壓力下運(yùn)動(dòng)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(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。然而，在視覺(jué)模擬任務(wù)中，心理應(yīng)激對(duì)運(yùn)動(dòng)員前額葉皮層功能的影響尚不清楚。這項(xiàng)初步研究的目的是利用功能性近紅外光譜研究在視覺(jué)模擬任務(wù)中誘發(fā)壓力和應(yīng)激時(shí)的血流動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(bào)告測(cè)查。所有參與者之前都沒(méi)有心血管、肺、神經(jīng)精神疾病或其他可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的疾病史。所有參與者都被要求在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前至少24小時(shí)不要食用含咖啡因的食物或飲料。

2.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(chǎng)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(yùn)動(dòng)員在射擊時(shí)的緊張情況和行為的場(chǎng)景。模擬電影由以下三個(gè)場(chǎng)景組成。(場(chǎng)景一)在第一輪比賽中，在射擊時(shí)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(yùn)動(dòng)員不能射擊，并在哨聲宣布射擊時(shí)間結(jié)束時(shí)放下弓。(場(chǎng)景二)在第三盤比賽中，選手0：4輸?shù)舯荣悾诰o張的壓力下，弓箭抖動(dòng)的情況下射擊，失誤得3分。(場(chǎng)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(tīng)到心跳的聲音。所有場(chǎng)景都是用動(dòng)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(gè)場(chǎng)景開(kāi)始前，先給出2s的視覺(jué)提示，然后給出7s時(shí)間來(lái)描述每個(gè)場(chǎng)景。模擬電影時(shí)長(zhǎng)為140 s。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，參與者被要求在觀看模擬電影之前評(píng)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(píng)分量表評(píng)定，終點(diǎn)設(shè)為完全沒(méi)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(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，參與者進(jìn)行了另一次壓力評(píng)估。

在實(shí)驗(yàn)中，參與者被要求休息30s，然后在屏幕上顯示一個(gè)兩秒鐘的視覺(jué)提示，代表即將到來(lái)的任務(wù)(模擬電影)。在模擬任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員組被要求認(rèn)為他們正在經(jīng)歷一場(chǎng)真實(shí)的比賽，而非運(yùn)動(dòng)員組被要求認(rèn)為他們正在經(jīng)歷一場(chǎng)校內(nèi)比賽或射箭課的最終測(cè)試。在這項(xiàng)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，參與者不允許移動(dòng)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(guò)24個(gè)發(fā)射器和32個(gè)探測(cè)器測(cè)量PFC的神經(jīng)血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。該裝置有一個(gè)共有204個(gè)通道的主動(dòng)檢測(cè)傳感器，本研究中使用了其中的48個(gè)通道，覆蓋了整個(gè)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(lái)確保所有被試之間的可比性。該設(shè)備的中心(圖1，紅點(diǎn))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。基于Brodmann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(gè)通道。圖1顯示了以參考點(diǎn)FPz(紅點(diǎn))和本研究八個(gè)區(qū)域的發(fā)射器和探測(cè)器的位置。用于檢測(cè)兩個(gè)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(cè)器對(duì)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(duì)記錄的血流動(dòng)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(gè)四階巴特沃斯濾波器(低通和高通)將原始近紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信號(hào)，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(dòng)力學(xué)波動(dòng)，該波動(dòng)比任務(wù)周期(0.025 Hz)高20倍。在提取血流動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)前，對(duì)信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為HbO和HbR濃度變化的時(shí)間序列。在實(shí)驗(yàn)任務(wù)期間，血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)(HbO、HbR和HbT)的濃度被歸一化到任務(wù)開(kāi)始前的靜息基線(?5 ~ 0 s)。在任務(wù)開(kāi)始前，平均HbO被標(biāo)準(zhǔn)化為靜息基線(?5 ~ 0 s)。基線試驗(yàn)的平均高血氧水平從任務(wù)試驗(yàn)的平均高學(xué)氧水平中減去，得到標(biāo)準(zhǔn)化值。

測(cè)量：

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(cè)度。為了研究整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jì)分析。此外，使用每個(gè)場(chǎng)景0 ~ 39s的平均HbO、HbR和HbT水平來(lái)計(jì)算平均HbO、HbR和HbT值。因此，三個(gè)平均值(S1, S2, S3)在140 s的實(shí)驗(yàn)任務(wù)中出現(xiàn)。平均HbO、HbR和HbT代表實(shí)驗(yàn)中每個(gè)區(qū)域的平均血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，而SD HbO、HbR和HbT代表模擬試驗(yàn)中每個(gè)特定區(qū)域中相同信號(hào)的變異性。采用視覺(jué)模擬量表(visual analog scale, VAS)測(cè)量模擬任務(wù)前后的心理壓力水平，以評(píng)估心理壓力水平的操作成功程度。VAS被用來(lái)評(píng)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(cè)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(yùn)動(dòng)員和非運(yùn)動(dòng)員大學(xué)生：被試間的因素)和測(cè)試(前和后)對(duì)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(gè)水平)對(duì)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(lái)確定群體、場(chǎng)景(S1、S2和S3：被試內(nèi)部因素，三個(gè)水平)和半球(左、右：被試內(nèi)部因素)對(duì)興趣區(qū)(DLPFC)平均HbO、HbR和HbT值的影響。統(tǒng)計(jì)學(xué)意義設(shè)為p <0.05。根據(jù)需要，通過(guò)與Bonferroni校正進(jìn)行兩兩比較，檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)Matlab (R2015b)、R (v.4.0.2)和RStudio (v.1.0.136)可視化顯示。

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

為了分析實(shí)驗(yàn)任務(wù)中皮層活動(dòng)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(duì)SD HbO值進(jìn)行分析。組別和區(qū)域的主效應(yīng)明顯，非運(yùn)動(dòng)員組的SD HbO水平明顯高于運(yùn)動(dòng)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(wú)明顯差異(ps = 0.06-0.97)。PFC區(qū)與組間相互作用對(duì)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(yùn)動(dòng)員大學(xué)生組SD HbR水平明顯高于運(yùn)動(dòng)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(wú)統(tǒng)計(jì)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(yùn)動(dòng)員大學(xué)生組的SD HbT水平明顯高于運(yùn)動(dòng)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(duì)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(yàn)組、半球和場(chǎng)景對(duì)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(chǎng)景主效應(yīng)明顯，其中場(chǎng)景2和場(chǎng)景3的DLPFC激活水平明顯高于場(chǎng)景1，場(chǎng)景2與場(chǎng)景3之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。組別和半球的主效應(yīng)不明顯。另外，半球、場(chǎng)景和組間交互作用對(duì)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(chǎng)景主效應(yīng)明顯。場(chǎng)景事后分析顯示，場(chǎng)景3的HbR水平明顯低于場(chǎng)景1 (p = 0.01)。場(chǎng)景2和場(chǎng)景3之間沒(méi)有明顯差異(p = 0.91)。組別和半球的主效應(yīng)不明顯，半球、場(chǎng)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(chǎng)景主效應(yīng)明顯。場(chǎng)景事后分析顯示，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3的HbT水平明顯高于場(chǎng)景1 (ps <0.01)，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(méi)有觀察到組間差異。具體來(lái)說(shuō)，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3中DLPFC的激活水平高于場(chǎng)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(jué)模擬過(guò)程中血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)變異性的潛在機(jī)制，該機(jī)制可能通過(guò)穩(wěn)定PFC的波動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.參考文獻(xiàn)及DOI號(hào)

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