足球運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員源定位及腦功能連接的影響研究

李垂坤，張業(yè)廷，魏翠蘭，趙 祥，李慧軍，李 佳，袁瓊嘉

靜息態(tài)是大腦在不執(zhí)行具體認(rèn)知任務(wù)、保持安靜、放松、清醒的狀態(tài)。靜息態(tài)下大腦消耗的能量約占人體總耗能的20%，任務(wù)態(tài)下約為25%，增加約5%，說明大腦消耗的能量大部分用于維持靜息態(tài)的神經(jīng)元活動(dòng)。大腦在靜息態(tài)下，不同腦區(qū)的神經(jīng)元也在協(xié)同工作，自發(fā)性的神經(jīng)活動(dòng)形成同步、結(jié)構(gòu)化的功能網(wǎng)絡(luò)（Beckmann et al.，2005； Fox et al.， 2007）。靜息態(tài)下的腦功能連接反映了大腦內(nèi)在、固有的活動(dòng)模式，是組成所有認(rèn)知、感知和行為活動(dòng)的核心，顯示了神經(jīng)集合興奮性的持續(xù)和有組織的變化（季淑梅 等，2020；Roth et al.， 2014）。

在運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的背景下，靜息態(tài)腦功能連接用于監(jiān)測(cè)注意力和感覺-運(yùn)動(dòng)大腦區(qū)域的相互關(guān)聯(lián)性，作為衡量體育活動(dòng)準(zhǔn)備狀態(tài)和效率的指標(biāo)。功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging， fMRI）研究發(fā)現(xiàn)，注意力相關(guān)的腦功能連接和感覺-運(yùn)動(dòng)腦功能連接的調(diào)節(jié)，揭示了運(yùn)動(dòng)引起的靜息態(tài)腦功能連接變化（Schmitt et al.， 2019）。

文獻(xiàn)已證實(shí)，運(yùn)動(dòng)可以改善認(rèn)知水平，誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性發(fā)生（Zilidou et al.， 2018）。在大腦結(jié)構(gòu)層面，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的腦解剖在左楔前葉、左頂下小葉和右額葉3個(gè)區(qū)域的皮質(zhì)厚度顯著增加（Wei et al.， 2020）。鐵人三項(xiàng)健將級(jí)運(yùn)動(dòng)員的內(nèi)側(cè)前額葉皮層、中央前回和中央后回，以及島葉皮質(zhì)厚度增加（Wood et al.， 2016）。運(yùn)動(dòng)員在右側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)、邊緣葉和小腦前葉表現(xiàn)出更大的灰質(zhì)體積（Gao et al.， 2019）。運(yùn)動(dòng)員在左楔前葉和右/左島葉之間的腦功能連接增加（Kim et al.， 2021）。不同運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)內(nèi)在功能連接的精確定位不同。研究發(fā)現(xiàn)，職業(yè)羽毛球運(yùn)動(dòng)員在額葉和左頂上小葉之間的功能連接發(fā)生了改變（Jolles et al.， 2013；Takeuchi et al.， 2013）。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，職業(yè)籃球運(yùn)動(dòng)員在動(dòng)作預(yù)期過程中，頂下小葉和額下回的活動(dòng)更活躍（Wu et al.， 2013）。這些改變是由于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練引起的，促進(jìn)了相關(guān)區(qū)域之間的連接性，使大腦的結(jié)構(gòu)和功能更具適應(yīng)性。

