綠茵場(chǎng)上，一名職業(yè)足球運(yùn)動(dòng)員在接到傳球的瞬間，需要同時(shí)完成好幾件事：判斷隊(duì)友和對(duì)手的站位、預(yù)估球路、選擇腳法、控制力度——這一切往往在一兩秒內(nèi)完成。對(duì)于沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的人來(lái)說(shuō)，哪怕只要求他在看到同伴出現(xiàn)的方向后立刻踢出對(duì)應(yīng)一腳，都可能反應(yīng)遲緩、動(dòng)作變形，這種差距不只是肌肉記憶。長(zhǎng)期訓(xùn)練會(huì)讓大腦在執(zhí)行專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)時(shí)進(jìn)入一種“神經(jīng)效率"狀態(tài)：用更少的資源完成更難的事。運(yùn)動(dòng)員究竟是在哪些腦區(qū)、用怎樣的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作方式實(shí)現(xiàn)這種高效的？這是運(yùn)動(dòng)神經(jīng)科學(xué)關(guān)心多年的問(wèn)題。

借助便攜、耐運(yùn)動(dòng)干擾的功能性近紅外光譜（fNIRS）腦成像技術(shù)，上海體育大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)給出了一份具有體育專(zhuān)項(xiàng)意義的答復(fù)。他們把典型的工作記憶范式 N-back 與足球踢球動(dòng)作結(jié)合起來(lái)，觀察足球運(yùn)動(dòng)員與普通大學(xué)生在執(zhí)行“邊想邊踢"任務(wù)時(shí)的大腦活動(dòng)有什么不同。

上海體育大學(xué)體育學(xué)院聯(lián)合北京航空航天大學(xué)、香港理工大學(xué)、國(guó)家康復(fù)輔具研究中心等機(jī)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域期刊《Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports》上發(fā)表題為“Brain Functional Characteristics in Football Players During Motor-Cognitive Dual Task: Insights From fNIRS"的研究論文。研究利用 fNIRS 同步記錄皮層血氧信號(hào)，對(duì)比了 24 名男性足球運(yùn)動(dòng)員與 20 名無(wú)運(yùn)動(dòng)專(zhuān)長(zhǎng)的男性大學(xué)生，在單一任務(wù)、N-back 方向任務(wù)、運(yùn)動(dòng)-認(rèn)知雙任務(wù)和 N-back 數(shù)字任務(wù)四種條件下的行為表現(xiàn)和大腦功能特征，并分析了腦功能指標(biāo)與行為成績(jī)之間的關(guān)系。

文章信息

招募 24 名及以上的男性足球運(yùn)動(dòng)員（運(yùn)動(dòng)員組）與 20 名年齡匹配、無(wú)足球經(jīng)驗(yàn)的健康男性（對(duì)照組）。剔除信號(hào)質(zhì)量極差者后，最終納入 18 名運(yùn)動(dòng)員、16 名對(duì)照者；兩組年齡、BMI 無(wú)顯著差異，均為右利手，近 1 年無(wú)運(yùn)動(dòng)損傷、無(wú)煙酒不良嗜好，身心健康。

實(shí)驗(yàn)在安靜隔離室開(kāi)展，受試者先完成基礎(chǔ)信息采集與靜息態(tài)測(cè)量（9 分鐘），隨后隨機(jī)完成 4 項(xiàng)任務(wù)（每項(xiàng) 9 分鐘，任務(wù)間休息 9 分鐘）：

1.單任務(wù)：模擬踢球傳球，按屏幕隊(duì)友出現(xiàn)方向踩踏對(duì)應(yīng)踏板；

2.N-back 方向任務(wù)：判斷當(dāng)前隊(duì)友位置是否與 2 次前一致；

3.雙任務(wù)：結(jié)合運(yùn)動(dòng)與認(rèn)知，位置匹配則踢球，不匹配則按鍵；

4.N-back 數(shù)字任務(wù)：判斷當(dāng)前數(shù)字（1/2/3）是否與 2 次前一致。

全程同步采集行為數(shù)據(jù)（正確率、反應(yīng)時(shí)）與 fNIRS 信號(hào)。

圖1  四種不同任務(wù)的任務(wù)設(shè)置流程及相應(yīng)按鈕的使用方式示意圖

(a)單一任務(wù)(b)N-back方向判斷任務(wù) (c)雙重任務(wù)(d)N-back數(shù)字識(shí)別任務(wù)

以國(guó)際 10/10 系統(tǒng)布設(shè)光極，覆蓋前額葉（PFC）、背外側(cè)前額葉（DLPFC）、運(yùn)動(dòng)前 / 輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)（PMC&SMA）、初級(jí)感覺(jué)皮層（S1）、初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1），采樣率 10Hz。僅分析  氧合血紅蛋白（ΔHbO?） 信號(hào)：原始光強(qiáng)經(jīng) 0.01–2Hz 四階 Butterworth 帶通濾波去噪；結(jié)合主成分分析與獨(dú)立成分分析去除生理噪聲；以三次樣條插值與 Hampel 濾波剔除運(yùn)動(dòng)偽影及尖峰。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程與裝置示意圖

