祁亞鵬 王怡萱 朱 樺 周成林 王瑩瑩

(1 上海體育學(xué)院心理學(xué)院,上海 200438) (2 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,北京 100191)

1 前言

揭示運(yùn)動(dòng)員的腦結(jié)構(gòu)變化對(duì)于理解并促進(jìn)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)過(guò)程具有重要意義(Dayan &Cohen,2011)。長(zhǎng)期專項(xiàng)訓(xùn)練對(duì)運(yùn)動(dòng)員腦結(jié)構(gòu)可塑性的影響已得到諸多研究的證實(shí)(Bezzola et al.,2011;Calmels,2019;Keller &Just,2009;Taubert et al.,2010),大部分腦結(jié)構(gòu)的改變是反映運(yùn)動(dòng)員專家優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)。同時(shí),近期有研究者提出不同類型項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員的腦結(jié)構(gòu)存在差異(任占兵 等,2019)。根據(jù)動(dòng)作執(zhí)行時(shí)所需的認(rèn)知策略多少,可將動(dòng)作技能劃分為低策略性技能和高策略性技能：對(duì)于低策略性技能項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員(如體操),動(dòng)作完成表現(xiàn)的決定因素是動(dòng)作本身的質(zhì)量;而對(duì)于高策略性技能項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員(如乒乓球),動(dòng)作本身并不重要,重要的是如何利用思維、言語(yǔ)等高級(jí)認(rèn)知功能(higher-level cognitive functions)對(duì)動(dòng)作進(jìn)行計(jì)劃和執(zhí)行,以擊敗對(duì)手。然而,作為一類更強(qiáng)調(diào)認(rèn)知策略參與的技能項(xiàng)目,高策略性項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員在與這些高級(jí)認(rèn)知功能相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)上是否發(fā)生了特異性的變化還未可知。揭示該問(wèn)題將有利于理解運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)的神經(jīng)機(jī)制,并為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提供指導(dǎo)。

當(dāng)前較多研究采用MRI 技術(shù),發(fā)現(xiàn)低策略性技能項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期專項(xiàng)訓(xùn)練會(huì)引發(fā)感知運(yùn)動(dòng)通路腦區(qū)的可塑性變化。如長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員和武術(shù)運(yùn)動(dòng)員在輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、前運(yùn)動(dòng)皮層的灰質(zhì)體積均顯著大于普通人,舞蹈運(yùn)動(dòng)員感知運(yùn)動(dòng)通路白質(zhì)纖維束的彌散率更高(Giacosa et al.,2016;Schlaffke et al.,2014)。這些感知運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的可塑性變化與“前饋模型”理論的觀點(diǎn)是一致的,該理論認(rèn)為,執(zhí)行動(dòng)作時(shí)積累的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)主要是感覺和動(dòng)作表征,當(dāng)再次知覺到相似動(dòng)作時(shí),大腦感覺區(qū)和運(yùn)動(dòng)區(qū)就會(huì)激活,從而利用這些表征對(duì)動(dòng)作進(jìn)行模擬(action simulation),最終高效地完成動(dòng)作加工和動(dòng)作反應(yīng)過(guò)程(Blakemore &Decety,2001)。同時(shí),這種模擬過(guò)程也能夠滿足低策略性技能項(xiàng)目的認(rèn)知需求,運(yùn)動(dòng)員很大程度上僅需要從具體感知運(yùn)動(dòng)層面完成動(dòng)作即可。

