电子竞技影响认知功能的作用机制

刘承宜， 唐 璐， 孙莎莎， 白慕炜,3， 龚妍春,4， 蔺海旗,5

(1. 华南师范大学体育科学学院， 广州 510006； 2. 仲恺农业工程学院人文与社会科学学院， 广州 510225；3. 广东药科大学体育学院， 广州 510006； 4. 江西科技师范大学生命科学学院， 南昌 330038； 5. 华南理工大学体育学院， 广州 510006)

传统体育运动主要是身体活动. 电子竞技是一种利用视频游戏进行的竞争形式，最常见的是多人视频游戏比赛. 2017年10月，国际奥委会表示具有竞争性的电子竞技(Electronic Sport,Esport)也可以被认为是一种“体育活动”(Sporting Activity)，并已着手将电子竞技纳入奥运会的正式比赛项目. 因此，电子竞技逐渐被打上“体育运动”的国际标签[1]. 电子竞技已经形成规模，甚至远远超过传统竞技体育项目. 2017年，电子竞技的全球受众群体已经达到1.43亿人，复合年增长率达到14%～15%. 电子竞技已经被列入未来可能发生的十大颠覆性创新之一，无论是电子竞技本身，还是电子竞技的生物效应，都值得深入研究.

脑是支配人的一切生命活动的最高中枢，脑的工作机制是人类认识自身的一项终极命题[2]. 有研究表明习惯性电子竞技具有促进脑的学习能力以及改善认知功能的作用[3-4]. 同时习惯性参与电子竞技训练可以提升腹腔镜外科医生的手术能力[5]、提高车辆驾驶技能[6]以及治疗儿童弱视[7]等现实作用. 尽管前人围绕习惯性电子竞技如何影响认知功能发展进行了初步探索，但是其中的影响机制非常复杂，因此需要对这些研究成果进行系统梳理. 基于此，本文从习惯性电子竞技如何影响脑的注意功能、视觉空间功能、认知负荷、认知控制技能习得以及奖赏加工的研究进行系统梳理. 探讨习惯性电子竞技促进认知功能改善的可能机制，提出目前研究存在的问题和进一步研究的建议.

1 电子竞技与认知功能

1.1 注意功能

注意功能是认知领域研究最多的功能之一，同时也是电子竞技中常见的研究热点. 在游戏过程中当需要玩家对特定目标进行复杂操作时，注意力与负责认知控制的大脑区域密切相关[8]. 注意力包括选择性注意力、分散性注意力以及持续性注意力[9]. 在玩游戏时，随着游戏任务量的增加，非习惯性游戏玩家的大脑额顶叶募集了大量的神经元，但习惯性游戏玩家的表现恰好相反(图1). 这表明习惯性游戏玩家拥有更为高效的注意力分配能力[4,10]. 这种优化分配的能力也在右中额回、右上额回和腹内侧前额叶皮层区域中表现[11]. 通过游戏训练，玩家的枕颞白质中腹侧流功能连接性发生变化，该区域被认为与认知改善相关联[12].

图1 习惯性玩家与非习惯性玩家在注意功能的比较[4]

Figure 1 The comparison of attention functions between habitual player and non-habitual player[4]

在对习惯性玩家大脑的研究中发现，前、后岛叶亚区具有功能连通性且出现结构灰质的增加，长期的游戏训练以及精细化操作可能导致这2个亚区出现可塑性变化，最终表现为注意力与感觉运动神经功能存在显著相关性[13]. 进一步研究发现，动作射击游戏比其他慢节奏的游戏(如角色扮演游戏、益智游戏或战略游戏)能更好地提高选择性注意力[14-15]. 这可能是由于动作射击游戏需要长时间保持注意力以提高精确性.

1.2 视觉空间功能

视觉空间功能是通过视觉刺激使我们能够感知、识别和操控事物的能力，主要包括视觉运动协调和空间导航功能，电子竞技主要是以交互式的视觉任务完成此项认知功能[16]. 涉及视觉空间处理的大脑区域分为视觉腹侧流(负责对象识别)和视觉背侧流(负责空间位置)，二者都从枕叶的视觉皮层出发，到达顶叶后皮层(背侧流)和颞下皮层(腹侧流)[17]. LEE等[18]研究发现，海马体的作用在高级视觉空间和记忆中的功能尤为突出. KÜHN等[19]进一步研究发现，习惯性玩家在视觉空间功能相关的神经元连结与右海马的结构体积增大有关. 与空间导航功能相关的区域不仅有海马体，还有内嗅皮质[20]，二者同时作用于空间记忆功能[21]，并在习惯性玩家大脑的研究中得以证实[22].

