排球運動員決策神經(jīng)效率的fMRI研究

孟國正

?

排球運動員決策神經(jīng)效率的fMRI研究

孟國正

目的：采用功能磁共振成像技術(shù)(fMRI)，對優(yōu)秀排球運動員和普通大學生運動決策過程中的神經(jīng)機制進行研究，探討多年的動作技能學習和運動訓練對優(yōu)秀排球運動員大腦神經(jīng)機制產(chǎn)生的影響。方法：采用Siemens Magnetom Trio 3.0T磁共振成像系統(tǒng)，對20名優(yōu)秀排球運動員和20名普通大學生運動決策時進行全腦fMRI掃描，找出攔網(wǎng)決策任務(wù)時組間激活腦存在顯著差異的區(qū)域。結(jié)果：行為數(shù)據(jù)中，運動員與普通人相比具有顯著性差異，決策正確率高，反應(yīng)速度快。在腦成像數(shù)據(jù)中，運動員激活的腦區(qū)與普通人相比具有顯著性差異，普通人比運動員多激活了負責視覺加工的枕極和枕葉梭狀回腦區(qū)。結(jié)論：普通人組在進行攔網(wǎng)決策任務(wù)時需要動用更多的腦功能活動去進行視覺信息處理加工，而運動員組則動用較少的腦功能活動進行視覺信息處理加工。由此推斷，運動員的神經(jīng)效率具有經(jīng)濟性。

功能磁共振成像；運動員；決策行為；神經(jīng)效率

年復一年，高水平運動員在競賽中不斷突破人類身體極限，創(chuàng)造優(yōu)異運動成績。在運動過程中，高水平的運動員可以感知到對手和隊友的動作行為并成功地進行反應(yīng)，如網(wǎng)球中的快速發(fā)球，乒乓球中的快速揮拍動作，排球中的攔網(wǎng)和籃球中的攔截、擊劍、拳擊、空手道中的快速反擊等等，這與運動員多年的動作技能學習、運動訓練和比賽過程中形成的經(jīng)驗與專項技術(shù)有很大的關(guān)系。盡管優(yōu)秀運動員比新手執(zhí)行的既快又好歸因于專門領(lǐng)域的技術(shù)知識，知識的發(fā)展方式，然而，他們的結(jié)構(gòu)怎樣？是如何使用更快更準確的決策還沒有受到更多注意[25]。

究竟高水平運動員在復雜的運動情境中如何快速準確地進行決策行為的，不同的心理學家展開不同的研究。在運動心理學中，“專家-新手范式”的決策和認知過程已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用[23,26]。從認知心理學家的角度來看，研究專家-新手在運動中的不同表現(xiàn)是非常重要的，為運動認知研究提供了一個窗口。高水平運動員的成績表現(xiàn)在認知心理學中已經(jīng)被研究很多年[12]。但是，對于專家運動員運動成績的神經(jīng)機制、在復雜的運動情境中評估運動成績，目前進行的研究較少[3,10]。隨著認知神經(jīng)科學的飛速發(fā)展，認知神經(jīng)科學家已經(jīng)關(guān)注更多的更為簡單的基于實驗的任務(wù)的研究。這些任務(wù)建起了大腦和行為的橋梁，允許更嚴格的神經(jīng)物理學的描述，通過計算的模式和以大腦為基礎(chǔ)的單一單元的記錄和大腦成像的實驗假設(shè)對運動員進行神經(jīng)機制的研究。功能成像技術(shù)已將顯示在初級運動皮層會發(fā)生變化，重復簡單的拇指運動[8]和熟練地連續(xù)的手指運動會激活大腦初級運動皮層區(qū)[14]，為探測高水平運動員運動表現(xiàn)神經(jīng)機制的研究帶來了新的研究思路和手段。

在激烈的排球比賽中，運動員要具備良好的時空知覺、反應(yīng)速度和集中注意力的能力，處理場上各種復雜情況，快速、準確地做出運動決策，進行合理有效的技術(shù)動作。因此，運動員對于排球運動過程中信息快速準確的加工能力具有至關(guān)重要的意義。本研究從優(yōu)秀排球運動員運動決策研究入手，利用磁共振技術(shù)和分析手段，通過排球運動情境中不同被試決策行為和fMRI的研究，從認知神經(jīng)科學的角度，揭示優(yōu)秀排球運動員的運動決策過程，探討優(yōu)秀排球運動員和普通人運動決策過程的神經(jīng)機制。

