优秀运动员大脑神经效率及可塑性特点

徐立彬 李安民 刘玉

摘 要：近期国外采用无创伤、非侵入的神经生理学（EEG、MEG、TMS）和神经影像学（fMRI）的方法，研究视觉、听觉、躯体感觉（触觉）刺激的认知加工过程及运动准备、执行和表象的运动认知加工过程。结果表明，运动员之所以比非运动员反应更精确、更有效率、更加自动化，是由于在长期的运动训练和比赛中，运动员大脑发生了可塑性、适应性的变化导致大脑神经加工效率提高。然而，这种现象的神经机制目前尚不清楚，研究不同项目运动之间的差异及大脑结构、功能与训练强度、时间之间的相关性可能是未来的研究方向。

关键词： 运动员大脑；EEG；TMS；fMRI；神经效率及可塑性

中图分类号： G 804.2 文章编号：1009-783X（2013）06-0566-07 文献标志码： A

Efficiency and Plasticity of the Brain Nerve of Elite Athletes

XU Libin1，2，LI Anmin1，LIU Yu2

Abstract：This thesis will review the researches on the brain of athletes based on data obtained using non-invasive neurophysiological （EEG，MEG，TMS） and neuroimaging （fMRI） methods.These data were applied to the research of cognitive processing of visual，auditory，and somatosensory （tactile） stimulation as well as to motor processing，including preparation，execution and imagery.The results show that athletes are more accurate，more efficient and more automatic in their sports performances than non-athletes.The mechanisms are underlying the plastic adaptive changes of the brains of athletes during extensive daily physical training and competitions.The neural efficiency has been improved increasingly.However，the neural mechanisms about this phenomenon are not clear.In the future，the discrepancy of different sport events and the relevance between athletes brain structure，function and intensity，time of training should be studied continuously.

Key words：brain of the athletes；EEG；TMS；fMRI；neural efficiency and plasticity

收稿日期：2013-01-08

基金项目：2012年上海体育学院研究生创新培育基金项目

（yjscx2012009）；2009年教育部人文社会科学研究项目（09YJCZH017）；2009-2010年度安徽省哲学社会科学规划项目（AHSK09-10D123）；2013年度阜阳师范学院科研项目及省级科研机构校级委托专项课题（2013WSZX03）。

作者简介：徐立彬（1980-），男，吉林桦甸人，在读博士研究生，讲师，研究方向为体育运动心理学；李安民（1964-），男，湖南双峰人，教授，研究方向为运动认知与信息加工；刘玉（1973-），男，安徽涡阳人，硕士，教授，研究方向为体育社会学。

运动员怎样控制自己的动作？运动员和非运动员相比其大脑功能有什么不同？非运动员的大脑经过多长时间能够变成像运动员那样的大脑？无论对于运动员、教练员还是运动学家，这些问题都倍受关注。人们普遍认为运动员在专项运动操作过程中表现得更加快速、有力、更加准确、更有效率、更有坚持性、更加自动化。实际上，运动员的这些优异表现均依赖于神经系统的功能活动，使正确的肌肉在正确的时间、以正确的顺序被激活[1]。神经效率假说（neural efficiency hypothesis）认为，长期系统的运动训练使运动员大脑在结构和功能上发生可塑性变化，导致神经效率提高[2]。神经效率是指个体更为高效的皮层功能，通常表现为更好的操作绩效和更低的皮层激活程度；神经可塑性是指通过专业领域长时间的训练促使大脑发生的结构和功能上的改变[3]。但是运动员大脑神经环路的可塑性与适应性的变化机制还不是很清楚，因此，运动学家有必要提供更多的证据来支持这一假设。近年来，随着认知神经科学的发展，研究者开始运用神经生理学（EEG、MEG、TMS）和神经影像学（fMRI）等先进技术探测运动员强大认知功能神经机制，试图揭开运动员大脑的奥秘。这些技术用来研究视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉刺激的认知加工过程及关于人类运动准备、执行和表象的认知加工过程。典型的研究是采用专家-新手范式比较他们之间大脑加工活动的不同，这些研究是基于这样的假设：运动活动和许多神经生理特点相联系。例如灵活的行为适应性是通过在多变的环境中的运动操作获得的[4]。这些适应性包括复杂的、同步的神经活动，例如知觉、刺激辨别、决策、多模式的整合，运动准备和执行。另外，注意状态也对行为在时间和空间上的精确性起着重要作用，选择性注意的快速转移和成功的操作存在密切的相关性[5]。