腦電（electroencephalography， EEG）的靜息態(tài)腦功能連接分析具有重要的科研價(jià)值，任何身體活動(dòng)干預(yù)措施都可能導(dǎo)致皮質(zhì)連接性的改變（Flodin et al.， 2017；Jonas‐son et al.， 2017）。基于體素的腦成像理論，了解足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)腦區(qū)之間相互作用，有助于更全面、深入地了解腦的可塑性以及訓(xùn)練對(duì)腦功能、腦連接的影響。進(jìn)一步從腦功能連接的層面了解足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)腦神經(jīng)機(jī)制的影響，有助于在未來的體育教育及運(yùn)動(dòng)干預(yù)中設(shè)計(jì)更有針對(duì)性的措施，從而提高足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練效果。為此，本研究采用電磁斷層成像（standardized low-resolution brain elec‐tromagnetic tomography analysis， sLORETA）在源水平上重構(gòu)EEG信號(hào)，計(jì)算相應(yīng)延遲指數(shù)（phase lag index， PLI）構(gòu)建腦功能連接。分析靜息態(tài)下各頻段功率譜、源定位及腦功能連接的特征，探究足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)運(yùn)動(dòng)員靜息態(tài)下與視覺注意和視覺運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)加工整合相關(guān)腦區(qū)的影響。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究招募成都足球?qū)W院國(guó)家二級(jí)及二級(jí)以上足球運(yùn)動(dòng)員和非專業(yè)運(yùn)動(dòng)員，比例為1∶1，總?cè)藬?shù)為72人。納入被試標(biāo)準(zhǔn)：1）無嚴(yán)重軀體疾病，無腦創(chuàng)傷及神經(jīng)系統(tǒng)疾病病史，且目前精神狀況良好，無藥物和酒精依賴史；2）右利手；3）視力或校正視力正常，無色盲和色弱；4）智力與焦慮水平正常。本研究的內(nèi)容經(jīng)過成都體育學(xué)院倫理委員會(huì)（成體倫理〔2020〕22號(hào)）審批，所有被試簽署知情同意書。其中，5名被試的腦電數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，偽跡超過30%，未納入統(tǒng)計(jì)。最終，本研究以67名學(xué)生（男生49名，女生18名）作為研究對(duì)象，年齡范圍為17～22歲。依據(jù)訓(xùn)練年限和運(yùn)動(dòng)員等級(jí)分為：運(yùn)動(dòng)組33人（男27人，女6人），訓(xùn)練年限均為6年以上，國(guó)家二級(jí)及二級(jí)以上運(yùn)動(dòng)員；對(duì)照組34人（男22人，女12人），對(duì)足球運(yùn)動(dòng)有一定的了解，無運(yùn)動(dòng)等級(jí)的體育專業(yè)學(xué)生，且半年以上未進(jìn)行大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)。

1.2 研究方法

1.2.1 靜息態(tài)EEG數(shù)據(jù)采集

采用德國(guó)BP公司的actiCHamp 64通道腦電系統(tǒng)，被試保持安靜、放松狀態(tài)，始終注視正前方60 cm處顯示器屏幕中央視平線處的“+”標(biāo)記，盡量減少眨眼和眼動(dòng)，采集5 min連續(xù)無間隔的睜眼靜息態(tài)腦電信號(hào)。

1.2.2 靜息態(tài)EEG數(shù)據(jù)預(yù)處理

基于Matlab開發(fā)的工具箱，使用EEGLAB腦電數(shù)據(jù)處理與分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用EEGLAB中默認(rèn)的Standard-10-5-cap385文件進(jìn)行電極定位；采用全腦平均參考，同時(shí)恢復(fù)FCz電極的通道信息；刪除眼電等無用電極；采用0.5～100.0 Hz波段過濾腦電波（Mantini et al.，2007）；每2 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分為1段；去除眨眼、頭動(dòng)、肌電等偽跡，并剔除電壓幅值絕對(duì)值大于100 μV的數(shù)據(jù)段（Onton et al.， 2006）。

1.2.3 靜息態(tài)EEG功率譜密度

利用EEGLAB的STUDY模塊計(jì)算各個(gè)頻段功率譜，通過快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）計(jì)算功率譜（蔣園園 等， 2020；García-Monge et al.， 2020）。將腦電信號(hào)頻帶分為 δ（0.5～4.0 Hz）、θ（4～8 Hz）、α（8～14 Hz）、β（14～30 Hz）、γ（30～48 Hz）5 個(gè)頻段。功率譜密度采用相對(duì)功率譜密度（power spectral density，PSD），以消除個(gè)體差異的影響（Gray， 1994）。統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 18.0，進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，顯著性水平P＜0.05。使用Graph‐Pad Prism 8和Adobe Illustrator CS 5軟件進(jìn)行圖片制作。

1.2.4 靜息態(tài)EEG功率源定位

采用sLORETA進(jìn)行溯源分析（Pascual-Marqui et al.，2002a， 2002b）。假設(shè)大腦是一個(gè)由腦內(nèi)組織、顱骨、頭皮3層組織構(gòu)成的頭模型，基于線性和疊加原理，在配準(zhǔn)的Talairach腦模板下，通過估計(jì)最大電流密度準(zhǔn)確定位獨(dú)立源的三維坐標(biāo)，并以蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）152坐標(biāo)系（5 mm分辨率）展現(xiàn)溯源結(jié)果（Mazziotta et al.， 2001）。腦組織被數(shù)字化標(biāo)定為6 239個(gè)立體像素，每個(gè)像素都對(duì)應(yīng)1個(gè)三維坐標(biāo)，同時(shí)也會(huì)有1個(gè)電流密度值。

