說認為，相關領域的認知表現越好，與之相關的大腦皮層激活強度越低，主要是源于大腦的神經資源被保存和自動化，顯現出大腦皮層神經的高效率［52］。這也可能是專家組在復雜地圖靜息態下L-DLPFC的腦血氧激活與正確率均呈現出顯著正相關的原因。在本研究中不同水平定向運動員出現腦區激活差異，新手組定向運動員在識圖決策任務中L-VLPFC、L-DLPFC的血氧激活顯著高于專家組，在高強度條件下，R-DLPFC的血氧激活新手組也顯著大于專家組。以往研究證實，認知功能與PFC密切相關［53］，VLPFC、DLPFC作為前額葉皮質的主要功能區，在注意選擇、抑制控制、工作記憶、運動決策過程中起著關鍵性作用［54-55］。Corballis等指出大腦左半球主要是處理局部細節，如文字和物體的細節，而右半球對整體空間關系、圖形和空間導航更為敏感［56］，在識圖決策過程中，需要定向運動員對地圖中的符號信息進行識別，因而表現出L-VLPFC、L-DLPFC激活顯著。Dietrich等研究發現，大腦皮層認知資源有限，不同腦區需要競爭資源的優先使用權［57］，也解釋了進一步證實DLPFC、VLPFC的功能，都對于識圖決策的認知加工過程至關重要。而新手組運動員對于地圖符號的識別、圖景的匹配等能力相對較差，導致新手在簡單地圖下呈現出相關性，也證實了任務難度影響著不同水平運動員的腦血氧激活與行為學結果。

在不同運動強度條件下，大腦前額葉皮層的大部分區域均表現出靜息態血氧激活顯著高于高強度，且在簡單地圖靜息態下新手組L-DLPFC、R-VLPFC，以及復雜地圖靜息態下專家組L-DLPFC的腦血氧激活水平與正確率均呈現出顯著正相關。相關研究證實，DLPFC、VLPFC、FOA在運動決策過程中扮演著重要角色［58-59］，OFA與處理平衡狀態等內部信息的皮層結構相關［60］，持續高強度運動導致疲勞PFC激活顯著降低。能量-認知模型（Cognitive-Energetical Model）認為，由于持續高強度運動，機體能量大量的消耗，大腦供能不足［61］，這時運動員工作效率降低，腦激活顯著下降，表現出選擇注意力下降，注意力難以集中［62］；Romain等指出高強度運動會導致神經遞質失衡，大量的神經遞質釋放和變化，可能會影響大腦的興奮性和抑制性導致認知功能下降［63］，且隨著高強度運動時長的不斷增加，代謝廢物的積累也會對大腦產生負面影響，如乳酸等代謝廢物會干擾神經元的正常活動，降低神經系統的傳導速度和反應速度，大腦神經元對肌肉活動的抑制增加［64］，運動員短時記憶力、心理運動能力和視覺辨別力下降［65］，同時這也可能是專家與新手均在靜息態下行為績效與相關腦區腦激活呈現出相關性的原因［66］，表明在靜息態下有利于定向運動員做識圖決策任務。

且在不同任務難度條件下，L-DLPFC激活顯著，同時隨著任務難度的增加PFC激活顯著增加，由于任務難度越大，運動員需要更加集中的注意力，腦力負荷大，需要消耗更多的認知資源，從而導致腦激活較高［67］，為PFC提供更多的能源物質以供其消耗，該結果與以往的研究結果一致［68］。同時在該研究結果中顯示L-DLPFC激活顯著，可能是由于大腦自身的功能結構造成的差異［56］。張文等對定向運動員不同認知負荷下腦加工的研究發現，復雜地圖運動員需要更為集中的注意力，隨任務難度的變大，血氧激活程度也隨之增大［69］。有學者研究發現，在簡單地圖下血氧激活低于復雜地圖，由于在復雜地圖條件下，地圖信息多用等高線表示地貌，等高線信息需要進行抽象的三維想象，將平面信息變為立體信息［14，69］。簡單地圖符號特征便于識別，任務相對較為簡單，腦區資源易分配，難度遠低于復雜地圖，以及根據腦區功能差異，造成L-DLPFC腦區表現出特異性激活。

3.3" 局限性與展望

研究采用fNIRS設備研究定向運動員在識圖決策任務下的腦加工特征，使用22通道模型，因設備通道限制未能對全腦區域進行監測與分析，只能探測大腦的核心認知區域（大腦前額葉皮層）的神經活動特征，未來研究可進一步優化通道分布與布局，進行全腦監測。此外，功率自行車雖能很好調控運動強度，但它無法完全模擬定向運動員在真實比賽的環境，未來研究可通過VR模擬現實場景，進一步提高研究的生態效度。

4" "結論

定向運動的識圖決策任務受任務難度、運動強度的制約，專家具有一定的認知優勢，表現出較高的任務績效和前額葉皮層相關腦區更低的血氧激活；任務難度造成L-DLPFC的特異性激活，在高強度下大腦血氧激活模式也發生改變；腦激活變化與認知行為表現存在相關性，且受運動水平、運動強度以及任務難度的制約，并體現在不同的腦區；本研究對于優化運動員訓練策略、提升競技水平以及推動運動領域認知決策研究具有重要意義。

參考文獻：

［1］" 劉潔. 情緒與視覺空間工作記憶對定向識圖認知決策的實驗研究［D］. 濟南：山東師范大學，2022：4-6.