1 研究對象與方法

1.1 被試

本研究共40名正常成年被試，其中運動員組20名，均為國家一級排球運動員，男女各10人，平均年齡21.45±1.19歲，專業(yè)訓練年限5.6±1.35年；普通人組20名，均為普通在校大學生，男女各10人，平均年齡21.4±1.14歲，視力或矯正視力正常且不是色盲或色弱[4]。同時，每個被試都完成了1個愛丁堡利手測驗，確保他們均為右利手[18]。這些被試沒有任何精神病史、腦外傷史、神經(jīng)病史及家族史。在實驗之前，都被告知實驗的目的和方法，并在《被試知情同意書》上簽字確認。

1.2 實驗材料

實驗軟件為自行開發(fā)的“排球運動決策行為測試系統(tǒng)”軟件，實驗任務(wù)采用Block組塊設(shè)計，實驗材料為奧運會排球比賽視頻片段，其中練習視頻12個，正式測試視頻36個。

1.3 實驗流程

屏幕首先會出現(xiàn)500 ms的注視點，然后實驗刺激將會呈現(xiàn)2 000 ms直到被試做出反應(yīng)。最后是2 000 ms的空屏，整個ITI為4 500 ms。這樣的設(shè)計可以在不減少采樣點的前提下，盡量消除相鄰兩個刺激所引起的BOLD信號之間的干擾。同時，為了獲得更穩(wěn)定的磁場信號，實驗序列的開頭和結(jié)尾各有一定時間的空屏(前500 ms，后500 ms，磁共振掃描序列本身也有勻場目的的預(yù)掃描)。在刺激呈現(xiàn)順序的安排上，首先將36個刺激隨機排序，然后調(diào)整部分刺激的順序，以避免同種刺激重復出現(xiàn)兩次以上的情況。

由于決策測試軟件使用鍵盤錄入數(shù)據(jù)采集，需要將排球比賽場地劃分為合理的區(qū)域，并分別賦予可以讓計算機識別的符號和數(shù)字，以方便技術(shù)統(tǒng)計區(qū)域信息的數(shù)據(jù)和操作簡便。因此，將排球場地按照左、中、右分為3個區(qū)域。本實驗采用3個反應(yīng)鍵，按鍵反應(yīng)分別用兩手的食指和中指進行1區(qū)(f鍵)、2區(qū)(j鍵)、3區(qū)(k鍵)。正式開始實驗前，主試先給被試詳細講解實驗的指導語。強調(diào)在做任務(wù)時要集中注意力，并在保證反應(yīng)正確的情況下盡量以最快的速度按鍵反應(yīng)。同時強調(diào)在掃描期間要盡量保持頭部靜止，保持清醒。接下來，為了幫助被試熟悉按鍵方法和實驗程序，被試需要參加1個簡短的練習任務(wù)。

實驗程序用Visual Basic 6.0編寫。刺激在1臺IBM筆記本上呈現(xiàn)，并通過背投投影儀經(jīng)過反射鏡投射給被試。被試通過1個MRI兼容的4鍵反應(yīng)盒進行，而其作出的反應(yīng)將會被記錄。被試進入磁體間后，實驗人員會首先提示被試實驗過程中的注意事項，同時再次強調(diào)任務(wù)的反應(yīng)方式及注意事項。在被試確定按鍵正確后開始正式的實驗掃描。

