乒乓球運動干預甲基苯丙胺成癮者腦激活及認知功能研究

董貴俊 ，羅仁蘋 ，唐澤坤 ，劉 亞 ，杜 章 ，劉 新 ，劉序全 ，王 毅，李可峰*

甲基苯丙胺（methamphetamine，METH），俗稱“冰毒”，因其合成簡單、易獲取、易成癮等特征，導致濫用（Chiang et al.，2019）。截至2019年，我國現有吸毒人員214.8萬名，其中濫用METH人員占55.2%，METH仍然是我國濫用人數最多的毒品（中國國家禁毒委員會，2019）。METH因具有高成癮性、高依賴潛力、高神經毒性，可造成嚴重的神經精神損傷，產生不可逆的神經精神障礙（Pitchers et al.，2013）。研究發(fā)現，長期小劑量METH攝入可誘發(fā)強烈的愉悅感，易產生耐受，形成毒性積聚；短期大劑量給藥亦引起大腦中樞神經的急性中毒損傷（Oyler et al.，2020）。與此同時，METH成癮對大腦的神經元和認知功能有嚴重的損害，藥物戒斷后大腦的認知損傷依然存在（Barrett et al.，2001；Zhou et al.，2019）。METH 濫用也可導致注意力、記憶力、執(zhí)行能力等認知功能的損傷，造成視空間、抽象、語言、延遲回憶等功能障礙，致使METH成癮者無法正確自我調整，難以控制強烈的覓藥行為，進而增加復吸率（Huckans et al.，2015；Sampedro-Piquero et al.，2019）。近年，運動干預METH成癮者的研究表明，有氧運動是METH成癮者康復的有效手段之一，可增加大腦血液流動性和血流量，緩解焦慮和抑郁等負面情緒，重塑腦結構與腦功能，改善認知功能，抑制心理渴求程度（陳一凡 等，2019；王艷秋 等，2015；Bu et al.，2020）。

長期的運動訓練可使運動員具有一種專注且高效的任務相關神經網絡（Milton et al.，2007）。由于運動項目具有專業(yè)特點，運動員對于運動任務的信息加工、加工方式和誘發(fā)神經環(huán)路具有運動項目的特異性和差異性，表現為運動員皮層激活區(qū)域和功能連接腦區(qū)的差異（魏瑤等，2018），因此，不同項目的運動員具有不同的認知優(yōu)勢。預測對手的動作并決定適當的反應是快球運動中的重要技能，運動員必須在時間壓力下快速作出反應。如乒乓球運動員必須在接、發(fā)球之前極短的時間內設想好回球線路，在對手擊球前對來球作出正確的預判，同時采取相應的措施（Elferink-Gemser et al.，2018）。長期的乒乓球訓練在視覺-空間認知加工中塑造了大腦激活選擇性集中特性和腦區(qū)間良好的功能協調性，因此，乒乓球運動員具有很強的空間感、快速反應以及迅速識別圓形物體的能力。功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）研究發(fā)現，乒乓球發(fā)球動作識別過程中，乒乓球運動員腦區(qū)的左側額上回、雙側額中回，左側中央前回、左側中央后回、左側舌回以及雙側海馬旁回的激活程度高于非乒乓球運動員（Guo et al.，2017）。有研究表明，乒乓球運動員相較于非乒乓球運動者具有更高層次的認知功能，如元認知和執(zhí)行功能，參與控制和調節(jié)較低水平認知過程，如反應時間、使目標導向及面向未來的行為，從而使其具有更快的刺激辨別和反應選擇能力（楊愛華等，2009；張玉慧 等，2013；Rodrigues et al.，2002）。這可能是由于長期的乒乓球訓練使運動員具有更高的注意力、抑制控制能力和認知靈活性。如一項關于注意力的研究表明，青少年乒乓球運動員的表現優(yōu)于非乒乓球運動員（Wang et al.，2016）。同樣，與非運動員對照組相比，優(yōu)秀乒乓球運動員在面對不同程度不確定性的情況時能夠保持出色的反應能力（Hung et al.，2004）。此外，普通青少年網球運動員在抑制性控制方面的表現優(yōu)于個別封閉運動的運動員（如游泳運動員）和非運動員（Wang et al.，2013）。