［2］" 安豐學. 時距知覺對百米定向選手運動決策影響的實驗研究［D］. 濟南：山東師范大學，2022： 9-12.

［3］" 王曉婷，遲立忠，任鵬飛. 心智游移對羽毛球運動決策的影響——言語工作記憶容量的調節作用［J］. 天津體育學院學報，2022，37（4）：489-496.

［4］" 劉美珍.高水平籃球運動員籃球運動決策過程特征及ERP研究［D］. 長沙：湖南師范大學，2016：1.

［5］" 何忻鍵. 足球情境訓練對9～12歲少年兒童運動決策能力影響的研究［D］. 北京：北京體育大學，2022：1.

［6］" NICOLAS B， FLORIAN L， J？魻RG S， et al. Impact of psychological and physical load on the decision-making of top-class handball referees［J］. International Journal of Performance Analysis in Sport，2022，22（3）：352-369.

［7］" TAKEUCHI T， INOMATA K.Visual search strategies and decision making in baseball batting［J］. Perceptual and Motor Skills， 2009， 108（3）： 971-980.

［8］" MACQUET A C， ECCLES D W， BARRAUX E.What makes an orienteer an expert？ A case study of a highlyelite orienteer’s concerns in the course of competition［J］. Journal of Sports Sciences，2012，30（1）： 91-99.

［9］" KRAWCZYK C D，BOGGAN L A，MCCLELLAND M M， et al.The neural organization of perception in chess experts［J］. Neuroscience Letters，2011，499（2）：64-69.

［10］" MANN D T Y， WILLIAMS A M， WARD P，et al.Perceptual-cognitive expertise in sport： A meta-analysis［J］. Journal of Sport Exercise Psychology， 2007， 29（4）： 457-478.

［11］" 劉陽，何勁鵬. 定向運動專項認知技能的心理學詮釋與思考［J］. 遼寧體育科技，2016，38（5）：64-69.

［12］" WILLIAMS A， DAVIDS K， BURWITZ L， et al. Perception and action in sport［J］. Journal of Human Movement Studies，1992， 22：147-204.

［13］" 葉浣鈺，遲立忠. 信息量與反應認知方式對羽毛球運動員決策速度、準確性的影響［J］. 北京體育大學學報，2010，33（11）：117-120.

［14］" 趙明生，劉靜如，鮑圣彬，等. 任務難度對定向運動練習者路線決策的影響研究——來自fNIRS的證據［J］. 山東體育學院學報，2022，38（2）：110-118.

［15］" 易妍，劉靜如，張言，等. 不同認知負荷條件下定向運動員心理旋轉能力的行為績效及腦加工特征［J］.體育學刊，2022，29（2）：136-144.

［16］" 楊威，顧正秋，陳美霞，等. 腦力疲勞對足球運動員靈敏、下肢爆發力和平衡能力的影響［J］. 體育科學，2022，42（5）：68-76.

［17］" 張志敏. 籃球運動員運動性疲勞狀態下的注意特征和情緒變化研究［D］. 武漢：武漢體育學院，2017：7.

［18］" ROYAL K A， FARROW D， I？譙IGO M， et al.The effects of fatigue on decision making and shooting skill performance in water polo players［J］. Journal of Sports Sciences，2006，24（8）：807-815.

［19］" COCO M，BUSCEMI A， GUERRERA C S， et al.Effects of a bout of intense exercise on some executive functions［J］. International Journal of Environmental Research and Public Health，2020，17（3）：898.

［20］" 楊倩倩. 力竭性運動對羽毛球運動員認知控制影響的NIRS研究［D］. 北京：首都體育學院，2015： 3-8.

［21］" BRISSWALTER J， COLLARDEAU M， ARCELIN R. Effects of acute physical exercise characteristics on cognitive performance［J］. Sports Medicine，2002，32（9）：555-566.

［22］" MAKEPEACE R， CRAIG M. Higher intensity exercise after encoding is more conducive to episodic memory retention than lower intensity exercise： A field study in endurance runners［J］. Plos One， 2024，19（9）： 11-15.

