运动情境中的决策和选择的神经机制研究

2022-05-27冯敏周云鹤

当代体育科技 2022年12期

冯敏周云鹤

(同济大学运动与健康研究中心上海 200092)

适宜的运动可维持人体健康状态，如预防及缓解人类的抑郁情绪，对心肺生理功能和骨骼肌肉等系统具有明显的保护作用，对糖尿病等慢性病有明显的预防和干预作用等［1］。尤其是新型冠状病毒肺炎疫情暴发以来，疾病的治疗和康复很大限度上依靠人体自身的免疫系统，因此，强健的体魄成为人类生存的重要基础和关键。上海医疗救治组专家张文宏指出，最有效的药物，是人的免疫力。我国呼吸病领域权威专家，国家卫健委高级别专家组组长钟南山院士，以84岁的高龄，积极投身到抗疫最前线。他用自己常年坚持运动的身体成果，来主持中国抗疫大局，这是运动促进健康并提高工作精力的最好例证。运动在疾病的预防、治疗以及延缓衰老的过程中，表现出与“药物”相近的防治原理，具有与药物相似的剂量—效应依赖关系、时间—效应累积关系等药效学及药理学特点［2］。这种特点在世界卫生组织提出的运动促进全球健康建议中被特别强调。

该文将从运动情境下的运动决策与选择等方面的神经生理机制入手，来深入剖析运动实践的神经生理效应影响。以期为疫情影响下的运动类课程的设计、构建和实施提供借鉴，有助于运动学习的研究者、设计者和实施者运用这一成果改进运动类课程的开发与应用。

1 运动情境下大脑的运动决策与选择

运动情境中，运动决策与选择非常重要。运动技能的学习和掌握、运动成绩的稳定和提高、运动表现的发挥和优异，都与运动决策和选择息息相关。运动是一种具体的应激状态，运动者必须选择运动形式并且执行才能实现这种应激的发生。运动决策是运动参与者在运动情境中进行信息的处理，主要表现为感知运动信息、选择特定信息、分析加工传入信息、输出信息并且采取具体行动的整个过程［3］。运动决策与选择是由人脑来完成的。脑神经之间信息的流畅通行，对运动技能的学习和运动能力的运用至关重要。人脑通过不同的功能区域［4］来选择和决策个体的具体运动表现，并在运动情境下与外部世界的互动中会形成运动感觉、运动知觉和运动记忆，存储在大脑相应的区域，如视觉区、运动区等［5，6］。各脑区之间既有各自的任务特性，也有互相合作的特点。

现有的运动解剖功能分析、电生理数据和功能性磁共振成像等技术研究表明，位于人的大脑后顶叶皮层区域和运动前区皮层区域是决定人体的知觉运动整合的重要结构。而建立正确的运动动作记忆痕迹，则是由皮质—纹状体、皮质—小脑以及边缘（海马）等区域和结构来完成的［7，8］（见图1）。在体育运动情境中，常见的状态是，运动者必须排除所有外界的无关干扰，集中全部精力于运动任务信息的执行中。在这一过程中，运动参与者需要进行视觉运动目标追踪，这种运动追踪目标，可能是单目标，如乒乓球、高尔夫球等，也可能是多目标，如足球等。在这种运动目标的追踪任务中，运动参与者需要对所追踪目标的运动空间、行进速度、运动角度和方向、行进轨迹以及目标定位信息等进行搜集、整合、加工并且做出预测，才能在运动情境中做出合理、优化和即时的运动选择和决定［7］。

图1 运动选择和决策的神经调控机制

此外，有研究表明，运动参与者的动作决定与选择，也需要大脑背外侧的前额叶皮层参与完成［9］。运动参与者在进行一些高策略、开放性的运动比赛时，例如网球比赛，在做运动决策时，必须要在短时间内利用仅有的少量信息迅速做出运动决定，而这种决定的运动结果可能具有不确定性。这就对运动参与者的大脑区域的独立信息处理能力和相互间的信息融合要求非常高。在搜寻和追随运动目标的过程中，运动参与者的大脑需要同时进行多种信息接收和加工，如运动物体的速度、方向和角度，还要整合自己身体各个部位的动作，并且要调节物体在三维空间环境中运动时双眼视轴的辐合［10］。当运动目标的运动速度加快、运动角度突然变化或者运动轨迹发生改变时，追踪者的眼动速度就会慢于目标速度的改变，从而导致追踪的增益降低，即追踪者的眼动速度与目标速度的比率变化了。这种增益降低，会导致追踪者和运动目标之间的位置误差不断扩大［11］。运动者就需要调节不同的眼跳幅度来逐渐缩小与追踪目标之间的误差，甚至可以通过预测来调节眼动幅度，使视觉追踪提前到运动目标之前的特定位置上，从而提高追踪增益［12］。这是运动者各脑区之间短期快速联合行动，做出运动决策，甚至提前预判的特别机制。运动过程中的即时决策能力，是运动参与者对运动目标的空间位置、接触时间、运动角度和速度、预测性变化等时空特征表征［13-16］的信息接收、整合与反馈，并进行预测的行为能力。