圖 1 攔網(wǎng)決策實驗任務(wù)設(shè)計圖

Figure1. Design of Block Decision-Making Test

1.4 數(shù)據(jù)采集

本研究采用北京宣武醫(yī)院磁共振研究中心西門子3.0T磁共振成像儀(Siemens Magnetom Trio 3.0T)，被試實驗時仰臥，頭部左右側(cè)加墊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內(nèi)容投射到成像儀內(nèi)的屏幕上，被試通過頭部所戴掃描線圈上的反光鏡觀看屏幕內(nèi)容。在功能像的掃描中采用T2*-weighted單次激發(fā)梯度回波EPI序列。具體參數(shù)為：TR=2 000 ms，TE=30 ms，F(xiàn)OV=200 mm×200 mm，F(xiàn)A=90°，層厚=4 mm。平行于AC-PC，采用無間隔方式采集了30層圖像。這些圖像覆蓋了整個大腦和大部分小腦。掃描矩陣=64×64，分辨率=3.125 mm×3.125 mm×4 mm，整個實驗的掃描時間為30 min。同時，為了更好的進行圖像配準，本研究也采集了每個被試的大腦結(jié)構(gòu)像。該掃描采用T1-weighted MP-RAGE序列，掃描參數(shù)為：TR=2 530 ms，TE=3.39 ms，F(xiàn)A=7°。掃描采用矢狀切面，F(xiàn)OV=256 mm×256 mm，像素矩陣=192×256。厚層=1.33 mm，無間隔，掃描層數(shù)128層。分辨率1.33 mm×1 mm×1.33 mm。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1 圖像轉(zhuǎn)換與功能像預(yù)處理

首先在MATLAB下運行的SPM5對fMRI數(shù)據(jù)文件進行從DICOM格式到NFITI格式的轉(zhuǎn)換。接下來，刪除前3幅用于磁場勻場的圖像。然后采用FSL將轉(zhuǎn)換后的NFITI格式文件轉(zhuǎn)換成FSL支持的壓縮4D格式。在腦成像數(shù)據(jù)的預(yù)處理中，共進行了5步操作：第1步，使用Bet工具對結(jié)構(gòu)像進行剝離頭皮的操作，以更好的和模板進行標準化。第2步，將功能圖像進行內(nèi)部對齊，以消除輕微頭動帶來的影響。對齊完成后，對數(shù)據(jù)進行視覺檢查，確保被試在任何方向上的頭動都沒有超過1個體素，否則將會去除該數(shù)據(jù)。第3步，采用了非線性的高通濾鏡(100-s cutoff)對所有數(shù)據(jù)在時域內(nèi)進行濾波以去除噪音。第4步，使用5 mm的FWHM高斯核進行空間平滑。第5步，對平滑后的功能數(shù)據(jù)進行了空間標準化。

1.5.2 功能像統(tǒng)計分析

將每個被試的功能數(shù)據(jù)單獨采用FSL中的FILM模塊建模分析，接下來采用每個被試的有效數(shù)據(jù)所在的時間點構(gòu)建每個條件的基函數(shù)，并和雙Gamma HRF 曲線進行卷積。也同時將每個條件的時間倒數(shù)、功能像內(nèi)部對齊時得到的6個方向上的頭動參數(shù)作為混淆變量加入到該模型中，用以提高統(tǒng)計的敏感性，從而得到更純凈的結(jié)果。在結(jié)果對比中，設(shè)計普通人減運動員進行對比。

2 實驗結(jié)果

2.1 行為結(jié)果

運動員和普通人的攔網(wǎng)決策行為測試結(jié)果見表1。

表 1 攔網(wǎng)決策行為測試結(jié)果一覽表

Table 1 Result of Block Decision-Making Behavior

組別n決策正確率(%)決策反應(yīng)時(s)運動員2067.22±8.091233.84±200.57普通人2036.95±10.121391.43±276.14

本研究對攔網(wǎng)決策正確率和反應(yīng)時進行單因素方差分析，結(jié)果顯示，攔網(wǎng)決策正確率[F(1,39)=28.755,P<0.01]和攔網(wǎng)決策反應(yīng)時[F(1,39)=13.038,P<0.01]均出現(xiàn)顯著性差異。

2.2 腦成像結(jié)果

2.2.1 攔網(wǎng)決策任務(wù)時運動員腦激活區(qū)域

攔網(wǎng)決策任務(wù)時運動員激活的腦區(qū)主要是團塊的激活和局域激活中心。團塊激活主要位于運動員大腦右半球中央前回；左半球中央前回兩個大的團塊，局域中心激活主要位于運動員大腦右半球額中回和中央前回，大腦左半球枕葉外側(cè)下，額中回(表2)。

表 2 攔網(wǎng)決策任務(wù)時運動員腦激活區(qū)一覽表

Table 2 Players’Activated Brain Regionsduring Block Decision-Making Tasks

ClusterIndexZmaxMNI坐標半球 腦區(qū)XYZ27.65-28-446L中央前回(PrecentralGyrus)27.63-46-704L枕葉外側(cè)下(InfLOC)27.53-46-700L枕葉外側(cè)下(InfLOC)27.45-28-450L額中回(MFG)27.32-56-740L枕葉外側(cè)下(InfLOC)27.14-42-744L枕葉外側(cè)下(InfLOC)16.226-446L中央前回(PrecentralGyrus)15.7434-258R額中回(MFG)15.29301248R額中回(MFG)14.9752844R額中回(MFG)14.748238R中央前回(PrecentralGyrus)

