乒乓球运动干预甲基苯丙胺成瘾者脑激活及认知功能研究

董贵俊 ，罗仁苹 ，唐泽坤 ，刘 亚 ，杜 章 ，刘 新 ，刘序全 ，王 毅，李可峰*

甲基苯丙胺（methamphetamine，METH），俗称“冰毒”，因其合成简单、易获取、易成瘾等特征，导致滥用（Chiang et al.，2019）。截至2019年，我国现有吸毒人员214.8万名，其中滥用METH人员占55.2%，METH仍然是我国滥用人数最多的毒品（中国国家禁毒委员会，2019）。METH因具有高成瘾性、高依赖潜力、高神经毒性，可造成严重的神经精神损伤，产生不可逆的神经精神障碍（Pitchers et al.，2013）。研究发现，长期小剂量METH摄入可诱发强烈的愉悦感，易产生耐受，形成毒性积聚；短期大剂量给药亦引起大脑中枢神经的急性中毒损伤（Oyler et al.，2020）。与此同时，METH成瘾对大脑的神经元和认知功能有严重的损害，药物戒断后大脑的认知损伤依然存在（Barrett et al.，2001；Zhou et al.，2019）。METH 滥用也可导致注意力、记忆力、执行能力等认知功能的损伤，造成视空间、抽象、语言、延迟回忆等功能障碍，致使METH成瘾者无法正确自我调整，难以控制强烈的觅药行为，进而增加复吸率（Huckans et al.，2015；Sampedro-Piquero et al.，2019）。近年，运动干预METH成瘾者的研究表明，有氧运动是METH成瘾者康复的有效手段之一，可增加大脑血液流动性和血流量，缓解焦虑和抑郁等负面情绪，重塑脑结构与脑功能，改善认知功能，抑制心理渴求程度（陈一凡 等，2019；王艳秋 等，2015；Bu et al.，2020）。

长期的运动训练可使运动员具有一种专注且高效的任务相关神经网络（Milton et al.，2007）。由于运动项目具有专业特点，运动员对于运动任务的信息加工、加工方式和诱发神经环路具有运动项目的特异性和差异性，表现为运动员皮层激活区域和功能连接脑区的差异（魏瑶等，2018），因此，不同项目的运动员具有不同的认知优势。预测对手的动作并决定适当的反应是快球运动中的重要技能，运动员必须在时间压力下快速作出反应。如乒乓球运动员必须在接、发球之前极短的时间内设想好回球线路，在对手击球前对来球作出正确的预判，同时采取相应的措施（Elferink-Gemser et al.，2018）。长期的乒乓球训练在视觉-空间认知加工中塑造了大脑激活选择性集中特性和脑区间良好的功能协调性，因此，乒乓球运动员具有很强的空间感、快速反应以及迅速识别圆形物体的能力。功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）研究发现，乒乓球发球动作识别过程中，乒乓球运动员脑区的左侧额上回、双侧额中回，左侧中央前回、左侧中央后回、左侧舌回以及双侧海马旁回的激活程度高于非乒乓球运动员（Guo et al.，2017）。有研究表明，乒乓球运动员相较于非乒乓球运动者具有更高层次的认知功能，如元认知和执行功能，参与控制和调节较低水平认知过程，如反应时间、使目标导向及面向未来的行为，从而使其具有更快的刺激辨别和反应选择能力（杨爱华等，2009；张玉慧 等，2013；Rodrigues et al.，2002）。这可能是由于长期的乒乓球训练使运动员具有更高的注意力、抑制控制能力和认知灵活性。如一项关于注意力的研究表明，青少年乒乓球运动员的表现优于非乒乓球运动员（Wang et al.，2016）。同样，与非运动员对照组相比，优秀乒乓球运动员在面对不同程度不确定性的情况时能够保持出色的反应能力（Hung et al.，2004）。此外，普通青少年网球运动员在抑制性控制方面的表现优于个别封闭运动的运动员（如游泳运动员）和非运动员（Wang et al.，2013）。