對(duì)EEG信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理后，將頭皮腦電電極MNI坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為 Talairach 坐標(biāo)（Talairach et al.， 1988），用 Talai‐rach坐標(biāo)創(chuàng)建轉(zhuǎn)換矩陣。根據(jù)分段的txt文件計(jì)算EEG頻段的交叉譜生成相對(duì)應(yīng)的sLORETA文件。通過sLORE‐TA軟件進(jìn)行基于非參數(shù)映射法的體素隨機(jī)檢驗(yàn)（5 000次置換），對(duì)每個(gè)成分用log（fRatio）統(tǒng)計(jì)量評(píng)估組間在每個(gè)頻段內(nèi)皮層振蕩的源定位差異，顯著性水平P＜0.05。最后生成的腦源定位圖像顯示出布羅德曼分區(qū)（Brodmann area，BA）和其對(duì)應(yīng)的MNI坐標(biāo)值（楊劍 等， 2015）。使用GraphPad Prism 8和Adobe Illustrator CS 5軟件進(jìn)行圖片制作。

1.2.5 構(gòu)建靜息態(tài)EEG腦功能網(wǎng)絡(luò)

腦功能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是利用圖論的分析方法，將復(fù)雜的大腦分割為許多不同的獨(dú)立腦區(qū)，以電極點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)是腦區(qū)，不同電極點(diǎn)之間的相互關(guān)系作為邊，邊是腦區(qū)間的物理連接或功能相關(guān)性。計(jì)算PLI測(cè)量不同大腦區(qū)域之間的相位同步（Vinck et al.， 2011）?；谙辔坏臏y(cè)量連通性的量度，不易受到容積傳導(dǎo)效應(yīng)的影響。利用希爾伯特變換（Hilbert transform），確定每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)相位。計(jì)算60個(gè)電極對(duì)之間的PLI，生成一個(gè)連接矩陣，將所有PLI值進(jìn)行平均，獲得每個(gè)被試的連接矩陣。為了測(cè)量整體連接強(qiáng)度，將所有電極對(duì)的PLI取平均值，在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，比較組間的差異PLI平均值，使用具有顯著差異的時(shí)間點(diǎn)來識(shí)別用于進(jìn)一步分析的窗口?；诰W(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)分析（network-based statis‐tics，NBS）檢驗(yàn)兩組被試間在每個(gè)頻段下60個(gè)電極對(duì)之間的功能連接強(qiáng)度差異，顯著性水平P＜0.05。使用Graph‐Pad Prism 8和Adobe Illustrator CS 5軟件進(jìn)行圖片制作。

2 結(jié)果

2.1 相對(duì)功率譜密度結(jié)果

足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后，睜眼靜息態(tài)相對(duì)功率譜密度，與對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)組在θ、α、β和γ頻段上均有增高（表1）。其中，在β和γ頻段上增高顯著（P＜0.05），在α頻段上增高極顯著（P＜0.01）。在α頻段上，與對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)組的腦地形圖表現(xiàn)出較大面積的活躍程度（圖1）。

圖1 靜息態(tài)EEG各頻段功率譜密度的腦地形圖Figure 1. Brain Topographic Map of Power Spectral Density of Each Frequency Band of Resting EEG

表1 靜息態(tài)EEG各頻段相對(duì)功率譜密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical Results of Relative Power Spectral Density of Each Frequency Band of Resting EEG M±SD

2.2 靜息態(tài)sLORETA溯源結(jié)果

全頻段和各頻段腦激活差異的sLORETA統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2～圖7所示。

2.2.1 全頻段睜眼靜息態(tài)sLORETA溯源結(jié)果

在全頻段中神經(jīng)電活動(dòng)的腦區(qū)變化不一，運(yùn)動(dòng)組在右側(cè)大腦顳葉的顳中回（BA21）、MNI（65，-40，-15）和左側(cè)大腦額葉的額下回（BA46）、MNI（-35，35，15）表現(xiàn)出了更高的活動(dòng)性，而在左側(cè)大腦頂葉的頂下小葉（BA40）、MNI（-40，-40，55）、顳葉的顳中回（BA37）、MNI（-40，-53，0）和枕葉的枕下回（BA19）、MNI（-40，-75，-10）表現(xiàn)出了較低的活動(dòng)性（圖2）。

圖2 運(yùn)動(dòng)組與對(duì)照組全頻段范圍內(nèi)睜眼靜息態(tài)下腦激活差異的sLORETA圖Figure 2. sLORETA Plots of Differences in Brain Activation in Resting State with Open Eyes in the Full Frequency Band between Exercise Group and Control Group

2.2.2 各頻段睜眼靜息態(tài)sLORETA溯源結(jié)果

與對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)組在δ頻段上左側(cè)大腦枕葉的梭狀回（BA19）、MNI（-40，-75，-20）和頂葉的頂下小葉（BA40）、MNI（-35，-45，55）表現(xiàn)出活動(dòng)性降低，在右側(cè)大腦顳葉的顳中回（BA21）、MNI（65，-40，-15）和左側(cè)大腦額葉的額中回（BA11）、MNI（-40，35，-15）表現(xiàn)出活動(dòng)性略有升高（圖3）。