运动员的大脑为研究神经可塑性提供了良好的素材；因为运动员在很小就开始了长期的训练，并且一直贯穿整个运动生涯。运动技能学习及相关的运动能力是在长期的、重复性的运动训练过程中获得的。对动物大脑的研究表明：长期的、重复性的运动训练会导致主要初级运动皮层（primary motor cortex，MI）[6]、突触的神经元动员比率发生适应性的改变[7]，而其还会导致大脑皮层地形发生变化[8]，类似的结果在感觉皮层区也被发现。例如，训练猴脑辨别不同频率的听觉刺激的研究发现，对训练过的频率反应的听觉皮层区扩大，而没有被训练的频率的听觉皮层区面积减小。学习依赖型的变化（learning-dependent）在动物大脑的研究中得到了大量的证据，但是，运动员大脑的神经科学研究仍旧是必需的。因为运动技能代表了人类高难度的技能，反映了人脑高级的认知加工过程，所以，研究运动技能的获得、计划与完成过程的脑神经机制势必成为当前的热点。

因此，本文将主要从运动相关的神经活动、感知觉相关的认知加工过程、EEG光谱功率分析和高度功能整合的ERPs和fMRI数据，来评述近年来对优秀运动员和非运动员大脑活动非侵入性研究现状，并在这些研究进展的基础上，指出运动科学在该领域研究面临的一系列问题以及未来的研究方向。

1 运动相关皮层区电位

1.1 运动相关皮层电位

运动相关皮层电位（motor-related cortical potentials，MRCPs）是用EEG记录到的在随意运动之前的峰值信号，它反映了运动准备加工过程。这些电位开始于一个缓慢升高的负波，称为准备电位（bereitschafts potential，BP）和随后变负的陡波，大约在运动开始前500 ms左右称为负斜坡电位（negativity slope，NS）。MRCPs的信燥比随着平均时间进程而提高，并且已经在手指、脚和舌头、下巴的随意运动中被记录到。MRCPs主要产生在运动相关的区域，也就是说BP 和 NS′主要产生于辅助运动区（SMA） 、前辅助运动区（pre-SMA）、背侧运动前区（dorsal premotor area，PM）、对侧MI、主要躯体感觉区（SI）、前扣带皮层（ACC），以及包括基底神经节和丘脑的皮层下结构。

Kita等[9]首先记录到运动员的MRCPs。他对4名日本剑道、2名体操运动员和9名非运动员的研究发现，在手腕伸出之前，运动员MRCPs 潜伏期比非运动员短，波幅比非运动员小。运动员的MRCPs产生于手腕肌电反应之前的400 ms，并且快速增加，而对于非运动员，MRCPs开始于肌电反应之前的1 500～2 000 ms。这说明，运动员的大脑皮层功能活动效率较高，功率消耗少，同时也表明通过长期的运动训练运动员大脑的神经环路变得更加特殊。

Di Russo等[10]在此项研究的基础上发现，右利手优秀射击运动员的右手操作活动的MRCPs波幅比非运动员小，但是左手没有发现这一差异，这进一步表明了是运动训练导致了神经效率的提高。Del等[11]记录了11名击剑运动员、11名空手道运动员和11名非运动员的MRCPs。结果发现，非运动员比运动员的MRCPs波幅更高，但是空手道运动员同侧半球的波幅比击剑运动员和非运动员高。这就是说，空手道运动员两侧半球都得到了发展，而击剑运动员和非运动员却没有。这些结果同样表明优秀运动员的神经效率与运动训练息息相关。