因此，从脑功能恢复角度分析，乒乓球可以提高正常受试者脑认知与执行功能，METH致使成瘾者脑功能损伤日益成为影响其戒断效果的重要因素，但目前鲜见关于乒乓球运动干预METH成瘾者认知功能及脑激活水平的研究。因此，本研究旨在研究乒乓球运动干预改善METH成瘾者认知功能有效性及脑激活水平变化，探讨乒乓球运动干预METH成瘾者认知水平改变的脑科学机制。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

METH成瘾受试者选自山东济东强制隔离戒毒所，处于强制隔离戒毒康复训练阶段的人员（表1）。纳入标准：1）研究对象均符合苯丙胺类兴奋剂使用障碍诊断标准DSM-V，为METH成瘾者，排除其他药物依赖群体；2）年龄在20～50岁，惯用手为右手，非色盲，受教育程度为小学及以上；3）无癫痫、无脑部肿瘤或其他颅内疾病、无重要脏器损伤；4）无精神病史，家族无精神病史；5）除METH成瘾外，无其他物质（如其他药物、酒）成瘾史；6）无慢性病、心血管疾病，无运动禁忌症；7）无乒乓球训练经历；8）受试者自愿参加，能积极配合测试人员并签署知情同意书。排除标准：1）受试者有精神疾病史，心理或精神问题等；2）家族有精神疾病家族史；3）除甲基苯丙胺类成瘾外，仍有其他药物或饮酒成瘾；4）不配合实验；5）有脑外伤、脑器质性病变、癫痫等脑损伤史；6）具有高血压、肥胖、糖尿病等慢性疾病；7）具有乒乓球练习经历；8）临床检查有血液、心、肝、肾等功能障碍者，或具有其他运动禁忌症者。

表1 受试者基本情况Table 1 Basic Information of the Subjects n=14

1.2 研究方法

1.2.1 乒乓球运动干预方案

受试者均采用正手击球方式，测试人员设置自动发球机（泰德V-989E2，中国）模式：1）乒乓球随机击球：球速设置为7，发球频率设置为7，球路组合选择为发长球，击球落点分别设置为正手位10点位、反手位2点位和5点位；2）定点击球：球速设置为7，发球频率设置为7，球路组合选择为发长球，击球任务落点设置为正手10点位。两组运动各进行10 min，每组发球个数为480个。

1.2.2 Stroop范式测试

认知功能测试采用Stroop任务，通过颜色-字义经典范式进行（图1）。

图1 Stroop实验流程图Figure 1.Stroop Experiment Flow Chart

1.2.3 脑血氧水平测试

本研究脑血氧信号采集使用仪器NirSmart便携式近红外光谱脑功能成像系统（丹阳慧创，中国）进行NIRS信号采集。头帽设置40个探头，包括19个光源发射器和16个光源接收器，共组合成42条通道，分布在前额皮质区和感觉运动皮层区域以采集脑血氧信号。其中，11条通道对称分布于前额叶左右，感觉运动皮层区域左右各分布10条通道，采样频率设置为10 Hz。

42条通道共划分了12个区域（图2），按数字排列顺序分别为左眶额区（lOFC）、右眶额区（rOFC）、左背外侧前额叶（lDLPFC）、右背外侧前额叶（rDLPFC）、左腹外侧前额叶（lVLPFC）、右腹外侧前额叶（rVLPFC）、左辅助运动皮层（lSMC）、右辅助运动皮层（rSMC）、左初级运动皮层（lPMC）、右初级运动皮层（rPMC）、左体感皮层（lPSC）、右体感皮层（rPSC）。

