基于磁共振成像的优秀排球运动员大脑结构可塑性研究

孟国正，葛春林，岳晓燕

1 前言

随着认知神经科学的飞速发展，为运动心理学的研究拓展了新视野，特别是磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术的出现，通过扫描提供高分辨率的大脑结构图像，将神经机制的研究进一步深入，也为运动脑功能研究提供新的途径。许多研究者开始从动态的视角关注人类大脑的结构、功能变化，提出大脑可塑性这个概念。认知神经科学的研究者将大脑结构可塑性界定为大脑改变其结构的能力，认为人类受到学习、训练和经验等因素的影响，大脑皮层会出现结构的变化[17]。这种结构的改变包括宏观和微观层面，从宏观层面上讲，由于学习和训练可以引起大脑结构的改变包括脑重、皮层厚度和脑区沟回面积的变化等等；从微观层面上讲，因学习和训练引起的大脑结构的改变包括树突长度的增加、树突棘密度和神经元数量的改变以及大脑皮层新陈代谢的变化等等[7]。大量认知神经科学研究显示，在动物和人类发展的进程中，大脑结构具有一定的可塑性[26]。不仅动物在视觉、听觉、感觉皮层存在可塑性[6，21]，人类的视觉、躯体感觉皮层也存在可塑性，并且在人类的语言、记忆以及运动技能学习等高级认知领域也同样存在可塑性[13，18]。

1.College of Physical Education，Henan Normal University， Xinxiang 453007，China；2.Beijing Sport University，Beijing 100084，China.

生态学的研究证明，随着进化人类大脑会产生功能的适应和可塑性变化[15，24]。人类的大脑和身体存在着亲密无间的交互作用，因此，理解运动中大脑的活动非常重要。运动中大脑的活动是两方面的过程，一方面，运动员的行为改变了大脑，另一方面，大脑又改变了运动员的行为。诺贝尔奖获得者Eric Kandel研究显示，当人类学习新的技术动作时，会影响到大脑神经元基因的转录。因此，通过动作技能学习可以在某种程度上塑造基因，转而会塑造人类大脑的微观解剖结构[23]。

运动员在动作执行过程中准确、高效、协调、自动化，这种超强的运动能力是经过多年的动作技能学习和训练获得的。运动员的神经细胞可以产生适应性的可塑性结构改变的神经机制已经被认知神经科学的证据证实[11-12，14，19]。优秀排球运动员是经过多年动作技能学习和运动训练的人群，其动作技能和运动经验已经远远超过普通人，从决策行为测试的研究结果可以看出，运动员不但决策速度快，而且决策准确性高[1]，反映出经过多年动作技能学习和运动训练，运动员的动作技能水平明显优于普通人。从人类大脑和身体的交互作用可以看出，运动员行为水平的提高将会对大脑的结构产生一定的影响。那么，经过多年动作技能学习和运动训练的优秀排球运动员的大脑结构是否会发生可塑性变化呢?基于此，本研究采用磁共振成像技术对优秀排球运动员的大脑结构进行研究，探讨多年动作技能学习和运动训练对优秀排球运动员大脑神经机制产生的影响。本研究选取国家一级排球运动员和普通大学生作为被试，研究假设多年的动作技能学习和运动训练会对优秀排球运动员大脑结构产生适应性可塑性变化，优秀排球运动员的大脑结构不同于普通大学生，其差异是与运动经验相关的脑区。

2 研究方法

2.1 被试

本研究招募了两组被试，一组为运动员组，另一组为对照组，运动员组的要求为国家一级排球专业运动员，控制组的招募要求是没有任何业余或专业的运动训练且身体健康者，控制组被试在性别、年龄上与运动员组进行匹配。运动员组共20名，男女各10人，均为国家一级排球运动员，均为北京体育大学运动排球队运动员，平均年龄21.45±1.19，专业训练年限5.6±1.35；对照组共20名，男女各10人，均为北京师范大学在校大学生，平均年龄21.4±1.14岁。视力或矫正视力正常且不是色盲或色弱[2]。与此同时，每个被试都完成了一个爱丁堡利手测验[20]，确保他们均为右利手。本研究所有被试要求身体健康、无药物依赖病史、精神病史、脑外伤史、神经病史及家族史。在实验之前，所有被试都被告知实验的目的和方法，并在《被试知情同意书》上签字确认。同时，也对这批被试进行了磁共振实验安全筛查，以排除视力或听力障碍、身体受伤、有金属植入、脑部创伤、幽闭恐惧的被试个体，实验结束后，被试得到一定物质报酬。

2.2 MRI扫描

本实验所用的磁共振仪器为北京宣武医院磁共振中心的一台西门子3T Trio-TIM磁共振成像系统（Siemens Magnetom Trio 3.0T），用于采集结构像。被试实验时仰卧，头部用耳机和头部线圈之间的海绵垫固定以减少头部运动。采集标准全脑高分辨率 3D图像，扫描采用 T1-weighted MP-RAGE序列，扫描参数为：TR=2 500 ms，TE =2.15 ms，FA=9°。扫描采用矢状切面，FOV=512 mm ×512 mm，像素矩阵=512×512。厚层=1 mm，无间隔，扫描层数176层，分辨率0.5 mm×0.5 mm×1 mm。