因此，從腦功能恢復角度分析，乒乓球可以提高正常受試者腦認知與執(zhí)行功能，METH致使成癮者腦功能損傷日益成為影響其戒斷效果的重要因素，但目前鮮見關于乒乓球運動干預METH成癮者認知功能及腦激活水平的研究。因此，本研究旨在研究乒乓球運動干預改善METH成癮者認知功能有效性及腦激活水平變化，探討乒乓球運動干預METH成癮者認知水平改變的腦科學機制。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

METH成癮受試者選自山東濟東強制隔離戒毒所，處于強制隔離戒毒康復訓練階段的人員（表1）。納入標準：1）研究對象均符合苯丙胺類興奮劑使用障礙診斷標準DSM-V，為METH成癮者，排除其他藥物依賴群體；2）年齡在20～50歲，慣用手為右手，非色盲，受教育程度為小學及以上；3）無癲癇、無腦部腫瘤或其他顱內疾病、無重要臟器損傷；4）無精神病史，家族無精神病史；5）除METH成癮外，無其他物質（如其他藥物、酒）成癮史；6）無慢性病、心血管疾病，無運動禁忌癥；7）無乒乓球訓練經歷；8）受試者自愿參加，能積極配合測試人員并簽署知情同意書。排除標準：1）受試者有精神疾病史，心理或精神問題等；2）家族有精神疾病家族史；3）除甲基苯丙胺類成癮外，仍有其他藥物或飲酒成癮；4）不配合實驗；5）有腦外傷、腦器質性病變、癲癇等腦損傷史；6）具有高血壓、肥胖、糖尿病等慢性疾??；7）具有乒乓球練習經歷；8）臨床檢查有血液、心、肝、腎等功能障礙者，或具有其他運動禁忌癥者。

表1 受試者基本情況Table 1 Basic Information of the Subjects n=14

1.2 研究方法

1.2.1 乒乓球運動干預方案

受試者均采用正手擊球方式，測試人員設置自動發(fā)球機（泰德V-989E2，中國）模式：1）乒乓球隨機擊球：球速設置為7，發(fā)球頻率設置為7，球路組合選擇為發(fā)長球，擊球落點分別設置為正手位10點位、反手位2點位和5點位；2）定點擊球：球速設置為7，發(fā)球頻率設置為7，球路組合選擇為發(fā)長球，擊球任務落點設置為正手10點位。兩組運動各進行10 min，每組發(fā)球個數為480個。

1.2.2 Stroop范式測試

認知功能測試采用Stroop任務，通過顏色-字義經典范式進行（圖1）。

圖1 Stroop實驗流程圖Figure 1.Stroop Experiment Flow Chart

1.2.3 腦血氧水平測試

本研究腦血氧信號采集使用儀器NirSmart便攜式近紅外光譜腦功能成像系統（丹陽慧創(chuàng)，中國）進行NIRS信號采集。頭帽設置40個探頭，包括19個光源發(fā)射器和16個光源接收器，共組合成42條通道，分布在前額皮質區(qū)和感覺運動皮層區(qū)域以采集腦血氧信號。其中，11條通道對稱分布于前額葉左右，感覺運動皮層區(qū)域左右各分布10條通道，采樣頻率設置為10 Hz。

42條通道共劃分了12個區(qū)域（圖2），按數字排列順序分別為左眶額區(qū)（lOFC）、右眶額區(qū)（rOFC）、左背外側前額葉（lDLPFC）、右背外側前額葉（rDLPFC）、左腹外側前額葉（lVLPFC）、右腹外側前額葉（rVLPFC）、左輔助運動皮層（lSMC）、右輔助運動皮層（rSMC）、左初級運動皮層（lPMC）、右初級運動皮層（rPMC）、左體感皮層（lPSC）、右體感皮層（rPSC）。

