壓力下運動員特定的神經(jīng)策略：fNIRS初步研究

1.研究背景

在比賽和訓(xùn)練中的壓力會影響運動員的運動表現(xiàn)。然而，在視覺模擬任務(wù)中，心理應(yīng)激對運動員前額葉皮層功能的影響尚不清楚。這項初步研究的目的是利用功能性近紅外光譜研究在視覺模擬任務(wù)中誘發(fā)壓力和應(yīng)激時的血流動力學(xué)反應(yīng)。

2.研究方法

2.1 被試

10名弓箭手（4男6女，M=26.8歲，SD=4.1歲）和10名非運動員大學(xué)生（7男3女，M=23.2歲，SD=3.6歲）。右利手主要根據(jù)自我報告測查。所有參與者之前都沒有心血管、肺、神經(jīng)精神疾病或其他可能影響實驗結(jié)果的疾病史。所有參與者都被要求在實驗開始前至少24小時不要食用含咖啡因的食物或飲料。

2.2 實驗材料

本研究使用數(shù)碼攝像機(jī)記錄模擬電影，以顯示表演者在壓力下表演時的視角。剪輯使用Final Cut Pro軟件編輯。拍攝是在訓(xùn)練中心的箭球場進(jìn)行的。為了盡可能從演奏者的角度模擬緊張和壓力，在視頻中還加入了弓箭手的心跳和觀眾的背景音。由三位專業(yè)的射箭教練組成的小組選出最能代表射箭運動員在射擊時的緊張情況和行為的場景。模擬電影由以下三個場景組成。(場景一)在第一輪比賽中，在射擊時間即將結(jié)束的情況下，突出秒表，增加選手的壓力和緊張感，確保運動員不能射擊，并在哨聲宣布射擊時間結(jié)束時放下弓。(場景二)在第三盤比賽中，選手0：4輸?shù)舯荣?，在緊張的壓力下，弓箭抖動的情況下射擊，失誤得3分。(場景三)五比五的淘汰賽，最后一桿決出勝負(fù)。在壓力很大的情況下，可以聽到心跳的聲音。所有場景都是用動作攝像機(jī)拍攝，以確保從弓箭手的角度可以看到參與者，并使用高速攝像機(jī)記錄了弓箭的飛行軌跡。在每個場景開始前，先給出2s的視覺提示，然后給出7s時間來描述每個場景。模擬電影時長為140 s。

2.3 實驗流程

在實驗開始之前，參與者被要求在觀看模擬電影之前評估自己感受到的心理壓力，以調(diào)查壓力水平的變化。心理壓力水平由數(shù)字評分量表評定，終點設(shè)為完全沒有心理壓力(=0)和可以想象到的最強(qiáng)烈的心理壓力(=10)。在實驗結(jié)束時，參與者進(jìn)行了另一次壓力評估。

在實驗中，參與者被要求休息30s，然后在屏幕上顯示一個兩秒鐘的視覺提示，代表即將到來的任務(wù)(模擬電影)。在模擬任務(wù)中，運動員組被要求認(rèn)為他們正在經(jīng)歷一場真實的比賽，而非運動員組被要求認(rèn)為他們正在經(jīng)歷一場校內(nèi)比賽或射箭課的最終測試。在這項任務(wù)中，參與者的手放在椅子扶手上，雙手內(nèi)翻，雙腳并攏，身體直立。在實驗過程中，參與者不允許移動身體或頭部。

2.4 數(shù)據(jù)采集與整理

在本研究中，采用了采樣率為8.1138 Hz的近紅外多通道連續(xù)波系統(tǒng)(NIRSIT, OBELAB Inc., Seoul, Korea)，通過24個發(fā)射器和32個探測器測量PFC的神經(jīng)血流動力學(xué)響應(yīng)。該裝置有一個共有204個通道的主動檢測傳感器，本研究中使用了其中的48個通道，覆蓋了整個PFC區(qū)域。為了確保fNIRS裝置的位置符合參與者的大腦解剖結(jié)構(gòu)，我們使用了前額極區(qū)(FPz)來確保所有被試之間的可比性。該設(shè)備的中心(圖1，紅點)與參與者的FPz匹配，設(shè)備的最下面部分正好在眉毛的上方?；贐rodmann區(qū)域(BA)，在前額葉背外側(cè)皮層(DLPFC, BA 9, 46)、腹外側(cè)前額葉皮層(VLPFC, BA 44, 45, 47)、前額葉皮層(FPC, BA 10)和眶額葉皮層(OFC, BA 11)記錄到48個通道。圖1顯示了以參考點FPz(紅點)和本研究八個區(qū)域的發(fā)射器和探測器的位置。用于檢測兩個色團(tuán)(含氧血紅蛋白;高壓氧和缺氧血紅蛋白；HbR)分別為780和850 nm。為了獲得的空間分辨率，激光和探測器對之間使用了3cm的距離。