［23］" 胡靜蕓，蔡明，商慶慧，等. 高強度間歇訓練改善認知功能及其機制研究進展［J］. 生理學報，2021，73（1）：126-136.

［24］" XUAN B T， THI T N， ANH S H N， et al.Utility of portable functional near-infrared spectroscopy （fNIRS） in patients with bipolar and unipolar disorders： A comparison with healthy controls［J］. Journal of Affective Disorders，2023，323：581-591.

［25］" KOO B， LEE H， NAM Y， et al.A hybrid NIRS-EEG system for self-paced brain computer interface with online motor imagery［J］. Journal of Neuroscience Methods，2015，244： 26-32.

［26］" 潘津津，焦學軍，姜勁，等. 利用功能性近紅外光譜成像方法評估腦力負荷［J］. 光學學報，2014，34（11）：344-349.

［27］" NASEER N， HONG K.Classification of functional near-infrared spectroscopy signals corresponding to the right- and left-wrist motor imagery for development of a brain-computer interface［J］. Neuroscience Letters， 2013， 553：84-89.

［28］" 唐思潔，秦奎元，李瑛，等. 定向運動員空間距離感知特征研究：來自行為學和fNIRS的證據［J］.中國體育科技，2023，59（3）：20-27， 36.

［29］" 焦學軍，姜勁，潘津津，等. 基于fNIRS技術的腦機接口研究［J］. 天津大學學報（自然科學與工程技術版），2017，50（5）：527-535.

［30］" 楊蕾. 基于fNIRS的少兒足球運動員平衡能力與警覺網絡相關性研究［D］. 長春：吉林體育學院，2021： 13-45.

［31］" SCHAFER J R， MOORE T.Selective attention from voluntary control of neurons in prefrontal cortex［J］. Science，2011，332（6037）： 1568-1571.

［32］" XIAO W， JIAO Z， SENOL E， et al.Neural circuit control of innate behaviors［J］. Science China（Life Sciences）， 2022， 65（3）：466-499.

［33］" 張斌，劉瑩. 急性有氧運動對認知表現的影響［J］. 心理科學進展，2019，27（6）：1058-1071.

［34］" 蔡治東，舒展，王興，等. 急性彈力帶運動對高齡老年人工作記憶的影響：來自fNIRS的證據［J］.中國體育科技，2023，59（9）：46-53.

［35］" 劉陽. 定向運動選手識圖的認知加工特征與技能訓練研究［D］. 長春：東北師范大學，2017： 32.

［36］" SKAU S， HELENIU O， SUNDBERG K， et al.Proactive cognitive control， mathematical cognition and functional activity in the frontal and parietal cortex in primary school children： An fNIRS study［J］. Trends in Neuroscience and Education，2022，28： 1-24.

［37］" 文世林，王華. 有氧體能對執行功能的影響：一項fNIRS研究［J］. 首都體育學院學報，2016，28（2）：161-166.

［38］" 王鈞. 基于主觀感覺疲勞量表和心率變異性相結合的運動性疲勞監測［D］. 武漢：武漢體育學院，2015： 17.

［39］" 王正珍. ACSM運動測試與運動處方指南（第十版）［M］. 北京： 北京體育大學出版社，2019：38.

［40］" 劉陽，何勁鵬. 定向運動員識圖過程中視覺搜索特征研究［J］. 中國體育科技，2018，54（4）：120-128， 145.

［41］" 王飛. 空間認知能力對定向越野識圖影響的研究［D］." 濟南：山東師范大學，2015： 30.

［42］" 孫瑞. 體育與非體育專業大學生手部圖片心理旋轉任務的比較研究［D］. 武漢：武漢體育學院，2019： 7-8.

［43］" 王洪彪. 運動決策情境中認知加工理論模型的初步構建［J］. 沈陽體育學院學報，2013，32（3）：28-32.

［44］" HARPER F W K， SCHMIDT J E， BEACHAM A O， et al.The role of social cognitive processing theory and optimism in positive psychosocial and physical behavior change after cancer diagnosis and treatment［J］. Psycho-oncology， 2007， 16（1）：79-91.

［45］" MCMORRIS T， KEEN P. Effect of exercise on simple reaction times of recreational athletes［J］. Percept Mot Skills，1994， 78（1）：123-130.

［46］" CHMURA J， JUSIAK R.Changes in psychomotor performance of soccer players subjected to an exercise test［J］. Biology of Sport，1994，11：197-203.

［47］" DAVRANCHE K， AUDIFFREN M.Facilitating effects of exercise on information processing［J］. Journal of Sports Sciences，2004，22（5）： 419-428.

［48］" 張志敏. 籃球運動員運動性疲勞狀態下的注意特征和情緒變化研究［D］. 武漢：武漢體育學院，2016：7.

