不同类型运动项目对运动员大脑结构可塑性变化研究

吴 殷，张 剑，曾雨雯，沈 城



不同类型运动项目对运动员大脑结构可塑性变化研究

吴 殷，张 剑，曾雨雯，沈 城

采用功能磁共振成像技术，基于体素形态测量学，比较了13名羽毛球运动员、13名篮球运动员和16名非运动员的大脑灰质结构差异。结果表明，运动员在双侧中央前回、左侧顶下小叶、中央后回、眶额回、颞上回灰质体积显著大于非运动员，显示长期的运动训练会对不同运动项目的运动员大脑产生相似的可塑性变化。羽毛球运动员相比于篮球运动员在左侧额下回、左侧顶上小叶、左侧楔前叶灰质体积有显著增大；篮球运动员相对于羽毛球运动员在颞下回、左侧额中回、左侧额下回、扣带回中部、脑岛灰质体积差异显著，显示不同运动项目运动员大脑结构存在运动项目特异性。

可塑性；体素形态学；运动项目；大脑结构

前言

体育运动不仅要求运动员有很强的运动技能水平，也需要有很好的认知能力。研究显示，优秀运动员较非运动员具有更好的认知能力，并且，优秀运动员的良好表现与其认知能力紧密相关。长期运动训练使优秀运动员与非运动员大脑的结构和功能上存在什么样的不同？功能磁共振技术(以下简称“MRI”)的发展提供了测量大脑结构的工具，从而可以发现长期运动训练对运动员大脑产生的可塑性变化。

人类大脑具有可塑性，其结构和功能会随着环境的变化而产生适应性的改变[5，26]。运动技能学习可诱导局部脑组织结构的变化，而且技能学习强度和内容也会影响脑组织结构的变化。这一观点已被广泛的科学实验证明，典型的研究对象包括伦敦出租车司机、音乐家、舞蹈家等[11，17，21，22]。

当前，运动员的运动专长对大脑功能和结构的可塑性影响已经受到了越来越多的关注。由于运动员通常从小就进行长期运动训练。因此，运动员的大脑为研究者提供了研究大脑神经结构可塑性的机会[23]。研究显示，长期运动训练会造成运动员的大脑结构产生适应性变化。例如，Park等人的研究表明，运动员和非运动员的总体脑容量和小脑容量并没有显著性差异，但长期训练会导致篮球运动员具有更大的小脑蚓体小叶VI-VII[24，25]。魏高峡等人发现，跳水运动员相比对照组在丘脑和中央前回的灰质密度明显增大[33]。熟练的高尔夫球运动员在前额叶-顶叶网络，包括运动前区和顶叶的脑区具有更大的灰质体积[18]。

不同类型(单人对抗和团体对抗)运动项目对大脑结构的影响却较少有人关注。一方面，单人和团体对抗性项目对运动员的动作技能水平和视觉知觉能力都有很高的要求，长期的运动训练会造成运动员大脑可能产生相似的可塑性变化，存在共通性；另一方面，由于单人对抗项目和团体对抗项目的运动环境有所不同，对认知能力和认知方式的要求也不同，长期训练会造成不同类型的运动员大脑结构有所差异。由此提出假设：不同类型运动项目运动员的大脑结构既存在共通性，也存在特异性。

为了验证该研究假设，本研究使用MRI对13名羽毛球运动员(单人项目)、13名篮球运动员(团体项目)和16名非运动员的大脑结构进行研究，采用基于体素的形态测量学(以下简称VBM)比较3组被试大脑局部的灰质结构差异。

1 研究方法

1.1 被试

13名国家二级篮球运动员、13名国家二级羽毛球运动员和16名年龄匹配的非运动员参与本研究。所有被试都是右利手，男性。运动员被试从上海体育学院篮球队和羽毛球队招募，篮球运动员平均年龄19.6±1.3岁，平均训练年限6.4±1.9年，羽毛球运动员平均年龄20.2±1.0岁，平均训练年限7.8±2.4年。非运动员被试均为上海体育学院的普通在校大学生，都没有接受过专业的篮球、羽毛球或者其他项目的专项训练，平均年龄为19.3±1.8岁。所有被试身体健康，双眼视力正常或矫正后正常。本实验是单盲实验，试验程序经过本校伦理委员会的批准，本校的伦理委员会章程与1964年赫尔辛基宣言的伦理标准一致，所有被试都签订了知情同意书。