圖 2 攔網(wǎng)決策任務(wù)時運動員腦激活圖

Figure 2. Diagram of Players’Activated BrainRegions during Block Decision-Making Tasks

2.2.2 攔網(wǎng)決策任務(wù)時普通人腦激活區(qū)域

攔網(wǎng)決策任務(wù)時團塊激活主要位于普通人大腦右半球枕葉外側(cè)下；左半球腦干和殼核3個大的團塊。局域中心激活主要位于普通人大腦右半球腦干和枕葉外側(cè)下；大腦左半球枕葉外側(cè)下、腦干；、殼核、蒼白球和丘腦(表3)。

表 3 攔網(wǎng)決策任務(wù)時普通人腦激活區(qū)一覽表

Table 3 Ordinary People’s Activated BrainRegions during Block Decision-Making Tasks

ClusterIndexZmaxMNI坐標半球 腦區(qū)XYZ37.4952-700R枕葉外側(cè)下(InfLOC)37.4246-644R枕葉外側(cè)下(InfLOC)37.158-684R枕葉外側(cè)下(InfLOC)37.09-46-648L枕葉外側(cè)下(InfLOC)

續(xù)表 3

圖 3 攔網(wǎng)決策任務(wù)時普通人腦激活圖

Figure 3. Ordinary People’s Activated BrainRegions during Block Decision-Making Tasks

2.2.3 攔網(wǎng)決策任務(wù)時普通人與運動員腦激活圖比較結(jié)果

攔網(wǎng)決策任務(wù)時運動員與普通人腦區(qū)激活存在顯著性差異，出現(xiàn)差異的團塊主要包括：大腦右半球枕極；大腦左半球枕極和枕葉梭狀回 。普通人與運動員相比出現(xiàn)顯著性差異的腦激活局域中心主要包括：大腦右半球枕葉梭狀回、枕極和枕葉外側(cè)下；大腦左半球枕極和枕葉梭狀回(表4)。

表 4 攔網(wǎng)決策任務(wù)時普通人比運動員多激活的腦激活區(qū)域一覽表

Table 4 More Activation of Regional Brain of OrdinaryPeople than Players during Block Decision-Making Tasks

ClusterIndexZmaxMNI坐標半球 腦區(qū)XYZ33.9922-88-2R枕極(OccipitalPole)33.5124-86-6R枕葉梭狀回(OccipitalFusiformGyrus)33.330-980R枕極(OccipitalPole)33.2130-1024R枕極(OccipitalPole)33.1626-102-4R枕極(OccipitalPole)

續(xù)表 4

攔網(wǎng)任務(wù)時磁共振功能像結(jié)果顯示(圖4)，運動員組和普通人組激活腦區(qū)存在顯著性差異，主要差異的激活區(qū)域在枕極和枕葉梭狀回區(qū)域，普通人組比運動員組多激活了該區(qū)域，研究表明，普通人組在進行攔網(wǎng)決策任務(wù)時需要動用更多的腦功能活動去進行視覺信息處理加工，而運動員組則要動用較少的腦功能活動進行視覺信息處理加工。

圖 4 攔網(wǎng)決策時普通人比運動員多激活的腦激活圖

Figure 4. Diagram of More Activation of Regional Brain ofOrdinary People than Players during Block Decision-Making Tasks

3 討論

本研究采用自行編制的排球運動決策行為測試軟件，對運動情境中不同水平被試的運動決策行為進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同運動水平被試的決策行為存在顯著性差異，運動員組在正確率上顯著高于普通人組，而在反應(yīng)時上快于普通人組。這些差異的原因是因為不同運動水平被試的視覺信息加工能力存在差異，由于運動經(jīng)歷不同、擁有的運動經(jīng)驗也不同，在運動情境中觀察到的線索也不相同。為了對此假設(shè)進行進一步的研究，采用fMRI技術(shù)對不同被試在排球決策任務(wù)中腦功能的差異進行了研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，普通人比運動員多激活了負責視覺信息加工的枕極(Occipital Pole)和枕葉梭形回(Occipital Fusiform Gyrus)腦區(qū)。接下來，將結(jié)合前人研究中的發(fā)現(xiàn)對這些結(jié)果進行討論。