运动员MRCPs的研究结果，已经证明了运动相关皮层区（SMA、pre-SMA、PM、 MI、 SI和ACC及皮层下结构）的神经加工效率的存在，但是，这些结果可能受到诸如利手、运动项目和运动员经验的影响。建议未来的研究应该通过比较运动员和音乐家的fMRI数据来证实这种神经效率，目前这样的研究设计未见报道。另外，先前的EMG研究也发现专家比新手的MRCPs开始时间早，暗示了真实的运动特点；所以，运动学家应该通过观察专家和新手在操作具有相同肌电活动的动作时的表现，来证实这种神经效率是否真的是基于运动经验。

1.2 关联性负变化

关联性负变化（contingent negative variation，CNV）是一种事件相关电位，是指发生在警告刺激（S1）和目标刺激（S2）之间的时间间隔之内的波幅增长。CNV与运动准备和与期望、动机、注意及唤醒的认知加工过程有关[12-14]。CNV至少由2个成分组成，一个是前额中央区主导成分（早期CNV），另一个是中央顶骨区主导成分（晚期CNV）。如前所述，MRCPs是在自发式随意运动之前记录到的，但不涉及与命令式刺激相关的认知加工过程。

迄今为止，只有1篇论文报告了运动员和非运动员之间的CNV差异。Hung等[15]记录了15名男性乒乓球运动员和非运动员的CNVs。结果显示，运动员的CNV波幅显著大于非运动员。这一来自CNV的研究显示，尽管在运动准备期CNVs 和 MRCPs具有相似的波形，但是却显示出与MRCPs相反的神经效益模式。CNVs 和 MRCPs出现这种差异的原因可能有2种解释：一是CNVs和MRCPs的发生器（generators）不同。先前的研究表明，前额皮层、眼窝前额皮层、SMA、PM、 MI、 SI、扣带回、颞叶、顶枕区、脑岛和皮层下结构（基底神经节和丘脑）[16-19]和CNVs的产生相关。这也就是说，CNVs和MRCPs的差异主要是因为CNV发生器不仅包括运动相关皮层，而且还包括和高级认知加工过程相联系的几个区域。例如，前额皮层、颞叶和顶枕区，而MRCPs的发生器只包括运动相关皮层。第2个可能的原因是CNVs 和 MRCPs研究使用的是不同的运动员群体。这些研究对象既有运动员群体差异，又有运动项目、经验水平、年龄、性别和国籍之间的差异。因此，未来的研究应该记录同一群体运动员的CNVs 和 MRCPs来进一步证明这些现象产生的原因。

1.3 慢电位

使用大脑慢电位（slow potentials，SPs）的研究已经证实了步枪射击和打高尔夫球的运动准备期，运动员认知心理、生理加工过程和大脑活动之间的关系。步枪运动员在射击中采取站立的姿势，使用时间锁时（time-locked）EEG记录SPs。SPs 和MRCPs在记录时段和任务要求上存在差异。在扣动扳机前6～10 s分析SPs，而MRCPS是在肌电产生前的2～3 s记录的。记录SPs的优势在于它们比MRCPS有更长的持续时间，并且它们是与运动输出和感觉输入即刻的加工过程相关的ERPs。在基线出现之前持续增加的SPs负电位是运动准备的反应，而不断增加的正电位则反映了神经肌肉活动的抑制过程。

芬兰Konttinen等[20]的研究证实了优秀射击选手和一般选手SPs的差异。优秀射击选手在步枪射击的运动准备期身体摇摆幅度较小，在前额电极（Fz）正电位更大，而一般选手在中央电极（C3和 C4）存在单侧性负电位变化。这些研究结果暗示了优秀射击选手和一般选手运动认知加工过程的差异。

1.4 解剖学研究

神经生理学和神经影像学研究已经表明，人类在通过短期的运动技能训练，就会产生大脑运动相关皮层区域的神经激活。另外，研究运动员和非运动员大脑结构的差异对于检测神经可塑性和长期训练的效应是较为常用的。

