棋類項目磁共振成像研究綜述

梁東梅　劉承宜

（1華南師范大學體育科學學院，廣州 510006；2喀什大學教育科學學院，喀什 844000）

棋類項目磁共振成像研究綜述

梁東梅1，2劉承宜1

（1華南師范大學體育科學學院，廣州 510006；2喀什大學教育科學學院，喀什 844000）

本文沿影像技術發(fā)展的脈絡，綜述腦成像技術在棋類問題研究中的應用，展示技術進步如何促進棋類問題研究的深入，梳理對棋類對弈神經機制的認識，以期促進對人腦高級認知活動機制的理解。

醫(yī)學影像；棋類項目；神經機制；高級認知活動

1　初期的嘗試

最初，研究者根據間接手段，采用左右利手測試等推斷棋類認知的神經基礎。如Cranberg等觀察發(fā)現(xiàn)，以非娛樂態(tài)度參加國際象棋的選手大多為左利手，從而據此推斷右側大腦半球負責國際象棋技能［1］。Chabris研究發(fā)現(xiàn)，非利手側（如，右利手選手的非利手側為左側，右側大腦負責左側功能，即，右利手選手的右側大腦，左利手選手的左側大腦）大腦負責國際象棋技能［2］。雖然推斷過程不一致，但不同研究者對負責國際象棋技能的大腦半球位置有相同看法。

此時，腦成像技術在認知科學領域開始被應用，而基于國際象棋問題解決的過程是典型的認知模型［3］。該過程也可在斷層攝影術中實現(xiàn)，研究者以國際象棋認知任務為對象，先后使用PET（positron emission tomography）方法［4］和SPECT（single photon emission computerized tomography）方法［5］考察大腦如何解決從易到難的國際象棋問題。這兩個實驗首先展示了兩種腦成像技術的適用性，其次驗證了前人通過間接手段推論獲得的結論，并進一步歸結為非利手側大腦負責國際象棋技能，更進一步，從SPECT實驗所獲得的結果發(fā)現(xiàn)，棋手思考國際象棋問題時，非利手側大腦的背側前額葉和顳葉在活動［5］。

2　棋類對弈腦成像研究的生態(tài)學效度

因為腦成像技術的特點，對肢體運動的腦機制研究受限。Ogata等認為，腦成像技術并不適用于考察下日本將棋（shogi，Japanese Chess）者的神經基礎，因為所有技術對受試的身體運動都有限制，而光學地形繪圖（optical topography，OT）方法卻可能通過測試大腦血流間接地獲得日本將棋者的大腦活動過程［6］。Ogata等納入了兩個受試下日本將棋的過程，但只測試到一個受試的大腦血流。結果發(fā)現(xiàn)，右側額葉比左側活動程度更高，并且視覺區(qū)的兩個部分彼此交換信息。在Ogata的報道中，僅兩個受試卻只測試到一個受試的數(shù)據，而且丟失數(shù)據的原因是儀器容量有限，因此，OT方法在棋類過程研究中的應用還有待進一步考察。

對以fMRI為代表的神經科學實驗技術而言，由于實驗過程多以計算機屏幕呈現(xiàn)實驗刺激，隨著計算機的普及，越來越多的國際象棋選手學棋和練棋都不再用傳統(tǒng)的棋子棋盤方式，而是通過計算機進行。因此，在實驗中面對計算機呈現(xiàn)的棋局，完成想棋和解棋等過程對眾多受試而言是很熟悉的，這提高了實驗本身的效度。目前，國際象棋成為研究專家使用較多的領域［7－22］。在進行研究時，基于一個公認的標準來區(qū)分研究對象是十分重要的，國際象棋在此點上也有優(yōu)勢。國際象棋有國際公認的技能標準評價系統(tǒng)——等級分（ELO Rating）［23］，而且，國際象棋是一項復雜活動，有許多認知過程參與其中，同時，國際象棋棋盤的有限區(qū)域不僅提供了可控制的實驗環(huán)境，在該有限區(qū)域中還可產生數(shù)目眾多的可能棋局數(shù)目組合（約10123）。此外，幾乎每一場棋賽每一位選手的每一步走棋都被納入了數(shù)據庫中，這為實驗提供了眾多可選素材。