1.2 实验仪器和参数

本实验在华东师范大学功能磁共振成像中心完成。采用西门子3.0T全身磁共振成像仪对3组被试的大脑结构像进行采集。扫描序列为T1-权重3维梯度回波序列，扫描参数为：TR=2 530 ms；TE=2.34 ms；FA=7°； FOV= 100 mm；像素矩阵=256×256，扫描层数196层； 体素大小=1×1×1.5 mm。

1.3 结构像预处理

采用VBM技术对结构像进行分析。通过该技术，可以对整体或局部的大脑灰质体积差异进行完全自动化的计算分析。本研究在MATLAB 平台下，采用基于SPM8的VBM8工具包对结构像进行预处理。预处理过程包括：1)将原始图片标准化匹配至蒙特利尔神经学研究中心(MNI)的标准模板，然后根据模板，将标准化后的图片切割成灰质、白质和脑脊液3种图片。将所有被试的灰质、白质和脑脊液图片平均，形成新的灰质、白质、脑脊液模板。2)根据上一步制作而成的灰质、白质、脑脊液模板，重新将原始图片进行标准化。这样就避免了脑外体素的进入，从而对灰质、白质进行最佳的空间标准化。标准化结束后，根据模板继续切割成灰质、白质和脑脊液。3)对分割出来的灰质图像进行平滑，参数为6 mm的全宽半高值(Full Width at Half Maximum， FWHM)。通过VBM预处理之后，可得到高分辨率的解剖图像(体素大小，1 mm3)，从而可在全脑内对灰质结构进行局部的差异分析。

1.4 统计分析

采用SPM8中的单因素方差分析比较3组被试的灰质体积差异(P<0.001，Voxel>10，不矫正)，并分别对3组被试进行两两比较，从而发现每两组之间的局部灰质差异(P<0.001，Voxel>10，不矫正)，然后采用联合分析找出羽毛球运动员>非运动员且篮球运动员>非运动员的共同激活脑区，从而可以反映长期羽毛球运动或者篮球运动对运动员大脑结构造成的相似影响。选取标准为：在以上两个比较中选取P<0.01且Voxel>10的脑区，统计结果最后在标准空间(MNI)的3D图像上进行投影显示。

2 研究结果

2.1 羽毛球运动员、篮球运动员和非运动员3组间的大脑结构差异

方差分析结果显示，3组被试主要在右侧眶额回、左侧中线额回、双侧额下回、左侧楔叶等脑区的灰质体积存在显著差异(表1，图1)。

表1 本研究羽毛球运动员、篮球运动员和非运动员3组被试之间的灰质差异一览表Table 1 Comparison of Gray Matter Volume between Three Groups of Subjects

图1 本研究羽毛球运动员、篮球运动员和非运动员3组间灰质差异示意图Figure 1. Comparison of Gray Matter Volume between Badminton Players,Basketball Players and Non-athletes

2.2 羽毛球运动员与篮球运动员的大脑结构相似性

2.2.1 羽毛球运动员与非运动员之间主要的灰质差异

羽毛球运动员与非运动员的两两比较结果显示，相比非运动员，羽毛球运动员主要在右侧中央前回、右侧眶额回、左侧额上回、左侧顶下小叶和左侧楔前叶在灰质体积上有显著增大(表2，图2)。

表2 本研究羽毛球运动员与非运动员之间灰质差异一览表Table 2 Comparison of Gray Matter Volume between Badminton Players and Non-athletes

图2 本研究羽毛球运动员与非运动员之间灰质差异示意图Figure 2. Comparison of Gray Matter Volume between Badminton Players and Non-athletes

2.2.2 篮球运动员与非运动员之间主要的灰质差异

进一步在全因素分析中，比较篮球运动员与非运动员的灰质差异。发现篮球运动员主要在右侧眶额回、左侧顶下小叶、左侧颞上回、左侧中央前回、左侧脑岛灰质体积显著增大(表3，图3)。