Park等[21]研究19名男性篮球运动员和20名非运动员的全脑容量和全部及相关的皮层容量，没有发现任何组间差异，但是，随后对同一被试进行了额外的分析发现，篮球运动员比非运动员有更发达的小脑蚓部小叶（vermian lobules）VI-VII（小坡、叶片、结节）。这些研究结果表明，长期的运动训练和运动技能操作可能调节人类小脑蚓部小叶的结构可塑性。

运动员大脑的解剖学结构的推断很多都是由对音乐家的大脑研究得来的。有研究表明，音乐家和非音乐家的胼胝体结构、脑回、额下回（IFG）、颞平面（PT）、 布罗卡区和小脑存在结构差异。另外，Amunts等[22]报告右利手键盘手有一个MI的左右半球对称，在中央沟边缘、中央前回的后囟壁比非音乐家长。

实际上，通过比较大量的关于音乐家大脑特点的解剖学研究就会发现，能证明运动员大脑特点的研究结果很少，所以，未来的研究应该进一步弄清楚运动员由于长期训练造成的大脑结构的变化。例如，和足球运动员的脚有关的MI 和 SI的大脑结构是怎样的？类似这样的问题应该研究。

2 运动员大脑对外部刺激的反应电位

在该部分我们将比较运动员和非运动员对外部的视觉，躯体感觉、听觉刺激等的大脑反应。目前多数的研究已经使用EEG获得了刺激开始后的感觉诱发电位（sensory evoked potentials，EPs）。一般来说，人们很容易假设运动员和非运动员的波幅和潜伏期的差异，然而，这种差异却并不总能被观察到。

2.1 视觉诱发电位

视觉诱发电位（visual evoked potentials，VEPs）可以用来研究中枢视觉通路的视觉认知加工过程。一些论文已经报告了运动员和非运动员VEPs的波幅和潜伏期的差异。Delpont等[23]记录了24名网球运动员、24名皮划艇选手和24名非运动员（控制组）的VEPs。结果表明，网球运动员比控制组和皮划艇选手的P100潜伏期短，并且对24名壁球运动员的实验研究也得到了类似的结果。这些结果表明，球类运动的长期身体训练调节着视觉认知加工过程。另外，对击剑运动员的研究也得出了类似的结果[24]，而Magnié等[25]的研究却发现自行车运动员和非运动员之间的VEPs没有显著性差异。

zmerdivenli等[26]比较了9名女性和7名男性排球运动员及9名女性和7名男性非运动员的VEPs。结果发现，女性运动员和非运动员的N145成分的峰潜伏期和P100成分的峰波幅存在显著性差异。Del等[27]研究了17名专业空手道运动员、14名业余运动员和15名非运动员在观看篮球图片和空手道攻击图片时的VEPs。结果显示，非运动员在观看2种图片之后（刺激后300～800 ms）的晚VEPs成分没有显著性差异。业余空手道运动员在空手道攻击图片刺激后的300～450 ms的VEPs波幅显著低于篮球图片刺激后的波幅。专业空手道运动员在观看空手道攻击图片刺激后的300～450 ms的VEPs的波幅比观看篮球图片刺激后的波幅出现了更为显著的降低，但是在刺激呈现后的800 ms却出现了更大的升高。以击剑和空手道攻击图片为刺激材料的10名击剑运动员的研究结果也与此类似。

这些研究结果表明，优秀运动员（球类、击剑、空手道）视觉认知加工的神经活动受视觉通路的调节，这种神经调节机制或许是因为某些运动项目的特殊要求。皮划艇和自行车项目并不要求对视觉刺激的快速反应，所以，在研究中并没有发现这种调节机制。

2.2 躯体感觉诱发电位

时间锁时EEGs对躯体感觉刺激的评价，是研究人类躯体感觉系统的有效方法之一。例如，躯体感觉诱发电位（somatosensory-evoked potentials，SEPs）是电刺激之后的末梢神经电位。当正中神经在手腕被刺激时，短潜伏期的电位就能够在大脑的皮质下区域产生，这些电位是潜伏期20 ms左右出现的负波N20[28]。