［49］" 張曉念. 初學乒乓球兒童的運動決策能力研究［J］. 當代體育科技，2020，10（10）：74， 76.

［50］" HAIER R J， SIEGEL J R B V， MACLACHLAN A， et al.Regional glucose metabolic changes after learning a complex visuospa-tial/ motor task： A positron emission tomographic study［J］. Brain Research，1992，570（1/2）： 134-143.

［51］" 劉寧. 圍棋專家的認知優勢表現及其腦基礎［D］. 上海： 華東師范大學，2019：2-3.

［52］" 彭艷芳，任杰. 精準類項目運動表現與大腦EEG特征潛在關系研究［J］. 天津體育學院學報，2021，36（3）： 332-338.

［53］" MORIGUCHI Y， HIRAKI K. Prefrontal cortex and executive function in young children： A review of NIRS studies［J］. Human Neuroscience，2013，7： 1-9.

［54］" OCHSNER K N， SILVERS J A， BUHLE J T.Functional imaging studies of emotion regulation： A synthetic review and evolving model of the cognitive control of emotion［J］. Annals of the New York Academy of Sciences，2012，1251（1）： 1-24.

［55］" WILSON C R E， GAFFAN D， MITCHELL A S，et al.Neurotoxic lesions of ventrolateral prefrontal cortex impair object-in-place scene memory［J］. European Journal of Neuroscience， 2007， 25（8）： 2514-2522．

［56］" CORBALLIS M C. Mental rotation and the right hemisphere［J］. Brain amp; Language， 1997， 57（1）：100-121.

［57］" DIETRICH A， AUDIFFREN M. The reticular-activating hypofrontality （RAH） model of acute exercise［J］. Neuroscience and Biobehavioral Reviews， 2011， 35（6）：1305-1325.

［58］" BOGGIO P S， ZAGHI S， VILLANI A B， et al.Modulation of risk - takingin marijuana users by transcranial direct current stimulation （tDCS） of the dorsolateral prefrontal cortex （DLPFC） ［J］. Drug and Alcohol Dependence， 2010，112（3）： 220-225．

［59］" KOECHLIN E， HYAFIL A. Anterior prefrontal function and the limits of human decision-making［J］. Science，2007， 318（5850）：594-598.

［60］" MILLER E K. The prefrontal cortex and cognitive control［J］. Nature Reviews Neuroscience， 2000， 1（1）：59-65.

［61］" 楊勇濤，張新偉，冉靜，等. 運動強度和能量消耗對認知表現的影響［J］. 中國運動醫學雜志，2011，30（1）：110-115.

［62］" 祝瑜瑛. 基于腦電信號的運動性疲勞研究［D］." 杭州：杭州電子科技大學，2019：13-15.

［63］" ROMAIN M， PHILIP W， HIROSHI H， et al. Central fatigue：The serotonin hypothesis and beyond［J］. Sports Medicine，2006， 36（10）：881-909.

［64］" MCNEIL C J，MARTIN P G， GANDEVIA S C， et al. The response to paired motor cortical stimuli is abolished at a spinal level during human muscle fatigue［J］. Journal of Physiology， 2010， 587（23）： 5601-5612.

［65］" CIAN C， BARRAUD P A， MELIN B，et al.Effects of fluid ingestion on cognitive function after heat stress or exercise-induced dehydration［J］. International Journal of Psychophysiology， 2001， 42（3）： 243-251.

［66］" DAVIS J M， BAILEY S P. Possible mechanisms of central nervous system fatigue during exercise［J］. Medicine and Science in Sports and Exercise， 1997， 29（1）： 45-57.

［67］" 朱國毅. 材料類型和情緒信息對病理性網絡使用者工作記憶的影響：一項近紅外研究［D］. 武漢：華中師范大學，2021： 67-71．

［68］" FISHBURN F A， NORR M E， MEDVEDEV A V， et al. Sensitivity of fNIRS to cognitive state and load［J］. Frontiers in Human Neuroscience， 2014， 8（76）： 1-11．

［69］" 張文，宋楊，劉陽. 不同認知任務下定向運動員腦加工特征研究——來自fNIRS的證據［J］. 首都體育學院學報，2023，35（2）：180-186.

收稿日期：2024-01-08

基金項目：教育部人文社科項目（23YJAZH087）；陜西省社會科學基金項目（2022P003）。

第一作者簡介：胡芳芳（1999—），女，碩士在讀，研究方向為運動訓練理論與方法。E-mail：2956935655@snnu.edu.cn。

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.新疆工業學院通識學院，新疆和田 848000。

1.School of Physical Education， Shaanxi Normal University， Xian， Shaanxi 710119， China；2.General College of Xinjiang University of Technology， Hetian， Xinjiang 848000， China.