數(shù)據(jù)預(yù)處理：

使用NIRSIT分析工具對記錄的血流動力學(xué)反應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理。首先，使用截止頻率分別為0.5和0.005 Hz的兩個四階巴特沃斯濾波器(低通和高通)將原始近紅外信號轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信號，以消除由心跳引起的全身響應(yīng)，減少近紅外系統(tǒng)引起的慢波漂移。低通濾波器的截止頻率足以捕捉任務(wù)誘導(dǎo)的血流動力學(xué)波動，該波動比任務(wù)周期(0.025 Hz)高20倍。在提取血流動力學(xué)數(shù)據(jù)前，對信號噪聲比為<30 dB的不良通道進(jìn)行剔除，并進(jìn)行目視檢查。利用改進(jìn)的比爾-朗伯定律將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為HbO和HbR濃度變化的時間序列。在實驗任務(wù)期間，血流動力學(xué)反應(yīng)(HbO、HbR和HbT)的濃度被歸一化到任務(wù)開始前的靜息基線(?5 ~ 0 s)。在任務(wù)開始前，平均HbO被標(biāo)準(zhǔn)化為靜息基線(?5 ~ 0 s)?；€試驗的平均高血氧水平從任務(wù)試驗的平均高學(xué)氧水平中減去，得到標(biāo)準(zhǔn)化值。

測量：

在整個實驗過程中獲得HbO、HbR和總血紅蛋白(HbT)水平。從fNIRS數(shù)據(jù)中，得到了三種不同類型的依賴測度。為了研究整個實驗任務(wù)中PFC中HbO、HbR、HbT水平的變化規(guī)律，采用HbO、HbR、HbT的總體平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計分析。此外，使用每個場景0 ~ 39s的平均HbO、HbR和HbT水平來計算平均HbO、HbR和HbT值。因此，三個平均值(S1, S2, S3)在140 s的實驗任務(wù)中出現(xiàn)。平均HbO、HbR和HbT代表實驗中每個區(qū)域的平均血流動力學(xué)反應(yīng)，而SD HbO、HbR和HbT代表模擬試驗中每個特定區(qū)域中相同信號的變異性。采用視覺模擬量表(visual analog scale, VAS)測量模擬任務(wù)前后的心理壓力水平，以評估心理壓力水平的操作成功程度。VAS被用來評估壓力方案的有效性。

數(shù)據(jù)分析：

由于樣本量小且違反正態(tài)假設(shè)，所有相關(guān)測度均進(jìn)行秩變換后在進(jìn)行混合模型方差分析。采用雙向混合模型方差分析，探討組別(運動員和非運動員大學(xué)生：被試間的因素)和測試(前和后)對感知心理應(yīng)激水平的影響。采用雙向混合模型方差分析確定分組和PFC面積(左、右DLPFC、VLPFC、FPC和OFC：被試內(nèi)因素，8個水平)對HbO、HbR和HbT值的總體平均值和SD的影響。最后，采用三因素方差分析來確定群體、場景(S1、S2和S3：被試內(nèi)部因素，三個水平)和半球(左、右：被試內(nèi)部因素)對興趣區(qū)(DLPFC)平均HbO、HbR和HbT值的影響。統(tǒng)計學(xué)意義設(shè)為p <0.05。根據(jù)需要，通過與Bonferroni校正進(jìn)行兩兩比較，檢驗了明顯的主效應(yīng)和相互作用。匯總數(shù)據(jù)以平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(SE)表示。實驗結(jié)果通過Matlab (R2015b)、R (v.4.0.2)和RStudio (v.1.0.136)可視化顯示。