Murakami等[29]分析了7名足球运动员、手球式墙球和非运动员的SEPs、脊髓SEPs和高频振动（HFOs）。HFOs是在500～800 Hz带通滤波器（bandpass filter）的条件下记录的，HFOs起源于SI的布罗德曼氏区3b（Brodmanns area3b），是由丘脑投射纤维的突触前活动和3b区的中间神经元抑制活动构成的[30]。对足球运动员后囟胫骨神经刺激诱发P37-N45成分的波幅显著大于非运动员，而手球式墙球运动员由正中神经刺激诱发的N20-P25成分的波幅也显著大于非运动员。足球运动员起源于囟胫骨神经的HFOs的负峰数量和手球式墙球运动员起源于正中神经的HFOs的波幅显著大于非运动员，而脊髓SEPs在3组间没有显著性差异。

这些研究表明长期的运动训练所导致的躯体感觉皮层的可塑性变化与运动项目有关，而且运动员的这些变化主要集中在初级躯体感觉皮层（SI）的3b区，在脊髓水平并没有出现这些变化。另外，还有3个针对音乐家的躯体感觉加工过程的研究，这些研究使用EEG技术和MEG（脑磁图）技术记录了SEPs。

上述研究表明，长期的运动训练导致手部SI特定代表区发生神经可塑性变化。未来的研究应该着眼于解决运动员躯体感觉加工过程的争议问题。首先，目前大量的研究仅集中产生于SI 3b区的SEPs的N20成分上，并没有分析P25、N35、P45、N60和前额N30这些成分，未来研究应该进一步分析运动员与非运动员在这些成分上是否存在差异。第二，未来的研究应该探寻二级躯体感觉皮层（SII）的特点，因为SII与注意、决策、痛觉和非痛觉信息的整合输入等更高级的认知功能有关。第三，虽然前面的一些研究已经使用MEG探寻了音乐家的手指SI特定代表区，但是没有任何研究对运动员的这种大脑皮层代表区进行功能定位，这有待于今后进一步研究。

2.3 脑干听觉诱发电位

脑干听觉诱发电位（brain-stem auditory evoked potentials ，BAEPs）被用来评价脑干的听觉和临床状态，特别是对有听力损耗危险的婴儿。这些电位变化可以在听觉刺激开始后10ms左右被记录到，它们是由5个波构成的。BAEPs的发生器包括耳蜗神经起始端的I波，耳蜗神经和耳蜗核的颅内部分的II波，梯形体III波及横向圆角的IV 波和V波。经文献检索可知，目前仅有2个研究比较了运动员和非运动员的BAEPs。

Martin等[31]首次报告了运动员的BAEPs，他们以24名网球运动员、24名皮划艇选手和24名非运动员为研究对象，测量了潜伏期、峰间潜伏期（IPLs）和波I-V的波幅。结果表明，网球运动员和划艇运动员的波III-V的潜伏期比非运动员短，潜伏期变短表明上级橄榄复合体的突触传导时间变短，说明BAEPs和运动训练有关。

我们建议未来的研究要想探寻运动员和非运动员的可能的神经加工机制，必须将BAEPs的中、长潜伏期，特别是N100 （N1）成分和脑干结合起来进行分析。N1成分出现在听觉刺激呈现后的100 ms，分布在头皮前额中央，与更高级的听觉加工过程的神经活动有关。今后应当加强对运动员和非运动员的听觉皮层反应的研究，因为听觉信息加工在感知运动技能操作中扮演着重要的角色，特别对于诸如跳舞及球类运动等运动项目更是如此。

