基于fNIRS下运动因素对执行功能的影响

林勇 孙文娜

摘 要：近红外光谱技术（NIRS）最初应用于石油研究领域，逐渐引入到生物工程研究当中；后隨着信息技术的发展，发展成为功能性近红外光谱技术（fNIRS），广泛应用于心理学研究。本文就NIRS的发展、原理、分类等进行归纳整理；总结NIRS在运动领域的应用，探讨在心理学层面，运动因素对执行功能的影响。研究发现，fNIRS在不同运动形式、负荷以及运动方式中，对不同人群的执行功能起到显著改善的作用。

关键词：fNIRS 运动 执行功能

中图分类号：G80 文献标识码：A 文章编号：2095-2813（2018）02（a）-0237-02

Abstract： Near infrared spectroscopy （NIRS） was first applied to petroleum research， and gradually introduced into bioengineering research. With the development of information technology， NIR technology has been developed into functional near-infrared spectroscopy （fNIRS）， which is widely applied in psychological research. This paper summarizes the development， principles and classification of NIRS， summarizes the application of NIRS in sports field， and explores the influence of sports factors on executive function at the psychological level. It has been found that fNIRS plays a significant role in the performance of different groups of people in different forms of exercise， load and exercise.

Key Words： FNIRS； Exercise； Execution function

1 NIRS发展

NIRS是一种以血液动力学为基础，对脑部进行实时监测的无创伤脑成像技术。初期广泛应用于医学和心理学的研究，近几年逐渐应用于体育运动干预的研究。Jobsis在1977年利用NIRS对动物头部进行无损血氧检测。随后，Marco利用NIRS原型机，完成了成年人和动物的脑内氧和过程的实验研究。NIRS首次应用于体育领域研究，是在1992年对划船运动员进行股四头肌的血氧饱和度检测。Villringer在1993年第一次将该技术应用于成人大脑活动的检测。

NIRS在我国的发展起步较晚，最先应用研发的是近红外血氧仪，是由清华大学和华中科技大学联合研制的。随着计算机技术和生物医学技术的不断发展，近红外脑成像技术蓬勃兴起，以其无损性、信噪比高、方便易携带且时间空间检测性较高被广泛应用。

2 fNIRS技术原理及分类

fNIRS又称近红外脑成像技术，是一种非侵入式脑成像探测技术，依据血液动力学原理与光学变化检测脑部血氧含量。通过对发射光的吸收和散射后，传回探测器进行信号转化呈现在显示屏上。近红外光波的吸收范围在760～850 nm之间。

由于发光技术的不同，fNIRS分为时域系统、频域系统和连续波系统三类。

3 fNIRS的时空分辨率

非侵入式脑功能活动检测作为一个不断发展的研究领域，至今已成功研发了多项脑功能检测技术。如脑电图、事件相关电位、脑磁图、正电子发射层析成像、功能磁共振成像、弥散张量成像和fNIRS。其中，脑电图、脑磁图、事件相关电位属于直接测量方法；正电子发射层析成像、功能磁共振成像、弥散张量成像以及fNIRS属于间接测量方法。通过研究发现，fNIRS具有安全、轻便、易实施和成本低等特点。同时，fNIRS作为一种无损检测技术，能够提供较高的时间分辨率以及合理的空间分辨率。

4 NIRS在运动领域的应用

NIRS在体育领域的应用起步较晚，最初主要应用于肌肉氧含量的检测。如丁攀等[1]通过递增负荷运动测定赛艇运动员的有氧代谢能力。测定的肌氧含量主要用于指导赛前训练，以期在比赛中取得优异成绩。林红等[2]利用我国自主研发生产的近红外组织血氧参数无损监测仪，测定8名中长跑运动员递增负荷运动过程中股四头肌组织肌氧含量的变化，同时对运动员的血乳酸浓度、血容量和心率进行了测量。王培勇等[3]利用近红外无损肌氧及运动心率检测技术评定100 m极量强度运动对心脏冲击影响。马国东等[4]利用NIRS检测模拟海拔4800m急性低氧运动对肌氧饱和度的影响。国外NIRS在运动领域的应用最初主要运用于肌氧含量的检测。Marco等[5]详细介绍了近段时间关于NIRS在骨骼肌生理学方面的研究进展。Ferrari等[6]利用NIRS检测剧烈运动过程中股外侧肌血氧饱和度指数。Hopker等[7]通过运用NIRS发现，持续训练与增加肌肉摄氧量有关。