图2 脑区及测试通道分布图Figure 2.Distribution of Brain Regions and Test Channels

1.2.4 干预实验测试流程

干预实验测试分为3次。前测在乒乓球运动干预前进行，中测在随机击球干预后进行，后测在定点击球干预后进行。为减少Stroop练习效应的影响以及击球方式的后续测试影响，每次测试间隔1周。

具体测试流程：受试者静息10 min，心率处于安静心率后，进行10 min乒乓球运动，运动后休息10～15 min至安静心率，此间为受试者佩戴并调试fNIRS测试头帽，心率平稳后，开始进行Stroop测试，同时采集脑氧信号（图3）。

图3 干预实验测试流程Figure 3.Intervention Experiment Test Process

1.2.5 数据处理与统计

数据使用SPSS 20.0进行正态分析和方差齐性检验。统计结果用平均值±标准差表示。当Stroop测试数据符合正态分布时，采用单因素重复测量方差分析；不符合正态分布时，采用Friedman检验，使用事后Bonferroni对结果进行校正。P＜0.05为差异（或差别）具有统计学意义，P＜0.01为差异（或差别）具有统计学非常显著意义。

fNIRS数据使用Matlab R2013b进行数理统计分析。首先使用Homer2对数据进行预处理，然后使用hmrMotionArtifactByChannel函 数（tMotion：1.0，tMask：1.0，STDEVthresh：50.0，AMPthresh：5.00）、hmrMotionCorrest-Spline函数（p：0.99，turnon：1）、hmrMotionCorrestSpline函数（p：0.99，turnon：1）、hmrBandpass Filt、hmrOD2 Conc函数（ppf：6.0，6.0），将光强度值转为光密度值，检测与运动相关的伪迹并进行校正，再将吸光度值转换成血红蛋白的相对浓度值。对氧合血红蛋白相对浓度进行连续的小波变换，选取分析频段为0.01～0.10 Hz获得频率范围内的信号，变换后使用Matlab R2013b计算数据的小波相干性。处理后的fNIRS数据使用SPSS 20.0分别与正确率和反应时做相关性分析。

2 研究结果

2.1 运动干预前后METH成瘾者Stroop任务测试结果

随机击球干预后，受试者Stroop测试的正确率显著高于基线（F=-3.024，P=0.007；图 4）；定点击球后，受试者Stroop测试的正确率虽高于基线，但差异无统计学意义（P＞0.05）。

图4 运动干预前后受试者Stroop正确率显著性对比Figure 4.Significant Comparison of Stroop Correct Rate of Subjects before and after Exercise Intervention

随机击球干预后，受试者Stroop测试反应时显著低于基线（F=6.293，P=0.013）；定点击球后，受试者Stroop测试反应时与基线无统计学差异（P＞0.05；图5）。

图5 受试者运动干预后Stroop反应时显著性对比Figure 5.Significant Comparison of Stroop Response Time on the Subjects after Exercise Intervention

2.2 运动干预前后脑区激活水平变化

与基线相比，随机击球干预后，受试者脑区CH23通道与CH36道被显著激活（图6）。CH23与CH36数据分布均不符合正态分布，使用Friedman检验，结果显示，CH23随机击球后氧合血红蛋白浓度水平显著高于基线（F=-2.942，P=0.01），CH36随机击球后氧合血红蛋白浓度水平显著高于基线（F=-2.646，P=0.024），表明rFEF区（CH23）与lPC区（CH36）在随机击球干预后表现出显著激活。

图6 随机击球-基线通道激活显著性对比Figure 6.Significant Comparison of Random Batting to Baseline ChannelActivation

与基线相比，定点击球干预后静息状态下CH17通道与CH29通道被激活（图7）。其中，CH17数据分布符合正态分布，使用重复测量方差分析，结果显示，CH17定点击球后氧合血红蛋白浓度水平显著高于基线（F=9.157，P=0.001）。CH29数据分布不符合正态分布，使用Friedman检验，结果显示，定点击球后氧合血红蛋白浓度水平显著高于基线（F=-2.646，P=0.024）。上述结果表明，定点击球干预训练可以显著激活受试者rDLPFC（CH17）和rPMC（CH29）两个脑区。