圖3 運(yùn)動(dòng)組與對(duì)照組δ頻段范圍內(nèi)睜眼靜息態(tài)腦激活差異的sLORETA圖Figure 3. sLORETA Plots of Differences in Brain Activation in Resting State with Open Eyes in the δ Band between Exercise Group and Control Group

與對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)組在θ頻段上左側(cè)大腦額葉的額中回（BA10）、MNI（-30，40，25）、右側(cè)大腦顳葉的顳中回（BA21）、MNI（60，-40，5）表現(xiàn)出活動(dòng)性較強(qiáng)，在左側(cè)大腦枕葉的枕中回（BA19）、MNI（-30，-95，15）表現(xiàn)出活動(dòng)性略降低（圖4）。

圖4 運(yùn)動(dòng)組與對(duì)照組θ頻段范圍內(nèi)睜眼靜息態(tài)腦激活差異的sLORETA圖Figure 4. sLORETA Plots of Differences in Brain Activation in Resting State with Open Eyes in the θ Band between Exercise Group and Control Group

運(yùn)動(dòng)組在α頻段上大腦激活區(qū)域最大，與對(duì)照組相比，右側(cè)大腦頂葉的頂下小葉（BA40）、MNI（40，-50，50）、顳葉的顳中回（BA22）、MNI（50，-40，10）、額葉的中央前回（BA4）、MNI（40，-20，50），以及左側(cè)大腦額葉的中央前回（BA4）、MNI（-10，-35，70）表現(xiàn)出活動(dòng)性增強(qiáng)（圖5）。

圖5 運(yùn)動(dòng)組與對(duì)照組α頻段范圍內(nèi)睜眼靜息態(tài)腦激活差異的sLORETA圖Figure 5. sLORETA Plots of Differences in Brain Activation in Resting State with Open Eyes in the α Band between Exercise Group and Control Group

與對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)組在β頻段上左側(cè)大腦額葉的額內(nèi)側(cè)回（BA9）、MNI（-20，40，20）、額上回（BA10），MNI（-25，45，25）、額中回（BA10）、MNI（-30，40，25）、右側(cè)大腦額葉的額內(nèi)側(cè)回（BA9）、MNI（5，50，25）表現(xiàn)出活動(dòng)性增強(qiáng)（圖6）。

圖6 運(yùn)動(dòng)組與對(duì)照組β頻段范圍內(nèi)睜眼靜息態(tài)腦激活差異的sLORETA圖Figure 6. sLORETA Plots of Differences in Brain Activation in Resting State with Open Eyes in the β Band between Exercise Group and Control Group

與對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)組在γ頻段上左側(cè)大腦額葉的額內(nèi)側(cè)回（BA9）、MNI（-20，40，20）、額上回（BA10）、MNI（-25，45，25）、右側(cè)大腦額葉的額內(nèi)側(cè)回（BA9）、MNI（5，50，25）、額上回（BA10）、MNI（25，45，25）表現(xiàn)出活動(dòng)性增強(qiáng)（圖7）。

圖7 運(yùn)動(dòng)組與對(duì)照組γ頻段范圍內(nèi)睜眼靜息態(tài)腦激活差異的sLORETA圖Figure 7. sLORETA Plots of Differences in Brain Activation in Resting State with Open Eyes in the γ Band between Exercise Group and Control Group

2.3 靜息態(tài)腦功能連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)果

把由每個(gè)被試得到的0、1矩陣相加，利用NBS工具箱的PLI指標(biāo)篩選連接網(wǎng)絡(luò)。在P=0.01時(shí)，閾值為2.4。閾值處理后的兩組被試平均PLI連接矩陣如圖8～圖13所示。

本研究顯示，在1 770個(gè)導(dǎo)聯(lián)對(duì)中，與對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)組全頻段有101個(gè)連接特征呈極顯著性差異（P＜0.01）；α頻段有92個(gè)連接呈顯著性差異（P＜0.05）；β頻段有68個(gè)連接呈極顯著性差異（P＜0.01）；δ、θ和γ頻段各電極對(duì)連接無顯著性差異（表2）。從圖11～圖12可以看出，運(yùn)動(dòng)組在α和β頻段中的連接強(qiáng)度比對(duì)照組高。說明通過運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后，相比于對(duì)照組，運(yùn)動(dòng)組電極對(duì)之間的認(rèn)知同步關(guān)系更緊密，大腦神經(jīng)活動(dòng)更復(fù)雜，活躍性更強(qiáng)。