运动的执行功能可以对大脑相关功能区进行刺激，从而对大脑形成改善效应，这种改善是大脑可塑性变化的结果。大脑的可塑性是人脑在外界变化环境和自身行动经验的相互作用下，不断重塑和改变脑神经结构和执行功能的结果。人脑的执行功能在完成运动过程中处理复杂的认知任务时，对各种基本认知过程进行升级协调和调控，提升到更高级的认知过程。大脑用位于额叶前端的执行功能区（executive function，EF）或中央控制功能区来指挥协调其他相关脑区的共同工作。EF是大脑进行学习、推理、决策与选择、解决问题和智力活动的重要部位。在运动过程中，复杂的运动活动，像发球、接球等，EF 除了执行基本功能外，还要完成一系列的管理任务，包括选择运动目标、确定运动任务、制定具体行动、保持注意力、控制情绪表现、还要检查与评价运动效果等。这些活动涉及大脑的多个区域，需要联合融合信息并统筹，因此EF 区要对各个脑区进行协调、调度、整合和控制［17］。在面临众多目标任务要求时，EF 区必须做出即时决定，哪些信号重要、哪些信号可以忽略、哪些信号需要马上加工并反馈［18］。EF区在大脑决策过程中如此重要，却是一个发育较晚的器官。已有研究显示，EF区的发展高峰期主要在青春期后期发生［19］。而这一时期，正好处于大学教育阶段，所以在大学期间开展不同强度的综合学习、运动、决策等任务，来刺激大脑功能区的发育，促进大脑EF区的发展，事半功倍。

2 视觉搜索及注意力选择对运动决策的影响

在运动过程中，视觉对运动信息的接收、反馈，对运动的决策制定具有重要作用。大脑颞叶主要负责识别运动中的视觉对象，并形成视觉长期记忆。枕叶也参与运动过程中的视觉搜寻、视觉注意等基本运动认知加工过程［20］。楔前叶位于大脑的顶叶皮层，而顶叶与注意力选择、反应冲突、问题的解决等高度相关。枕叶与顶叶一起构成了人脑的视觉联合皮层，是运动参与者完成多种运动认知加工过程的重要大脑皮层系统。视觉联合皮层与运动功能的相关研究发现，适当的运动练习，可以让人脑的初级和次级视觉皮层系统发生可塑性改变［21］。此外，有研究者通过测试从事棒球、羽毛球、网球、攀岩等项目的运动员发现，视觉运动追踪能力是高水平运动员的运动特质之一，对击球的准确性以及运动预判效果具有重要影响［22，23］。运动参与者进行专门的视觉运动追踪训练后，其视觉搜寻能力、注意力程度、手眼协调能力、动作反应速度以及预判预测能力，都有显著性提升［24］。

前扣带回对运动的决策也具有一定影响。研究显示，前扣带回在运动过程中，与前额叶相互配合，执行发现错误、解决冲突、抑制无关干扰等功能控制［25，26］。执行控制的双系统模型理论意味着，前额叶与前扣带回在执行控制中大多数情况下会同时激活，前扣带回的主要功能是监控冲突或错误检测，前额叶则主要负责抑制不相容反应的调节［27，28］。前扣带回和前额叶形成的控制双系统，对运动过程中的决策制定、行动反馈等至关重要。

运动需要选择和启动正确的动作才能达到有效的运动目的。有研究表明，运动参与者的视觉认知加工，需要大脑基底神经节和枕叶模块之间的连接，具体表现在基底神经节—枕叶、枕叶—顶叶联合皮层、枕叶—额叶联合皮层、枕叶—颞叶联合皮层［29］。最近研究发现，基底神经节在运动控制中的作用非常广泛：基底神经节—顶叶联合皮层的连接也参与运动过程中的视觉认知调节。而且基底神经节参与调控运动速度、运动方向、运动角度和运动强度，同时还参与动作学习效果的调控［30］。体育运动的特性要求，参与者在运动过程中，需要根据接收到的不同视觉刺激信息，即时做出选择和决定，随时调整和变换身体动作，以适应运动过程中的任务变化。因此，体育运动对于楔前叶和枕下回共同构成的视觉联合皮层的整合能力要求非常高，并使视觉联合皮层发生可塑性变化［31］。

在真实的运动情境中，运动目标可能会发生速度、角度甚至轨迹的不定时变化，有时运动可能会被遮挡，运动参与者的视觉系统必须对追踪的运动目标进行时空特征和运动转换的信息加工，通过视觉联合皮层的整合，建立连续性的信息加工和反馈系统，并经由前扣带回和前额叶形成的控制双系统，是发挥运动预测功能，就行为层面上对追踪目标空间位置或碰撞时间、眼动层面上对追踪目标经历遮挡后重新出现位置、神经活动层面上的决策行动等进行预测［32］。

运动类实践课程的形式和内容上需要模拟和营造真实的运动追踪任务，对于学习者的运动决策和选择训练效果会产生积极的影响［33］。如何设计、开发和实施具有真实的运动决策和追踪任务的运动类课程，需要相关人员进行积极思考与推进。未来研究者应综合应用多种方法和技术，针对不同运动项目的特征设计研发运动训练、决策及测评系统，同时结合自我报告、认知行为学以及神经科学等方面对运动、训练和比赛效果进行评价和反馈。