3　專家-新手研究模式的應用

基于以上分析，使用國際象棋進行認知過程的研究有很高的效度。在心理學研究中，自傳體記憶實驗與實驗室控制的實驗相比，有較高的效度和較低的可控度。國際象棋專家具有一般專家的特點——技能表現(xiàn)的穩(wěn)定性，因此，Campitelli等使用國際象棋專家自己的棋局和其他選手的棋局分別作為實驗刺激，考察了國際象棋專家自傳體記憶的神經基礎，發(fā)現(xiàn)左側顳葉—頂葉聯(lián)合和左側額葉的激活［24］，這與之前對國際象棋專家和業(yè)余選手記憶模塊的研究結果一致。此前，研究者使用腦磁圖描記（magnetoencephalograph，MEG）方法考察國際象棋特級大師和有十年以上練習經歷的業(yè)余選手分別與計算機對弈時的Gammar波分布，發(fā)現(xiàn)特級大師更多分布在額葉和頂葉皮質，業(yè)余選手多分布在顳葉中回，并且，Gammar波的分布與國際象棋等級分（ELO Ranking）呈負相關，此研究提示國際象棋特級大師使用了熟練的業(yè)余選手不多用的腦區(qū)，揭示了相同時間但內容（或者強度，文中未告知）卻不相同的訓練和練習的結果［25，26］。

隨著棋類理論研究的成熟，對專家研究提出的記憶模塊理論（chunking theory of memory）［27］和模板理論（template theory）［28］在棋類研究中被普遍認可。研究者認為，國際象棋專家長時記憶中存在的模塊數(shù)量和質量 （nature）可預測其下棋的表現(xiàn)［9］。Campitelli等使用國際象棋和非國際象棋刺激，通過變換刺激結構和受試對刺激的熟悉程度，使用專家—新手研究范式進行了fMRI結果的比較。研究者發(fā)現(xiàn)，大師面對不同程度的刺激結構和刺激熟悉程度，其大腦活動無差異，而新手卻會呈現(xiàn)差異，在變換棋子擺放位置造成不同的國際象棋刺激熟悉程度時出現(xiàn)最大的差異。此時，邊側額葉區(qū)域（如前扣帶區(qū)和上、中、下額回）和大腦后部區(qū)域（如后扣帶區(qū)和小腦）呈現(xiàn)雙側高度激活。該研究結果證實，在完成專業(yè)技能時，專家與新手動用的大腦區(qū)域不同，至此，專家—新手研究范式為單個認知過程神經基礎的研究提供了可能。

前文提及，隨著模塊理論被認可，Amidzic等從使用MEG方法對特級大師（2400～2600 Elo points）和業(yè)余棋手 （ranked 1700 and above on the Elo scale）進行的研究中總結出特級大師多動用近期記憶（recent memory），業(yè)余選手多動用遠期記憶（remote memory）。Amidzic據此推斷，特級大師的技能相關記憶模塊在額葉和頂葉，業(yè)余選手在顳葉中回。Campitelli提出，國際象棋專家技能以模塊形式獲取并儲存在長期記憶（long－term meory）中，此技能存在的形式促使了以技能為基礎的快速認知的實現(xiàn)。Campitelli使用fMRI方法考察國際象棋專家完成記憶任務的過程以驗證該推論，由于記憶任務本身的特點，工作記憶所在的額葉和頂葉腦區(qū)也將被激活［29］。表面上看起來，Campitelli與Amidzic雖然都基于國際象棋專家記憶模塊理論在尋找國際象棋專家記憶模塊所在的腦區(qū)，只是二者分別使用了fMRI和MEG兩種不同的實驗手段，而且其獲得的結果好像不一致，但實際上，Campitelli使用的為國際象棋標準平均等級分 （Elo rating points）為1971（range 1750－2200）的受試為國際象棋專家，而相同等級分范圍的受試在Amidzic的實驗中被稱為業(yè)余選手，僅等級分處于2400～2600的棋手才被納為國際象棋專家。因此，Campitelli實驗的結果其實與Amidzic一致，即國際象棋專家在下棋時動用近期記憶，其技能相關記憶模塊處于額葉和頂葉，業(yè)余選手在下棋時動用遠期記憶（長期記憶），其技能相關記憶模塊位于顳葉（顳葉中回）。

在此之前，研究者在使用腦電圖描記儀（electroencephalograph，EEG）對精神負荷（mental load）進行研究時發(fā)現(xiàn)，國際象棋對弈過程能實現(xiàn)在實驗室模擬精神活動的目的，故采用不同難度的國際象棋圖案作為刺激，記錄棋手解決問題的過程，通過誘發(fā)腦電一致性測試 （evoked EEG coherence measures，EC）發(fā)現(xiàn)，與靜息態(tài)相比，在任務處理過程中，EC改變的位置和方向取決于任務難度［30］。基于此結果，繼續(xù)使用國際象棋進行的相關研究發(fā)現(xiàn)，當處理同樣任務時，專家和新手表現(xiàn)不同的EC，以靜息態(tài)作為對照，專家不僅體現(xiàn)在與新手不同的delta頻段（位于大腦后部且多位于右側大腦），而且專家在任務狀態(tài)下的EC高于靜息狀態(tài)下，但新手卻相反［31］。

