壓力下運動員特有的神經(jīng)策略：一項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)恰好又是決定一個運動員成績的關(guān)鍵因素。且在視覺模擬任務(wù)中，心理壓力對運動員前額葉皮質(zhì)(PFC)功能的影響尚不清楚。這項先導(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)會注冊的十名射箭運動員(4男6女，平均年齡26.8，標(biāo)準(zhǔn)差4.1)與十名非運動員大學(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 實驗設(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，分別是三個場景：（場景一）在第一輪射擊時間快結(jié)束的時候，高亮秒表，增加參賽者的壓力和緊張感，確保運動員無法射擊，并用蜂鳴器宣布射擊時間結(jié)束。（場景二）第三局比賽，運動員因壓力和緊張，弓箭瞄準(zhǔn)鏡晃動，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行射擊。影片呈現(xiàn)前有每種情況的短述，影片時間為140s。

2.3 實驗流程
在實驗之前，參與者被要求在觀看模擬電影之前對感知到的精神壓力進行評分，以研究壓力水平的變化。在實驗中，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，運動員組被要求認(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。在實驗過程中，參與者不允許移動身體或頭部。
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)字評定量表進行評級，終點設(shè)置為“完全沒有心理壓力”（= 0）和“可以想象的最強烈的心理壓力”（= 10）。參與者在實驗結(jié)束時進行了另一個壓力評級。

近紅外數(shù)據(jù)：采用采樣率為 8.1138 Hz ，通過 24 個光源和 32 個探測器測量 PFC 的神經(jīng)血流動力學(xué)響應(yīng)。NIRSIT設(shè)備有一個有源檢測傳感器，總?cè)萘繛?204 個通道——其中 48 個通道用于本研究——覆蓋整個 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 FPz（紅點）的發(fā)射器和檢測器的位置以及本研究中的八個區(qū)域。用于檢測兩種發(fā)色團（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，隨后將光信號強度轉(zhuǎn)為HbO與HbR濃度變化的時間序列。實驗任務(wù)期間血流動力學(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)試驗的平均 HbO 水平中減去基線試驗的平均 HbO 水平，以獲得來自雙側(cè) PFC 位點的標(biāo)準(zhǔn)化 HbO 水平。相同的過程應(yīng)用于 HbR 和 HbT 水平。
 

為研究在整個實驗任務(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)差進行統(tǒng)計分析。平均HBO、HBr和HBT代表實驗期間每個區(qū)域的平均血流動力學(xué)反應(yīng)，而SD HBO、HBr和HBT代表每個特定區(qū)域的模擬試驗期間相同信號的變異性。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)過對齊的秩變換后進行混合模型方差分析(ANOVA)。采用ANOVA雙向混合模型，研究了群體(運動員和非運動員大學(xué)生：被試之間的因素)和測試(前后)對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)因素，三個水平)和半球(左、右：被試內(nèi)因素)對感興趣區(qū)HBO、Hbr和Hbt平均值(DLPFC)的影響。

03 實驗結(jié)果
對VAS數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，視覺刺激確實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VAS的影響不顯著(PS>0.29)。VAS值在整個實驗中都有所增加。

為了分析實驗任務(wù)期間皮質(zhì)活動的變異性（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）。非運動員大學(xué)組的 SD HbO 水平顯著高于運動員組。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 HbO 的變化有顯著影響 ( p > 0.19)。

使用雙向混合模型 ANOVA 分析整個實驗試驗中的總體平均 HbO、HbR 和 HbT 水平，以探索每個區(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)運動員組和非運動員組在模擬試驗前后感覺到的心理壓力水平的變化。
(B)視覺刺激中運動員組(·)和非運動員組(#)PFC區(qū)氧合血紅蛋白(HBO2)水平的標(biāo)準(zhǔn)差。
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圖3.在模擬任務(wù)中，運動員(藍(lán)線)和非運動員大學(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 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.激活映射說明每個場景從0 ~ 39 s獲得的平均HbO級別，激活圖顯示了運動員和非運動員大學(xué)生組在每個場景中從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
本研究是一項初步研究，旨在為運動員建立一個高效的模擬訓(xùn)練環(huán)境。在這項研究中，壓力被誘導(dǎo)用于研究使用 fNIRS 的 PFC 的血流動力學(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。與非運動員相比，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 變化比非運動員更穩(wěn)定。

05 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