5 fNIRS在执行功能的应用

随着科学技术的不断进步，信息技术与NIRS联系越来越紧密，从而结合发展成为fNIRS。fNIRS在体育领域的应用主要集中在体育心理学方面。文世林等[8-9]研究了急性有氧运动对大学生、老年人执行功能的影响，通过执行Flanker任务，运用fNIRS检测其行为表现和脑激活模式，发现无论是大学生还是老年人，进行中等负荷强度的运动都有助于提高Flanker任务的操作表现，且局部神经活性的增加与动作行为表现都和局部脑区的血液动力学变化相一致。文世林等[10]进一步研究了不同有氧体能对大学生执行功能的影响，发现高体能组Flanker任务的反应时显著低于低体能组，说明神经激活和行为操作表现与有氧体能有关。杜凯等[11]运用fNIRS对运动执行与运动想象脑激活模式的研究中发现，通过近红外光学脑成像能够很好显示刺激任务下脑功能激活状态，在运动想象和运动执行时大脑皮层激活部位及强度相似。郭健[12]通过研究非运动专业研究生在一次性力竭运动过程中执行Flanker任务，发现大脑氧合血红蛋白相对变化量和总血红蛋白相对变化量上升，同时还原血红蛋白相对变化量下降，短时力竭运动后大脑激活程度高于运动前，短时力竭运动可提高大脑兴奋性。杨倩倩[13]在对羽毛球运动员进行认知控制的NIRS的研究中，通过在力竭性运动前后执行Flanker任务，发现运动员组和非运动员组的后测均比前测正确率高，反应时明显缩短，且正确率无论实验前后都是运动员组较高，反应时也是运动员组更短。

6 结语

近红外光谱技术的应用属新兴的无损的检测技术，在体育领域的应用主要为肌氧含量、无氧阈、血氧饱和度等指标的检测，以便于监测、指导运动训练，提高运动员训练效率和运动能力。功能性近红外光谱技术主要应用于医学和心理学的研究，在体育领域的应用较晚且水平较低，主要集中在运动想象和Flanker任务的研究中，基于fNIRS对于执行功能中刷新和转换功能的研究相对不足。

参考文献

[1] 丁攀，叶雁杰，王治华，等.近红外光谱技术监测赛艇运动员有氧代谢能力的研究[J].武汉体育学院学报，2008 （12）：45-48，53.

[2] 林紅，习玉宝，於辉.用近红外组织血氧参数无损监测仪进行运动人体研究[J].光谱学与光谱分析，2014（6）： 1538-1541.

[3] 王培勇，龙非筱，傅兰英，等.用近红外无损肌氧及运动心率检测技术评定100m极量强度运动对心脏冲击影响 [J].光谱学与光谱分析，2010（2）：340-344.

[4] 马国东，罗冬梅，徐飞，等.模拟海拔4800m急性低氧运动对肌氧饱和度的影响[J].北京体育大学学报，2011（1）： 54-57.

[5] Ferrari Marco，Muthalib Makii，Quaresima Valentina.The use of near-infrared spectroscopy in understanding skeletal muscle physiology：Recent developments[J]. Philosophical Transactions，2011，369（1955）： 4577.

[6] Oueslati F，Boone J，Ahmaidi S.Respiratory muscle endurance，oxygen saturation index in vastus lateralis and performance during heavy exercise[J].Respir Physiol Neurobiol，2016（227）： 41-47.

[7] Hopker J.G.，O'Grady C，Pageaux B.Prolonged constant load cycling exercise is associated with reduced gross efficiency and increased muscle oxygen uptake[M].Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports，2016.

[8] 文世林，夏树花，李怜军，等.急性有氧运动对大学生执行功能的影响：来自fnirs和行为实验的证据[J].天津体育学院学报，2015（6）：526-531，537.

[9] 文世林，夏树花，李思，等.急性有氧负荷对老年人执行功能的影响：来自fnirs和行为实验的证据[J].体育科学， 2015（10）：37-45.

[10] 文世林，王华.有氧体能对执行功能的影响：一项fnirs研究[J].首都体育学院学报，2016（2）：161-166.

[11] 杜凯，王莉，冯正权，等.应用fnirs技术对运动执行与运动想象脑激活模式的研究[J].第三军医大学学报，2015 （20）：2017-2021.

[12] 郭健.运用nirs对力竭后普通大学生执行控制能力影响的初步研究[D].首都体育学院，2014.

[13] 杨倩倩.力竭性运动对羽毛球运动员认知控制影响的nirs研究[D].首都体育学院，2015.