不同运动技能运动员的认知转换与前额叶激活差异：一项fNIRS研究

《Frontiers in Human Neuroscience》：Differences in cognitive shifts and prefrontal activation among athletes with different motor skills: an fNIRS study

　　

摘要
目的：探究不同运动技能（开放性与闭锁性）对男性运动员认知转换功能及前额叶皮层血流动力学反应特征的影响，为高水平运动员的科学选材和个性化交叉训练方案的制定提供神经认知基础。
方法：本研究共招募31名男性二级运动员，根据其长期从事的具体运动项目分为开放性技能组（n=16）和闭锁性技能组（n=15）。采用功能性近红外光谱技术（fNIRS）结合more-odd shift认知转换任务，实时监测受试者在自然状态下执行任务时背外侧前额叶皮层（DLPFC）、额极区（FPC）、眶额叶皮层（OFC）和额下回（IFG）的氧合血红蛋白（HbO₂）浓度变化。采用混合设计方差分析和独立样本t检验，系统比较两组的行为表现（反应时、正确率和转换成本）及脑区激活特征。
结果：1. 行为结果：尽管两组总体正确率和反应时无显著差异，但反应时的组别与条件交互效应显著。在正确率相等的前提下，开放性技能组的反应时转换成本（126.26±92.26 ms）显著低于闭锁性技能组（230.72±143.03 ms），表明其具备更高的认知转换效率。2. HbO₂激活结果：在认知转换任务中，与开放性技能组相比，闭锁性技能组在DLPFC（p=0.001）、FPC（p=0.004）和OFC（p=0.001）的HbO₂激活水平显著更高；两组在IFG的激活水平无显著差异（p>0.05）。3. HbR激活结果：在四个脑区（IFG、DLPFC、FPC、OFC）中，两组脱氧血红蛋白（HbR）水平均无显著组间差异（p>0.05）。4. HbT激活结果：闭锁性技能组在DLPFC（p=0.008）、FPC（p=0.009）和OFC（p=0.009）的总血红蛋白（HbT）激活水平显著高于开放性技能组；两组IFG的HbT激活水平无显著差异（p>0.05）。5. 相关分析结果：Pearson相关分析显示，无论开放性还是闭锁性运动技能组，行为转换成本与四个脑区的皮层激活水平之间均无显著线性相关（p>0.05）。
结论：在动态、不可预测的环境中进行的长期开放性技能训练，可能增强运动员的认知灵活性，并促进关键认知控制脑区（DLPFC、FPC和OFC）中更高效的皮层资源分配模式。本研究从神经影像学角度实证支持了“神经效率假说”和“广泛迁移假说”。本研究初步表明，在闭锁性技能训练方案中适度整合开放性技能交叉训练，可能优化执行控制网络；然而，该方法的实际优势尚需通过未来大规模的纵向干预研究加以验证。

**不同运动技能对运动员认知转换及前额叶功能影响的fNIRS研究解读**

**1. 研究背景与问题提出**

卓越的运动表现不仅依赖于运动员出色的身体素质和精湛的技术水平，更与其认知能力密切相关。研究表明，运动员在某些认知任务上的表现优于普通人群，且个体的潜在认知能力能够预测其未来的运动成就。认知心理学将认知能力划分为基础认知能力（如注意、执行功能、记忆）和高级认知能力（如推理、决策、创新等）。在复杂且高压的运动环境下，执行控制尤其是认知灵活性，对于运动员快速适应规则变化和更新动作策略至关重要。

运动技能依据任务环境的特征可分为开放性运动技能与闭锁性运动技能。开放性技能（如篮球、足球）在动态、不可预测的环境中进行，要求运动员持续对外部线索做出反应；闭锁性技能（如冰壶、射击）在相对静态、可预测的环境中进行，高度依赖自我节奏控制、持续的内部专注以及对无关干扰的严格抑制。“广泛迁移假说”认为，长期从事开放性技能运动可能改善整体的认知灵活性。然而，既往关于不同运动技能类型运动员认知优势的研究结果仍存在争议：部分行为学研究未显示开放性技能运动员在所有执行功能子成分中均具明确优势，甚至发现闭锁性技能运动员在特定反应抑制任务中表现更优。研究结论的差异可能源于认知任务的复杂性不同，也可能是因为仅依赖行为测量指标难以揭示神经加工层面的潜在差异。

随着神经影像技术的发展，功能性近红外光谱技术（fNIRS）凭借其非侵入性、可实时监测和抗运动干扰等优势，成为探索大脑皮层激活特征的核心技术手段，具有较高的生态学效度。然而，既往针对运动员执行功能的fNIRS研究多局限于基础反应抑制任务（如Stroop或Go/No-Go任务），未曾深入探查更高级的认知转换与规则重构能力。本研究采用“more-odd shifting”任务，要求参与者在不同分类规则间频繁、快速交替，从而高度模拟运动员在实际比赛中根据对手行为突然调整策略的认知需求，填补了这一研究空白。本研究旨在揭示不同技能类型运动员的神经认知特征，为高水平运动员选材提供新指标，并为个性化干预方案的制定提供精准依据。研究假设：（1）在行为层面，开放性技能运动员具有更低的转换成本和更高的转换效率；（2）在神经层面，执行相同认知转换任务时，开放性技能运动员在关键前额叶皮层区域表现出显著更低的激活水平。

