運(yùn)動情境中的決策和選擇的神經(jīng)機(jī)制研究

馮敏 周云鶴

(同濟(jì)大學(xué)運(yùn)動與健康研究中心 上海 200092)

適宜的運(yùn)動可維持人體健康狀態(tài)，如預(yù)防及緩解人類的抑郁情緒，對心肺生理功能和骨骼肌肉等系統(tǒng)具有明顯的保護(hù)作用，對糖尿病等慢性病有明顯的預(yù)防和干預(yù)作用等［1］。尤其是新型冠狀病毒肺炎疫情暴發(fā)以來，疾病的治療和康復(fù)很大限度上依靠人體自身的免疫系統(tǒng)，因此，強(qiáng)健的體魄成為人類生存的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵。上海醫(yī)療救治組專家張文宏指出，最有效的藥物，是人的免疫力。我國呼吸病領(lǐng)域權(quán)威專家，國家衛(wèi)健委高級別專家組組長鐘南山院士，以84歲的高齡，積極投身到抗疫最前線。他用自己常年堅(jiān)持運(yùn)動的身體成果，來主持中國抗疫大局，這是運(yùn)動促進(jìn)健康并提高工作精力的最好例證。運(yùn)動在疾病的預(yù)防、治療以及延緩衰老的過程中，表現(xiàn)出與“藥物”相近的防治原理，具有與藥物相似的劑量—效應(yīng)依賴關(guān)系、時(shí)間—效應(yīng)累積關(guān)系等藥效學(xué)及藥理學(xué)特點(diǎn)［2］。這種特點(diǎn)在世界衛(wèi)生組織提出的運(yùn)動促進(jìn)全球健康建議中被特別強(qiáng)調(diào)。

該文將從運(yùn)動情境下的運(yùn)動決策與選擇等方面的神經(jīng)生理機(jī)制入手，來深入剖析運(yùn)動實(shí)踐的神經(jīng)生理效應(yīng)影響。以期為疫情影響下的運(yùn)動類課程的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和實(shí)施提供借鑒，有助于運(yùn)動學(xué)習(xí)的研究者、設(shè)計(jì)者和實(shí)施者運(yùn)用這一成果改進(jìn)運(yùn)動類課程的開發(fā)與應(yīng)用。

1 運(yùn)動情境下大腦的運(yùn)動決策與選擇

運(yùn)動情境中，運(yùn)動決策與選擇非常重要。運(yùn)動技能的學(xué)習(xí)和掌握、運(yùn)動成績的穩(wěn)定和提高、運(yùn)動表現(xiàn)的發(fā)揮和優(yōu)異，都與運(yùn)動決策和選擇息息相關(guān)。運(yùn)動是一種具體的應(yīng)激狀態(tài)，運(yùn)動者必須選擇運(yùn)動形式并且執(zhí)行才能實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)激的發(fā)生。運(yùn)動決策是運(yùn)動參與者在運(yùn)動情境中進(jìn)行信息的處理，主要表現(xiàn)為感知運(yùn)動信息、選擇特定信息、分析加工傳入信息、輸出信息并且采取具體行動的整個(gè)過程［3］。運(yùn)動決策與選擇是由人腦來完成的。腦神經(jīng)之間信息的流暢通行，對運(yùn)動技能的學(xué)習(xí)和運(yùn)動能力的運(yùn)用至關(guān)重要。人腦通過不同的功能區(qū)域［4］來選擇和決策個(gè)體的具體運(yùn)動表現(xiàn)，并在運(yùn)動情境下與外部世界的互動中會形成運(yùn)動感覺、運(yùn)動知覺和運(yùn)動記憶，存儲在大腦相應(yīng)的區(qū)域，如視覺區(qū)、運(yùn)動區(qū)等［5，6］。各腦區(qū)之間既有各自的任務(wù)特性，也有互相合作的特點(diǎn)。