1.3 认知负荷

脑的活动模式取决于对环境的认知需求以及相关的认知负荷[23]，这与工作记忆及其相关的注意力过程的资源分配直接相关[24]. 认知负荷能够通过操纵任务的难度来识别不同的活动模式. 换言之，屏幕上同时出现的刺激数量和每个刺激的复杂程度会引起大脑的不同反应[16].θ波与认知水平(注意力、记忆和视觉空间)直接关联[25]. BROOKINGS等[25]通过一款《Air Traffic Control》的飞行游戏发现，当飞机数量越来越多时(任务越来越复杂)大脑中θ波发生频率增加. SHEIKHOLESLAMI等[26]采用同样的游戏研究发现，与非游戏组对比，游戏组大脑中θ波显示出更高的频率. 而随着游戏难度的增加，与注意力相关的额叶活动会募集大量神经元，导致反应速度变慢[9]. 通过对游戏组与非游戏组的研究发现，前者的额叶网络募集神经元数量远低于后者，这可能归因于前者的游戏经验和注意力分配的优化[9]. IZZETOGLU等[27]也发现前额叶区域中背外侧前额叶皮层(Dorsolateral Prefrontal Cortex,DLPFC)的血流量增加与注意力、语言、空间工作记忆以及决策相关的认知需求增加有关. 另外，MCMAHAN等[28]发现增加游戏的强度可以增加大脑γ波的产生概率. 神经生物学研究表明，大脑电活动中的γ波可以募集小神经胶质细胞[29]，而小神经胶质细胞可以通过内吞作用清除大脑细胞外淀粉样蛋白-β(Aβ)聚集体[30].Aβ蛋白是目前普遍公认的阿尔茨海默病(Alzheimer’s Disease,AD)患者主要呈现的病理特征之一. 换句话说，习惯性高强度的游戏体验可能对AD有潜在的抵抗作用，这需要进一步实证研究.

1.4 认知控制

认知控制因素包括反应力、主动抑制力、任务切换和工作记忆力[31]，这些认知控制因素是克服游戏障碍的关键点. 例如玩家必须快速根据对战情境的变化实施不同的策略以完成游戏中的任务与难题，而这些能力通常被同时应用于游戏中[32]. 荟萃分析研究[33]表明，通过一段时间的游戏训练后，这一系列过程的神经基质位于前额皮质，由后顶叶区和基底神经节维持，并且也可以观察到该区域(特别是DLPFC区域)的灰质体积有显著变化[34-36]. DLPFC是认知控制的关键区域[37]. 在早期 AD患者中发现常伴有 DLPFC 功能障碍[15,38]，其最明显的功能障碍是工作记忆能力的退化[39-40]. 由于DLPFC具有神经可塑性，DLPFC 能够弥补其他区域的神经病变和功能障碍[41-42]，这也揭示了游戏对AD具有潜在的抵抗作用.

在游戏过程中，前额叶区域的激活程度随着认知需求(游戏难度)的增加而不断增大，并与表现指标呈现出正相关的关系[27]. 尽管如此，前额叶的活动不仅受到任务复杂性的影响，还受到游戏参与者个体差异的影响[43]. MATSUDA等[44]发现被动观看游戏者大脑的DLPFC区域活动保持相对稳定，而主动玩游戏者该区域则不会保持活动稳定. 产生这一原因是视觉刺激过程中注意功能的干扰效应. 随后有研究[45]表明，造成前额叶区域活性差异的现象可能是由于不同年龄对不同游戏类型的兴趣所致. 这进一步揭示了神经细胞对它们所响应的目标具有高度专一性[46]. 上述研究结果表明：只有习惯性主动参与游戏才可以使大脑获得益处，作为游戏的设计者也应考虑不同人群的特点开发游戏程序.

