壓力下運(yùn)動(dòng)員特有的神經(jīng)策略：一項(xiàng)fNIRS先導(dǎo)研究

前人研究表明，中等水平的壓力與認(rèn)知功能及身體表現(xiàn)的改善有關(guān)，高水平的壓力則與認(rèn)知功能中的認(rèn)知靈活性和執(zhí)行功能受損有關(guān)。諸如知覺/決策/注意力等這些易受壓力影響的認(rèn)知技能與身體表現(xiàn)恰好又是決定一個(gè)運(yùn)動(dòng)員成績的關(guān)鍵因素。且在視覺模擬任務(wù)中，心理壓力對(duì)運(yùn)動(dòng)員前額葉皮質(zhì)(PFC)功能的影響尚不清楚。這項(xiàng)先導(dǎo)性研究的目的是利用功能性近紅外光譜研究視覺模擬任務(wù)中誘發(fā)壓力和壓力的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，以更好的了解應(yīng)激狀態(tài)下PFC的參與情況。
 

02 研究方法
2.1 被試
在韓國射箭協(xié)會(huì)注冊的十名射箭運(yùn)動(dòng)員(4男6女，平均年齡26.8，標(biāo)準(zhǔn)差4.1)與十名非運(yùn)動(dòng)員大學(xué)生(7男3女，平均年齡23.2，標(biāo)準(zhǔn)差3.6)均為右利手。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與視覺刺激
使用采樣率為8.1138Hz的NIRSIT設(shè)備(OBELAB, 首爾, 韓國)。視覺刺激為一段影片，內(nèi)容由三段組成，分別是三個(gè)場景：（場景一）在第一輪射擊時(shí)間快結(jié)束的時(shí)候，高亮秒表，增加參賽者的壓力和緊張感，確保運(yùn)動(dòng)員無法射擊，并用蜂鳴器宣布射擊時(shí)間結(jié)束。（場景二）第三局比賽，運(yùn)動(dòng)員因壓力和緊張，弓箭瞄準(zhǔn)鏡晃動(dòng)，以0-4輸球，投籃不中，誤投三分。（場景三）5-5的決勝局，只剩下最后一桿決定勝負(fù)的情況；弓箭手在壓力大的情況下，在可以聽到自己心跳聲的情況下進(jìn)行射擊。影片呈現(xiàn)前有每種情況的短述，影片時(shí)間為140s。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程
在實(shí)驗(yàn)之前，參與者被要求在觀看模擬電影之前對(duì)感知到的精神壓力進(jìn)行評(píng)分，以研究壓力水平的變化。在實(shí)驗(yàn)中，參與者被要求休息 30 秒，然后在屏幕上顯示兩秒鐘的視覺提示，代表即將到來的任務(wù)（模擬電影）。在模擬任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員組被要求認(rèn)為他們正在經(jīng)歷一場真正的比賽，而大學(xué)組被要求認(rèn)為他們正在經(jīng)歷一場校內(nèi)比賽或射箭課的期末考試。在任務(wù)過程中，參與者的手放在椅子的扶手上，雙手內(nèi)旋，雙腳并攏，身體直立。在實(shí)驗(yàn)過程中，參與者不允許移動(dòng)身體或頭部。
2.4 數(shù)據(jù)記錄yu分析
壓力水平測量：心理壓力水平用數(shù)字評(píng)定量表進(jìn)行評(píng)級(jí)，終點(diǎn)設(shè)置為“完全沒有心理壓力”（= 0）和“可以想象的最強(qiáng)烈的心理壓力”（= 10）。參與者在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)進(jìn)行了另一個(gè)壓力評(píng)級(jí)。

近紅外數(shù)據(jù)：采用采樣率為 8.1138 Hz ，通過 24 個(gè)光源和 32 個(gè)探測器測量 PFC 的神經(jīng)血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。NIRSIT設(shè)備有一個(gè)有源檢測傳感器，總?cè)萘繛?204 個(gè)通道——其中 48 個(gè)通道用于本研究——覆蓋整個(gè) PFC 區(qū)域。為了確保 fNIRS 設(shè)備根據(jù)參與者的大腦解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位，使用額極區(qū) (FPz) 來確保所有測試參與者之間的可比性。圖 1顯示了具有參考點(diǎn) FPz（紅點(diǎn)）的發(fā)射器和檢測器的位置以及本研究中的八個(gè)區(qū)域。用于檢測兩種發(fā)色團(tuán)（氧合血紅蛋白；HbO 和脫氧血紅蛋白；HbR）的波長分別為 780 和 850 nm。為了獲得最佳空間分辨率，激光發(fā)射器和探測器間距為3cm。

圖1.功能性近紅外通道布局呈現(xiàn)-前額葉區(qū)

預(yù)處理中使用0.5Hz、0.005Hz的低通與高通濾波器以消除心跳與慢波漂移，之后拒絕信噪比小于30dB的通道，隨后將光信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)為HbO與HbR濃度變化的時(shí)間序列。實(shí)驗(yàn)任務(wù)期間血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)（HbO、HbR 和 HbT）的濃度被標(biāo)準(zhǔn)化為任務(wù)開始前的靜息基線（-5 到 0 秒）。從任務(wù)試驗(yàn)的平均 HbO 水平中減去基線試驗(yàn)的平均 HbO 水平，以獲得來自雙側(cè) PFC 位點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化 HbO 水平。相同的過程應(yīng)用于 HbR 和 HbT 水平。
 

為研究在整個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)中PFC中HBO、HBr和HBT水平的變化規(guī)律，使用HBO、HBr和HBT的總體平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。平均HBO、HBr和HBT代表實(shí)驗(yàn)期間每個(gè)區(qū)域的平均血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，而SD HBO、HBr和HBT代表每個(gè)特定區(qū)域的模擬試驗(yàn)期間相同信號(hào)的變異性。在視覺刺激前后收集當(dāng)前心理應(yīng)激水平的視覺模擬量表(VAS)，以評(píng)估心理應(yīng)激水平的成功操縱。
 