表2 靜息態(tài)EEG全頻段和各頻段腦功能連接統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical Results of Brain Functional Connectivity in the Whole Frequency Band and Each Frequency Band of Resting EEG

為了更直觀地反映大腦網(wǎng)絡(luò)分布情況，將連接矩陣轉(zhuǎn)換為拓?fù)鋱D（圖8B、圖9B、圖10B、圖11B、圖12B、圖13B）。兩組被試的功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的連線均遍布整個(gè)大腦，但有明顯差異：運(yùn)動(dòng)組的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，對(duì)照組相對(duì)較弱。全頻段范圍內(nèi)靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接圖顯示，兩組被試間差異的腦功能連接主要集中在額葉、顳葉以及枕葉等腦區(qū)（圖8B）。α頻段范圍內(nèi)，兩組被試間差異的腦功能連接主要集中在額葉、顳葉以及枕葉等腦區(qū)，左半球的連接強(qiáng)度略高于右半球（圖11B）。β頻段范圍內(nèi)，兩組被試間差異的腦功能連接主要集中在額葉和頂葉等腦區(qū)（圖12B）。δ頻段（圖9B）、θ頻段（圖10B）和γ頻段（圖13B）的各電極對(duì)連接無顯著性差異。

圖8 全頻段范圍內(nèi)睜眼靜息態(tài)的總平均PLI連接矩陣（A）與腦功能網(wǎng)絡(luò)分布（B）Figure 8. Total Mean PLI Connectivity Matrix （A） and Brain Functional Network Distribution （B）of Open Eyes Resting State in the Full Frequency Range

圖9 δ頻段范圍內(nèi)睜眼靜息態(tài)的總平均PLI連接矩陣（A）與腦功能網(wǎng)絡(luò)分布（B）Figure 9. Total Mean PLI Connectivity Matrix （A） and Brain Functional Network Distribution （B） of Open Eyes Resting States in the δ Range

圖10 θ頻段范圍內(nèi)睜眼靜息態(tài)的總平均PLI連接矩陣（A）與腦功能網(wǎng)絡(luò)分布（B）Figure 10. Total Mean PLI Connectivity Matrix （A） and Brain Functional Network Distribution （B） of Open Eyes Resting States in the θ Range

圖11 α頻段范圍內(nèi)睜眼靜息態(tài)的總平均PLI連接矩陣（A）與腦功能網(wǎng)絡(luò)分布（B）Figure 11. Total Mean PLI Connectivity Matrix （A） and Brain Functional Network Distribution （B） of Open Eyes Resting States in the α Range

圖12 β頻段范圍內(nèi)睜眼靜息態(tài)的總平均PLI連接矩陣（A）與腦功能網(wǎng)絡(luò)分布（B）Figure 12. Total Mean PLI Connectivity Matrix （A） and Brain Functional Network Distribution （B）of Open Eyes Resting States in the β Range

圖13 γ頻段范圍內(nèi)睜眼靜息態(tài)的總平均PLI連接矩陣（A）與腦功能網(wǎng)絡(luò)分布（B）Figure 13. Total Mean PLI Connectivity Matrix （A） and Brain Functional Network Distribution （B）of Open Eyes Resting States in the γ Range

