不同級別中國象棋運動員腦功能成像研究

梁東梅,劉承宜,邱麗華,段旭君,李輝輝,龔啟勇

不同級別中國象棋運動員腦功能成像研究

梁東梅1,劉承宜1,邱麗華2,段旭君3,李輝輝3,龔啟勇2

目的:比較中國象棋大師級和一級棋士級運動員大腦功能的不同,討論“項目內(nèi)穩(wěn)態(tài)”的神經(jīng)表現(xiàn)。方法:采用大腦功能磁共振成像方法,應(yīng)用基于Matlab的統(tǒng)計參數(shù)圖軟件(SPM)分析第1屆全國智力運動會中國象棋運動員腦區(qū)激活信息。結(jié)果:大師級運動員有范圍更廣、程度更高的腦區(qū)激活,主要體現(xiàn)在右側(cè)中央前、后回和左側(cè)額葉上、中回,一級棋士右側(cè)枕葉上回激活程度更高。結(jié)論:中國象棋大師級運動員在邏輯推理、空間工作記憶和運動控制等方面的水平比一級棋士更高。

神經(jīng)影像;中國象棋;運動員;腦功能

磁共振信號與血流中含氧量有關(guān),測量腦活動時腦內(nèi)各處血流含氧量的變化可反映相應(yīng)的神經(jīng)細胞活動的變化[4],功能磁共振成像技術(shù)(Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)可探測大腦完成認知任務(wù)時的工作情況,近年來已成為腦認知科學(xué)的研究熱點。

棋類活動是人類高級認知活動的代表,文獻大多研究國際象棋。前人曾對性別[8]、年齡[9]、智力[15]、練習(xí)[7]甚至出生月份[12]等多種影響因素與運動員水平的關(guān)系進行過研究。到目前為止,僅A therton[6]和Chen[10]利用fMRI分別對國際象棋和圍棋運動員對弈時大腦的工作情況進行了研究。中國象棋極具中國特色,擁有眾多的愛好者,中國運動員幾乎包攬了世界上所有中國象棋比賽的獎牌。截止目前,對中國象棋的研究僅涉及其歷史[2]、文化[3]、機器博弈[5,28]等方面,尚未見對棋手大腦功能進行研究的報道。

近兩年世界和全國智力運動會在中國的召開讓國人認識到棋類活動作為競技比賽項目的吸引力。競技比賽有輸贏,運動員按比賽成績分運動等級,中國象棋也不例外。Ross等人[24]和Milton等人[19]以高爾夫入洞竿數(shù)作為劃分運動等級的標準,發(fā)現(xiàn)不同級別運動員大腦激活腦區(qū)部位和程度不同。Kim[17]和Wei[27]分別對不同級別射箭運動員和跳水運動員進行的研究也有相似結(jié)論,以上研究提示,從腦功能角度看,不同運動等級運動員技能相關(guān)的神經(jīng)基礎(chǔ)不同。

本研究采用fMRI方法對中國象棋大師級和一級棋士級運動員進行比較分析,為研究運動水平的中樞神經(jīng)機制提供借鑒。

1 fM RI數(shù)據(jù)采集與分析處理

1.1 受試基本情況

在最近發(fā)表的相應(yīng)的國外文獻中,涉及大師級運動員一類“稀少人群”的fMRI研究曾采用6～7人[19]。據(jù)東萍象棋網(wǎng)數(shù)據(jù),我國中國象棋男運動員共6 768人,大師級運動員共110人,男性大師級運動員在棋手中所占比例為1.6%。本實驗收集的對象為第1屆智力運動會的運動員,共有182名男性參賽運動員報名參加比賽,經(jīng)最大的努力,已將符合條件并自愿參加測試的受試納入。

本實驗收集男性參賽運動員13名,其中大師級運動員6名,年齡25.67±6.8歲,體重70.33±10.5 kg,受教育年限13.83±1.83年;一級棋士7名,年齡29.43± 10.42歲,體重75±15.28 kg,受教育年限12.43±2.37年。兩組受試年齡、體重、受教育年限均無顯著性差異(P>0.05)。受試均身體健康,無神經(jīng)精神疾病史和用藥史,均為右利手。