然而,對(duì)于涉及較多認(rèn)知策略參與的高策略性技能項(xiàng)目而言,除感知運(yùn)動(dòng)腦區(qū)外,還可能存在其他負(fù)責(zé)高級(jí)認(rèn)知功能的腦區(qū)在運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)中發(fā)揮著重要作用。如本團(tuán)隊(duì)前期采用功能MRI 技術(shù)發(fā)現(xiàn),乒乓球運(yùn)動(dòng)員在對(duì)發(fā)球動(dòng)作結(jié)果進(jìn)行預(yù)判時(shí),激活了角回、內(nèi)側(cè)前額葉皮層和顳中回等腹側(cè)言語(yǔ)腦區(qū)(Wang et al.,2019)。Wright 等人(2013)也發(fā)現(xiàn),足球運(yùn)動(dòng)員在判斷專項(xiàng)相關(guān)的假動(dòng)作時(shí)比普通人多激活了內(nèi)側(cè)前額葉皮層、前島葉和扣帶回,這些區(qū)域主要與情緒感知、判斷與決策等高級(jí)認(rèn)知功能有關(guān)(Critchley et al.,2004;Monsell,2003)。早在2011年,Kilner (2011)提出了雙通路模型,從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō),背側(cè)通路主要以下頂葉區(qū)域?yàn)橹行?與前運(yùn)動(dòng)皮層和顳上溝后部相連,腹側(cè)通路主要從顳中回后部延伸至腹側(cè)額下回。他認(rèn)為除了背側(cè)感知運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)外,負(fù)責(zé)言語(yǔ)加工等高級(jí)認(rèn)知功能的腹側(cè)通路也會(huì)參與到動(dòng)作學(xué)習(xí)過(guò)程中(Buxbaum &Kalenine,2010;Kilner,2011),這就意味著經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期專項(xiàng)動(dòng)作訓(xùn)練后的運(yùn)動(dòng)員,不僅僅會(huì)發(fā)生感知運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的可塑性改變,可能還會(huì)引起腹側(cè)通路的改變。Pulvermuller早在2005 年就指出,大腦感知運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和言語(yǔ)系統(tǒng)存在功能和結(jié)構(gòu)連接,可以構(gòu)成一個(gè)更大的腦網(wǎng)絡(luò)參與動(dòng)作認(rèn)知加工過(guò)程(Pulvermuller,2005)。因此,本研究認(rèn)為腹側(cè)通路在高策略性技能項(xiàng)目表現(xiàn)中占有十分重要的地位,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高策略性技能訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員在背側(cè)和腹側(cè)通路結(jié)構(gòu)均會(huì)發(fā)生可塑性改變。

結(jié)構(gòu)MRI 技術(shù)是了解大腦結(jié)構(gòu)特征的有效手段,它不受限于功能MRI 技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)和人體狀態(tài)的影響,可以穩(wěn)定地獲取大腦結(jié)構(gòu)圖像,是分析和揭示大腦可塑性的重要技術(shù)。其中,白質(zhì)纖維束是維持大腦功能的重要腦結(jié)構(gòu)之一,它們負(fù)責(zé)連接著各個(gè)腦區(qū),使得腦區(qū)內(nèi)部和腦區(qū)之間可以以網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)的形式協(xié)同發(fā)揮其功能作用(Makris et al.,1999;Pulvermuller,2005;Rizzolatti &Luppino,2001;Romanski et al.,1999),這種連接的效率可以通過(guò)白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)特征反映出來(lái)。DTI 技術(shù)在大腦白質(zhì)纖維的成像方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),各項(xiàng)異性分?jǐn)?shù)(Fractional anisotropy,FA)和平均彌散率(Mean diffusivity,MD)是DTI 數(shù)據(jù)的常用參數(shù),FA 的大小與髓鞘的完整性、纖維致密性及平行性有關(guān),反映了水分子在白質(zhì)纖維中軸向和徑向擴(kuò)散的比例,并且可以通過(guò)軸向擴(kuò)散系數(shù)(axial diffusivity,AD)和徑向擴(kuò)散系數(shù)(radial diffusivity,RD)進(jìn)一步反映白質(zhì)纖維束的變化特征。MD 反映了水分子彌散水平和彌散阻力的整體情況,可以反映彌散的大小。

因此,本研究通過(guò)對(duì)比乒乓球運(yùn)動(dòng)員和非運(yùn)動(dòng)員白質(zhì)纖維FA、MD、AD 和RD 的差異,探究長(zhǎng)期高策略性技能訓(xùn)練對(duì)大腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)可塑性的影響,特別是連接腹側(cè)通路腦區(qū)的白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化?；陔p通路模型和已有文獻(xiàn),提出假設(shè)：乒乓球運(yùn)動(dòng)員相比于非運(yùn)動(dòng)員,連接背側(cè)和腹側(cè)通路腦區(qū)的白質(zhì)結(jié)構(gòu)更加完整。