現(xiàn)有的運(yùn)動解剖功能分析、電生理數(shù)據(jù)和功能性磁共振成像等技術(shù)研究表明，位于人的大腦后頂葉皮層區(qū)域和運(yùn)動前區(qū)皮層區(qū)域是決定人體的知覺運(yùn)動整合的重要結(jié)構(gòu)。而建立正確的運(yùn)動動作記憶痕跡，則是由皮質(zhì)—紋狀體、皮質(zhì)—小腦以及邊緣（海馬）等區(qū)域和結(jié)構(gòu)來完成的［7，8］（見圖1）。在體育運(yùn)動情境中，常見的狀態(tài)是，運(yùn)動者必須排除所有外界的無關(guān)干擾，集中全部精力于運(yùn)動任務(wù)信息的執(zhí)行中。在這一過程中，運(yùn)動參與者需要進(jìn)行視覺運(yùn)動目標(biāo)追蹤，這種運(yùn)動追蹤目標(biāo)，可能是單目標(biāo)，如乒乓球、高爾夫球等，也可能是多目標(biāo)，如足球等。在這種運(yùn)動目標(biāo)的追蹤任務(wù)中，運(yùn)動參與者需要對所追蹤目標(biāo)的運(yùn)動空間、行進(jìn)速度、運(yùn)動角度和方向、行進(jìn)軌跡以及目標(biāo)定位信息等進(jìn)行搜集、整合、加工并且做出預(yù)測，才能在運(yùn)動情境中做出合理、優(yōu)化和即時(shí)的運(yùn)動選擇和決定［7］。

圖1 運(yùn)動選擇和決策的神經(jīng)調(diào)控機(jī)制

此外，有研究表明，運(yùn)動參與者的動作決定與選擇，也需要大腦背外側(cè)的前額葉皮層參與完成［9］。運(yùn)動參與者在進(jìn)行一些高策略、開放性的運(yùn)動比賽時(shí)，例如網(wǎng)球比賽，在做運(yùn)動決策時(shí)，必須要在短時(shí)間內(nèi)利用僅有的少量信息迅速做出運(yùn)動決定，而這種決定的運(yùn)動結(jié)果可能具有不確定性。這就對運(yùn)動參與者的大腦區(qū)域的獨(dú)立信息處理能力和相互間的信息融合要求非常高。在搜尋和追隨運(yùn)動目標(biāo)的過程中，運(yùn)動參與者的大腦需要同時(shí)進(jìn)行多種信息接收和加工，如運(yùn)動物體的速度、方向和角度，還要整合自己身體各個(gè)部位的動作，并且要調(diào)節(jié)物體在三維空間環(huán)境中運(yùn)動時(shí)雙眼視軸的輻合［10］。當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動速度加快、運(yùn)動角度突然變化或者運(yùn)動軌跡發(fā)生改變時(shí)，追蹤者的眼動速度就會慢于目標(biāo)速度的改變，從而導(dǎo)致追蹤的增益降低，即追蹤者的眼動速度與目標(biāo)速度的比率變化了。這種增益降低，會導(dǎo)致追蹤者和運(yùn)動目標(biāo)之間的位置誤差不斷擴(kuò)大［11］。運(yùn)動者就需要調(diào)節(jié)不同的眼跳幅度來逐漸縮小與追蹤目標(biāo)之間的誤差，甚至可以通過預(yù)測來調(diào)節(jié)眼動幅度，使視覺追蹤提前到運(yùn)動目標(biāo)之前的特定位置上，從而提高追蹤增益［12］。這是運(yùn)動者各腦區(qū)之間短期快速聯(lián)合行動，做出運(yùn)動決策，甚至提前預(yù)判的特別機(jī)制。運(yùn)動過程中的即時(shí)決策能力，是運(yùn)動參與者對運(yùn)動目標(biāo)的空間位置、接觸時(shí)間、運(yùn)動角度和速度、預(yù)測性變化等時(shí)空特征表征［13-16］的信息接收、整合與反饋，并進(jìn)行預(yù)測的行為能力。