2.3 结构像数据分析

采用基于体素的形态测量学（voxel-based morphometry，VBM）工具箱分析结构像数据。VBM是一种基于像素对脑结构图像进行自动、全面、客观的分析技术，可定量检测组织成分的密度。在本研究结构像数据分析中，采用MATLAB平台下基于SPM 8的VBM 8工具箱进行VBM分析。

数据分析主要步骤为：首先采用 SPM 8中的DICOM Import工具箱将所有的DICOM格式的结构像转换为SPM可以识别的N IFTI格式图像；对每个个体的原始图像进行空间标准化到 Montrcal Neurological Institute（MN I）模板上，接着将这些标准化了的图像分别分割成灰质、白质和脑脊液，最后用FWHM=8 mm的高斯核对图像进行平滑；对所有分隔过的灰质图像、白质图像和脑脊液图像进行平均，创建各自的模板；进行灰质、白质和脑脊液的最优空间标准化，然后，将最优标准化了的图像继续分割成灰质、白质和脑脊液，同时去除掉非脑结构组织；将Jacobi调制标准化方法应用到灰质图像中，保留标准化后的体积；采用FWHM=8 mm的高斯核对图像进行平滑；分析组间全脑灰质和白质体积与密度的差异；采用最优化的VBM获取高分辨率的全脑图像，最后处理过的图像分辨率为1 mm×1 mm×1 mm。

2.4 皮层厚度数据分析

对结构像采用Freesurfer分析软件包进行皮层重构和分割。首先 Freesurfer采用一种混合分水岭/表面变形（Hybrid Watershed/Surface Deformation）的方法将被试的脑组织从 T1图像中提取出来，然后进行自动的泰勒（Talairach）坐标系转换，对皮下白质和深层灰质核团进行分割，分割出海马、杏仁核、尾状核、壳核，并对余下的大脑皮层进行灰度标准化，然后粗略估计出灰质和白质分界线，并采用自动的拓扑学校正，并根据灰度梯度最佳描绘出灰质/白质以及灰质/脑脊液边界。皮层模型完成后，采用一系列的变换方法进行进一步的数据处理，包括表面展开，将不同被试的皮层展开配准到标准展开模板上，根据大脑沟和回的分布对皮层分区，并生成一系列的基于皮层表面的数据，如皮层厚度等。后续的数据分析采用ROI分析方法，将 Freesurfer测量出来的皮层厚度数据进行组间方差分析，找到运动员和普通大学生皮层厚度存在显著差异的区域。

2.5 统计分析

采用SPM 8中的 Two-samplet检验对灰质体积和密度进行组间比较。最后采用SVC（Small Volume Correction）进行局部多重比较校正（P＜0.001，Voxel＞50）。统计结果最后在标准空间（MNI）的3D图像上进行投影显示。阈值设定为20个激活簇以上，P＜0.001（未校正）。

3 研究结果

3.1 组间大脑皮层厚度对比

大脑的皮层厚度通常指的是大脑灰质的厚度，它是由大量的神经元细胞构成，是人类大脑进行信息加工处理的基础。本研究采用freesurfer软件，采用cluster校正方法，通过对运动员组和对照组的大脑皮层厚度磁共振结构像测得数据进行比较分析，以对照组为参照，组间皮层厚度结果显示见图1，运动员组在大脑右半球的枕叶外侧上（sup LOC）区域（MN I：24，-82，16）的皮层厚度要显著厚于对照组（图2），在大脑左半球的皮层厚度不呈现显著性差异，其中，运动员组在枕叶外侧上区域的平均皮层厚度为2.36 mm（SD=0.10），对照组在此区域的平均皮层厚度为2.25 mm（SD=0.10），组间存在非常显著性差异[t（38）=3.496，P＜0.001，表1]。

表1 本研究组间大脑皮层厚度比较一览表 （n=39）

图1 运动员组与对照组皮层厚度比较图

图2 运动员组大脑皮层厚度显著高于对照组的脑区图注：采用cluster校正，A为外侧视角，B为内侧视角，中心坐标（x=24，y=-82，z=16）。

3.2 组间大脑灰质体积对比

以对照组作为参照，组间灰质体积比较结果显示 （图3），运动员组在大脑右半球枕叶外侧上（sup LOC）脑区的灰质体积显著高于对照组（图4），在大脑左半球的灰质体积不呈现显著性差异，其中运动员组灰质体积为540.92 ml（SD=122.13），对照组灰质体积为 390.32 m l（SD= 89.88），组间存在非常显著性差异[F（38，1）=19.927，P＜0.001，表2]。