根據棋類研究成果，Wan等發(fā)現(xiàn)，世界級和本地俱樂部級別選手棋盤搜索程度和范圍無差異，但在游戲樹枝搜索過程中不同［32］。最好的下一步走法經常包含在世界級選手搜索的第一部分，而本地俱樂部級選手經常在他們大范圍的搜索中將此遺忘。有人認為，世界級選手主要通過信號記憶產生一個或多個最好的下一步走法。專家更優(yōu)秀的表現(xiàn)體現(xiàn)在棋盤模式記憶任務中，有人推測，棋類專家使用感知單元（模塊，即許多棋子組成的各種不同的模式化的布局安排）迅速感知棋盤模式。由于模塊與長期記憶中下一步最好的走法相關，棋類專家對模塊的感知自動在大腦中產生最好的下一步走法。Wan等同時認為，雖然過去成像研究發(fā)現(xiàn)專家大腦有體積的部分改變和特殊活動過程，但以上提及的自動過程（由于對模塊的感知而自動在大腦中產生最好的下一步走法）的神經基礎尚不知道。此外，就日本將棋自身特點而言，據專業(yè)棋手報告，最好的下一步走法是“憑直覺產生”（意味著迅速且自動產生，沒有意識搜索過程參與，是一個內隱過程），剩余的時間用于確定的搜索和考慮更高級別的策略。專家的此直覺過程像常規(guī)一樣出現(xiàn)，其不同于頓悟，頓悟發(fā)生的頻率更低且不可預測。Wan等以fMRI方法觀察了受試下日本將棋時的大腦活動，以揭示快速感知棋盤模式和隨后快速產生最好的下一步走法的神經基礎。由于心理學研究顯示，棋類專家憑直覺產生下一步走法是基于對模塊更高級和更快的感知，故此，該實驗首先設置一個日本將棋模塊的感知實驗，在之后設計了快速判斷下一步走法的實驗。Wan等充分利用棋類理論研究中的記憶模塊理論，將對模塊的感知和自動產生最好的下一步走法聯(lián)系起來，從而考察了專家通過直覺產生最好下一步走法的神經過程。

4　新技術推動棋類對弈的腦機制研究

在最初的成像技術實驗中，研究者將受試在不同認知環(huán)境下的大腦反應相減，比如將受試判斷將棋時的反應減去受試對國際象棋規(guī)則的反應，Nichelli等部分模擬了下國際象棋者的復雜認知過程，且發(fā)現(xiàn)雙側枕葉和頂葉（areas 7、18、20）、上額葉某區(qū)（area 8）和兩個前額葉區(qū)（左側枕—額皮層和右側前額葉皮層）在該過程中的作用［4］，揭示了可能會與國際象棋認知過程相關的皮層區(qū)域，但國際象棋完整認知過程的神經基礎仍不可知。通過真實下棋場景下再現(xiàn)真實的棋局，模擬其中的視覺搜索和注意過程并將其認知影響在下棋場景中除去，同時，適逢非侵入性功能成像技術 （non－invasive functional magnetic resonance imaging，non－invasive fMRI）的發(fā)展，為在人體研究下棋這一復雜過程的中樞神經基礎提供了契機。