3.1 運動員運動決策行為特征

決策行為測試結(jié)果顯示，優(yōu)秀排球運動員在復雜的運動情境中具有既快又好的決策行為,決策行為既準確反應(yīng)速度又快，與普通人相比較，在相同的任務(wù)中表現(xiàn)極具不同。專家的決策行為特征是在復雜環(huán)境變換的情況下運動決策的穩(wěn)定性。在復雜的運動情境中，普通人的決策行為會受到相當大的影響，而運動員在復雜的運動情境中決策行為具有相對高的穩(wěn)定性。由此推斷，在特定的運動情境中，決策行為與大腦皮層的資源、有意識的注意和工作記憶有著直接的關(guān)系。一個領(lǐng)域的專家和新手的區(qū)別表現(xiàn)為專家傾向于用更大的組塊來組織信息，而新手則以孤立的小塊信息來處理。有經(jīng)驗的象棋選手在僅僅5 s的觀察之后就能夠重現(xiàn)16枚棋子在棋盤上的精確布局。研究者推測，一位象棋大師在長時記憶中存儲了大約100 000種棋盤上的棋子擺放模式[7]。通過使用這些信息，他們可以用兩三個組塊的信息來編碼所有的16個棋子的位置，這個數(shù)量能夠很容易被工作記憶把握。專家之所以比新手決策水平高的原因是因為，經(jīng)過多年的動作技能學習和運動訓練，積累了豐富的運動經(jīng)驗，可以在復雜的運動情境中根據(jù)擁有的經(jīng)驗優(yōu)先選擇所需要的信息，迅速準確地進行反應(yīng)。另外，專家擁有專門的運動技術(shù)，這項技術(shù)包括對運動知識和信息的運用和快速的轉(zhuǎn)換能力，這是新手不具有的技術(shù)[6]。還有，專家擁有豐富的智力資源，可以增加工作記憶和注意的容量，在運動情境中增加注意深度，減少注意信息的減退等等能力。有研究認為，認知機制可能是導致專家和新手的決策水平差異的主要原因[21]，優(yōu)秀運動員和新手在運動認知上存在差異導致了決策行為的差異。

3.2 運動員運動決策信息加工過程

認知心理學從信息加工的角度研究大腦的心理活動，把大腦與計算機類比，把大腦當做一個信息加工系統(tǒng)，把心理活動看作是一系列信息的獲得、存貯、加工和使用的過程。從運動認知的信息加工角度來看，高水平排球運動員在觀看排球比賽錄像時，做出決策就是一系列的信息加工過程。排球運動員首先將排球錄像中的動作及其相關(guān)刺激的信號轉(zhuǎn)入大腦的感知系統(tǒng)；其次，大腦將相關(guān)信息識別后并轉(zhuǎn)到短時記憶，再與長時記憶中提取來的技、戰(zhàn)術(shù)信息相匹配，然后根據(jù)已經(jīng)掌握的競賽規(guī)則和技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)做出最后的決策。美國學者Singer對運動情境中運動員進行運動決策的信息加工過程進行了詳細地分析：認為運動員在運動情境中可以準確地感知當前信息，將信息存入短時記憶中，然后與大腦中存儲的長時記憶中相關(guān)的知識經(jīng)驗進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果做出決策，然后執(zhí)行動作[22]。按照運動認知心理學的觀點，運動決策需要以運動情境中一定的信息作為基礎(chǔ)，而在復雜的運動情境中進行信息加工，視覺的信息加工尤為重要。不同運動項目的研究表明，專家與新手相比較，決策速度更快、更準確。普通人被試由于專業(yè)技術(shù)和運動經(jīng)驗的限制，視覺加工時只注意動作特征和空間維度的信息，容易被對方的動作所迷惑；運動員被試擁有專家級的專業(yè)技術(shù)和多年的運動經(jīng)驗，在進行視覺信息加工時，可以根據(jù)自己大腦記憶中存在的比賽信息和當前的信息進行比較，根據(jù)時間、空間的維度上的信息，并且還可以結(jié)合對手的特點、戰(zhàn)術(shù)意圖、場上局勢等信息進行綜合分析，然后決策，執(zhí)行動作。由此可見，運動員運動決策行為過程中，視覺信息加工和處理起到了關(guān)鍵的作用。