表3 本研究篮球运动员与非运动员之间灰质差异一览表Talble 3 Comparison of Gray Matter Volume between Basketball Players and Non-athletes

2.2.3 羽毛球运动员、篮球运动员与非运动员之间的共同灰质差异

本研究采用联合分析，找出羽毛球运动员>非运动员且篮球运动员>非运动员的共同激活脑区，选取标准为：在以上两个比较中选取P<0.01且Voxel>10个体素的脑区。结果发现，相比于非运动员，羽毛球运动员和篮球运动员在中央前回、中央后回、左侧顶下小叶、右侧眶额回、左侧颞上回灰质体积显著增大(表4)。

图3 本研究篮球运动员与非运动员之间灰质差异示意图Figure 3. Comparison of Gray Matter Volume between Basketball Players and Non-athletes

表4 本研究羽毛球运动员与篮球运动员大脑结构相似处一览表Table 4 Similarity in Brain Structure between Badminton Players and Basketball Players

2.3 羽毛球运动员与篮球运动员大脑结构的差异

羽毛球运动员与篮球运动员的两两比较结果显示，羽毛球运动员组相比于篮球运动员组在左侧额下回、左侧顶上小叶、左侧楔前叶灰质体积有显著增大；篮球运动员相对于羽毛球运动员在颞下回、左侧额中回、脑岛灰质体积显著增大(表5，图4)。

表5 本研究羽毛球运动员与篮球运动员之间的灰质差异一览表Table 5 Comparison of Gray Matter Volume Between Badminton Players and Basketball Players

图4 本研究羽毛球运动员与篮球运动员之间灰质差异示意图Figure 4. Comparison of Gray Matter Volume Between Badminton Players and Basketball Players

3 研究讨论

本研究的目的在于探究不同运动项目运动员相对于普通人群大脑结构差异的共同部位以及不同运动项目运动员之间大脑结构的差异，从而发现长期运动训练对运动员大脑产生的可塑性变化。本研究主要发现：1)羽毛球组相对于非运动员组在右侧中央前回，眶额回、左侧额上回、左侧顶下小叶和左侧楔前叶在灰质体积上有显著增大；篮球运动员组相对于非运动员组在右侧眶额回、左侧顶下小叶、左侧颞中回、左侧中央前回、左侧脑岛灰质体积显著增大。通过分析找出羽毛球运动员>非运动员且篮球运动员>非运动员的共同激活脑区，发现在双侧中央前回，左侧顶下小叶，右侧中央后回，右侧眶额回，左侧颞上回灰质体积显著增大。2)羽毛球运动员组相比于篮球运动员组在左侧额下回、左侧顶上小叶、左侧楔前叶灰质体积有显著增大；篮球运动员相对于羽毛球运动员在颞下回、左侧额中回、脑岛灰质体积差异显著。

3.1 羽毛球运动员和篮球运动员大脑结构中的共通性

通过分析发现，两组运动员在颞上回灰质的增加，颞上回被认为与运动感知能力有关。Beauchamp以及Grossman研究了被试在观察复杂的视觉运动以及点光源运动时大脑的反应的部位发现，颞上回会参与到运动的感知[4,14]。还有研究表明，颞上回与意图分析和动作理解有关。Wyk等人的研究表明，在观看他人动作并判断意图图片任务时，右侧颞上回显著激活[35]，说明右侧颞上回会影响被试感知和理解他人动作的行为。Saygin研究了一侧中风病人对于生物运动的感知和理解，通过基于体素的形态学测量方法发现颞上回和前额叶运动前区的损害会严重影响一侧中风病人对生物运动的感知和理解[28]。已有的这些研究都说明，颞上回对运动感知与动作意图分析与理解的重要性。对专业运动员来说，在比赛和训练中，对他人或物体运动的感知与意图理解是非常重要的，这往往是决定比赛的关键因素，是优秀运动员必备的素质。因此，两组运动员相比普通人在颞上回灰质体积的显著增大。