圖2 腦區(qū)及測試通道分布圖Figure 2.Distribution of Brain Regions and Test Channels

1.2.4 干預實驗測試流程

干預實驗測試分為3次。前測在乒乓球運動干預前進行，中測在隨機擊球干預后進行，后測在定點擊球干預后進行。為減少Stroop練習效應的影響以及擊球方式的后續(xù)測試影響，每次測試間隔1周。

具體測試流程：受試者靜息10 min，心率處于安靜心率后，進行10 min乒乓球運動，運動后休息10～15 min至安靜心率，此間為受試者佩戴并調試fNIRS測試頭帽，心率平穩(wěn)后，開始進行Stroop測試，同時采集腦氧信號（圖3）。

圖3 干預實驗測試流程Figure 3.Intervention Experiment Test Process

1.2.5 數據處理與統計

數據使用SPSS 20.0進行正態(tài)分析和方差齊性檢驗。統計結果用平均值±標準差表示。當Stroop測試數據符合正態(tài)分布時，采用單因素重復測量方差分析；不符合正態(tài)分布時，采用Friedman檢驗，使用事后Bonferroni對結果進行校正。P＜0.05為差異（或差別）具有統計學意義，P＜0.01為差異（或差別）具有統計學非常顯著意義。

fNIRS數據使用Matlab R2013b進行數理統計分析。首先使用Homer2對數據進行預處理，然后使用hmrMotionArtifactByChannel函 數（tMotion：1.0，tMask：1.0，STDEVthresh：50.0，AMPthresh：5.00）、hmrMotionCorrest-Spline函數（p：0.99，turnon：1）、hmrMotionCorrestSpline函數（p：0.99，turnon：1）、hmrBandpass Filt、hmrOD2 Conc函數（ppf：6.0，6.0），將光強度值轉為光密度值，檢測與運動相關的偽跡并進行校正，再將吸光度值轉換成血紅蛋白的相對濃度值。對氧合血紅蛋白相對濃度進行連續(xù)的小波變換，選取分析頻段為0.01～0.10 Hz獲得頻率范圍內的信號，變換后使用Matlab R2013b計算數據的小波相干性。處理后的fNIRS數據使用SPSS 20.0分別與正確率和反應時做相關性分析。

2 研究結果

2.1 運動干預前后METH成癮者Stroop任務測試結果

隨機擊球干預后，受試者Stroop測試的正確率顯著高于基線（F=-3.024，P=0.007；圖 4）；定點擊球后，受試者Stroop測試的正確率雖高于基線，但差異無統計學意義（P＞0.05）。

圖4 運動干預前后受試者Stroop正確率顯著性對比Figure 4.Significant Comparison of Stroop Correct Rate of Subjects before and after Exercise Intervention

隨機擊球干預后，受試者Stroop測試反應時顯著低于基線（F=6.293，P=0.013）；定點擊球后，受試者Stroop測試反應時與基線無統計學差異（P＞0.05；圖5）。

圖5 受試者運動干預后Stroop反應時顯著性對比Figure 5.Significant Comparison of Stroop Response Time on the Subjects after Exercise Intervention

2.2 運動干預前后腦區(qū)激活水平變化

與基線相比，隨機擊球干預后，受試者腦區(qū)CH23通道與CH36道被顯著激活（圖6）。CH23與CH36數據分布均不符合正態(tài)分布，使用Friedman檢驗，結果顯示，CH23隨機擊球后氧合血紅蛋白濃度水平顯著高于基線（F=-2.942，P=0.01），CH36隨機擊球后氧合血紅蛋白濃度水平顯著高于基線（F=-2.646，P=0.024），表明rFEF區(qū)（CH23）與lPC區(qū)（CH36）在隨機擊球干預后表現出顯著激活。

圖6 隨機擊球-基線通道激活顯著性對比Figure 6.Significant Comparison of Random Batting to Baseline ChannelActivation