3 討論與分析

3.1 靜息態(tài)功率譜結(jié)果分析

本研究表明，長(zhǎng)期足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后，靜息態(tài)下大腦α、β、γ 3個(gè)頻段功率譜發(fā)生顯著性增加，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)足球運(yùn)動(dòng)能提高大腦的感知行為。在閉眼靜息狀態(tài)下，專業(yè)運(yùn)動(dòng)員頂葉和枕葉區(qū)的α波更高（Babiloni et al.， 2010）。α頻段活動(dòng)反映警覺性、記憶表現(xiàn)和注意力需求的皮質(zhì)和丘腦-皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)（Hsieh et al.， 2011；Klimesch， 2012），枕葉、頂葉、中央?yún)^(qū)以及額葉等區(qū)域表現(xiàn)相對(duì)較高。有研究表明，運(yùn)動(dòng)可能會(huì)增加α頻段活性（Crabbe et al.， 2004），隨著任務(wù)難度的增加α功率降低（即事件相關(guān)去同步化），反映了分配給任務(wù)執(zhí)行的皮層資源數(shù)量成反比關(guān)系（Bouchard， 2012）。在安靜休息期間，睜眼或閉眼時(shí)θ頻段（4～8 Hz）的腦電圖活動(dòng)減弱（Devilbiss et al.， 2019）。在即時(shí)記憶任務(wù)中，δ頻段功率譜的升高，以及β和γ頻段功率譜的降低表明皮質(zhì)活動(dòng)減慢，表現(xiàn)出類似運(yùn)動(dòng)的效果（張立偉 等， 2018）。本研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)組α、β和γ頻段功率譜均增加，表明高頻段（α和β）更多地參與了抑制過程（Klimesch， 2012）。其中，α頻段功率譜的增加，可能與下丘腦功能增強(qiáng)有關(guān)，人體內(nèi)在注意集中時(shí)會(huì)使大腦α頻段的同步化增強(qiáng)（呂墨竹 等，2019；孫紅敏 等，2012）。β頻段的出現(xiàn)與警覺狀態(tài)相關(guān)，對(duì)周圍事物很敏感，注意集中于環(huán)境，呈分散狀（甘霖， 2017）。β振蕩與運(yùn)動(dòng)和軀體感覺皮層的需求有關(guān)（Baker， 2007），也與自上而下的控制有關(guān)（Engel et al.， 2010）。高β波與壓力、高能耗和高喚醒有關(guān)（Wang et al.， 2012），也有研究認(rèn)為其與警覺或焦慮相關(guān)（Dzedzickis et al.， 2020）。與乒乓球、網(wǎng)球等對(duì)注意要求高的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目相比，足球運(yùn)動(dòng)具有一定的身體對(duì)抗性和更多的團(tuán)隊(duì)配合。足球運(yùn)動(dòng)員在比賽時(shí)會(huì)受到外界的干擾，機(jī)體對(duì)外界刺激的處理和對(duì)多信號(hào)、多目標(biāo)的處理能力效率能夠有效幫助其在關(guān)鍵時(shí)刻做出最優(yōu)選擇。因此，足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可能提高了運(yùn)動(dòng)員的注意，而這種注意集中屬于內(nèi)在注意，可能是長(zhǎng)期足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提高了運(yùn)動(dòng)員的內(nèi)在注意集中的能力。

3.2 靜息態(tài)溯源結(jié)果分析

運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練與大腦結(jié)構(gòu)和功能的變化有關(guān)（Dayan et al.， 2011）。長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)技能訓(xùn)練可導(dǎo)致與運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)的大腦區(qū)域的結(jié)構(gòu)變化，以及涉及感覺、空間和注意過程的皮質(zhì)區(qū)域的結(jié)構(gòu)和功能的變化（李懿婷等， 2020； Wang et al.， 2016）。有研究表明，優(yōu)秀耐力運(yùn)動(dòng)員的腦白質(zhì)束增強(qiáng)，內(nèi)側(cè)顳葉灰質(zhì)體積增大（Chang et al.，2015； Schlaffke et al.， 2014）。有氧運(yùn)動(dòng)（如中等強(qiáng)度步行）可能會(huì)改變并改善大腦的結(jié)構(gòu)和功能（Erickson et al.，2011）。足球運(yùn)動(dòng)屬于長(zhǎng)時(shí)間、高技能的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的耐力和運(yùn)動(dòng)技能的協(xié)調(diào)能力均有一定要求，必須同時(shí)處理許多線索作出適當(dāng)反應(yīng)，因此改善運(yùn)動(dòng)員的視覺注意處理和視覺運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)尤其重要（Wolf et al.， 2014）。

本研究溯源結(jié)果顯示，運(yùn)動(dòng)員的激活區(qū)域分布在顳中回、額中回、額內(nèi)側(cè)回、頂下小葉。其中，額內(nèi)側(cè)回與執(zhí)行機(jī)制和決策能力有關(guān)；額中回參與注意控制；顳中回分為前端和后端，前端參與視覺網(wǎng)絡(luò)、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和語言網(wǎng)絡(luò)，后端參與語言網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；頂葉是感覺和監(jiān)控身體各部分對(duì)外界刺激反應(yīng)的皮質(zhì)構(gòu)成，主要響應(yīng)疼痛、觸摸、溫度、壓力等感覺，該區(qū)域還與數(shù)學(xué)和邏輯相關(guān)（Hampshire et al.， 2010； Kaufman et al.， 2016）。本研究表明，足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練促進(jìn)了這些區(qū)域的激活，可能產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)的可塑性改變，改善了感覺、運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知調(diào)節(jié)。有研究發(fā)現(xiàn)，職業(yè)高爾夫球手運(yùn)動(dòng)前區(qū)和頂葉區(qū)皮質(zhì)的灰質(zhì)體積增加（J?ncke et al.， 2009）。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練干預(yù)或?qū)＜业拇竽X皮質(zhì)容量增加（Thomas et al.， 2013）。內(nèi)側(cè)顳葉，特別是海馬體的體積增加與更好的情景記憶表現(xiàn)和學(xué)習(xí)功能正相關(guān)（Ezzati et al.， 2016； Pohlack et al.， 2014）。增加訓(xùn)練量可以改善男性青少年精英足球運(yùn)動(dòng)員大腦皮層區(qū)域（Varley et al.， 2017）。Zhu等（2021）對(duì)青年人進(jìn)行為期9周的適度有氧運(yùn)動(dòng)干預(yù)后，發(fā)現(xiàn)左側(cè)額內(nèi)側(cè)回灰質(zhì)體積、左側(cè)枕外側(cè)皮質(zhì)厚度、左側(cè)楔前葉厚度顯著增加。即使在青年人中，耐力鍛煉能觸發(fā)神經(jīng)生物學(xué)過程，導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)變化，如前額葉區(qū)域體積的增加，進(jìn)而推動(dòng)認(rèn)知能力的提高，有氧運(yùn)動(dòng)與這些區(qū)域的更大激活有關(guān)。綜上所述，本研究表明，足球訓(xùn)練可能導(dǎo)致與感覺-運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦區(qū)的激活，提高足球運(yùn)動(dòng)員的認(rèn)知水平。