運(yùn)動的執(zhí)行功能可以對大腦相關(guān)功能區(qū)進(jìn)行刺激，從而對大腦形成改善效應(yīng)，這種改善是大腦可塑性變化的結(jié)果。大腦的可塑性是人腦在外界變化環(huán)境和自身行動經(jīng)驗(yàn)的相互作用下，不斷重塑和改變腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)和執(zhí)行功能的結(jié)果。人腦的執(zhí)行功能在完成運(yùn)動過程中處理復(fù)雜的認(rèn)知任務(wù)時(shí)，對各種基本認(rèn)知過程進(jìn)行升級協(xié)調(diào)和調(diào)控，提升到更高級的認(rèn)知過程。大腦用位于額葉前端的執(zhí)行功能區(qū)（executive function，EF）或中央控制功能區(qū)來指揮協(xié)調(diào)其他相關(guān)腦區(qū)的共同工作。EF是大腦進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理、決策與選擇、解決問題和智力活動的重要部位。在運(yùn)動過程中，復(fù)雜的運(yùn)動活動，像發(fā)球、接球等，EF 除了執(zhí)行基本功能外，還要完成一系列的管理任務(wù)，包括選擇運(yùn)動目標(biāo)、確定運(yùn)動任務(wù)、制定具體行動、保持注意力、控制情緒表現(xiàn)、還要檢查與評價(jià)運(yùn)動效果等。這些活動涉及大腦的多個(gè)區(qū)域，需要聯(lián)合融合信息并統(tǒng)籌，因此EF 區(qū)要對各個(gè)腦區(qū)進(jìn)行協(xié)調(diào)、調(diào)度、整合和控制［17］。在面臨眾多目標(biāo)任務(wù)要求時(shí)，EF 區(qū)必須做出即時(shí)決定，哪些信號重要、哪些信號可以忽略、哪些信號需要馬上加工并反饋［18］。EF區(qū)在大腦決策過程中如此重要，卻是一個(gè)發(fā)育較晚的器官。已有研究顯示，EF區(qū)的發(fā)展高峰期主要在青春期后期發(fā)生［19］。而這一時(shí)期，正好處于大學(xué)教育階段，所以在大學(xué)期間開展不同強(qiáng)度的綜合學(xué)習(xí)、運(yùn)動、決策等任務(wù)，來刺激大腦功能區(qū)的發(fā)育，促進(jìn)大腦EF區(qū)的發(fā)展，事半功倍。

2 視覺搜索及注意力選擇對運(yùn)動決策的影響

在運(yùn)動過程中，視覺對運(yùn)動信息的接收、反饋，對運(yùn)動的決策制定具有重要作用。大腦顳葉主要負(fù)責(zé)識別運(yùn)動中的視覺對象，并形成視覺長期記憶。枕葉也參與運(yùn)動過程中的視覺搜尋、視覺注意等基本運(yùn)動認(rèn)知加工過程［20］。楔前葉位于大腦的頂葉皮層，而頂葉與注意力選擇、反應(yīng)沖突、問題的解決等高度相關(guān)。枕葉與頂葉一起構(gòu)成了人腦的視覺聯(lián)合皮層，是運(yùn)動參與者完成多種運(yùn)動認(rèn)知加工過程的重要大腦皮層系統(tǒng)。視覺聯(lián)合皮層與運(yùn)動功能的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動練習(xí)，可以讓人腦的初級和次級視覺皮層系統(tǒng)發(fā)生可塑性改變［21］。此外，有研究者通過測試從事棒球、羽毛球、網(wǎng)球、攀巖等項(xiàng)目的運(yùn)動員發(fā)現(xiàn)，視覺運(yùn)動追蹤能力是高水平運(yùn)動員的運(yùn)動特質(zhì)之一，對擊球的準(zhǔn)確性以及運(yùn)動預(yù)判效果具有重要影響［22，23］。運(yùn)動參與者進(jìn)行專門的視覺運(yùn)動追蹤訓(xùn)練后，其視覺搜尋能力、注意力程度、手眼協(xié)調(diào)能力、動作反應(yīng)速度以及預(yù)判預(yù)測能力，都有顯著性提升［24］。

前扣帶回對運(yùn)動的決策也具有一定影響。研究顯示，前扣帶回在運(yùn)動過程中，與前額葉相互配合，執(zhí)行發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、解決沖突、抑制無關(guān)干擾等功能控制［25，26］。執(zhí)行控制的雙系統(tǒng)模型理論意味著，前額葉與前扣帶回在執(zhí)行控制中大多數(shù)情況下會同時(shí)激活，前扣帶回的主要功能是監(jiān)控沖突或錯(cuò)誤檢測，前額葉則主要負(fù)責(zé)抑制不相容反應(yīng)的調(diào)節(jié)［27，28］。前扣帶回和前額葉形成的控制雙系統(tǒng)，對運(yùn)動過程中的決策制定、行動反饋等至關(guān)重要。