3.實驗結(jié)果
通過分析模擬前和模擬后任務(wù)的VAS數(shù)據(jù)，檢驗壓力操縱的有效性。結(jié)果表明，檢驗效果明顯(F(1,18) = 199.03, p <0.001， η2p = 0.97)， VAS應(yīng)激評分如圖2a所示。各組的主效應(yīng)及其與VAS的交互作用均無明顯性差異(ps >0.29)。VAS值在整個實驗中增加，并且模擬任務(wù)被發(fā)現(xiàn)成功地增加了運動員和非運動員大學(xué)生的壓力感知。

為了分析實驗任務(wù)中皮層活動的變異性(SD for HbO)，使用雙向混合模型方差分析(如圖2b所示)對SD HbO值進(jìn)行分析。組別和區(qū)域的主效應(yīng)明顯，非運動員組的SD HbO水平明顯高于運動員組。PFC區(qū)域的事后分析顯示，DLPFC兩側(cè)的變異量高于OFC左側(cè)(ps <0.003)， DLPFC左側(cè)是PFC中最不穩(wěn)定的區(qū)域(ps = 0.001-0.045)。其他PFC區(qū)域間無明顯差異(ps = 0.06-0.97)。PFC區(qū)與組間相互作用對HbO變化的影響不明顯(p >0.19)。SD HbR 的分析顯示組別和區(qū)域的主效應(yīng)明顯，非運動員大學(xué)生組SD HbR水平明顯高于運動員組。PFC區(qū)域的事后分析顯示，DLPFC兩側(cè)的變異量高于OFC左側(cè)(ps <0.01)。左側(cè)DLPFC變異性高于右側(cè)OFC和左側(cè)FPC (ps = 0.01, 0.04)。其他PFC區(qū)域之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(ps = 0.06-0.88)。組別和PFC區(qū)域之間的交互作用不明顯。SD HbT的分析顯示組別和區(qū)域的主效應(yīng)明顯。非運動員大學(xué)生組的SD HbT水平明顯高于運動員組。PFC區(qū)域的事后分析顯示，DLPFC兩側(cè)的變異量高于OFC左側(cè)(ps <0.01)，DLPFC變異性高于兩側(cè)OFC和FPC (ps <0.01)和左VLPFC (p = 0.03)。其他PFC區(qū)域之間差異不明顯(ps = 0.13-0.98)， PFC區(qū)域的組間交互作用對HbT變異性的影響不明顯(p >0.12)。

采用三因素混合方差分析檢驗組、半球和場景對DLPFC平均HbO、HbR和HbT水平的主效應(yīng)和交互效應(yīng)(如圖4所示)。分析HbO水平DLPFC顯示場景主效應(yīng)明顯，其中場景2和場景3的DLPFC激活水平明顯高于場景1，場景2與場景3之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義。組別和半球的主效應(yīng)不明顯。另外，半球、場景和組間交互作用對平均HbO水平的影響不明顯(ps = 0.28 - 0.78)。DLPFC的HbR水平分析顯示場景主效應(yīng)明顯。場景事后分析顯示，場景3的HbR水平明顯低于場景1 (p = 0.01)。場景2和場景3之間沒有明顯差異(p = 0.91)。組別和半球的主效應(yīng)不明顯，半球、場景和組別之間的交互作用不明顯。與HbO水平相似，DLPFC的HbT水平分析顯示場景主效應(yīng)明顯。場景事后分析顯示，場景2和場景3的HbT水平明顯高于場景1 (ps <0.01)，場景2和場景3之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(p = 0.92)。組別主效應(yīng)不明顯(p >0.6)、半球的主效應(yīng)不明顯(p >0.3)，二者的交互作用不明顯(ps >0.25)。

4.結(jié)論

在觀看模擬電影后，被試的心理壓力水平有所上升。與非運動員相比，弓箭手在HbO中表現(xiàn)出較低的可變性。整體平均HbO水平增加，在模擬任務(wù)中沒有觀察到組間差異。具體來說，場景2和場景3中DLPFC的激活水平高于場景1。

總而言之，精英弓箭手應(yīng)激相關(guān)的代償神經(jīng)策略具有降低視覺模擬過程中血流動力學(xué)響應(yīng)變異性的潛在機(jī)制，該機(jī)制可能通過穩(wěn)定PFC的波動來實現(xiàn)。

5.參考文獻(xiàn)及DOI號

Park, I. ,  Kim, Y. , &  Kim, S. K. . (2020). Athlete-specific neural strategies under pressure: a fNIRS pilot study. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(22), 8464.

doi：10.3390/ijerph17228464