(a)實(shí)驗(yàn)流程 (b)桌子、顯示屏和按鈕的布局及其空間位置 (c)fNIRS傳感器的布置情況

預(yù)處理信號(hào)經(jīng) Morlet 小波變換至?xí)r頻域，提取 0.01–0.08Hz小波幅值（WA）表征皮層活動(dòng)強(qiáng)度；基于左右對(duì)稱(chēng)腦區(qū) WA 計(jì)算側(cè)化指數(shù)（LI）；以  小波相位相干（WPCO） 刻畫(huà)腦區(qū)間及腦區(qū)內(nèi)功能連接強(qiáng)度（FC）。每位受試者各狀態(tài)下，可獲 10 個(gè)腦區(qū) WA、5 個(gè) LI、55 個(gè) WPCO 值。

行為表現(xiàn)：運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)更快，受負(fù)荷影響更小

行為層面的結(jié)果清晰地體現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)員的優(yōu)勢(shì)。在運(yùn)動(dòng)員組內(nèi)，單一任務(wù)（Task 1）的正確率顯著高于其他三種任務(wù)，說(shuō)明一旦引入 N-back 工作記憶要求，正確率會(huì)被拖低。在反應(yīng)時(shí)方面，無(wú)論是運(yùn)動(dòng)員組還是對(duì)照組，單一任務(wù)的反應(yīng)時(shí)都顯著短于其他三種任務(wù)；而跨任務(wù)進(jìn)行組間比較可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)員組在所有四種任務(wù)中的反應(yīng)時(shí)都顯著低于對(duì)照組。

圖3 準(zhǔn)確率和反應(yīng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

大腦激活：運(yùn)動(dòng)員“開(kāi)銷(xiāo)"更低且集中在關(guān)鍵區(qū)域

腦激活層面揭示了運(yùn)動(dòng)員更為“節(jié)能"的工作方式。相比靜息態(tài)，運(yùn)動(dòng)員組在雙任務(wù)時(shí)右側(cè) DLPFC 的 WA 顯著下降，表現(xiàn)出對(duì)高負(fù)荷任務(wù)的適應(yīng)；對(duì)照組則在單一任務(wù)下就已出現(xiàn)左側(cè) PFC、左側(cè) DLPFC 和左側(cè) M1 活動(dòng)減弱的現(xiàn)象。由于兩組在靜息態(tài)下的基線 WA 本身存在差異，研究者進(jìn)一步用“任務(wù)態(tài) - 靜息態(tài)"的差值進(jìn)行組間比較：在單一任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員組幾乎在所有測(cè)量腦區(qū)（僅右側(cè) S1 例外的反向除外）都比對(duì)照組呈現(xiàn)更低的激活水平；在雙任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員組的右側(cè) DLPFC 激活顯著低于對(duì)照組；在數(shù)字 N-back 任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員組的左側(cè) PMC&SMA 激活顯著更低。整體上，運(yùn)動(dòng)員以更少的皮層能量消耗完成了同樣甚至更好的任務(wù)。

圖4 小波幅度變化及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果：(a) 運(yùn)動(dòng)員組與對(duì)照組之間均存在顯著的激活差異 (b) 運(yùn)動(dòng)員組與對(duì)照組之間存在顯著差異

半球側(cè)化：雙任務(wù)中 DLPFC 明顯偏左

進(jìn)一步的側(cè)化指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)員組與對(duì)照組在不同任務(wù)條件下的半球分工存在差異。在單一任務(wù)條件下，運(yùn)動(dòng)員組 S1 呈現(xiàn)出更明顯的左側(cè)偏側(cè)；在運(yùn)動(dòng)-認(rèn)知雙任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員組 DLPFC 表現(xiàn)出顯著的左側(cè)偏側(cè)趨勢(shì)，暗示在高負(fù)荷的“邊想邊踢"條件下，專(zhuān)項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員更傾向于讓左半球 DLPFC 承擔(dān)工作記憶相關(guān)的控制功能；而在數(shù)字 N-back 任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員組的 S1 則呈現(xiàn)出右側(cè)偏側(cè)趨勢(shì)。

圖5 運(yùn)動(dòng)員組與對(duì)照組在側(cè)化指數(shù)上的顯著差異

功能連接：運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)感覺(jué)網(wǎng)絡(luò)中更“整合"