Atherton等使用fMRI方法定位了國際象棋認知過程的皮層功能腦區(qū)［33］，雖然未能清楚了解整個國際象棋認知過程的神經機制，但fMRI方法在國際象棋研究中的應用為了解該認知過程中的腦區(qū)活動模式提供了可能，同時，fMRI方法在除國際象棋以外其他棋類項目中的應用將促進人們了解不同棋類認知任務的特點。Chen等同時使用fMRI對圍棋進行了研究［34］。對國際象棋的fMRI研究發(fā)現(xiàn)，激活腦區(qū)主要位于頂葉 （parietal areas）和頂／枕葉（occipital／parietal lobes），提示國際象棋主要涉及空間認知。由于缺乏額葉激活，尤其是左邊側額葉 （如area 46和／或area 6）的激活，而該區(qū)域與智力和邏輯推理相關［35，36］，故推測智力因素不參與國際象棋認知過程。對圍棋的fMRI研究也發(fā)現(xiàn)缺乏額葉激活，但研究者并不否定智力因素在圍棋認知過程中的作用，而認為可能是由于受試對實驗中的圍棋棋局熟悉，從而導致受試不需過多思考即可清楚走棋方法。這一推論與前人發(fā)現(xiàn)面對相同分析任務時，智力更高的受試額葉激活更弱一致［37］。但研究者隨即發(fā)現(xiàn)此解釋并不具備足夠的說服力，因為圍棋fMRI研究中的受試均為業(yè)余圍棋選手，研究者故此建議下一步的研究可考慮使用經過長期專業(yè)訓練的圍棋專家考察此現(xiàn)象。同時，國際象棋和圍棋的腦區(qū)激活均無大腦半球優(yōu)勢，比如，就國際象棋而言，52.6%處于左側半球，與右側半球幾乎無差異。此結果不僅與前人的研究結論——非利手側大腦半球負責國際象棋技能不同，也與前人認為的右側大腦半球負責空間認知不一致［38］。對國際象棋和圍棋fMRI研究的比較發(fā)現(xiàn)，僅圍棋在左側大腦半球前額葉背邊側區(qū)域（area 44／45）有激活。研究者認為，該區(qū)域通常與產生語言相關，發(fā)生此差異可能由于較國際象棋選手而言，圍棋選手對棋盤策略位置的名稱更熟悉。

Ouchi等使用PET方法對比了8名男性專業(yè)圍棋選手和6名業(yè)余圍棋選手（4名男性，2名女性）判斷過程的神經基礎［39］。在實驗中，受試面對開局判斷和終局判斷兩種情況，每種情況呈現(xiàn)60s，受試在每種情況下都默想如何走棋并在實驗后將結果告知研究者。研究者發(fā)現(xiàn)，在開局判斷時，兩組均激活頂葉，業(yè)余選手額外激活前額葉；在終局判斷時，業(yè)余選手激活前運動區(qū)和頂枕皮質（視覺空間區(qū)域），專業(yè)選手激活楔前葉和小腦；將兩組選手在終局判斷時的激活區(qū)域比較發(fā)現(xiàn)，專業(yè)選手在楔前葉和小腦有顯著更強的激活，業(yè)余選手在前運動區(qū)有更強的激活；另外，高級別等級分的專業(yè)選手在小腦有很顯著的激活。研究者據以上發(fā)現(xiàn)推斷：對于專業(yè)圍棋選手而言，小腦和楔前葉在通過視覺想象和非運動學習記憶進行準確判斷的過程中有重要作用。

對比以上兩篇對圍棋的研究發(fā)現(xiàn)，單一使用業(yè)余選手（新手）研究棋類認知過程并不能全面說明棋類復雜認知過程的神經基礎，因為當面對相同技能和經驗相關的認知任務時，通過腦功能成像手段獲得的專業(yè)選手和業(yè)余選手的活動腦區(qū)不同，這與Volke等［31］使用EEG對國際象棋專家和新手進行的研究所得的結論相似。不同的是，Volke等獲得的是國際象棋專家新手的EC頻段，該頻段不僅與新手不同，并且更多位于大腦后部和右側大腦，同時，專家任務狀態(tài)下的EC高于靜息狀態(tài)下，但新手卻相反。在Ouchi等的研究中卻未體現(xiàn)靜息狀態(tài)下專家新手的腦區(qū)活動情況，雖然專家新手在圍棋開局和終局的判斷過程都有不同，但卻不知兩組受試的兩個過程分別與其靜息狀態(tài)相減后各組的腦區(qū)活動會有何樣差異。Atherton等對國際象棋的fMRI研究也僅考慮了新手（男性，7名，知道規(guī)則和簡單的策略，曾經規(guī)律地進行過國際象棋練習）。若以后對棋類復雜認知過程神經機制的研究不僅測試專家和新手，并將想棋過程和基點靜息狀態(tài)一并測試并比較，可能會更全面地幫助人們認識不同棋類各自的特點和共同點。

5　總結與展望

雖然對棋類各種認知過程，如感覺整合［2］、心理意象［40］和記憶［26，29，40－42］的研究已經開展，同時，如上所述，通過不同的實驗技術，如PET［4］、SPECT［5］、MEG［25］、EEG［31］、fMRI［32－34］和 OT［6］對下國際象棋［4，5，25，31，33］、圍棋［］和日本將棋［］者神經基礎的研究已廣泛開展，但截至目前，就棋類問題解決過程本身而言，無前人對中國象棋問題解決過程大腦活動的研究，同時，無前人考察過長期棋類訓練對人腦所產生的效應。