**2. 研究设计与关键方法**

研究招募了来自哈尔滨体育学院的31名男性二级运动员（“二级运动员”指由国家体育总局认定的“国家二级运动员”称号），依据长期从事的运动项目分为开放性技能组（n=16）和闭锁性技能组（n=15）。两组在年龄、身高、体重和训练年限方面无显著差异。实验使用NirLight-300A设备采集fNIRS数据，该系统采用双波长激光二极管（690 nm和830 nm），采样频率为20 Hz，配置8个发射极和8个探测器，构成22个通道。研究依据Brodmann分区系统划定四个感兴趣区域（ROI）：背外侧前额叶皮层（DLPFC）、额极区（FPC）、眶额叶皮层（OFC）和额下回（IFG）。实验采用E-Prime 3.0软件编写和呈现more-odd shift任务，任务规则取决于数字的颜色：红色数字要求进行大小判断（大于5按“F”键，小于5按“J”键），绿色数字要求进行奇偶判断（奇数按“F”键，偶数按“J”键）。正式实验包含3个区块，每区块36个试次，共108个试次，分为重复条件和转换条件。fNIRS数据采用Nirsmart工具包进行预处理和分析，通过修正Beer-Lambert定律计算氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和总血红蛋白的浓度变化，采用广义线性模型（GLM）提取β值作为任务诱发激活强度的指标。行为数据采用混合设计方差分析，脑区激活数据采用独立样本t检验，以错误发现率（FDR）方法进行多重假设校正，效应量以Hedges' g表示。

**3. 研究结果**

**3.1 行为结果分析**
行为结果显示，转换条件相比重复条件，两组受试者的整体反应时显著更长〔F(1, 29)=67.863，p<0.001〕，整体正确率显著更低〔F(1, 29)=39.321，p<0.001〕。组别主效应在反应时和正确率上均不显著。然而，组别与条件的交互效应在反应时上显著〔F(1, 29)=5.917，p=0.021〕。进一步分析转换成本发现，开放性技能组的转换成本（126.26±92.26 ms）显著低于闭锁性技能组（230.72±143.03 ms），表明在保持相同正确率的前提下，开放性技能运动员具有更高的认知转换效率。

**3.2 脑区激活结果分析**
（1）在HbO₂激活方面，闭锁性技能组在DLPFC（p=0.001，Hedges' g=1.278）、FPC（p=0.004，Hedges' g=1.091）和OFC（p=0.001，Hedges' g=1.266）的激活水平显著高于开放性技能组，IFG的组间差异不显著。（2）在HbR激活方面，两组在四个脑区均无显著差异。（3）在HbT激活方面，闭锁性技能组在DLPFC（p=0.008）、FPC（p=0.009）和OFC（p=0.009）的水平显著高于开放性技能组，IFG组间无显著差异。

**3.3 行为表现与脑激活的相关分析**
Pearson相关分析表明，无论开放性还是闭锁性运动技能组，行为转换成本与四个脑区中任一脑区的皮层激活水平之间均无显著线性相关（p>0.05）。

**4. 讨论与结论**

本研究发现，开放性技能组在需要快速规则转换的认知任务中，以更低的前额叶皮层激活水平实现了更优的转换效率，呈现出“低激活—高表现”的模式。这一结果从神经影像学角度支持了“神经效率假说”，该假说认为在认知需求较高的环境中接受长期训练的个体，会通过经验依赖性神经可塑性优化相关神经环路，从而以更少的神经资源消耗完成同等难度的任务。同时，研究结果与“广泛迁移假说”一致，即长期参与动态和不可预测的开放性技能训练，可能促进执行控制网络的神经可塑性，增强认知灵活性，使运动员在动态环境中形成更高效的皮层资源分配模式。

从脑机制角度分析，闭锁性技能组在面对不熟悉的动态规则转换时，由于缺乏高效皮层网络的支持，必须调动大量自上而下的认知控制资源来抑制冲动并维持正确率，表现为DLPFC、FPC和OFC中显著升高的HbO₂和HbT浓度。而开放性技能组因长期适应复杂多变的环境，形成了更经济、更高效的神经加工模式。行为转换成本与脑区激活水平间缺乏显著线性相关，可能与本研究样本同质性较高有关，也可能是因为个体层面的“神经效率”更多体现为脑区间功能连接或动态网络耦合的增强，而非单纯的局部血氧含量线性下降。此外，既往研究表明，脑源性神经营养因子（BDNF）和组织蛋白酶B（CTSB）等外周因子在运动与认知关系中发挥调节作用，开放性与闭锁性技能训练对这些因子的差异化调节可能也是脑激活差异的分子基础之一。

研究结论：长期在动态、不可预测的环境中开展开放性技能训练，可能与运动员认知灵活性的增强以及关键认知控制脑区（DLPFC、FPC和OFC）更高效的皮层资源分配模式的形成相关。这一“高表现—低消耗”的神经认知特征为“神经效率假说”和“广泛迁移假说”提供了高生态学效度的实证支持。研究结果初步表明，由于闭锁性技能运动环境相对稳定可预测，在闭锁性项目日常训练中适度整合具有高认知需求和开放性特征的交叉训练，可能有助于缓解单纯闭锁性训练在促进快速认知转换方面的不足，帮助闭锁性技能运动员提高在复杂竞赛情境中的抗干扰能力和灵活应变水平。然而，将横断面研究的结果转化为可应用的人才选拔标准或训练方案仍为时过早，未来需实施大样本、大尺度的纵向干预研究，以严格评估这些神经生物学指标的有效性以及交叉训练干预的真实因果效应。