1.2 實驗任務(wù)設(shè)計

如圖1所示,本實驗設(shè)計為8 s靜息準備狀態(tài)和594 s任務(wù)刺激狀態(tài)。靜息準備狀態(tài)為黑色底色加正中小白色十字界面,要求受試定睛看十字,避免走神。任務(wù)刺激狀態(tài)為1個循環(huán)(section),包括9個單元(trail),每個單元依次呈現(xiàn)空白棋盤、隨機棋盤和殘局三種任務(wù)刺激,分別持續(xù)22 s,包括20 s刺激時間和2 s選擇時間。在每個任務(wù)刺激后2 s的選擇時間中,屏幕將顯示“1”、“2”兩個數(shù)字,受試以食指按“1”,中指按“2”,在空白和隨機棋盤刺激后,受試隨機進行按鍵,兩個數(shù)字沒有差異,在殘局刺激后,受試作為紅方,按“1”代表想出如何將死對方,按“2”代表未想出。本實驗任務(wù)設(shè)計采用心理學(xué)實驗軟件E-p rime編程實現(xiàn)。

圖1 實驗任務(wù)設(shè)計示意圖

1.3 數(shù)據(jù)采集

采用四川大學(xué)華西醫(yī)院放射科磁共振研究中心西門子3.0T全身磁共振成像儀(Siemens Magnetom Trio 3.0T),受試實驗時仰臥,頭部左右側(cè)加軟海綿墊固定于線圈內(nèi)以減少頭部運動。與計算機相連的投影儀將實驗任務(wù)內(nèi)容投射到成像儀內(nèi)的屏幕上,受試通過頭部所戴掃描線圈上的反光鏡觀看屏幕內(nèi)容。以平面回波成像(Echo-Planar Imaging,EPI)序列采集T2＊功能像,掃描參數(shù):TR =2 000 ms,TE=30 ms,翻轉(zhuǎn)角度為90°,層厚5 mm,矩陣64×64,視野240×240 mm2,體素大小為(3.8×3.8× 5.0)mm3,共30層,隔層掃描。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計參數(shù)圖(Statistical Parametric Mapping,SPM)軟件SPM 2在Matlab R2008a的平臺上對實驗數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,對每個受試的fMRI數(shù)據(jù)首先進行時間校正、頭動校正,排除頭部平動大于1 mm、轉(zhuǎn)動大于1°的受試對象,而后將校正后的圖像進行空間標準化,采用SPM自帶蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所(Montreal Neurological Institute,MN I)模板空間,并將每個體素重采樣至(3×3×3)mm3;最后使用高斯函數(shù)進行平滑,降低空間噪聲,半高寬(full width at half maximum,FWHM)取8 mm。采用配對樣本t檢驗(P<0.001,未校正),激活范圍閾值設(shè)為5個體素。

2 實驗結(jié)果

對大師組和一級棋士組受試殘局減空白棋盤的數(shù)據(jù)做配對樣本t檢驗的組間分析,分別得到大師組比一級棋士組激活程度更高(P<0.001,未校正)以及一級棋士組比大師組激活程度更高(P<0.001,未校正)的腦區(qū)。

2.1 大師組高于一級棋士組的結(jié)果

由圖2和表1可以看出,大師組受試比一級棋士組受試激活范圍更廣(以激活簇內(nèi)體素數(shù)量表明)、程度更高(以t值表明)的腦區(qū)有雙側(cè)中央后回、雙側(cè)額葉中回、右側(cè)中央前回、左側(cè)額葉上回、右側(cè)扣帶中回、左側(cè)中央旁小葉和右側(cè)殼核。