由于樣本量小且違反正態(tài)假設(shè)，數(shù)據(jù)都要經(jīng)過對(duì)齊的秩變換后進(jìn)行混合模型方差分析(ANOVA)。采用ANOVA雙向混合模型，研究了群體(運(yùn)動(dòng)員和非運(yùn)動(dòng)員大學(xué)生：被試之間的因素)和測試(前后)對(duì)知覺到的心理壓力水平的影響。采用雙向混合模型ANOV A來確定組和PFC區(qū)域(左右DLPFC、VLPFC、FPC和OFC：受試者內(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確定群體、場景(S1、S2和S3：被試內(nèi)因素，三個(gè)水平)和半球(左、右：被試內(nèi)因素)對(duì)感興趣區(qū)HBO、Hbr和Hbt平均值(DLPFC)的影響。

03 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對(duì)VAS數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，視覺刺激確實(shí)顯著影響了被試的應(yīng)激狀態(tài)，(F(1，18)=199.03，p<0.001，η2p=0.97)(圖2a)。組主效應(yīng)及其與測試的交互作用對(duì)VAS的影響不顯著(PS>0.29)。VAS值在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中都有所增加。

為了分析實(shí)驗(yàn)任務(wù)期間皮質(zhì)活動(dòng)的變異性（HbO 的 SD），使用雙向混合模型 ANOVA 分析了 SD HbO 值（圖2b）。分析顯示顯著組 ( F (1, 18) = 23.48, p < 0.01,η2 p= 0.55) 和面積效應(yīng) ( F (7, 126) = 8.20, p < 0.001,η2磷= 0.19）。非運(yùn)動(dòng)員大學(xué)組的 SD HbO 水平顯著高于運(yùn)動(dòng)員組。PFC 區(qū)域的事后分析顯示，DLPFC 的兩側(cè)變異性高于 OFC 的左側(cè)（ps < 0.003），而 DLPFC 的左側(cè)是 PFC 中最不穩(wěn)定的區(qū)域（ps = 0.001 –0.045）。其他 PFC 區(qū)域彼此之間沒有顯著差異（ps = 0.06-0.97）。未發(fā)現(xiàn)組與 PFC 面積的相互作用對(duì) HbO 的變化有顯著影響 ( p > 0.19)。

使用雙向混合模型 ANOVA 分析整個(gè)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)中的總體平均 HbO、HbR 和 HbT 水平，以探索每個(gè)區(qū)域平均氧合水平的差異（圖 3）。HbO 水平的分析表明 PFC 面積的主效應(yīng)顯著（F (7, 126) = 2.76, p < 0.01,η2 p= 0.13）。主效應(yīng)的事后分析顯示，左側(cè) VLPFC 的皮質(zhì)活動(dòng)顯著高于右側(cè) VLPFC 和右側(cè) DLPFC（p < 0.05）。其他皮質(zhì)區(qū)域的 HbO 水平?jīng)]有顯著差異（p = 0.06-0.93）。組的主效應(yīng)（p >0.56）和組與PFC面積的交互作用不顯著（p >0.43）。

圖2.(A)運(yùn)動(dòng)員組和非運(yùn)動(dòng)員組在模擬試驗(yàn)前后感覺到的心理壓力水平的變化。
(B)視覺刺激中運(yùn)動(dòng)員組(·)和非運(yùn)動(dòng)員組(#)PFC區(qū)氧合血紅蛋白(HBO2)水平的標(biāo)準(zhǔn)差。
錯(cuò)誤條表示SE

圖3.在模擬任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)員(藍(lán)線)和非運(yùn)動(dòng)員大學(xué)生(紅線)PFC區(qū)(雙側(cè)背外側(cè)前額葉(DLPFC)、
腹外側(cè)前額葉(VLPFC)、額葉極部前額葉(FPC)和眶前額葉(OFC))的HBO平均水平

三向混合因子方差分析用于測試組、半球和場景對(duì) DLPFC 中平均 HbO、HbR 和 HbT 水平的主要和交互影響（圖 4）。DLPFC 中 HbO 水平的分析揭示了場景的顯著主效應(yīng)（F (2, 90) = 35.19, p < 0.01,η2p= 0.89）。具體來說，場景 2 和場景 3 的 DLPFC 激活水平顯著高于場景 1（ps < 0.001），場景 2 和場景 3 之間的差異不顯著（p > 0.10）。組和半球的主效應(yīng)不顯著（ps = 0.19-0.71）。

圖4.激活映射說明每個(gè)場景從0 ~ 39 s獲得的平均HbO級(jí)別，激活圖顯示了運(yùn)動(dòng)員和非運(yùn)動(dòng)員大學(xué)生組在每個(gè)場景中從0 ~ 39 s獲得的平均HbO水平，紅色和綠色的圓圈表示源和探測
 

04 結(jié)論
本研究是一項(xiàng)初步研究，旨在為運(yùn)動(dòng)員建立一個(gè)高效的模擬訓(xùn)練環(huán)境。在這項(xiàng)研究中，壓力被誘導(dǎo)用于研究使用 fNIRS 的 PFC 的血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。觀看視覺刺激后，參與者的精神壓力水平有所增加。與非運(yùn)動(dòng)員相比，弓箭手的 HbO 變異性較低。在模擬任務(wù)期間，整體平均 HbO 水平增加，并且沒有觀察到組差異。雖然平均 HbO 水平的組間差異并不明顯，但弓箭手的 HbO 變化比非運(yùn)動(dòng)員更穩(wěn)定。

05 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