3 采用高时间、空间分辨率技术研究运动员的大脑

3.1 EEG光谱功率

对于气手枪、步枪、射箭、飞镖等运动项目而言，在应激情境下如何在“预射”期将注意集中在靶子上对于获得最佳运动成绩至关重要。EEG采集到的光谱功率（EEG spectral power）可以用来研究射击、射箭等活动预射期的神经活动。一般来说，在运动准备期和随意的自定节奏的运动执行期alpha （大约8～12 Hz）和beta（大约14～30 Hz）频段在感觉运动皮层区的振幅减小。这一现象与事件相关去同步化作用（event-related desynchronization，ERD）有关。特别是alpha节律（alpha rhythms）已经被认为是运动员认知加工过程的重要指标。预射期枕叶的alpha功率反应为我们提供了射击操作要求的视觉信息加工数量的重要指标。

一些EEG光谱功率的研究已经发现运动员和非运动员之间的差异。Del等[32]研究了18名气手枪和10名非运动员的气手枪射击操作，结果发现在整个头皮区域，运动员比非运动员的低频和高频alpha 事件相关去同步化波幅小，运动员高分射击的高频alpha 事件相关同步化（event-related synchronization，ERS）波幅比得低分射击的波幅大。这些差异在其他任务中也得到了证实，例如步枪射击、表象高尔夫推杆入洞过程，睁眼或闭眼安静站立及观看录像等。

建议今后的研究应该使用生物反馈技术来提高新手（非运动员）的运动信息加工能力。例如，Babiloni等[33]对专业高尔夫运动员在推杆入洞时的EEG光谱功率进行了分析，结果发现成功的推杆动作在右手和手臂初级感觉运动区的前额中线位置的高频alpha功率（10～12 Hz）比不成功的推杆动作的更小，而且alpha功率下降的幅度越大，不成功的推球动作错误就越少。这一研究结果说明，对于新手而言也能够使用alpha功率来评价他们的操作绩效。因此，使用EEG光谱功率的生物反馈帮助提高训练期间新手的操作绩效是今后比较有意义的研究方向。

3.2 事件相关电位

事件相关电位（event-related potentials ERPs，ERPs）是测量具体信息加工过程大脑神经元活动的直接方法。ERPs的波幅和潜伏期在头皮部位的变化反映了个体在实验条件下的神经元功能，而且多数个体的ERPs是相当稳定的。ERP技术最大的优势是具有较高的时间分辨率，可精确至毫秒级，能够准确地在线显示认知活动在不同时间进程中的脑功能活动状态。

在ERP的研究中，头皮顶区分布的P300或 P3b成分是最重要的，因为它们和上下文更新和终止及事件分类的认知加工过程相关。在“oddball”范式中，P300产生于靶刺激呈现之后的300～600 ms（“oddball”范式是指靶刺激按照一定的比例在随机的标准刺激序列中出现），在标准的“oddball”范式中，通常靶刺激和非靶刺激出现的比率分别是20% 和80%，P300波幅相当于注意资源对给定任务分配的数量，而潜伏期被认为是对刺激分类速度或刺激评价时间的测量，一般与选择反应加工过程无关。对于脑损伤病人及颅内记录和非侵入式记录的研究已经证明，产生P300的脑区分布甚广，例如PFC、丘脑、颞顶结合处、海马、ACC及颞叶等。

其中有一些研究比较了运动员和非运动员之间P300的特点。Iwadate 等[34]比较了7名足球运动员和7名非运动员的躯体感觉ERPs，结果表明：在完成下肢“oddball”任务时，运动员和非运动员相比P300波幅较大，潜伏期较短，而在完成上肢“oddball”任务时，没有组间差异，这说明长期的运动训练导致了运动员躯体感觉认知加工过程的可塑性变化。Nakamoto等[35]使用“go/no-go”任务范式，结果发现棒球运动员在“no-go”试验中的P300波幅在前额电极（Fz）（被认为反映了抑制反应的程度）比控制组大。“go/no-go” 范式广泛用于研究运动反应执行和抑制过程的神经机制。在这个范式中，被试产生了对靶刺激的反应同时抑制了对非靶刺激的反应。研究者认为，棒球运动员的大脑具有更强大的抑制功能，能够尽快地终止与任务无关运动。