在功能連接層面，兩組人在任務(wù)狀態(tài)下的 WPCO 值總體上較靜息態(tài)有所下降，這與 DMN 在靜息時(shí)活躍、任務(wù)時(shí)被抑制的經(jīng)典規(guī)律一致。但運(yùn)動(dòng)員組在 N-back 方向任務(wù)中表現(xiàn)出更高的跨半球 FC，涉及 LPMC&LSMA 與 RS1、LM1 與 RS1、LS1 與 RS1、LS1 與 RM1 等一系列感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（SMN）內(nèi)的連接；在 N-back 數(shù)字任務(wù)中，LM1 與 RS1 之間的連接同樣顯著高于對(duì)照組。這些連接大多落在 SMN 內(nèi)部，表明運(yùn)動(dòng)員在面對(duì)高負(fù)荷認(rèn)知任務(wù)時(shí)依然維持著較強(qiáng)的感覺(jué)-運(yùn)動(dòng)整合能力。

圖6 小波相位相干性值存在顯著差異

(a) 運(yùn)動(dòng)員組內(nèi)的顯著差異 (b) 對(duì)照組內(nèi)的顯著差異 (c) 不同組間小波相位相干性值存在顯著差異

腦-行為關(guān)聯(lián)：左側(cè)前額葉內(nèi)部的連接預(yù)測(cè)雙任務(wù)正確率

當(dāng)把功能連接與行為成績(jī)聯(lián)系起來(lái)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員在雙任務(wù)條件下的正確率與左側(cè)前額葉相關(guān)的連接強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)（如圖7）。LPFC 與 LPMC&LSMA 之間的連接（r = 0.747, p < 0.001）以及 LPFC 區(qū)域內(nèi)部的連接（r = 0.780, p < 0.001），都與雙任務(wù)正確率高度正相關(guān)?？烧f(shuō)明在同一批運(yùn)動(dòng)員中，LPFC 與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行區(qū)之間的信息流動(dòng)越順暢、計(jì)劃-執(zhí)行銜接越高效，他們?cè)凇斑吽伎歼吿咔?的復(fù)雜場(chǎng)景下就越不容易出錯(cuò)。

圖7 運(yùn)動(dòng)員組中，任務(wù)表現(xiàn)與FC值之間的相關(guān)性分析結(jié)果

本研究通過(guò) fNIRS 為專(zhuān)家效率假說(shuō)提供了足球?qū)ｍ?xiàng)雙任務(wù)的實(shí)證依據(jù)。行為上，足球運(yùn)動(dòng)員在四類(lèi)任務(wù)中反應(yīng)時(shí)顯著短于普通人，受認(rèn)知負(fù)荷影響更小。神經(jīng)層面，運(yùn)動(dòng)員以更低皮層激活完成任務(wù)，雙任務(wù)中右側(cè) DLPFC 活動(dòng)減弱、DLPFC 呈左側(cè)偏側(cè)化，體現(xiàn)資源集中策略。網(wǎng)絡(luò)層面，其感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)跨半球連接更強(qiáng)，左前額葉內(nèi)部及與左側(cè) PMC&SMA 的連接與雙任務(wù)正確率正相關(guān)，證實(shí)長(zhǎng)期訓(xùn)練優(yōu)化了計(jì)劃 - 執(zhí)行通路。

將 “神經(jīng)效率" 具象到腦區(qū)與網(wǎng)絡(luò)，拓展至貼近實(shí)戰(zhàn)的雙任務(wù)場(chǎng)景。對(duì)開(kāi)放項(xiàng)目而言，可通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練、認(rèn)知干預(yù)及神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，強(qiáng)化左前額葉與運(yùn)動(dòng)腦區(qū)連接，提升高壓下決策與反應(yīng)能力。

本研究存在局限：采用統(tǒng)一靜息基線，未采集各任務(wù)前近端基線，可能引入偏差；僅測(cè)皮層血氧與行為，未同步記錄下肢肌電，難以闡明中樞 - 外周耦合機(jī)制。未來(lái)可結(jié)合 sEMG，進(jìn)一步揭示從腦決策到肌肉執(zhí)行的完整調(diào)控鏈路。

原文信息鏈接

Yin J, Gao S, Zhang M, Xu G, Xu K, He X, Wang Y, Li Z, Shao B. Brain Functional Characteristics in Football Players During Motor-Cognitive Dual Task: Insights From fNIRS. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports, 2025, 35(1): e70003.

研究團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

本研究由上海體育大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、香港理工大學(xué)、國(guó)家康復(fù)輔具研究中心及相關(guān)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合完成。作者 Yin Jiahui（上海體育大學(xué)）聚焦運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)腦功能的塑造與運(yùn)動(dòng)員認(rèn)知-運(yùn)動(dòng)能力神經(jīng)機(jī)制研究。通訊作者 Li Zengyong 深耕fNIRS、康復(fù)工程與神經(jīng)評(píng)估；Shao Bin 專(zhuān)注競(jìng)技訓(xùn)練與運(yùn)動(dòng)員專(zhuān)項(xiàng)能力科學(xué)評(píng)估。團(tuán)隊(duì)旨在為運(yùn)動(dòng)員選材、認(rèn)知訓(xùn)練及表現(xiàn)提升提供神經(jīng)科學(xué)依據(jù)。

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