3.3 運動員神經(jīng)機制的可塑性

生態(tài)學的研究證明，隨著進化人類大腦會產(chǎn)生功能的適應(yīng)和可塑性變化[15,24]。動作技能學習是指一系列提高動作速度、準確性、自動化水平和適應(yīng)性等動作效率指標的內(nèi)部過程。人們認為這些過程是感覺和動作信息進行重組和整合的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的復雜活動。關(guān)于大腦可塑性的研究可以看到，經(jīng)過一定時期的動作訓練和認知訓練，人類的大腦會出現(xiàn)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化。研究顯示，經(jīng)過記憶訓練后在大腦右側(cè)腦島的皮層厚度發(fā)生改變[5]，認知訓練可以改變青春期女孩的大腦皮層厚度的變化[13]；還有研究顯示，青年受試者經(jīng)過數(shù)月的變戲法的學習，大腦灰質(zhì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性的變化[11]。研究發(fā)現(xiàn)，體育鍛煉可以改變成年人海馬的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，在成年人的大腦產(chǎn)生新的神經(jīng)元，表明身體鍛煉對大腦結(jié)構(gòu)的影響[16]。

雖然以前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，動作技能學習和運動訓練可以提高運動員的運動成績，但是，很少有研究關(guān)于多年的動作技能學習和運動訓練對于運動員大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。研究發(fā)現(xiàn)，運動員組在負責視覺中樞系統(tǒng)的枕葉外側(cè)上大腦皮層厚度明顯增厚、灰質(zhì)體積明顯增加。決策行為的研究已經(jīng)顯示，不同水平被試的決策水平存在顯著性差異，不同被試的決策策略的不同主要存在于視覺信息處理的差異。枕葉是負責視覺系統(tǒng)的主要腦區(qū)，研究顯示，大腦皮層厚度增厚和灰質(zhì)體積增加主要發(fā)生在枕葉外側(cè)上(sup LOC)的區(qū)域，運動員顯示皮層最大增厚和灰質(zhì)體積增大的腦區(qū)也正是此區(qū)域[1]。磁共振結(jié)構(gòu)和功能成像的研究結(jié)果已經(jīng)證實，個體經(jīng)過一定期限的動作任務(wù)的訓練，可以看到大腦的結(jié)構(gòu)改變，顯然是訓練導致了這種結(jié)果。通過學習變戲法已經(jīng)在一些腦區(qū)灰質(zhì)體積發(fā)生改變，其中包括顳葉中部雙側(cè)腦區(qū)增加。由此可見，動作技能學習影響到大腦的宏觀結(jié)構(gòu)。大腦結(jié)構(gòu)的變化可能會影響到細胞的體積增加，增加新的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞、脊骨密度[17]。雖然觀察的影響是在大腦的兩側(cè)半球均出現(xiàn)顯著性激活，但是更顯著激活的是在大腦的右半球。雖然右側(cè)優(yōu)勢的理由還不太清楚，但是與大腦右半球的主要功能(注意[20]和視覺空間信息加工處理[9])有著密切的聯(lián)系。

3.4 運動員運動決策過程的神經(jīng)效率

視覺與決策技巧在排球運動中有著十分重要的作用。人們用雙眼收集信息并傳遞周圍環(huán)境的細枝末節(jié)，視網(wǎng)膜將雙眼所看到的外部視覺世界，編碼成各種視覺影像，并把這些視覺影像通過神經(jīng)沖動傳輸至大腦中的視覺中樞。這些電流信息會被處于大腦皮層枕葉中的視覺中樞轉(zhuǎn)譯為“景象”。視覺和決策依賴于運動員識別不同形狀和色彩的能力以及肌肉骨骼系統(tǒng)自動而有目的地調(diào)節(jié)輸入視覺信息的功能，這樣才能產(chǎn)生高效率和富有成效的行為。這種適宜地詮釋所看見的事物和行為的能力，是后天習得的技巧，正如排球運動中的攔網(wǎng)、防守和接發(fā)球，都是通過訓練才習得的[2]。運動員在復雜的運動情境中時，大腦首先對外部環(huán)境建立初步的認識，然后與大腦記憶中的信息相比較，經(jīng)過信息加工后，進行決策，最后采取行動。傳統(tǒng)的認知運動理論建議用連續(xù)的方式解決運動決策的問題，首先是選擇做什么，然后在選擇如何去做。根據(jù)這個觀點，大腦的知覺系統(tǒng)首先收集感覺信息，在大腦內(nèi)部建立一個對外部世界物體的基本描述。接下來，根據(jù)當前的需要信息和過去經(jīng)驗的記憶去判斷和決策一個行動過程[19]。