2 研究方法

2.1 被試

本實(shí)驗(yàn)從上海體育學(xué)院校級(jí)乒乓球隊(duì)招募了31 名隊(duì)員作為專家組,其中國(guó)家一級(jí)運(yùn)動(dòng)員30 人,國(guó)家二級(jí)運(yùn)動(dòng)員1人;從同一高校招募了28名普通大學(xué)生作為對(duì)照組,以確保兩組被試的學(xué)習(xí)和生活環(huán)境相似,對(duì)對(duì)照組的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果表明,對(duì)照組被試均無(wú)任何項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣。兩組被試年齡[

t

(57)=?1.41,

p

=0.165]、身體質(zhì)量指數(shù)[

t

(57)=?0.57,

p

=0.569]和性別比例[χ=0.01,

p

=0.922]均無(wú)顯著差異,盡可能確保兩組被試的差異主要為乒乓球運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)開始前所有被試簽署了知情同意書,并填寫了基本信息表。所有被試健康狀況良好,無(wú)顱腦疾病史和精神疾病史,均自我報(bào)告為右利手,且自愿參加本實(shí)驗(yàn)(具體被試信息見表1)。本研究通過(guò)上海體育學(xué)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

表1 被試基本信息

2.2 數(shù)據(jù)采集

使用同濟(jì)大學(xué)電信學(xué)院數(shù)字影像實(shí)驗(yàn)室GE 3.0T磁共振成像系統(tǒng)采集圖像(GE Discovery MR-750 3.0T scanner,GE Medical Systems,Waukesha,WI)。被試閉目仰臥于掃描儀內(nèi),被告知盡量保持頭部不要?jiǎng)?并且保持安靜、清醒。以快速擾相梯度回波(FSPGR)掃描獲得無(wú)間隔三維全腦 T1 結(jié)構(gòu)像,具體掃描參數(shù)如下：層數(shù)=176,層厚1 mm,體素大小=1 mm × 1 mm × 1 mm,TR=8.156 ms,TE=3.18 ms,翻轉(zhuǎn)角=8°,掃描視野=256 mm × 256 mm。DTI 圖像采集具體參數(shù)如下：TR=8600 ms,TE=84.2 ms,采集矩陣(Acquisition matrix)=128 mm × 128 mm,層厚1.5 mm,層間距0 mm,共掃描67 層,掃描范圍不包括小腦。每名被試采集4 個(gè)T2-權(quán)重圖像(b1=0 s/mm)和1 個(gè)包括30 個(gè)方向的彌散?權(quán)重回波平面成像掃描(b2=1000 s/mm)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 預(yù)處理

采用MRIcron 軟件將每名被試的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4D 的NIFTI 格式文件,然后采用FSL (FMRIB Software Library)軟件工具包進(jìn)行預(yù)處理,包括：(1)渦流矯正,減少由于梯度線圈的渦流引起的圖像形變和可能由頭動(dòng)導(dǎo)致的對(duì)齊錯(cuò)誤。(2)剝腦,去掉頭皮等非腦組織結(jié)構(gòu),減少DTI 擬合和追蹤運(yùn)算量,提高配準(zhǔn)準(zhǔn)確性。(3) DTI 指標(biāo)解算,使用單指數(shù)彌散模型,按照最小二乘法原理線性擬合單高斯彌散張量,提取出彌散本征值和本征向量,根據(jù)彌散本征值計(jì)算出FA 指標(biāo)。