杨爱华等[36]采用线索提示任务范式，比较了一般大学生和二级乒乓球运动员的ERP特征。结果表明，乒乓球运动员比一般大学生大脑视觉信息加工速度快，对左右两侧的视觉刺激保持了同样的敏感性，对侧脑区P1、N1波幅更大，潜伏期更短。

赵洪朋等[37]以国家散打一、二级运动员（专家组）与选修散打课的大学生 （新手组）为被试，记录被试完成不同难度特征搜索任务的反应时和ERP。结果显示，专家组特征搜索速度明显快于新手组，特定脑区诱发的P1潜伏期比新手组短，N1波幅显著大于新手组，不同任务难度间N1波幅具有显著性差异，难度越大N1波幅越大。笔者认为，专家组在特征搜索时具有速度快的特点，主要与其大脑皮层顶区、枕区激活时程较短、付出的心理能量较多有关，并且采用了以追求速度为主的反应策略。

张玉慧等[38]记录了国家乒乓球女队（6名国际健将组）和上海体育学院乒乓球队（12名二级运动员）在乒乓球发球旋转决策判断过程中的ERP特征。结果表明：二级运动员激活程度高、范围大、持续时间更长，在发球判断过程中，国际健将组完成认知活动是一种节省模式，表现为动用大脑枕区和顶区资源较少，效率更高。这一结果与前面赵洪朋等人的研究不一致，其原因可能是由于运动项目、任务难度、认知加工过程及被试的运动水平等方面的差异导致的。

这些ERP研究表明，通过长期的运动训练加强了要求快速决策和特殊注意项目运动员神经网络联系并产生神经元的可塑性变化。所以，神经元调节机制或许依赖于运动项目类型。

3.3 功能磁共振

大多数的功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）实验是基于血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent，BLOD）的对比原理，是研究脑功能成像的强有力工具，与ERP技术相比，具有较高的空间分辨率。目前，fMRI已经被广泛用于各种神经加工过程的研究，研究范围涉及初级感觉和运动皮层的活动，以及包括注意、学习、记忆在内的认知功能的研究。使用fMRI的一些研究已经证明了运动员大脑的特点，下面进行简要的评述。

当要求完成一个动作时人们经常观察和模仿别人的动作，这个现象表明观察一个动作对操作有利。对猴子使用单一神经元记录的研究和对人类使用fMRI和MEG的研究，已经发现观察和模仿学习的神经机制与镜像神经系统（mirror neuron system，MNS）有关。最近的fMRI研究已经报道了运动员MNS的特征。Calvo-Merino等[39]在其实验中，研究了10名专业芭蕾舞者、10名卡波卫勒舞者和10名非运动员观看芭蕾或卡波卫勒舞视频时的fMRI。结果发现，芭蕾舞者在观看芭蕾视频比在观看卡波卫勒舞视频时的MNS的激活程度更大，而卡波卫勒舞者则出现了相反的结果。这说明个体的运动项目影响了MNS。

Kim等[40]研究了8名世界级射箭运动员和8名非运动员在射箭前准备阶段神经网络差异。fMRI数据结果表明，运动员瞄准时枕叶和颞叶脑回被激活，而新手主要在额叶被激活。而且运动员和非运动员在ACC和后囟扣带回都被激活。这2个关于运动预期（motor planning）的研究表明，长期的运动训练可导致神经网络的有效组织，并过滤掉不相关的信息，而没有运动经验的非运动员则很难排除这些不相关的信息。

梁东梅等[41]使用空白棋盘、随机棋盘和残局3种任务刺激，研究了6名大师级中国象棋运动员和7名一级棋士在逻辑推理、空间工作记忆和运动控制等方面的差异。fMRI数据显示，大师级运动员在右侧中央前、后回和左侧额叶上、中回有范围更广、程度更高的脑区激活，而一级棋士在右侧枕叶上回激活程度更高。这一结果显示了高水平运动员在激活脑区和激活程度上不同于一般选手的特征。

fMRI技术能够帮助我们更好地理解运动员和非运动员大脑的重要差异。从方法学上支持了运动员动作观察和运动程序制定的神经机制。未来需要进一步研究包括运动员认知和运动加工活动的各种神经网络。