圖2 任務(wù)減空白刺激時大師組比一級棋士組激活程度更高的腦區(qū)(橫截面觀)圖

2.2 一級棋士組高于大師組的結(jié)果

一級棋士組受試比大師組受試激活范圍更廣、程度更高的腦區(qū)為右側(cè)枕葉上回(Right Superior Occipital,表2)。

表1 本研究任務(wù)減空白刺激時大師組被試激活程度更高的腦區(qū)數(shù)據(jù)一覽表

表2 本研究任務(wù)減空白刺激時一級棋士組運動員激活程度更高的腦區(qū)數(shù)據(jù)一覽表

3 分析與討論

劉承宜等人[1]研究發(fā)現(xiàn),運動訓(xùn)練可以形成項目特異的內(nèi)穩(wěn)態(tài)(sport-specific homeostasis,SSH)。SSH的品質(zhì)包括運動功能的復(fù)雜性和穩(wěn)定性。項目的運動成績表征了功能的復(fù)雜性,成績越好,復(fù)雜性越高;項目成績的可重復(fù)性代表了功能發(fā)揮的穩(wěn)定性,可重復(fù)性越好,功能發(fā)揮的穩(wěn)定性越高。顯然,SSH的品質(zhì)越高,運動成績越好。訓(xùn)練會導(dǎo)致大腦皮層產(chǎn)生可塑性變化,神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性是SSH的神經(jīng)表現(xiàn)。

不同級別運動員的區(qū)別可以分為兩個層次。第1種情況:兩者所建立的SSH品質(zhì)相同,低級別運動員的腦區(qū)激活比高級別運動員高。Ross等人[24]對高爾夫運動員的研究發(fā)現(xiàn),在輔助運動區(qū)(supplementary moto r area)、小腦(cerebellum)和基底節(jié)(basal ganglia)等任務(wù)相關(guān)區(qū)域,隨著受試水平的提高,大腦激活程度降低。Milton等人[19]對高爾夫運動員的研究發(fā)現(xiàn),兩組運動員完成某個技術(shù)動作想象時的大腦激活不同,高級別運動員主要激活頂上小葉(superior parietal lobule)、背外側(cè)運動前區(qū)(dorsal lateral p remotor area)和枕葉(occipital area),低級別運動員還激活后扣帶回(posterior cingulate)、杏仁核-前腦復(fù)合體(amygdala-fo rebrain complex)和基底節(jié)(basal ganglia)。研究認為,此類結(jié)果源于高級別運動員形成了集中和高效的任務(wù)相關(guān)網(wǎng)絡(luò),而低級別運動員卻很難濾過不相關(guān)信息。

第2種情況:低級別運動員所建立的SSH品質(zhì)低于高級別運動員的SSH品質(zhì),后者的腦區(qū)激活在一些區(qū)域高于前者,但在另一些區(qū)域低于前者。Kim等人[17]對射箭運動員的研究發(fā)現(xiàn),二者放箭前習(xí)慣動作的大腦激活區(qū)有異同,兩組均激活前、后扣帶回(anterior and posterior cingulate gyrus),高級別運動員主要激活枕中回(occipital gyrus)、顳上回(temporal gyrus),低級別運動員主要激活額葉區(qū)(frontal area),同時,在相同激活區(qū),高級別運動員激活強度高于低級別運動員。Wei等[27]對跳水運動員實施的動覺想象實驗、Seung等[25]對音樂家的研究也支持此類結(jié)果。

大師組被試的SSH品質(zhì)高于一級棋士組,本研究結(jié)果屬于第2種情況。大師組比一級棋士組受試激活程度更高的腦區(qū)有右側(cè)中央前回、雙側(cè)中央后回、雙側(cè)額葉中回、左側(cè)額葉上回。中央前回主要負責(zé)運動功能,中央后回主要負責(zé)接收外來刺激,產(chǎn)生感覺。額葉主要負責(zé)邏輯推理[14]和空間工作記憶[11]等高級認知功能[20]。以往對國際象棋運動員的研究并不一致認可額葉的作用[6,21],本研究提示了自額葉在中國象棋大師級運動員大腦功能中的作用,但需進一步結(jié)合運動員智力和空間工作記憶等結(jié)果進行分析。大師組被試比一級棋士組被試在左側(cè)中央旁小葉也有更高程度的激活,中央旁小葉前部為輔助運動區(qū)(supplementary motor area,SMA),該區(qū)為感覺運動皮層的一部分,主要負責(zé)運動準備和雙手控制,其功能與視覺線索依賴的運動控制不同,掌管記憶中順序運動的控制[26]。中央旁小葉后部為頂葉的一部分,頂葉主要參與包括空間信息處理、空間導(dǎo)向和內(nèi)外空間信息交互在內(nèi)的空間計算過程[22]。對國際象棋運動員的研究提出,頂葉與思考棋子可能走法的心理想象過程相關(guān)[6]。中國象棋大師級運動員在右側(cè)扣帶中回也有更高程度的激活,扣帶回是大腦皮層和邊緣系統(tǒng)間的白質(zhì)連接纖維,研究提出后扣帶回激活程度與運動技能掌握程度成反相關(guān)[23]。對圍棋運動員的研究發(fā)現(xiàn),在任務(wù)減空白刺激時也有后扣帶回的激活,但未對運動員分級別進行討論,也沒有對扣帶中回的討論。中國象棋大師級運動員右側(cè)殼核激活程度也更高。殼核和尾狀核共同構(gòu)成背側(cè)紋狀體,二者協(xié)作接收來自大腦皮層的傳入信息,是皮層通往基底節(jié)的入口。殼核參與運動學(xué)習(xí)、控制、準備等功能[18],若發(fā)生異常,將導(dǎo)致帕金森等運動系統(tǒng)疾病[16]。