4 讨论

本研究的目的是基于磁共振成像探讨优秀排球运动员与普通大学生大脑结构的差异，及动作技能学习和运动训练对优秀排球运动员大脑结构产生适应性可塑性的变化。研究结果表明，运动员组在大脑右半球的枕叶外侧上脑区的皮层厚度显著厚于对照组；运动员组在大脑右半球的枕叶外侧上脑区灰质体积显著高于对照组，在大脑左半球的皮层厚度和灰质体积均不呈现显著性差异，该研究的结果部分证实了前期研究假设。

表2 本研究组间大脑灰质体积比较一览表 （n=40）

图3 本研究运动员组与对照组大脑灰质体积比较示意图

图4 本研究运动员组大脑灰质体积显著高于对照组的脑区图注：图4显示，运动员组在枕叶外侧上灰质体积要显著高于对照组，P＜0.001，中心坐标（x=28，y=-70，z=28）。

从以往的研究中可以发现，枕叶在视觉信息加工和处理中起着重要的作用。本研究中发现，优秀排球运动员在枕叶外侧上区域灰质体积显著增高的现象，提示该区域出现了与运动经验相关的结构性可塑性变化。本研究招募的优秀排球运动员是经过多年动作技能学习和运动训练的专业人群，拥有丰富的运动经历和经验。优秀排球运动员在运动情境中执行动作时，其视觉搜索系统可以关注到重要的信息，然后经过大脑的信息加工处理，迅速进行判断和决策，采取行动执行动作，这种特殊的技能，也被称之为专家技能。有研究显示，高水平排球运动员在排球运动情境中进行信息加工过程中寻找关键信息的能力具有明显的优势[4]。很明显，专家和新手使用的是非常不同的视觉信息加工策略[25]。经过多年的动作技能学习和运动训练，优秀排球运动员的肌肉和神经联结变得更协调，更平稳，在排球运动情境中进行视觉信息加工时，动作执行更加精确、快速、清晰、有效和更加强有力，巩固了大脑的神经环路，因此，对大脑负责视觉信息加工的脑区结构产生影响。事实上，这种影响已经被许多关于动作技能学习和运动训练对大脑结构产生的可塑性的研究所证实[5，9，10，16]。

本研究显示，磁共振结构像结果呈现显著性差异的脑区位于大脑的右半球，可能与其主要功能是注意[22]和视觉空间信息加工处理[8]有着密切的联系。人类大脑右半球的主要功能是形象思维、空间、想象、知觉功能和运动认知活动等方面，这些都与动作技能的学习、掌握、巩固、提高和体育比赛中的发挥有着直接的关系。有研究证实，运动员进行认知活动时，与右脑功能的关系十分密切[3]。另外，本研究还发现，与对照组相比，运动员组在枕叶外侧上的皮层厚度出现显著性增加。枕叶主要负责视觉中枢，位于大脑后中心部位的下方，是处理视觉刺激的主要中心，又被称为视觉皮层，枕叶在视觉信息加工及处理的执行活动中起着重要的作用。根据以往动物和人类的研究结果，枕叶认为是负责视觉信息加工和处理的关键脑区。因此，笔者认为，运动员组和对照组在枕叶外侧上的灰质体积和皮层厚度的差异可能与优秀排球运动员多年的动作技能学习和运动训练中进行的视觉信息加工及处理有着密切的关系。

研究结果显示，优秀排球运动员在负责视觉信息加工系统的枕叶外侧上大脑功能区出现灰质体积增加和皮层增厚的现象，这些脑区主要功能与视觉信息加工处理密切相关。因此可以推断，经过多年的动作学习和运动训练，优秀排球运动员在运动情境中进行大量的视觉信息加工和处理，可能会导致负责视觉信息系统的枕叶外侧下脑区灰质体积和大脑皮层厚度出现适应性的结构变化，从而呈现优秀排球运动员与普通大学生大脑结构的显著性差异。

5 结论与展望

本研究采用MRI技术，对优秀排球运动员和普通大学生大脑结构进行研究，结果显示，优秀排球运动员大脑右半球枕叶外侧上的灰质体积显著高于普通大学生；优秀排球运动员大脑右半球枕叶外侧上的皮层厚度显著厚于普通大学生；优秀排球运动员灰质体积显著增多和皮层厚度增厚的脑区主要是负责视觉信息加工的枕叶外侧上脑功能区。结论：经过多年的动作技能学习和运动训练，优秀排球运动员提高动作技能的同时，大脑右半球负责视觉信息加工的枕叶脑区结构会产生可塑性变化。随着认知神经科学技术的迅猛发展，越来越多的心理学研究者开始关注运动员大脑的神经机制研究，关注不同运动项目运动员由于其运动经历和专业训练的不同，大脑结构产生的可塑性变化。当前，采用先进的磁共振仪器对运动员在运动情境中进行动态的和在线的运动决策研究，探讨运动员在运动情境中进行决策任务时的大脑神经机制，是认知神经科学研究的一个重要的发展趋势，也将会对运动员的动作技能学习和运动训练产生重要的意义。

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