運動員和普通人在攔網(wǎng)任務(wù)時磁共振功能像結(jié)果顯示，運動員組與普通人組在某些腦區(qū)上的腦激活出現(xiàn)顯著性差異。普通人組和運動員組相比較，發(fā)現(xiàn)普通人組比運動員組多激活了枕極(Occipital Pole)和枕葉梭形回(Occipital Fusiform Gyrus)腦區(qū)，這說明普通人組在攔網(wǎng)決策任務(wù)時，需要動用更多的腦功能活動去進行視覺信息處理。高水平排球運動員有準確的、有效的神經(jīng)中樞網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行運動決策，使視覺信息和動作指令一體化。顯然，在進行同樣的決策任務(wù)時，運動員和普通人大腦激活程度不同。普通人要從復雜的運動情境中去尋找到可以用的信息來進行運動決策，中間需要排除無用的信息，這就需要激活多的視覺信息系統(tǒng)來進行信息的加工和分析。運動專家可以從復雜的運動情境中找尋到有用的信息進行動作執(zhí)行，就需要動用較少的視覺信息系統(tǒng)來進行信息的加工和處理，花費的時間和精力均少于普通人，普通人則需要過濾掉無用的信息，去進行運動決策。因此，運動員負責視覺信息加工的腦區(qū)激活會少于普通人，導致普通人負責視覺信息加工的腦區(qū)激活比高水平排球運動員要多，所以，運動員的決策神經(jīng)效率具有經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

1.運動決策行為結(jié)果顯示，運動員組在復雜的運動情境中進行決策任務(wù)時，既準確速度又快，與實際運動情境中的表現(xiàn)一致。

2.fMRI結(jié)果顯示，運動員組與普通人組在腦區(qū)激活區(qū)域上存在顯著性差異。在負責視覺加工的枕極和枕葉梭形回腦區(qū)，普通人組比運動員組多激活了該區(qū)域。

3.普通人組在進行攔網(wǎng)決策任務(wù)時需要動用更多的腦功能活動去進行視覺信息加工，而運動員組則動用較少的腦功能活動進行視覺信息加工。因此，運動員的決策神經(jīng)效率具有經(jīng)濟性。

[1]孟國正,葛春林,岳曉燕.基于磁共振成像的優(yōu)秀排球運動員大腦結(jié)構(gòu)可塑性研究[J].中國體育科技,2011,9(47)5:47-51.

[2]喬納森·里澤,羅爾德·巴爾.排球[M].葛春林，審譯.北京:人民體育出版社,2003:235-243.

[3]王進.神經(jīng)效率假說在體育中的驗證探索[J].體育科學,2009，29(4)：96.

[4]王克長,王新宇.色覺檢查圖(第二版)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2003.

[5]ANDREAS E,ANDERS M,FJELL L T,etal.Effects of memory training on cortical thickness in the elderly[J].Neuro Image,2010,52:1667-1676.

[6]CHAMBERLAIN C J, COELHO A J.The Perceptual Side of Action:Decision-making in Sport[M].In J L Starkes, F Allard(Eds.),Cognitive Issues in Motor Expertise.Amsterdam,Netherlands:Elsevier Science,1993:135-137.

[7]CHASE W G,SIMON H A.Perception in chess[J].Cognitive Psychol,1971,(1):33-81.

[8]CLASSEN J,LIEPERT J,WISE S P,etal.Rapid plasticity of human cortical movement representation induced by practice[J].J.Neurophysiol,1998,79:1117-1123.

[9]CORBALLIS P M.Visuospatial processing and the right-hemisphere interpreter[J].Brain Cogn,2003,53:171-176.

[10]DEL PERCIO,CLAUIO,etal.Is there a “neural effeciency” in athletes? A high-resolution EEG study[J].Neurolmage,2008,42:1544-1553.

[11]DRAGANSKI B,GASER C,BUSCH V,etal.Neuro-plasticity:Changes in grey matter induced by training[J].Nature,2004,427:311-312.