3.3 靜息態(tài)腦功能連接網(wǎng)絡(luò)分析

靜息態(tài)功能連接指在休息期間，由于共同的激活歷史，腦區(qū)之間自發(fā)的功能變化（Fox et al.， 2007； Snyder et al.， 2012）。在智力測(cè)試中得分較高的個(gè)人傾向于在靜息狀態(tài)與任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)之間表現(xiàn)出較小的功能連接變化（Schultz et al.， 2016），表明其更有效地適應(yīng)任務(wù)需求。大腦網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)引導(dǎo)執(zhí)行各種任務(wù)時(shí)出現(xiàn)的連接模式，相關(guān)研究通過靜息態(tài)fMRI分析了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)大腦功能結(jié)構(gòu)的影響（Guerra-Carrillo et al.， 2014； Kelly et al.， 2014）。靜息狀態(tài)中測(cè)量的模式可以預(yù)測(cè)工作記憶性能（Stevens et al.，2012）和知覺任務(wù)中的刺激檢測(cè)（Sadaghiani et al.， 2015）。

本研究顯示，腦功能連接結(jié)果與腦源定位結(jié)果一致，足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練放大了特定腦區(qū)之間的功能連接，增加了感覺-運(yùn)動(dòng)區(qū)之間的連通性（Gross et al.， 2005），特別是在β頻段（Van Wijk et al.， 2012）。與相關(guān)研究結(jié)果一致，運(yùn)動(dòng)組的α和β頻段腦功能連接均有所增加（Dal Maso et al.，2018）。fMRI影像顯示，在一次20 min中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后，感覺-運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間的靜息態(tài)連接增加（Rajab et al.，2014）。舞蹈者在控制中央前回和中央后回以及雙側(cè)殼核的運(yùn)動(dòng)控制和整合的皮質(zhì)-基底神經(jīng)節(jié)中表現(xiàn)出更高的連接密度（Burzynska et al.， 2017； Li et al.， 2015）。但也有研究得到不同結(jié)果，與干預(yù)前相比，訓(xùn)練后的內(nèi)在功能連通性降低（Ma et al.， 2011； Vahdat et al.， 2011）。靜息狀態(tài)下體操運(yùn)動(dòng)員腦功能連接在小腦、額-頂區(qū)和扣帶回-蓋區(qū)等區(qū)域內(nèi)的連通性降低，是因?yàn)檫@些區(qū)域的神經(jīng)效率得到了提高（Wang et al.， 2016）。本研究表明，足球?qū)I(yè)運(yùn)動(dòng)員和非運(yùn)動(dòng)員之間的差異包括增強(qiáng)的正向連接，以及區(qū)域間的反相關(guān)性。加強(qiáng)的連接可能與連接區(qū)域共同激活的歷史有關(guān)（Guerra-Carrillo et al.， 2014），表明高水平足球運(yùn)動(dòng)員可能會(huì)激活這些區(qū)域的連接。有研究假設(shè)，靜息狀態(tài)下區(qū)域之間的反相關(guān)性反映了沖突認(rèn)知需求的解決，與認(rèn)知表現(xiàn)的改善有關(guān)（Keller et al.，2015）。一項(xiàng)以檢測(cè)與注意策略和耐力自行車任務(wù)階段有關(guān)的大腦皮層連接模式連通性分析結(jié)果顯示，無論采用何種注意策略，所有電極對(duì)和頻段（α和β）在靜息狀態(tài)下EEG相干值都高于循環(huán)期間EEG相干值（Di Fronso et al.，2018）。靜息狀態(tài)下大腦網(wǎng)絡(luò)存在運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的依賴性調(diào)節(jié)，力竭運(yùn)動(dòng)會(huì)暫時(shí)降低大腦網(wǎng)絡(luò)效率（Büchel et al.， 2021）。因此，靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估可以顯示中樞神經(jīng)系統(tǒng)在不同訓(xùn)練情況下的準(zhǔn)備狀態(tài)和效率，以及在訓(xùn)練監(jiān)測(cè)中發(fā)揮前瞻性作用。