2.3.2 基于纖維束空間統(tǒng)計(jì)方法

(TBSS)采用基于纖維束空間統(tǒng)計(jì)方法(tract-based spatial statistics,TBSS)對(duì)獲得的參數(shù)指標(biāo)圖進(jìn)行進(jìn)一步分析(Smith et al.,2006),該方法相比于手動(dòng)設(shè)定興趣區(qū)(ROI)和基于體素的分析方法(voxel-based analysis,VBA),能夠避免配準(zhǔn)不齊和平滑核不確定等問(wèn)題。TBSS 方法可以產(chǎn)生組平均骨架以及進(jìn)一步得到個(gè)體骨架,并且不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑。每個(gè)被試的FA 圖像被配準(zhǔn)至1 mm × 1 mm × 1 mm的標(biāo)準(zhǔn)空間中(MNI152);將獲得的平均FA 圖像生成平均骨架;為了去除灰質(zhì)和腦脊液等部分,設(shè)定FA 骨架的閾值為0.2;將所有被試配準(zhǔn)后的FA 圖像投影到平均骨架上,生成個(gè)體FA 骨架,對(duì)每個(gè) 被試的MD 圖、AD 圖和RD 圖重復(fù)上述過(guò)程。最后,基于假設(shè),采用randomise 對(duì)骨架化的FA、MD、AD 和RD 圖進(jìn)行專家組和對(duì)照組之間的獨(dú)立樣本

t

檢驗(yàn)和置換檢驗(yàn),隨機(jī)置換5000 次,顯著水平設(shè)置為采用無(wú)閾值聚類增強(qiáng)(Threshold-free cluster enhancement,TFCE)方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行多重比較矯正(

p

＜ 0.05) (Giacosa et al.,2016;Winkler et al.,2014)。將上述DTI 指標(biāo)存在顯著差異的白質(zhì)纖維束分別與JHU-ICBM-tracts-maxprob-thr25-1mm 模板相乘,做交集后得到白質(zhì)纖維束感興趣區(qū)。然后依次從每個(gè)被試的骨架圖上提取這些白質(zhì)纖維束的指標(biāo)值。對(duì)提取到的指標(biāo)值進(jìn)行組間差異檢驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證組間白質(zhì)纖維束的結(jié)構(gòu)差異。對(duì)于運(yùn)動(dòng)員組,為深入揭示這種白質(zhì)纖維束的結(jié)構(gòu)改變與乒乓球?qū)ｍ?xiàng)訓(xùn)練的關(guān)系,將指標(biāo)相比于對(duì)照組顯著更高的白質(zhì)纖維束特征值與訓(xùn)練時(shí)間做相關(guān)分析,其中訓(xùn)練時(shí)間=持續(xù)訓(xùn)練年限 × 12(月) × 4(周) × 訓(xùn)練頻率(每周幾天)×訓(xùn)練頻率(每天幾次)×訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)(每次幾小時(shí))。最后,采用R 4.0.3 軟件對(duì)差異檢驗(yàn)和相關(guān)分析結(jié)果

p

值進(jìn)行Hochberg 多重比較矯正(

p

＜ 0.05)。

3 結(jié)果

專家組在雙側(cè)皮質(zhì)脊髓束、雙側(cè)額枕下束、左側(cè)下縱束和左側(cè)上縱束的FA 顯著高于對(duì)照組(圖1),而未能發(fā)現(xiàn)對(duì)照組FA 高于專家組的白質(zhì)纖維束,反映了專家組在背側(cè)和腹側(cè)通路白質(zhì)結(jié)構(gòu)可塑性的改變。

圖1 白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)圖。左：綠色區(qū)域代表白質(zhì)纖維束骨架,紅色區(qū)域代表專家組相比于對(duì)照組FA 更高的白質(zhì)纖維束。右：FA 存在組間差異的白質(zhì)纖維束解剖位置。其中,綠色,皮質(zhì)脊髓束;紅色：額枕下束;黃色：下縱束;藍(lán)色：上縱束。

組間FA 差異分析結(jié)果顯示,專家組在左側(cè)皮質(zhì)脊髓束[

t

(57)=3.75,

p

＜ 0.001]、右側(cè)皮質(zhì)脊髓束[

t

(57)=3.80,

p

＜ 0.001]、左側(cè)額枕下束[

t

(57)=4.22,

p

＜ 0.001]、右側(cè)額枕下束[

t

(57)=3.10,

p

=0.003]、左側(cè)下縱束[

t

(57)=4.78,

p

＜ 0.001]和左側(cè)上縱束[

t

(57)=2.29,

p

=0.026]的FA 顯著高于對(duì)照組(圖2)。

圖2 專家組和對(duì)照組在雙側(cè)皮質(zhì)脊髓束、雙側(cè)額枕下束、左側(cè)下縱束和左側(cè)上縱束FA 的比較條形圖。實(shí)心圓代表專家組(ATH),空心圓代表對(duì)照組(CON)。*表示p ＜ 0.05;**表示p ＜ 0.01;***表示p ＜ 0.001。