一級棋士組被試激活程度更高的腦區(qū)為右側(cè)枕葉上回。枕葉主要負責(zé)視覺功能,較低水平運動員激活程度更高可能說明需要更多注意棋盤以思考如何行走棋子,而大師級運動員對棋局的不同布局已經(jīng)熟悉,需要的視覺注意可能較少。棋類研究提出的“組塊學(xué)說”(chunking theory)對此提供了一些證據(jù)[13],對國際象棋和圍棋的研究也發(fā)現(xiàn)有枕葉的激活[6,10]。

本研究顯示,與中國象棋一級棋士運動員相比,大師級運動員有范圍更廣、程度更高的腦區(qū)激活,主要在負責(zé)運動功能的中央前回、負責(zé)接收外來刺激產(chǎn)生感覺的中央后回、負責(zé)邏輯推理和空間工作記憶等高級認知功能的額葉上、中回。一級棋士運動員在負責(zé)視覺功能的枕葉上回激活程度更高。神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性是運動訓(xùn)練形成的SSH的神經(jīng)表現(xiàn),大師級運動員的SSH品質(zhì)高于一級棋士運動員。

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Functional M RIStudies on Different Level Chinese Chess Players

L IANG Dong-mei1,L IU Cheng-yi1,Q IU Li-hua2, DUAN Xu-jun3,L I Hui-hui3,GONG Qi-yong2

This study app lied functional magnetic resonance imaging(fMRI)to investigate the difference of the neural basis of Chinese chess players between grandmasters and first level p layers.The chess p layers are studied in the 1st National M ind Sports Games by using the method of fMRI.The result showed that increased activations were observed in cortical areas such as right p recentral and postcentral cortex,left superior and middle frontal areas among grandmasters but in right occipital superior areas among first level players in comparison w ith each other.These results indicated that grandmasters may be of higher ability in logic reasoning,spatial wo rking memo ry and motor control.

neural imaging;Chinese chess;athlete functional m agnetic resonance imaging

G804.8

A

1000-677X(2010)08-0069-04

2010-04-14;

2010-05-28

國家自然科學(xué)基金資助項目(60878061)。

梁東梅(1982-),女,四川富順人,在讀博士研究生,主要研究方向為功能內(nèi)穩(wěn)態(tài),Tel:(020)39315884,E-mail: dongmeiliang2008@yahoo.com.cn;劉承宜(1963-),男,四川大竹人,博士,教授,主要研究方向為功能內(nèi)穩(wěn)態(tài), Tel:(020)85213369,E-mail:liutcy@scnu.edu.cn。

1.華南師范大學(xué)激光運動醫(yī)學(xué)實驗室,廣東廣州510006;2.四川大學(xué)華西醫(yī)院放射科磁共振研究中心,四川成都610041;3.電子科技大學(xué)神經(jīng)信息重點實驗室,四川成都610054 1.South China Normal University,Guangzhou 510006, China;2.West China Hospital,Sichuan University, Chengdu 610041,China;3.University of Electronic Science and Technology,Chengdu 610054,China.