图7 定点击球-基线通道激活显著性对比Figure 7.Comparison of Significance between Spotting and Baseline ChannelActivation

定点击球与随机击球干预效果进行比较，结果显示，CH17通道与CH21通道激活水平差异有统计学意义（图8）。CH17与CH21数据分布符合正态分布，故采用重复测量方差分析，结果显示，CH17氧合血红蛋白浓度水平在定点击球后显著高于随机击球（F=9.157，P=0.001）；CH21氧合血红蛋白浓度水平在定点击球后显著高于随机击球（F=3.781，P=0.037）。对比发现，不同运动干预形式对脑区rDLPFC（CH17）及布洛卡区（Broca’s area，BA）（CH21）表现出不同的激活效果。

图8 定点击球-随机击球通道激活显著性对比Figure 8.Significant Comparison between Spotting and Random Hitting ChannelActivation

2.3 受试者干预前后脑激活水平与认知功能行为学表现相关分析

随机击球干预后，CH7（r=0.666，P=0.009）和 CH39（r=0.676，P=0.011）通道与Stroop任务正确率的相关性具有统计学显著意义，表明随机击球训练提高lDLPFC（CH7）和lPMC（CH39）的血氧水平，提升Stroop任务的正确率。定点击球训练未见相同效果。

随机击球训练后，受试者CH10（r=-0.779，P=0.001）、CH11（r=-0.645，P=0.013）、CH16（r=-0.657，P=0.011）、CH21（r=-0.736，P=0.004）及 CH24（r=-0.767，P=0.001）通道脑氧水平与反应时呈负相关关系，表明随机击球影响lDLPFC（CH10）、lOFC（CH11）、rOFC（CH16）、BA（CH21）以及右侧前运动皮层（rPC）（CH24）脑氧水平从而改善了受试者完成Stroop任务时的反应时。

定点击球干预后，CH27（r=-0.697，P=0.006）和 CH33（r=-0.572，P=0.033）与反应时具有统计学显著意义的负相关，表明rPC及额叶眼动区（FEF）与反应时可能存在关联。

3 分析与讨论

3.1 乒乓球运动干预对METH成瘾者认知功能的影响

METH成瘾者常伴随抑郁情绪，且成瘾程度与抑郁情绪高度相关（段宝海，2007）。1938年，体育手段被用于渐进放松法以干预焦虑情绪；随后，美国健康与服务中心也证实了体育锻炼对情绪具有改善作用（Landolfi，2013）。本研究中，随机击球后METH成瘾者Stroop测试的正确率显著提高，反应时明显降低，说明乒乓球运动干预可以提高受试者认知功能，可能与运动干预改善了受试者体内激素水平、降低外源性METH对成瘾者机体的不良刺激，神经递质的水平改善等有关（Anderson et al.，2013；Tantimonaco et al.，2014）。

3.2 乒乓球运动干预对METH成瘾者脑区激活水平的影响

脑区中额叶与认知功能关系密切，METH成瘾者存在的认知缺陷可能与额叶皮质、额叶纹状体系统功能失调有关（Kim et al.，2005）。DLPFC是与认知控制相关的重要脑区，同时也是认知障碍的关键脑区之一（Boschin et al.，2017；Kujach et al.，2018）。一项关于METH成瘾者的fMRI研究发现，成瘾者在进行BART决策任务时，rDLPFC的功能连接相较于正常人更低，表明METH成瘾会破坏rDLPFC（Kohno et al.，2014）。本研究中，乒乓球定点击球后，rDLPFC和右侧初级运动皮层有显著激活，随机击球后，rFEF和lPC均有激活，定点击球与随机击球相比，rDLPFC和lPC的激活程度更为显著。前额叶活动程度与Stroop任务过程中的表现同步提高，证明了乒乓球运动对认知功能的改善作用，而对于DLPFC和前运动皮层（PC）的激活，乒乓球定点击球效果更好。