相關(guān)分析結(jié)果顯示,左、右側(cè)皮質(zhì)脊髓束和左側(cè)上縱束的FA 與訓(xùn)練時(shí)間均存在顯著正相關(guān)(圖3),反映了背側(cè)通路和部分腹側(cè)通路白質(zhì)纖維束的可塑性改變與乒乓球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。

圖3 專家組左、右側(cè)皮質(zhì)脊髓束和左側(cè)上縱束的FA 與訓(xùn)練時(shí)間的相關(guān)散點(diǎn)圖。*表示p ＜ 0.05。

所有白質(zhì)纖維束的MD 和AD 均未發(fā)現(xiàn)組間差異。然而,結(jié)果顯示了對(duì)照組RD 高于專家組的白質(zhì)纖維束,包括雙側(cè)上縱束、雙側(cè)額枕下束、左側(cè)丘腦后輻射、右側(cè)內(nèi)囊后肢、上輻射冠和左側(cè)內(nèi)囊前肢,但未發(fā)現(xiàn)專家組RD 高于對(duì)照組的白質(zhì)纖維束。

4 討論

本研究以乒乓球這一典型的高策略性技能項(xiàng)目為研究對(duì)象,對(duì)比了專業(yè)乒乓球運(yùn)動(dòng)員和非運(yùn)動(dòng)員在全腦白質(zhì)FA、MD、AD 和RD 的差異,以探究長(zhǎng)期專項(xiàng)訓(xùn)練對(duì)大腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)可塑性的影響。與假設(shè)一致的是,乒乓球運(yùn)動(dòng)員相比于非運(yùn)動(dòng)員,在大腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了顯著改變,具體包括雙側(cè)皮質(zhì)脊髓束、左側(cè)上縱束、左側(cè)下縱束和雙側(cè)額枕下束的FA 更高,證實(shí)了大腦背側(cè)感知運(yùn)動(dòng)通路和腹側(cè)言語(yǔ)通路在乒乓球?qū)ｍ?xiàng)動(dòng)作學(xué)習(xí)過(guò)程中的重要作用,運(yùn)動(dòng)員白質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性的提高將有利于動(dòng)作信息在相應(yīng)腦區(qū)間的高效傳遞。

Kilner (2011)的雙通路模型把動(dòng)作執(zhí)行前的過(guò)程分為5 個(gè)步驟：(1)視覺加工外部信息;(2)在已有經(jīng)驗(yàn)中回憶相關(guān)動(dòng)作;(3)根據(jù)意圖選擇合適的動(dòng)作;(4)對(duì)已選動(dòng)作表征進(jìn)行編碼;(5)預(yù)測(cè)動(dòng)作信息。其中第2、3、4 步主要由腹側(cè)通路完成,第4、5 步主要由背側(cè)通路完成,反映了該雙通路對(duì)動(dòng)作加工和執(zhí)行的重要作用。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)專家組在雙側(cè)皮質(zhì)脊髓束的FA 更高,該白質(zhì)纖維束主要連接初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層、軀體感覺皮層、頂葉和扣帶回,負(fù)責(zé)傳入身體感覺和傳出肌肉運(yùn)動(dòng)的相關(guān)信息(Guyton &Hall,2006),這些腦區(qū)幾乎都是背側(cè)感知運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組成部分,反映了乒乓球運(yùn)動(dòng)員背側(cè)通路白質(zhì)結(jié)構(gòu)的可塑性改變。顯然,運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程有感知運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的參與。因而,即使是高策略性技能項(xiàng)目也發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)脊髓束的完整性得到了增強(qiáng),這符合已有關(guān)于運(yùn)動(dòng)員的研究主要集中探討感知運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀。除乒乓球項(xiàng)目外,長(zhǎng)期進(jìn)行鋼琴、體操、手球、籃球等各類項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,均可以引起皮質(zhì)脊髓束的FA 升高(Bengtsson et al.,2005;Hanggi et al.,2015;Wang et al.,2013;吳殷 等,2015)。同時(shí),結(jié)果還發(fā)現(xiàn)雙側(cè)皮質(zhì)脊髓束的FA 與訓(xùn)練時(shí)間呈顯著正相關(guān),進(jìn)一步證實(shí)了感知運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變與長(zhǎng)期乒乓球技能訓(xùn)練是緊密相關(guān)的。