與基線相比，定點擊球干預后靜息狀態(tài)下CH17通道與CH29通道被激活（圖7）。其中，CH17數據分布符合正態(tài)分布，使用重復測量方差分析，結果顯示，CH17定點擊球后氧合血紅蛋白濃度水平顯著高于基線（F=9.157，P=0.001）。CH29數據分布不符合正態(tài)分布，使用Friedman檢驗，結果顯示，定點擊球后氧合血紅蛋白濃度水平顯著高于基線（F=-2.646，P=0.024）。上述結果表明，定點擊球干預訓練可以顯著激活受試者rDLPFC（CH17）和rPMC（CH29）兩個腦區(qū)。

圖7 定點擊球-基線通道激活顯著性對比Figure 7.Comparison of Significance between Spotting and Baseline ChannelActivation

定點擊球與隨機擊球干預效果進行比較，結果顯示，CH17通道與CH21通道激活水平差異有統計學意義（圖8）。CH17與CH21數據分布符合正態(tài)分布，故采用重復測量方差分析，結果顯示，CH17氧合血紅蛋白濃度水平在定點擊球后顯著高于隨機擊球（F=9.157，P=0.001）；CH21氧合血紅蛋白濃度水平在定點擊球后顯著高于隨機擊球（F=3.781，P=0.037）。對比發(fā)現，不同運動干預形式對腦區(qū)rDLPFC（CH17）及布洛卡區(qū)（Broca’s area，BA）（CH21）表現出不同的激活效果。

圖8 定點擊球-隨機擊球通道激活顯著性對比Figure 8.Significant Comparison between Spotting and Random Hitting ChannelActivation

2.3 受試者干預前后腦激活水平與認知功能行為學表現相關分析

隨機擊球干預后，CH7（r=0.666，P=0.009）和 CH39（r=0.676，P=0.011）通道與Stroop任務正確率的相關性具有統計學顯著意義，表明隨機擊球訓練提高lDLPFC（CH7）和lPMC（CH39）的血氧水平，提升Stroop任務的正確率。定點擊球訓練未見相同效果。

隨機擊球訓練后，受試者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）通道腦氧水平與反應時呈負相關關系，表明隨機擊球影響lDLPFC（CH10）、lOFC（CH11）、rOFC（CH16）、BA（CH21）以及右側前運動皮層（rPC）（CH24）腦氧水平從而改善了受試者完成Stroop任務時的反應時。

定點擊球干預后，CH27（r=-0.697，P=0.006）和 CH33（r=-0.572，P=0.033）與反應時具有統計學顯著意義的負相關，表明rPC及額葉眼動區(qū)（FEF）與反應時可能存在關聯。

3 分析與討論

3.1 乒乓球運動干預對METH成癮者認知功能的影響

METH成癮者常伴隨抑郁情緒，且成癮程度與抑郁情緒高度相關（段寶海，2007）。1938年，體育手段被用于漸進放松法以干預焦慮情緒；隨后，美國健康與服務中心也證實了體育鍛煉對情緒具有改善作用（Landolfi，2013）。本研究中，隨機擊球后METH成癮者Stroop測試的正確率顯著提高，反應時明顯降低，說明乒乓球運動干預可以提高受試者認知功能，可能與運動干預改善了受試者體內激素水平、降低外源性METH對成癮者機體的不良刺激，神經遞質的水平改善等有關（Anderson et al.，2013；Tantimonaco et al.，2014）。

3.2 乒乓球運動干預對METH成癮者腦區(qū)激活水平的影響

腦區(qū)中額葉與認知功能關系密切，METH成癮者存在的認知缺陷可能與額葉皮質、額葉紋狀體系統功能失調有關（Kim et al.，2005）。DLPFC是與認知控制相關的重要腦區(qū)，同時也是認知障礙的關鍵腦區(qū)之一（Boschin et al.，2017；Kujach et al.，2018）。一項關于METH成癮者的fMRI研究發(fā)現，成癮者在進行BART決策任務時，rDLPFC的功能連接相較于正常人更低，表明METH成癮會破壞rDLPFC（Kohno et al.，2014）。本研究中，乒乓球定點擊球后，rDLPFC和右側初級運動皮層有顯著激活，隨機擊球后，rFEF和lPC均有激活，定點擊球與隨機擊球相比，rDLPFC和lPC的激活程度更為顯著。前額葉活動程度與Stroop任務過程中的表現同步提高，證明了乒乓球運動對認知功能的改善作用，而對于DLPFC和前運動皮層（PC）的激活，乒乓球定點擊球效果更好。