研究证明，METH成瘾者的前额叶本身就存在着功能障碍。rDLPFC在认知任务中激活往往比健康的同龄人低（Grandjeanda et al.，2017；Kohno et al.，2014），乒乓球定点击球干预后，METH成瘾者rDLPFC被显著激活。当乒乓球运动干预引起DLPFC激活程度增加时，其Stroop表现正相关，说明乒乓球运动改善了METH成瘾者DLPFC的功能，因而其认知能力得到一定程度的恢复。

3.3 METH成瘾者乒乓球运动干预脑区活性与认知功能关联分析

Stroop效应的主要相关脑区是前额叶（Schroeter et al.，2002），脑区通道激活程度与Stroop测试结果的相关性分析显示，CH7和CH39与Stroop任务的正确率有显著的正相关关系。其中，CH7与Stroop任务的正确率呈显著的正相关，说明lDLPFC和lPMC区域是METH成瘾者认知功能提升的重要脑区，尤其前额叶在处理冲突的过程中存在自上而下的控制，并且处理和加工不同的社会认知（Amodio et al.，2006）。本研究中，乒乓球运动干预后，DLPFC的激活明显增加，Stroop测试正确率也显著提高，这表明乒乓球运动可以通过增加DLPFC的激活程度改善METH成瘾者的认知冲突控制能力。在成瘾机制中，OFC是关于目标动机的重要脑区（Oldstein et al.，2011），相较于其他脑区，OFC更善于信息编码从而形成新的联系，因此能够更好地控制大脑错误反应，增加认知以及反应的灵活性（Schoenbaum et al.，2009）。另有研究表明，DLPFC可能与OFC同步工作（Hayashi et al.，2013），这两个区域与反应时呈负相关，说明受试者对接下来Stroop任务可能出现的字色与字义不一致干扰有了一定的预知，并开始集中注意力，加快了决策能力，缩短了反应时间，增加了正确率（Dietrich et al.，2004）。反应时的相关性分析显示，乒乓球随机击球前后，lDLPFC皮层、lOFC、rPC等均与反应时有显著的负相关关系；定点击球后，rPC、FEF与反应时呈显著的负相关。因此，乒乓球运动可能通过DLPFC和OFC进一步促进METH成瘾者的认知功能。

综上，对于情绪调节，乒乓球运动可以使METH成瘾者的情绪体验更强烈，需要其自发的动员更多的前额叶资源下调自身的情绪状态，从而提高了成瘾者的情绪调节能力，使其抑郁情绪得以缓解。对于认知功能，乒乓球运动通过增加DLPFC的激活程度，改善METH成瘾者的认知冲突的控制能力，从而改善METH成瘾者的认知功能。根据相关性分析结果，乒乓球运动可以通过增加DLPFC和OFC的激活程度，增加METH成瘾者的认知冲突控制能力，增加任务的反应和认知的灵活性，使成瘾者有更好的任务表现。

4 结论

本研究建立了基于fNIRS的运动干预METH成瘾者脑功能的评价模型，使用乒乓球不同击球方式对METH成瘾者进行干预。对乒乓球急性干预后METH成瘾者Stroop任务态的脑激活水平进行监测，并根据METH成瘾者脑区激活程度、Stroop测试的正确率和反应时以及不同脑区与Stroop结果的相关性分析等数据，揭示乒乓球运动对METH成瘾者认知功能的影响：1）乒乓球随机击球运动可改善METH成瘾者认知功能；2）乒乓球运动干预显著激活METH成瘾者前额叶和运动皮层等脑区，但不同的击球方式激活效果具有差异性；3）乒乓球运动干预激活运动皮层与前额叶，提升METH成瘾者认知功能。