眾所周知，身體訓練會對大腦產生可塑性影響。從腦成像角度而言，前人多通過橫向研究來考察身體訓練的相關效應，考察對象包括出租車司機［42］、音樂家［43，44］和打字員［45］等。在縱向研究中，從單一或者復雜運動學習的效應［46，47］到視覺—運動協(xié)調的復雜學習過程［48，49］的神經基礎均有被揭示。雖然前人研究不多，但思維訓練會帶來大腦可塑性變化，前人曾對數(shù)學家［50］、會兩種語言者［51］和掌握多種詞匯者［52］等進行了研究。不管身體訓練抑或思維訓練，在考察訓練所致大腦可塑性影響時，大腦結構會發(fā)生何樣變化是研究者首先考慮的問題。除以上論及的對象以外，跳水運動員［53］、高爾夫球手［54］、籃球選手［55］與年齡性別匹配的一般人相比均呈現(xiàn)訓練相關的大腦結構改變；通過雜耍訓練［48，49，56，57］、鏡讀練習［58］和復雜運動技能練習［59］也會帶來大腦結構的改變。雖然可以肯定訓練將導致大腦結構可塑性改變，思維訓練也不例外，對棋類選手的大腦成像研究也較多，但尚無對長期棋類訓練導致大腦結構改變的研究。

除去健康受試的大腦，病人大腦也是可塑性現(xiàn)象的范例，但由于fMRI需要復雜精細的實驗設計，在實驗中要求受試密切配合以達到對刺激變量的操作，因此在研究病人時并不具有優(yōu)勢。靜息態(tài)腦功能成像（resting－state functional magnetic resonance imaging，rs－fMRI）研究發(fā)現(xiàn)，大腦在沒有執(zhí)行任務的清醒、休息狀態(tài)時，一些特定的腦區(qū)也存在著功能活動［60，61］，稱為腦自發(fā)的功能活動。因而，從理論上講，rs－fMRI信號能夠反映大腦能量的新陳代謝的情況，同時，rs－fMRI實驗只要求受試放松、安靜、避免任何有結構的思維活動的狀態(tài)，實驗過程簡單，受試容易配合，因此在臨床研究病人時更常用。但實際上，除病人外，rs－fMRI也被應用于對正常人的研究，而且人們通過rs－fMRI已經發(fā)現(xiàn)，訓練會導致距離相隔較遠的腦區(qū)同步活動的改變［47，62］。不僅距離相隔較遠的腦區(qū)，局部腦區(qū)的自發(fā)性活動［63］也可以通過rs－fMRI檢測并使用 “局部一致性（regional homogeneity，ReHo）”分析方法獲得。ReHo分析方法由臧玉峰等［64］于2004年提出，此方法假設在一定條件下功能激活區(qū)內相鄰體素的BOLD信號隨時間變化具有相似性，此一致性可使用肯德爾和諧系數(shù)（Dendall’coefficient of concordance，KCC）來度量。ReHo已經被應用于健康受試rs－fMRI數(shù)據的分析中［64，65］?；诖?，長期棋類訓練對局部腦區(qū)功能連接是否產生改變以及產生何樣的改變可以通過基于ReHo分析方法的rs－fMRI實驗獲得。

綜上所述，雖然對棋類各種認知過程的研究已經開展，同時，通過不同的實驗技術對下國際象棋、圍棋、日本將棋者的神經基礎的研究也已廣泛開展，但截至目前，就棋類問題解決過程本身而言，無前人對中國象棋問題解決過程大腦活動的研究。同時，無研究考察過長期棋類訓練對大腦結構和局部腦區(qū)功能連接所產生的效應。開展相關研究將進一步促進對棋類對弈神經機制的認識，從而促進對人腦高級認知活動工作機制的認識。

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Review on Magnetic Resonance Imaging Research on Chess Problems

Liang Dongmei1，2，Liu Chengyi1
（1 School of Physical Education＆Sports Exercise，South China Normal University，Guangzhou 510006；2 School of Educational Science，Kashgaer University，Kashgaer 844000）

This paper reviewed the application of magnetic resonance imaging technology to the research of chess problems based on the development of imaging technology in order to show how technological development advance the research of chess problem，renew the knowledge of neural mechanism of chess playing in order to improve the understanding of working mechanism of higher cognitive activity of human brain.

medical imaging；chess games；neural mechanism；higher cognitive activity

國家自然科學基金（31560286），廣東省科技廳公益研究與能力建設專項資金（2014A020209076）

劉承宜，男，教授，博士生導師。Email：liutcy＠scnu.edu.cn