1.5 技能习得

游戏中的大部分技能习得都是非陈述性的，包括视觉空间处理、视觉运动整合以及运动规划与执行，这些区域的改善通常会导致相关额叶皮质活动减少，可以引起纹状体和内侧前额叶区域活动增加[47]. 纹状体体积的增加被确定为技能习得的关键因子[48]. 在复杂的游戏情景中，背部纹状体前半部分的表现更为突出[49]. 在功能层面上，KOEPP等[50]研究表明，在习惯性游戏玩家大脑中，纹状体可释放内源性多巴胺，多巴胺通过神经传递参与学习、强化行为、注意力和感觉运动整合等活动，也与奖赏加工有密切联系. ANDERSON等[51]通过将整个连续的大脑活动模式与人工智能模型进行比较也证实了这一点，其中也进一步发现由尾状核和颅骨组成的右侧背侧纹状体是技能习得的关键区域. 因此，习惯性进行电子竞技可能有助于技能习得水平的提高.

1.6 奖赏加工

在奖赏加工涉及的复杂结构中，皮质-腹侧基底神经节回路是奖赏加工的中心，主要负责评估行为的结果[52]. 该回路的主要组成部分是眶额皮质(Orbitofrontal Cortex,OFC)、前扣带皮层(Anterior Cingulate Cortex,ACC)、腹侧纹状体、腹侧苍白质和中脑多巴胺神经元[52]. 有研究[53]表明，电子竞技可以激发参与者的渴求度，而其中OFC和ACC正是负责激发渴求度的关键区域[54]，并有助于激励游戏参与者寻求奖赏的行为表现[55]. 此外，DLPFC等前额执行区域也会参与渴求活动[56]，并与行为表现形成相关联系. 随着游戏训练逐步常态化，所有这些额叶区域(OFC、ACC、DLPFC以及辅助运动区域)的灰质体积在游戏参与者中都呈现显著减小趋势[57]. 另外，货币奖赏刺激可以增强海马体记忆的巩固，从而保护记忆痕迹不被遗忘[58-59]. 大部分电子游戏中为完成相应的任务后会给予虚拟的货币奖赏，也可以是增加积分获取更高排名的奖赏. WEST等[36]研究发现，中老年人进行为期6个月的游戏(Super Mario 64 DS)训练可以提高大脑海马体的灰质体积；在针对年轻人的研究中，进行此款游戏的训练也能得到同样的效果[22,34]. 其原因可能是游戏中通过完成各种奖赏任务，并运用3D图像从而提高大脑的空间定位能力[35]. 总之，随着奖赏和渴望不断加强，强烈的参与意识和欲望的出现，最终逐步形成习惯回路，从而影响脑的认知功能(图2).

图2 电子竞技习惯回路的形成

2 问题与展望

国内外用于研究电子竞技的研究技术越来越多，包括计算机断层扫描(Computer Tomography,CT)、结构磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)、功能磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)、正电子发射断层扫描(positron emission tomography,PET)、单光子发射计算机断层扫描(Single Photon Emission Computed Tomography,SPECT)、经颅直流电刺激(transcranial Direct Current Stimulation,tDCS)、脑电图(Electroencephalogram,EEG)、事件相关电位(Event-Related Potential,ERP)、事件相关光谱扰动(Event-related Spectral Perturbations,ERSP)、稳态视觉诱发电位(Steady State Visual Evoked Potential,SSVEP)、多普勒和近红外光谱(Near-Infrared Spectroscopy,NIRS)等技术. 通过这些技术研究发现，电子竞技能够促进各项认知功能的发展，特别是对脑健康的影响价值非常大. 尽管如此，关于电子竞技对健康的研究才刚刚开始，还有很多问题有待进一步探讨与解决.

电子竞技的研究对象包括不同性别与不同年龄的人群. FENG等[60]研究指出，经过游戏训练后，注意功能与视觉空间功能在男女之间并无性别差异. 但有研究[61]发现，未经游戏训练的女性其认知能力普遍比男性低，而这种差异是与生俱来还是女性本来很少接触游戏所导致？这一话题具有争议. 荟萃分析[62]发现，无论是青年人还是中老年人经常进行电子竞技对认知功能均有促进作用，但青年人比中老年人从中受益更多. POWERS等[63]的荟萃分析也同样证实了游戏对健康成人(23～54岁)的整体认知功能有积极影响. 但ANGUERA等[3]通过为期6个月的Neuro Racer游戏发现，中老年人(60～85岁)与没有参加过此类游戏的青年人(20岁)在反应功能、记忆功能等认知水平上相差无异. 因此在接下来的研究中，应进一步探究电子竞技是否能够抵抗随年龄增长而带来的脑功能下降趋势.