相比非运动员，两组运动员在眶额叶皮层灰质体积上都有增加。有研究表明，眶额叶皮层会参与到视觉预期的过程。视觉预期是一种运用视觉信息的部分资源和先行资源对即将发生的事件进行预测的能力。Eger等人的研究表明，预期可以促进个体对物体的识别，而这一加工过程是由双侧眶额叶皮层控制的[10]。Summerfiel进一步指出，在双侧眶额叶皮层区关联性信息促进了最初猜测预期的形成，这主要是因为双侧眶额叶皮层在多个刺激间的联系以及信息检索中发挥了十分重要的作用。此外，Summerfield 等认为，双侧眶额叶皮层区并非独立地影响视觉预期，它还和其他脑区共同作用[31]。魏高峡等人的研究也发现了运动员大脑结构与普通人的差异，专业跳水运动员相比普通人群在眶额叶皮层的皮层厚度显著增加[34]。

相比于非运动员而言，两组运动员在中央前回和中央后回的灰质体积都显著增大。已有研究表明，长期的运动训练会造成中央前回和后回的灰质密度增加[2]。初级运动区位于中央前回，与运动控制有密切关系。躯体感觉区位于中央后回，在运动中也发挥着重要作用。

两组运动员大脑相比非运动员在顶下小叶灰质有增加。Huang等通过比较顶级体操运动员和非运动员的大脑结构也发现，顶级体操运动员相对于普通人群在双侧的顶下小叶灰质体积显著增大[16]，说明长期专业的运动训练会引起顶下小叶的灰质体积增大。Fogassi等人有关于猴子的动物实验报告了顶下小叶对执行特定的动作做出反应的神经元在仅有动作意图的情况下也出现放电反应[12]。以人为被试的神经影像学研究报告了顶下小叶在对动作观察[6,8,13,15]和动作模仿[7,27,32]时均表现出激活，这暗示顶下小叶可能是人类识别和模仿他人行为和姿势的神经基础。顶下小叶皮层灰质增加可能使运动员在对抗中能够动用该系统中的更多神经元，从而能够较好地理解对方姿势和行为中包含的信息，为下一步动作做好准备，最终在预判活动中表现优异。

3.2 不同运动项目运动员大脑结构具有项目特异性

通过比较篮球运动员和羽毛球运动员的大脑结构数据发现，两组运动员在大脑结构上有显著差异。相对于篮球运动员，羽毛球运动员在左侧顶上小叶灰质显著增大。有研究表明，顶上小叶与对侧上、下肢的精巧技能运动有关，它辨别肌肉主动收缩的程度，分辨触觉，区分所感受的压觉，辨别运动方向和肢体在空间的位置。当顶上小叶脑区损伤时，感知空间位置、运动方向以及肢体在空间的位置的能力会受到破坏[3，20，29]。这个差异应该与项目差异有关，因为羽毛球相对篮球运动而言是一项对上、下肢精巧运动控制要求更高的运动，在羽毛球运动中，更多的运用到手腕、手指，挥拍的力量和方向上的控制要更为精确和严格。此外，在左侧楔前叶上，羽毛球运动员较于篮球运动员灰质体积也是增大的。罗跃嘉等人的研究表明，楔前叶对于手指运动的精细控制有积极作用[19]，也体现了羽毛球运动对于精细运动控制的要求的特点。篮球运动员相对于羽毛球运动员在颞下回灰质有显著差异，研究表明，颞下回接收处理视觉信息，在人脸识别和物体识别上有重要作用[9]，这可能与篮球是一项团体对抗运动有关，需要处理来自视觉的判断信息和队友间的配合。在额中回灰质体积也有差异。研究表明，额中回与执行功能有关，之前有研究表明，乒乓球运动员与中长跑运动员在执行功能上存在差异[1]，可能体现了不同项目之间的差异性。篮球运动员比羽毛球运动员在脑岛的灰质体积更大。有研究表明，脑岛通过预测运动员将来的感觉在运动中发挥作用。Simmons等人认为，运动员拥有高度协调的脑岛，它可以极其精确地预测身体在下一刻的感觉[30]。篮球运动员对传球线路的预判，对对手进攻的方向、策略以及与队友的跑位配合需要更强的预测功能配合实现，因此，可能造成其比羽毛球运动员的脑岛灰质体积更大。

4 结论

不同运动项目运动员大脑结构存在项目差异，这与不同运动项目的特点有关。在非运动员与运动员的比较中，再次证明了通过长期训练可以改变与运动相关的大脑结构，大脑具有结构上的可塑性。

篮球和羽毛球运动员不仅在运动认知能力与运动技能能力上表现出运动专项的优势，且在相应的大脑结构上显现出与普通人的差异；羽毛球运动员需要更精确的运动控制，篮球运动员需要更全面的观察能力，他们大脑相关灰质结构也表现出相应的改变。本研究表明，长期运动训练可以改变运动相关大脑结构，大脑具有结构上的可塑性。

[1]陈薇.不同项目运动员执行功能的比较研究[D].上海：华东师范大学硕士学位论文,2012:35-37.