除了雙側(cè)皮質(zhì)脊髓束,結(jié)果還顯示乒乓球運(yùn)動(dòng)員在左側(cè)上縱束、左側(cè)下縱束和雙側(cè)額枕下束等位于腹側(cè)通路的FA 更高。左側(cè)上縱束是人腦形態(tài)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、包含成分最多并且傳遞功能最重要的白質(zhì)纖維束(Kamali et al.,2014),該纖維束負(fù)責(zé)將額區(qū)和鰓蓋區(qū)分別連接到頂上小葉、角回、緣上回和顳上回等眾多腦區(qū)(Dick &Tremblay,2012;Makris et al.,2005)。左側(cè)上縱束與許多高級(jí)認(rèn)知功能相關(guān)(Makris et al.,2005)。如Urger 等人(2015)發(fā)現(xiàn),上縱束FA 與執(zhí)行功能有正相關(guān),而左側(cè)上縱束FA 與注意力和言語(yǔ)能力均存在正相關(guān)。疾病類研究則對(duì)這一相關(guān)推論提供了更加有力的證據(jù),研究指出,左側(cè)上縱束的頂葉及顳葉后部與額葉下部的連接,在發(fā)音?語(yǔ)義匹配中起到了直接作用 (Shinoura et al.,2013;Wilson et al.,2011)。結(jié)合本研究相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),乒乓球運(yùn)動(dòng)員組左側(cè)上縱束FA 與訓(xùn)練時(shí)間呈顯著正相關(guān)。這表明了,乒乓球運(yùn)動(dòng)員在該白質(zhì)纖維束上的結(jié)構(gòu)變化,證實(shí)了高策略性技能項(xiàng)目需要言語(yǔ)等高級(jí)認(rèn)知功能的參與,他們?cè)趯ｍ?xiàng)訓(xùn)練和比賽中經(jīng)常需要通過(guò)言語(yǔ)、思維等功能制定技戰(zhàn)術(shù)策略,指導(dǎo)動(dòng)作計(jì)劃和執(zhí)行,以贏得比賽,從而其左側(cè)上縱束位置神經(jīng)纖維發(fā)生了可塑性的有利改變,這與運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中教練員提倡的“用腦子打球”是相符的。

另外,左側(cè)下縱束負(fù)責(zé)將枕顳區(qū)后部至顳極間的腦區(qū)連接至額葉,在枕葉、顳葉和前額葉的腹側(cè)皮層之間起到信號(hào)傳遞的作用(Yeatman et al.,2013),這與雙通路模型中的腹側(cè)通路幾乎重合。枕葉負(fù)責(zé)處理視覺信息,而顳葉,特別是左側(cè)顳葉負(fù)責(zé)言語(yǔ)功能(Vigneau et al.,2006),所以,連接二者的左側(cè)下縱束參與了很多與視覺和言語(yǔ)功能有關(guān)的認(rèn)知活動(dòng)(Catani et al.,2012),如物體特征處理、閱讀、詞匯和語(yǔ)義處理等(Herbet et al.,2018)。乒乓球運(yùn)動(dòng)員之所以在左側(cè)下縱束上的FA 更高,是因?yàn)樵摷寄茼?xiàng)目需要快速的視覺和動(dòng)作反應(yīng),但是單純的視覺信息加工顯然不足以讓運(yùn)動(dòng)員做出有效的應(yīng)對(duì)。我們認(rèn)為在對(duì)對(duì)手的動(dòng)作進(jìn)行分析的過(guò)程中,視覺信息在枕葉得到初步加工后,會(huì)通過(guò)下縱束傳遞至顳葉進(jìn)行“翻譯”,從而將其變?yōu)橛幸饬x的動(dòng)作線索,這些線索會(huì)被進(jìn)一步傳遞到額下回,并用于制定“贏球”的動(dòng)作計(jì)劃。如已有學(xué)者提出,下縱束可以對(duì)視覺線索進(jìn)行整理和調(diào)節(jié)(Herbet et al.,2018),從而影響后續(xù)的決策和行為。