運(yùn)動需要選擇和啟動正確的動作才能達(dá)到有效的運(yùn)動目的。有研究表明，運(yùn)動參與者的視覺認(rèn)知加工，需要大腦基底神經(jīng)節(jié)和枕葉模塊之間的連接，具體表現(xiàn)在基底神經(jīng)節(jié)—枕葉、枕葉—頂葉聯(lián)合皮層、枕葉—額葉聯(lián)合皮層、枕葉—顳葉聯(lián)合皮層［29］。最近研究發(fā)現(xiàn)，基底神經(jīng)節(jié)在運(yùn)動控制中的作用非常廣泛：基底神經(jīng)節(jié)—頂葉聯(lián)合皮層的連接也參與運(yùn)動過程中的視覺認(rèn)知調(diào)節(jié)。而且基底神經(jīng)節(jié)參與調(diào)控運(yùn)動速度、運(yùn)動方向、運(yùn)動角度和運(yùn)動強(qiáng)度，同時(shí)還參與動作學(xué)習(xí)效果的調(diào)控［30］。體育運(yùn)動的特性要求，參與者在運(yùn)動過程中，需要根據(jù)接收到的不同視覺刺激信息，即時(shí)做出選擇和決定，隨時(shí)調(diào)整和變換身體動作，以適應(yīng)運(yùn)動過程中的任務(wù)變化。因此，體育運(yùn)動對于楔前葉和枕下回共同構(gòu)成的視覺聯(lián)合皮層的整合能力要求非常高，并使視覺聯(lián)合皮層發(fā)生可塑性變化［31］。

在真實(shí)的運(yùn)動情境中，運(yùn)動目標(biāo)可能會發(fā)生速度、角度甚至軌跡的不定時(shí)變化，有時(shí)運(yùn)動可能會被遮擋，運(yùn)動參與者的視覺系統(tǒng)必須對追蹤的運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行時(shí)空特征和運(yùn)動轉(zhuǎn)換的信息加工，通過視覺聯(lián)合皮層的整合，建立連續(xù)性的信息加工和反饋系統(tǒng)，并經(jīng)由前扣帶回和前額葉形成的控制雙系統(tǒng)，是發(fā)揮運(yùn)動預(yù)測功能，就行為層面上對追蹤目標(biāo)空間位置或碰撞時(shí)間、眼動層面上對追蹤目標(biāo)經(jīng)歷遮擋后重新出現(xiàn)位置、神經(jīng)活動層面上的決策行動等進(jìn)行預(yù)測［32］。

運(yùn)動類實(shí)踐課程的形式和內(nèi)容上需要模擬和營造真實(shí)的運(yùn)動追蹤任務(wù)，對于學(xué)習(xí)者的運(yùn)動決策和選擇訓(xùn)練效果會產(chǎn)生積極的影響［33］。如何設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施具有真實(shí)的運(yùn)動決策和追蹤任務(wù)的運(yùn)動類課程，需要相關(guān)人員進(jìn)行積極思考與推進(jìn)。未來研究者應(yīng)綜合應(yīng)用多種方法和技術(shù)，針對不同運(yùn)動項(xiàng)目的特征設(shè)計(jì)研發(fā)運(yùn)動訓(xùn)練、決策及測評系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合自我報(bào)告、認(rèn)知行為學(xué)以及神經(jīng)科學(xué)等方面對運(yùn)動、訓(xùn)練和比賽效果進(jìn)行評價(jià)和反饋。

3 結(jié)語

真實(shí)運(yùn)動情景下的時(shí)間、空間信息的獲得與融合，運(yùn)動決策與選擇和社會交互等相關(guān)神經(jīng)活動的激活，是促進(jìn)運(yùn)動學(xué)習(xí)的神經(jīng)生理效應(yīng)機(jī)制。

如何設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施具有真實(shí)的運(yùn)動決策和追蹤任務(wù)的運(yùn)動類課程，需要相關(guān)人員的積極思考與推進(jìn)。未來研究者應(yīng)綜合應(yīng)用多種方法和技術(shù)，針對不同運(yùn)動項(xiàng)目的特征設(shè)計(jì)研發(fā)運(yùn)動訓(xùn)練、決策及測評系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合自我報(bào)告、認(rèn)知行為學(xué)以及神經(jīng)科學(xué)等方面對運(yùn)動、訓(xùn)練和比賽效果進(jìn)行評價(jià)和反饋。