運動經(jīng)驗與認知能力緊密耦合，長期專項訓(xùn)練可重塑大腦神經(jīng)可塑性、提升空間認知效率。定向越野作為集體能、策略與空間思維于一體的運動，要求運動員在陌生環(huán)境中快速讀圖、導(dǎo)航與決策，是研究運動經(jīng)驗影響空間認知的理想模型。然而，現(xiàn)有研究多關(guān)注專業(yè)場景下的行為差異，不同經(jīng)驗水平定向運動員在非專業(yè)空間任務(wù)中的前額葉動態(tài)變化尚不明確。前額葉皮層（PFC）是執(zhí)行功能與空間加工的核心腦區(qū)，功能性近紅外光譜（fNIRS）具備抗運動干擾、高時空分辨率等優(yōu)勢，可精準監(jiān)測其血氧動態(tài)。因此，本研究采用 fNIRS 技術(shù)，以空間記憶、心理旋轉(zhuǎn)為任務(wù)，對比高、低經(jīng)驗定向運動員的行為表現(xiàn)與前額葉激活特征，揭示運動經(jīng)驗調(diào)控空間認知的神經(jīng)機制，為運動促進腦可塑性提供客觀神經(jīng)證據(jù)。

陜西師范大學(xué)團隊采用功能性近紅外光譜（fNIRS）技術(shù)，系統(tǒng)探究定向越野經(jīng)驗對空間認知與前額葉皮層動態(tài)的影響，相關(guān)成果發(fā)表于《Scientific Reports》，題為 “Exploring the dynamics of prefrontal cortex in the interaction between orienteering experience and cognitive performance by fNIRS"。研究招募 49 名定向運動員，分為高經(jīng)驗專家組與低經(jīng)驗新手，采用空間記憶、心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)，采集前額葉皮層血氧信號，分析不同經(jīng)驗水平下的行為表現(xiàn)與腦區(qū)激活差異。結(jié)果顯示，高經(jīng)驗組正確率更高、反應(yīng)更快；心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)誘發(fā)更強的背外側(cè)前額葉（DLPFC）激活；高經(jīng)驗組在 DLP、左側(cè)腹外側(cè)前額葉（L?VLPFC）及右側(cè)眶額區(qū)（R?OFA）激活顯著更低，呈現(xiàn)明顯神經(jīng)效率優(yōu)勢。

文章信息

本研究共納入 49 名定向運動員，按運動經(jīng)驗分為高經(jīng)驗專家組（17 人，平均訓(xùn)練年限 8.7±2.75 年）與低經(jīng)驗新手組（32 人，平均訓(xùn)練年限 2±0.48 年），受試者均為右利手、視力正常，無腦部疾病史。采用 2（組別：高經(jīng)驗 / 低經(jīng)驗）×2（任務(wù)：空間記憶 / 心理旋轉(zhuǎn)） 雙因素實驗范式，兩項任務(wù)均以電腦呈現(xiàn) 5×5 隨機矩陣視覺刺激：空間記憶任務(wù)要求記憶方塊位置并判斷一致性（單試次 2 秒）；

圖1 空間記憶任務(wù)流程圖

心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)需判斷圖形是否旋轉(zhuǎn)匹配（單試次 5 秒）。

圖2 心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)流程圖

兩項任務(wù)均含練習(xí)與正式階段，各 6 模塊、24 試次，模塊間休息 20 秒。

前額葉布設(shè) 22 個通道、采樣率 13.33 Hz，監(jiān)測含氧血紅蛋白（HbO?）變化；使用 E?prime 3.0 記錄正確率與反應(yīng)時，腦血氧數(shù)據(jù)經(jīng) NIRS_SPM 預(yù)處理后，結(jié)合 SPSS 進行雙因素重復(fù)測量方差分析，比較兩組行為表現(xiàn)與前額葉激活差異。