[2]魏高峡，罗劲，李佑发.基于体素的优秀跳水运动员大脑结构性特征研究[J].自然科学进展,2009,19(7):718-723.

[3]BAUMGARTNER F,HANKE M,GERINGSWALD F,etal.Evidence for feature binding in the superior parietal lobule[J].Neuro,2013,68(3):173-180.

[4]BEAUCHAMP M S,LEE K E,HAXBY J V,etal.fMRI responses to video and point-light displays of moving humans and manipulable objects[J].J Cogn Neurosci,2003,15(7):991-1001.

[5]BLAKEMORE S J,FRITH U.The learning brain:lessons for education:a précis[J].Dev Sci,2005,8(6):459-465.

[6]BUCCINO G,LUI F,CANESSA N,etal.Neural circuits involved in the recognition of actions performed by nonconspecifics:an fMRI study[J].J Cogn Neurosci,2004,16(1):114-126.

[7]CHAMINADE T,MELTZOFF A N,DECETY J.An fMRI study of imitation:action representation and body schema[J].Neuro Psych,2005,43(1):115-127.

[8]CHONG T T J,WILLIAMS M A,CUNNINGTON R,etal.Selective attention modulates inferior frontal gyrus activity during action observation[J].Neur,2008,40(1):298-307.

[9]CREEM,SARAH H,PROFFITT,etal.Defining the cortical visual systems:"What","Where",and "How"[J].Acta Psych,2001,107(1-3):43-68.

[10]EGER E，HENSON R，DRIVER J，etal．Mechanisms of top-down facilitation in perception of visual objects studied by fMRI[J]．Cerebral Cortex，2007,17(9):2123-2133．

[11]FAUVEL B,GROUSSARD M,CHÉTELAT G,etal.Morphological brain plasticity induced by musical expertise is accompanied by modulation of functional connectivity at rest[J].Neuro,2014,90(8):179-188.

[12]FOGASSI L,FERRARI P,GESIERICH B,etal.Parietal lobe:from action organization to intention understanding[J].Sci,2005,308:662-667.

[13]GREZES J,DECETY J.Functional anatomy of execution,mental simulation,observation,and verb generation of actions:a meta-analysis[J].Hum Brain Mapp,2001,12(1):1-19.

[14]GROSSMAN E,BLAKE R.Brain activity evoked by inverted and imagined motion[J].Vision Res,2001,41(10-11):1475-1482.

[15]HAMILTON A F,GRAFTON S T.Goal representation in human anterior intraparietal sulcus[J].Neurosci,2006,26(4):1133-1137.

[16]HUANG R W,LU M,SONG Z,etal.Long-term intensive training induced brain structural changes in world class gymnasts[J].Brain Struct Funct,2013,(2):625-644.

[17]JAMES C E,OECHSLIN M S,VAN DE VILLE D,etal.Musical training intensity yields opposite effects on grey matter density in cognitive versus sensorimotor networks[J].Brain Struct Function,2014,219(1):353-366.

[19]LUO J,NIKI K,DING Z G,etal.Precuneus contributes to attentive control of finger movement[J].Acta Pharmacol Sinica,2004,25(5):637-643.

[20]MACUGAA K L,FREY S H.Differential contributions of the superior and inferior parietal cortex to feedback versus feedforward control of tools[J].Neuro,2014,92(20):36-45.

[21]MAGUIRE E A,GADIAN D G,JOHNSRUDE I S,etal.Navigation-related structural change in the hippocampi of taxi drivers[J].Proceed National Academy Sci,2000,97(8):4398-4403.

