運動經驗與認知能力緊密耦合，長期專項訓練可重塑大腦神經可塑性、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、導航與決策，是研究運動經驗影響空間認知的理想模型。然而，現(xiàn)有研究多關注專業(yè)場景下的行為差異，不同經驗水平定向運動員在非專業(yè)空間任務中的前額葉動態(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，以空間記憶、心理旋轉為任務，對比高、低經驗定向運動員的行為表現(xiàn)與前額葉激活特征，揭示運動經驗調控空間認知的神經機制，為運動促進腦可塑性提供客觀神經證據(jù)。

陜西師范大學團隊采用功能性近紅外光譜（fNIRS）技術，系統(tǒng)探究定向越野經驗對空間認知與前額葉皮層動態(tài)的影響，相關成果發(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，分為高經驗專家組與低經驗新手，采用空間記憶、心理旋轉任務，采集前額葉皮層血氧信號，分析不同經驗水平下的行為表現(xiàn)與腦區(qū)激活差異。結果顯示，高經驗組正確率更高、反應更快；心理旋轉任務誘發(fā)更強的背外側前額葉（DLPFC）激活；高經驗組在 DLP、左側腹外側前額葉（L?VLPFC）及右側眶額區(qū)（R?OFA）激活顯著更低，呈現(xiàn)明顯神經效率優(yōu)勢。

文章信息

本研究共納入 49 名定向運動員，按運動經驗分為高經驗專家組（17 人，平均訓練年限 8.7±2.75 年）與低經驗新手組（32 人，平均訓練年限 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：高經驗 / 低經驗）×2（任務：空間記憶 / 心理旋轉） 雙因素實驗范式，兩項任務均以電腦呈現(xiàn) 5×5 隨機矩陣視覺刺激：空間記憶任務要求記憶方塊位置并判斷一致性（單試次 2 秒）；

圖1 空間記憶任務流程圖

心理旋轉任務需判斷圖形是否旋轉匹配（單試次 5 秒）。

圖2 心理旋轉任務流程圖

兩項任務均含練習與正式階段，各 6 模塊、24 試次，模塊間休息 20 秒。

前額葉布設 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 記錄正確率與反應時，腦血氧數(shù)據(jù)經 NIRS_SPM 預處理后，結合 SPSS 進行雙因素重復測量方差分析，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、行為學結果

如圖4所示，高經驗專家組在空間認知任務中的行為表現(xiàn)顯著優(yōu)于低經驗新手組。正確率方面，專家組整體水平更高；兩組在空間記憶任務正確率相近，但在心理旋轉任務中，專家組優(yōu)勢突出。新手組空間記憶任務正確率明顯高于心理旋轉任務，而專家組兩項任務表現(xiàn)均衡（圖4左）。反應時結果顯示，專家組在兩項任務中的反應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的行為學結果

二、fNIRS腦成像結果

任務主效應如圖5所示：心理旋轉任務在雙側背外側前額葉（R?DLPFC、L?DLPFC）誘發(fā)的血氧激活，顯著高于空間記憶任務。

圖5 任務主效應F值激活圖（左）及顯著通道下的任務差異圖（右）

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

圖6 組別主效應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，系統(tǒng)探究了定向越野經驗、空間認知表現(xiàn)與前額葉皮層動態(tài)的內在關聯(lián)。結果表明，高經驗定向運動員在空間認知任務中表現(xiàn)出更高的正確率與更快的反應速度；心理旋轉任務可顯著激活雙側背外側前額葉（DLPFC），而高經驗組在DLPFC、左側腹外側前額葉（L?VLPFC）及右側眶額區(qū)（R?OFA）等腦區(qū)激活水平顯著低于新手，呈現(xiàn)明顯的神經效率優(yōu)勢。研究揭示，長期定向越野訓練可優(yōu)化前額葉神經資源分配、降低認知負荷，促進空間認知加工自動化，為運動經驗重塑腦可塑性提供了直接神經證據(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，明確訓練前后前額葉動態(tài)變化規(guī)律；結合真實競賽場景與多模態(tài)腦成像技術，深入解析復雜空間認知的神經機制，為運動訓練優(yōu)化、腦健康促進及認知干預提供科學依據(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體育學院；通訊作者Yang Liu任職于陜西師范大學體育學院，主要從事運動認知神經科學、運動心理學及功能性近紅外光譜（fNIRS）技術應用研究。研究團隊依托陜西師范運動科學實驗室、天津財經大學高水平運動員辦公室開展實驗工作，相關研究經陜西師范大學學術倫理委員會批準（SNNU20230318）

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