同時(shí),我們還發(fā)現(xiàn)乒乓球運(yùn)動(dòng)員在雙側(cè)額枕下束的FA 更高。該白質(zhì)纖維束主要連接腹側(cè)眶額皮層、背外側(cè)和后部額區(qū)以及顳區(qū)后部到枕葉皮層(Martino et al.,2010;Sarubbo et al.,2013;Vigneau et al.,2006),同樣也與腹側(cè)通路的解剖學(xué)位置大體一致。疾病類研究結(jié)果表明,額枕下束白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變與語(yǔ)義缺失有關(guān),術(shù)中電刺激額枕下束會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生語(yǔ)意錯(cuò)亂(Han et al.,2013)。基于這些實(shí)證結(jié)果,研究者認(rèn)為額枕下束在語(yǔ)義系統(tǒng)相關(guān)的皮下網(wǎng)絡(luò)功能中起重要作用(Duffau et al.,2005) 。Vandermosten 等人(2012)則進(jìn)一步指出,額枕下束主要負(fù)責(zé)詞匯?語(yǔ)義的匹配過(guò)程,即將詞匯視覺信息轉(zhuǎn)化為語(yǔ)義信息。這和乒乓球運(yùn)動(dòng)員從動(dòng)作信息(視覺運(yùn)動(dòng)學(xué)信息)到推測(cè)動(dòng)作意圖以及制定技戰(zhàn)術(shù)策略(語(yǔ)義信息)的過(guò)程是相似的。

值得注意的是,上述負(fù)責(zé)連接言語(yǔ)腦區(qū)的白質(zhì)纖維束完整性發(fā)生的可塑性變化與乒乓球?qū)ｍ?xiàng)動(dòng)作訓(xùn)練相關(guān)。這意味著,雖然言語(yǔ)腦區(qū)的發(fā)現(xiàn)是基于詞匯、句子等加工過(guò)程(Binder et al.,2009),但是這些腦區(qū)并不局限于加工詞匯刺激,還與加工一些可轉(zhuǎn)換成符號(hào)等抽象信息的對(duì)象有關(guān),如動(dòng)作。一些研究結(jié)果也證實(shí)了言語(yǔ)和動(dòng)作加工的腦機(jī)制是相似的(Amoruso et al.,2013;Pulvermuller,2005;Reid et al.,2009;Reid &Striano,2008)。在運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域,Beilock 等人(2008)也發(fā)現(xiàn)冰球訓(xùn)練會(huì)影響對(duì)冰球動(dòng)作相關(guān)的言語(yǔ)理解能力。

最后,我們還通過(guò)AD 和RD 指標(biāo),進(jìn)一步分析了乒乓球運(yùn)動(dòng)員上述6 條纖維束FA 改變的具體生理基礎(chǔ)。結(jié)果指出,專家組在左側(cè)上縱束、左側(cè)和右側(cè)額枕下束的RD 顯著低于對(duì)照組,而AD 未發(fā)現(xiàn)組間差異。AD 和RD 分別反映了軸突和髓鞘的完整程度,是影響白質(zhì)纖維束FA 的重要因素(白學(xué)軍 等,2020;Song et al.,2002;Zhang et al.,2009),如Zhang 等人(2009)發(fā)現(xiàn)白鼠的RD 增加和髓鞘解體成正相關(guān)。因此,本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)專家組在這三條白質(zhì)纖維束FA 的增加主要源于其RD 的下降所致,標(biāo)志著其髓鞘完整度高于非運(yùn)動(dòng)員,但軸突的變化不大。另外,結(jié)果未發(fā)現(xiàn)其余三條白質(zhì)纖維束,即左側(cè)、右側(cè)皮質(zhì)脊髓束和左側(cè)下縱束的AD 和RD組間差異顯著,無(wú)法推測(cè)專家組FA 值增大的軸向和徑向擴(kuò)散情況。通過(guò)上述對(duì)FA 值發(fā)生改變的白質(zhì)纖維束AD 和RD 的比較和分析,我們可以推測(cè),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期專項(xiàng)訓(xùn)練,乒乓球運(yùn)動(dòng)員連接位于負(fù)責(zé)言語(yǔ)、思維等高級(jí)認(rèn)知功能的腹側(cè)通路的白質(zhì)纖維束髓鞘完整度顯著提升。