綜上所述，本研究顯示，靜息狀態(tài)下，各頻段在顳葉、額葉和頂葉等腦區(qū)的激活較明顯，同時(shí)基于PLI特征腦功能連接結(jié)果顯示，在額葉、顳葉、頂葉和枕葉等腦區(qū)連接有顯著性差異。這些大腦區(qū)域大多屬于感覺-運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，說明足球運(yùn)動(dòng)員喚醒水平更高，更有利于視覺注意的激活。這與運(yùn)動(dòng)干預(yù)引起的認(rèn)知增益有關(guān)，改善了與感覺-運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦區(qū)之間的連接性（Baniqued et al.， 2018； Gal‐len et al.， 2016）。有氧運(yùn)動(dòng)會(huì)引起人體新陳代謝、呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的變化，并促進(jìn)大腦結(jié)構(gòu)和功能的暫時(shí)性和永久性改變（Colcombe et al.， 2003）。足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練誘導(dǎo)大腦改變的可能機(jī)制：腦部毛細(xì)血管的生長(zhǎng)（Vivar et al.， 2013）；神經(jīng)元之間突觸連接的長(zhǎng)度和數(shù)量的增加（Tan et al.， 2016）；神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（如腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和胰島素樣生長(zhǎng)因子）水平增加引起神經(jīng)元的生成，刺激神經(jīng)發(fā)生和血管生成（Voss et al.， 2013）。這些由于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練引起大腦結(jié)構(gòu)的可塑性和適應(yīng)性改變（Demirakca et al.， 2016； Gao et al.， 2019），改善了感覺、運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能的調(diào)節(jié)（梁祎明 等， 2018； Cerasa et al.， 2017）。隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)致靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的功能連接加強(qiáng)，足球運(yùn)動(dòng)員在視覺注意和視覺運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)加工中整合了相關(guān)腦區(qū)，在結(jié)構(gòu)和功能連接架構(gòu)上均表現(xiàn)出了一定的可塑性變化。這些腦連接整合的可塑性改變可能影響了多模態(tài)的注意表現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能變化的共同作用有助于提高運(yùn)動(dòng)員對(duì)高注意要求的反應(yīng)和執(zhí)行力。

4 結(jié)論

1）足球運(yùn)動(dòng)員睜眼靜息態(tài)大腦的α、β、γ 3個(gè)頻段的功率譜顯著增加。研究表明，足球運(yùn)動(dòng)可以提高內(nèi)在注意，促進(jìn)神經(jīng)元之間的密切聯(lián)系，提高認(rèn)知行為的處理速度。

2）足球運(yùn)動(dòng)員的激活區(qū)域在顳中回、額中回、額內(nèi)側(cè)回、頂下小葉，與改善感知覺、情緒和精神活動(dòng)，以及學(xué)習(xí)記憶有關(guān)。研究表明，足球運(yùn)動(dòng)促進(jìn)這些區(qū)域的激活，可能產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)可塑性變化，改善感覺、運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知調(diào)節(jié)。

3）足球運(yùn)動(dòng)員全頻段在額葉、顳葉以及枕葉等腦區(qū)存在顯著性差異。其中，α頻段在額葉、顳葉以及枕葉等腦區(qū)存在顯著性差異，左半球的連接強(qiáng)度略高于右半球；β頻段在額葉和頂葉等腦區(qū)存在顯著性差異。研究表明，足球運(yùn)動(dòng)可激活與運(yùn)動(dòng)控制和執(zhí)行功能相關(guān)的特定腦區(qū)之間的功能連接。

綜上所述，足球運(yùn)動(dòng)員靜息態(tài)額葉、顳葉和枕葉等腦區(qū)的激活較明顯，腦功能連接增強(qiáng)。足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練改善感覺、運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知的調(diào)節(jié)，促進(jìn)這些腦區(qū)的功能連接性，激活與運(yùn)動(dòng)控制和執(zhí)行功能相關(guān)的特定腦區(qū)之間的功能連接。提示，視覺注意、知覺預(yù)期、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)執(zhí)行能力和認(rèn)知功能得到了提高，優(yōu)化了靜息態(tài)相關(guān)腦區(qū)的激活與連通性。