[12]ERICSSON K A.The Road to Excellence:The Acquisition of Expert Performance in the Arts and Sciences,Sports,and Games[M].Mahwah,New Jersey:Lawrence Erlbaum Associates,1996.

[13]HAIER R,KARAMA S,LEYBA L,etal.MRI assessment of cortical thickness and functional activity changes in adolescent girls following three months of practice on a visual-spatial task[J].BMC Res Notes,2009(2):174.

[14]KARNI A,etal.Functional MRI evidence for adult motor cortex plasticity during motor skill learning[J].Nature,1995,377:155-158.

[15]KENRICK D,LI N, BUTNER J.Dynamical evolutionary psychology:Individual decision rules and emergent social norms[J].Psyc Rev,2003:3-28.

[16]KLAUS FABEL,GERD KEMPERMANN.Physical activity and the regulation of neurogenesis in the adult and aging brain[J].Neuromol Med,2008,(10):59-66.

[17]MAY A,etal.Structural brain alterations following 5 days of intervention:dynamic aspects of neuroplasticity[J].Cereb Cortex,2007,17:205-210.

[18]OLDFIELD R C.The assessment and analysis of handedness:The Edinburgh inventory[J].Neuropsychologia,1971,9(1):97-113.

[19]PAUL CISEK.Competition hypothesis cortical mechanisms of action selection:the affordance[J].Royal Soc:Bio Sci,2007:1585-1599.

[20]POSNER M I,PETERSEN S E.The attention system of the human brain[J].Annu Rev Neurosci,1990,13:25-42.

[21]RAAB M,JOHNSON J G.Individual differences of action-orientation for risk-taking in sports[J].Res Q Exe Sport,2004(3):326-336.

[22]SINGER R N.Motor Learning and Human Performance[M].New York:Macmillan,1980.

[23]STARKES J,HELSEN W, JACK R.Expert Performance in Sport and Dance[M].In R Singer,H Hausenblas, C Janelle(Eds.),Handbook Sport Psy Chichester:Wiley,2001:174-201.

[24]SWENSON R,TURVEY M.Thermodynamic reasons for perception-action cycles[J].Ecological Psy,1991(4):317-348.

[25]THOMAS K T,THOMA J R.Developing expertise in sport:The relation of knowledge and performance[J].Int J Sport Psy,1994,25:295-312.

[26]WILLIAMS M,DAVID K, WILLIAMS J.Visual Perception and Action in Sport[M].London:E FN Spon,1999.

An fMRI Study for Decision-Making Neural Efficiency of Volleyball Players

MENG Guo-zheng

Objectives:This paper analyzes the brain neural mechanism of the elite volleyball players and ordinary college students in the decision-making task by using fMRI for the purpose to illustrate the influence of motor skill learning and sports training on the brain neural mechanism of the players.Methods:20 elite volleyball players and 20 ordinary college students are scanned with fMRI when they are in the decision-making task by Siements Magnetom Trio 3.0 Tesla magnetic resonance imaging scanner,to find the difference of activate encephalic region in the block decision-making task.Results:Behavioral results showed that players were much better than college students in the decision-making test.The results of fMRI showed that it was significant different between players and college students,players activate much less than college students in Occipital Pole and Occipital Fusiform Gyrus that play important roles in visual information processing.Conclusion:It is significantly different in sport decision-making level with different participants.Athletes have the best accuracy and reaction times than others.Athletes activate much less than college students in Occipital Pole and Occipital Fusiform Gyrus that play important roles in visual processing.Therefore,we deduce that the neural efficiency of athletes have economical efficiency.

fMRI;player;decision-makingbehavior;neuralefficiency

1002-9826(2016)04-0084-07

10.16470/j.csst.201604012

2015-10-14；

2016-03-27

第59批博士后基金面上項目(2016M590331)；河南省科技廳科技攻關(guān)計劃重點項目(162102310441)；河南省社科聯(lián)課題(SKL-2015-2558)；河南師范大學教育科學研究基金(2008J18)。

孟國正(1973-)，男，河北臨漳人，博士，碩士研究生導師,主要研究方向為動作技能學習與控制,Tel:(0373)3326352；E-mail:mengguozheng1111@sina.com。

河南師范大學 體育學院，河南 新鄉(xiāng) 453007 Henan Normal University,Xinxiang 453007，China.

G804.8

A