[22]MAGUIRE E A,NANNERY R,SPIERS H J.Navigation around London by a taxi driver with bilateral hippocampal lesions[J].Brain,2006,129(11):2894-2907.

[23]NAKATA H,YOSHIE M,MIURA A,etal.Characteristics of the athletes' brain:Evidence from neurophysiology and neuroimaging[J].Brain Res Rev,2010,62(2):197-211.

[24]PARK I S,HAN J W,LEE K J,etal.Evaluation of morphological plasticity in the cerebella of basketball players with MRI[J].J Korean Med Sci,2006,21(2):342-346.

[25]PARK I S,LEE K J,HAN J W,etal.Experience-dependent plasticity of cerebellar vermis in basketball players[J].Cerebellum,2009,8(3):334-339.

[26]PASCUAL-LEONE A,AMEDI A,FREGNI F,etal.The plastic human brain cortex[J].Annual Rev Neurosci,2005,28:377-401.

[27]PEIGNEUX P,VAN D L M,GARRAUX G,etal.Imaging a cognitive model of apraxia:the neural substrate of gesture-specific cognitive processes[J].Hum Brain Mapp,2004,21(3):119-142.

[28]SAYGIN A P.Superior temporal and premotor brain areas necessary for biological motion perception[J].Brain,2007,130(6):2452-2461.

[29]SHIBATA T,LOANNIDES A A.Contribution of the human superior parietal lobule to spatial selection process:An MEG study[J].Brain Res,2001,897(1-2):164-168.

[30]SIMMONS A N,FITZPATRICK S,STRIGO I A,etal.Altered insula activation in anticipation of changing emotional states:Neural mechanisms underlying cognitive flexibility in special operations forces personnel[J].Neuroreport,2012,23(4):234-239.

[31]SUMMERFIELD C，EGNER T.Expectation (and attention)in visual cognition[J].Trends Cognitive Sci,2009,13(9):403-409.

[32]TANAKA S,INUI T,IWAKI S,etal.Neural substrates involved in imitating finger configurations:an fMRI study[J].Neuroreport,2001,12(6):1171-1174.

[33]WEI G X,LUO J,LI Y.Brain structure in diving players on MR imaging studied with voxel-based morphometry[J].Progress Natural Sci,2009,19(10):1397-1402.

[34]WEI G X，ZHANG Y C，JIANG T Z，etal.Increased cortical thickness in sports experts:A comparison of diving players with the controls[J].PLoS ONE,2011,6(2):1-6.

[35]WYK B C,HUDAC C M,CARTER E J,etal.Action understanding in the superior temporal sulcus region[J].Psychol Sci,2009,20(6):771-777.

Structural Brain Plasticity Change in Athletes Associated with Different Sports

WU Yin,ZHANG Jian,ZENG Yu-weng,SHEN Cheng

In this paper,using functional magnetic resonance imaging and voxel based morphometry,we compared the brain gray matter structure differences of 13 badminton players,13 basketball player and 16 non-athletes.The results show that the gray matter volume in the precentral gyrus,left inferior parietal lobule,postcentral gyrus,left orbitofrontal cortex,superior temporal gyrus of athletes were significantly higher than that of non-athletes,showing that long term training for different sports cause the brain structure of athletes of different sports to produce similar plasticity changes.In addition,the results showed the gray matter volume in the left inferior frontal gyrus,left superior parietal lobule and left precuneus of the badminton athletes increased significantly compared to basketball athlete； and the gray matter volume in the inferior temporal gyrus,left middle frontal gyrus,left inferior frontal gyrus,cingulate gyrus of the insula of basketball player increased significantly compared to badminton players,showing that the specific sports have impact on structure of the brain of athletes of different sports.

plasticity;voxel-basedmorphometry;differenttypesofsports；structuralbrain

1000-677X(2015)04-0052-06

10.16469/j.css.201504006

2014-11-14；

2015-02-09

国家自然科学基金资助项目(31470051);上海市人类运动能力开发与保障重点实验室资助项目(11DZ2261100)。

吴殷 (1979-)，男，江西抚州人，副教授，博士，主要研究方向为运动心理学，(Tel):021-51253276，E-mail：wuyin@sus.edu.cn。

上海体育学院，上海 200438 Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China.

G804.8

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