圖3 近紅外腦功能成像通道排布及標定腦區(qū)信息

一、行為學(xué)結(jié)果

如圖4所示，高經(jīng)驗專家組在空間認知任務(wù)中的行為表現(xiàn)顯著優(yōu)于低經(jīng)驗新手組。正確率方面，專家組整體水平更高；兩組在空間記憶任務(wù)正確率相近，但在心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中，專家組優(yōu)勢突出。新手組空間記憶任務(wù)正確率明顯高于心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)，而專家組兩項任務(wù)表現(xiàn)均衡（圖4左）。反應(yīng)時結(jié)果顯示，專家組在兩項任務(wù)中的反應(yīng)速度均顯著快于新手，加工效率更高（圖4右）。

圖4 不同等級定向越野運動員非專項場景下空間認知任務(wù)的行為學(xué)結(jié)果

二、fNIRS腦成像結(jié)果

任務(wù)主效應(yīng)如圖5所示：心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)在雙側(cè)背外側(cè)前額葉（R?DLPFC、L?DLPFC）誘發(fā)的血氧激活，顯著高于空間記憶任務(wù)。

圖5 任務(wù)主效應(yīng)F值激活圖（左）及顯著通道下的任務(wù)差異圖（右）

組別主效應(yīng)如圖6所示：與新手組相比，高經(jīng)驗專家組在左側(cè)背外側(cè)前額葉（L?DLPFC）、右側(cè)背外側(cè)前額葉（R?DLPFC）、左側(cè)腹外側(cè)前額葉（L?VLPFC）及右側(cè)眶額區(qū)（R?OFA）的激活水平顯著更低，呈現(xiàn)明顯的神經(jīng)效率特征。兩組間未發(fā)現(xiàn)任務(wù)與組別交互效應(yīng)，表明經(jīng)驗對腦激活的影響具有穩(wěn)定性。

圖6 組別主效應(yīng)F值激活圖（左）與顯著通道下的組間差異圖（右）

本研究采用功能性近紅外光譜（fNIRS）技術(shù)，系統(tǒng)探究了定向越野經(jīng)驗、空間認知表現(xiàn)與前額葉皮層動態(tài)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，高經(jīng)驗定向運動員在空間認知任務(wù)中表現(xiàn)出更高的正確率與更快的反應(yīng)速度；心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)可顯著激活雙側(cè)背外側(cè)前額葉（DLPFC），而高經(jīng)驗組在DLPFC、左側(cè)腹外側(cè)前額葉（L?VLPFC）及右側(cè)眶額區(qū)（R?OFA）等腦區(qū)激活水平顯著低于新手，呈現(xiàn)明顯的神經(jīng)效率優(yōu)勢。研究揭示，長期定向越野訓(xùn)練可優(yōu)化前額葉神經(jīng)資源分配、降低認知負荷，促進空間認知加工自動化，為運動經(jīng)驗重塑腦可塑性提供了直接神經(jīng)證據(jù)。

未來可進一步擴大樣本量，納入不同年齡、性別與運動年限群體；開展縱向追蹤研究，明確訓(xùn)練前后前額葉動態(tài)變化規(guī)律；結(jié)合真實競賽場景與多模態(tài)腦成像技術(shù)，深入解析復(fù)雜空間認知的神經(jīng)機制，為運動訓(xùn)練優(yōu)化、腦健康促進及認知干預(yù)提供科學(xué)依據(jù)。

原文信息鏈接

Liu J, Liu Y, Wu L. Exploring the dynamics of prefrontal cortex in the interaction between orienteering experience and cognitive performance by fNIRS[J]. Scientific Reports, 2024, 14(1): 14918.

研究團隊簡介

本文作者Jingru Liu與Linzhen Wu任職于西安郵電大學(xué)體育學(xué)院；通訊作者Yang Liu任職于陜西師范大學(xué)體育學(xué)院，主要從事運動認知神經(jīng)科學(xué)、運動心理學(xué)及功能性近紅外光譜（fNIRS）技術(shù)應(yīng)用研究。研究團隊依托陜西師范運動科學(xué)實驗室、天津財經(jīng)大學(xué)高水平運動員辦公室開展實驗工作，相關(guān)研究經(jīng)陜西師范大學(xué)學(xué)術(shù)倫理委員會批準（SNNU20230318）

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