綜上所述,本研究首次發(fā)現(xiàn)了乒乓球運(yùn)動(dòng)員大腦負(fù)責(zé)言語(yǔ)等高級(jí)認(rèn)知功能的白質(zhì)纖維束完整性發(fā)生了正向的可塑性改變,這種改變符合高策略性技能項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員所必備的心理技能特征。該結(jié)構(gòu)改變也進(jìn)一步支撐了本團(tuán)隊(duì)前期發(fā)現(xiàn)的乒乓球運(yùn)動(dòng)員語(yǔ)義腦區(qū)的功能性改變(Wang et al.,2019),即乒乓球運(yùn)動(dòng)員相比于非運(yùn)動(dòng)員,在加工專項(xiàng)動(dòng)作過(guò)程中,會(huì)顯著激活顳中回等語(yǔ)義腦區(qū)。其次,與以往功能性和結(jié)構(gòu)性腦成像研究結(jié)果相似的是,本研究也驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)員背側(cè)通路腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性發(fā)生了可塑性的變化,這可能是乒乓球運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作技能水平高于非運(yùn)動(dòng)員的重要腦機(jī)制之一?？傊?本研究驗(yàn)證了假設(shè),即長(zhǎng)期高策略性訓(xùn)練可以引起大腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的可塑性改變,特別是負(fù)責(zé)連接腹側(cè)語(yǔ)義腦區(qū)的白質(zhì)纖維束,其在高策略性技能項(xiàng)目中可能扮演著重要角色。

本研究存在以下幾點(diǎn)不足：首先,在被試選擇上,僅選取了乒乓球運(yùn)動(dòng)員和無(wú)球類經(jīng)驗(yàn)的非運(yùn)動(dòng)員,無(wú)法將結(jié)果推廣至其它項(xiàng)目。今后研究可從項(xiàng)目類型入手,通過(guò)對(duì)比高策略性和低策略性技能項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員的大腦結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)一步揭示不同類型的專項(xiàng)訓(xùn)練對(duì)大腦的可塑性影響。其次,本研究未對(duì)言語(yǔ)能力等高級(jí)認(rèn)知功能進(jìn)行測(cè)試,無(wú)法驗(yàn)證乒乓球運(yùn)動(dòng)對(duì)腹側(cè)通路功能可塑性影響的認(rèn)知表現(xiàn)特征,今后研究可進(jìn)一步探討高策略性技能項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)專項(xiàng)動(dòng)作或一般動(dòng)作相關(guān)的言語(yǔ)加工能力的影響(如動(dòng)詞)。最后,本研究通過(guò)橫向比較對(duì)乒乓球?qū)ｍ?xiàng)訓(xùn)練與大腦結(jié)構(gòu)改變的關(guān)系做出了相關(guān)關(guān)系的結(jié)論,今后研究可以采用縱向干預(yù)研究,探究長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)腦結(jié)構(gòu)的影響。

5 結(jié)論

長(zhǎng)期乒乓球?qū)ｍ?xiàng)技能訓(xùn)練能夠使運(yùn)動(dòng)員大腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生可塑性改變。具體包括連接背側(cè)感知運(yùn)動(dòng)通路和腹側(cè)言語(yǔ)通路腦區(qū)的白質(zhì)纖維束方向性增強(qiáng),其中負(fù)責(zé)連接腹側(cè)通路腦區(qū)的左側(cè)上縱束和雙側(cè)額枕下束的髓鞘完整度加強(qiáng)。這與高策略性技能項(xiàng)目特征是一致的,可有利于乒乓球運(yùn)動(dòng)員加工專項(xiàng)動(dòng)作相關(guān)的感知運(yùn)動(dòng)信息和復(fù)雜言語(yǔ)思維信息,為高策略性技能項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員專家優(yōu)勢(shì)提出了新的視角和機(jī)制解釋。