研究證明，METH成癮者的前額葉本身就存在著功能障礙。rDLPFC在認知任務中激活往往比健康的同齡人低（Grandjeanda et al.，2017；Kohno et al.，2014），乒乓球定點擊球干預后，METH成癮者rDLPFC被顯著激活。當乒乓球運動干預引起DLPFC激活程度增加時，其Stroop表現正相關，說明乒乓球運動改善了METH成癮者DLPFC的功能，因而其認知能力得到一定程度的恢復。

3.3 METH成癮者乒乓球運動干預腦區(qū)活性與認知功能關聯分析

Stroop效應的主要相關腦區(qū)是前額葉（Schroeter et al.，2002），腦區(qū)通道激活程度與Stroop測試結果的相關性分析顯示，CH7和CH39與Stroop任務的正確率有顯著的正相關關系。其中，CH7與Stroop任務的正確率呈顯著的正相關，說明lDLPFC和lPMC區(qū)域是METH成癮者認知功能提升的重要腦區(qū)，尤其前額葉在處理沖突的過程中存在自上而下的控制，并且處理和加工不同的社會認知（Amodio et al.，2006）。本研究中，乒乓球運動干預后，DLPFC的激活明顯增加，Stroop測試正確率也顯著提高，這表明乒乓球運動可以通過增加DLPFC的激活程度改善METH成癮者的認知沖突控制能力。在成癮機制中，OFC是關于目標動機的重要腦區(qū)（Oldstein et al.，2011），相較于其他腦區(qū)，OFC更善于信息編碼從而形成新的聯系，因此能夠更好地控制大腦錯誤反應，增加認知以及反應的靈活性（Schoenbaum et al.，2009）。另有研究表明，DLPFC可能與OFC同步工作（Hayashi et al.，2013），這兩個區(qū)域與反應時呈負相關，說明受試者對接下來Stroop任務可能出現的字色與字義不一致干擾有了一定的預知，并開始集中注意力，加快了決策能力，縮短了反應時間，增加了正確率（Dietrich et al.，2004）。反應時的相關性分析顯示，乒乓球隨機擊球前后，lDLPFC皮層、lOFC、rPC等均與反應時有顯著的負相關關系；定點擊球后，rPC、FEF與反應時呈顯著的負相關。因此，乒乓球運動可能通過DLPFC和OFC進一步促進METH成癮者的認知功能。

綜上，對于情緒調節(jié)，乒乓球運動可以使METH成癮者的情緒體驗更強烈，需要其自發(fā)的動員更多的前額葉資源下調自身的情緒狀態(tài)，從而提高了成癮者的情緒調節(jié)能力，使其抑郁情緒得以緩解。對于認知功能，乒乓球運動通過增加DLPFC的激活程度，改善METH成癮者的認知沖突的控制能力，從而改善METH成癮者的認知功能。根據相關性分析結果，乒乓球運動可以通過增加DLPFC和OFC的激活程度，增加METH成癮者的認知沖突控制能力，增加任務的反應和認知的靈活性，使成癮者有更好的任務表現。

4 結論

本研究建立了基于fNIRS的運動干預METH成癮者腦功能的評價模型，使用乒乓球不同擊球方式對METH成癮者進行干預。對乒乓球急性干預后METH成癮者Stroop任務態(tài)的腦激活水平進行監(jiān)測，并根據METH成癮者腦區(qū)激活程度、Stroop測試的正確率和反應時以及不同腦區(qū)與Stroop結果的相關性分析等數據，揭示乒乓球運動對METH成癮者認知功能的影響：1）乒乓球隨機擊球運動可改善METH成癮者認知功能；2）乒乓球運動干預顯著激活METH成癮者前額葉和運動皮層等腦區(qū)，但不同的擊球方式激活效果具有差異性；3）乒乓球運動干預激活運動皮層與前額葉，提升METH成癮者認知功能。