3.4 经颅磁刺激

运动皮层的经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS） 是通过直接刺激皮质脊髓的神经元产生短潜伏期的兴奋反应，对上肢和下肢施以阈上强度刺激并使用肌电图记录反应可以得到运动诱发电位（motor evoked potentials，MEPs），最早是由Barker等[42]1985年使用的。使用TMS引起的运动诱发电位可以得到大量关于大脑皮层功能的信息，并且TMS脉冲磁场可以暂时地引起特定脑区的兴奋或抑制；因此，这种技术可以广泛应用于认知神经科学的多个领域，比如，知觉、注意、学习、可塑性、语言和意识。

Fourkas等[43]使用TMS研究了8名网球运动员和非运动员在表象网球正手击球、乒乓球正手击球和高尔夫推球动作时的心理过程。结果表明，专家在对训练过的动作（如网球正手击球）的表象期间，皮质脊髓易化（facilitation）过程增加，而对没有训练过的动作（如乒乓球正手击球和高尔夫挥杆击球）就没有这种现象，并且非运动员没有这种跨运动项目的差异。

Aglioti等[44]报告了10名篮球运动员、10名专家观察者（包括5名教练员和5名体育记者）、10名非运动员在观察投篮过程中的MEPs波幅。结果表明，运动员和专业观察者的皮质脊髓兴奋性增加，但是在观察踢球和静态图像过程中却没有出现这种变化。他们认为，运动员和专业观察者在观看与他们的专业运动或视觉经验相关的运动动作时，他们的运动系统才被激活。而专业运动员在观察没有投进的动作时，比投进的动作产生更大的MEPs波幅，这说明运动员的运动易化是基于投篮手肌肉的。

目前，rTMS（重复经颅磁刺激）已经表现出对人类行为的各种各样的作用，例如对治疗帕金森疾病、抑郁症、肌张力障碍的治疗和疼痛控制等。认知神经科学领域也开始使用rTMS来研究是否特定的脑区对任务操作起作用，因为它能够逆向地干涉正常大脑活动。

例如刘运洲等[45]在二级以上运动员大脑左侧初级运动皮层（M1区）施加不同刺激数量（500次、1000次、1500次）的rTMS（频率为1 Hz，强度为80%RMT），分别测试刺激前、刺激结束后即刻、刺激结束后30、60、120 min时的MEPs振幅。结果发现，1 Hz、80%RMT、1 500次的rTMS能较好地降低运动皮层兴奋性，其后效应持续的时间大于60 min小于120 min，可作为使用rTMS降低运动员赛前焦虑的刺激参数。

罗光霞等[46]在运动年限为6～9年体校学生左侧前额叶背外侧施加20 Hz、90%RMT、3000次rTMS（持续5 s，间隔55 s），分别测试刺激前、后的自评兴奋度和脑电（EEG）。结果发现，在被试左侧前额叶背外侧施加20 Hz、90%RMT、3 000次rTMS（持续5 s、间隔55 s）能够提高被试的兴奋性，rTMS刺激后额部α波、β波和中央部β波的活动增强，顶部θ波和枕部δ波、θ波的活动减弱。

在未来的研究中，运动学家应该在学习和控制运动技能方面拓宽TMS的应用范围，rTMS可能会为研究运动员大脑灵活的神经适应性提供有价值的信息。

4 小结与展望

运动员大脑的研究表明，运动相关活动和高级认知加工过程是受到长期感知和运动训练灵活调节的。这些研究结果表明，人类大脑的神经活动具有可塑性，而且不同的运动项目要求不同的运动认知活动；因此，研究不同项目运动之间的差异及大脑结构、功能与训练强度、时间之间的相关性可能是未来的研究方向。要证实这种现象的神经机制，势必要借助神经生理学和神经影像学的发展。

参考文献：

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