电子竞技与传统运动[64]一样，可以按照游戏(运动)的项目类别定义为“项群”. 电子竞技按游戏模式可以初步分为动作射击游戏(Action Shooting Game,ASG)、体育竞技(Sports Game,SPG)、即时策略(Real Time Strategy,RTS)以及体育竞速(Sports Racing Game,SRG)等. 每一项游戏模式对应的脑功能存在差异. 例如时下热门的ASG游戏其特点为时间长、强度较分散，需要较高的注意力、持久力和执行力等认知功能[4]. 而SRG游戏时间短，需要在游戏中保持高强度的注意力、记忆力以及多任务处理能力等[3]. 另外，电子竞技与传统运动都要把握时间尺度. 马拉松作为高强度长时间运动的代表，马拉松对于普通大众无疑陡增了运动损伤的风险[65]，其发生运动损伤概率高达90%[66]. 而目前高强度间歇训练(High Intensity Intermittent Training,HIIT)是能够最大化提高运动机能的运动方式之一[67]. 与此同时，有研究表明青少年长时间进行电子竞技游戏后会造成网络游戏障碍(Internet Gaming Disorder,IGD)，IGD与抑郁、焦虑、失眠以及注意力缺陷/多动障碍(Attention Deficit/Hyperactivity Disorder,ADHD)高度相关[68- 69]. 但只通过6个星期的短期“脑训练”并未发现对认知功能有正向促进作用[70]. 因此，在电子竞技的实验中，应充分考虑游戏类别对应的认知功能差异，以及游戏时间的控制与平衡对脑健康的影响.

大脑的默认模式网络(Default-Mode Network,DMN)是当大脑处于静息态时存在的一个网络连接状态，而在任务态时DMN的神经元活动水平可以被抑制[71]. DMN与AD、ADHD、抑郁症和自闭症等神经退行性疾病有关[72]. HUSKEY等[73]发现游戏任务的难易程度会引起DMN功能的变化，并且只有习惯性玩家会引起DMN活动水平降低[74]. LIU等[75]发现维持功能稳定性的负反馈机制，称为功能内稳态(Function-Specific Homeostasis,FSH)，习惯性行为处于FSH. 未来研究可以从FSH揭示习惯性行为对抑制DMN的神经功能机制.

电子竞技的作用机制可能与小脑有关. 目前大部分研究发现习惯性电子竞技参与者在各项认知功能中的表现突出，具体包括大脑皮层[9]、纹状体[51]与海马体[36]等脑结构. 但是，这种习惯性行为主要定位于小脑[76]. 据估算小脑拥有600多亿个神经元，其神经元数量远远超过大脑皮层[77-78]. 近期研究[79]发现小脑在奖赏环路中起着关键作用，而奖赏环路又是驱使和塑造人类行为的重要动力之一[79]. 本课题组前期的研究[80-81]表明：采用生物节律固定下来的行为称为习惯性行为，维持行为功能的负反馈机制会抑制靶组织细胞其它信号转导通路的激活，留下维持行为的特异信号转导通路，后者被称为正则通路(Normal Function-Specific Signal Transduction Pathway,NSP). 靶组织细胞可能会通过分泌细胞因子或外泌体在尽可能多的细胞中激活同一正则通路，通过抑制相应的功能减少其能量消耗以维持效率更高的习惯性行为. 由习惯性与非习惯性玩家的注意功能差异(图1)可知，在玩游戏时，随着游戏任务量的增加，非游戏玩家额顶叶募集了大量的神经元，但习惯性游戏玩家的表现恰好相反，正好支持正则通路理论. 因此，电子竞技与小脑活动的关系可通过正则通路激活奖赏环路(图3)来提高认知功能，但具体的作用机制有待进一步证实.

图3 电子竞技与小脑活动的正则通路关系的可能机制[80]

3 总结

电子竞技正逐步成为体育运动项目的“正规军”，同时，它也将成为体育运动发展的下一个风向标. “运动是良医”的理念已深入运动科学的各个领域，而电子竞技对人体健康的研究仍处于起步阶段. 目前大部分研究的重心在于电子竞技促进脑的认知功能方面，主要靶点在大脑皮层、纹状体和海马体等脑结构中，且只有在习惯性电子竞技参与者中发生功能性改变. 但是，习惯性运动的神经定位于小脑，且小脑的神经细胞数量远远大于大脑皮层及其他脑组织结构的神经细胞数量. 目前习惯性电子竞技参与行为与小脑活动的关系尚不明确，仍需进一步以正则通路为基础明确习惯性电子竞技活动对脑可塑性作用的影响机制.