张文　宋杨　刘阳

摘    要   目的：利用功能性近红外光谱成像技术监测定向运动员在不同认知任务下大脑皮层脑血氧激活变化，揭示定向运动项目认知加工特征和内在机制。方法：24名定向运动员参加实验，通过行为测量和近红外光谱功能成像系统脑血氧激活程度的测量，记录并分析被试在识图决策和图景识别2种认知任务执行过程中的行为表现和大脑前额叶皮层的氧合血红蛋白浓度变化。结果：1）图景识别任务行为绩效显著好于识图决策任务；2）识图决策任务下，大脑左右腹外侧前额叶大脑皮层脑血氧激活程度显著大于图景识别任务；3）图景识别任务下，脑功能连接相关程度显著大于识图决策任务。结论：不同认知任务下大脑前额叶在认知加工模式上存在差异，左右腹外侧前额叶脑区在识图决策认知任务加工过程中起到重要作用，图景识别认知加工过程中，脑网络功能连接更强。

关键词   定向运动；识图决策；图景识别；功能性近红外光谱成像技术；前额叶皮层区

中图分类号：G 804.8           学科代码：040302           文献标志码：A

DOI：10.14036/j.cnki.cn11-4513.2023.02.008

Abstract   Objective： Functional near-infrared spectroscopy imaging （fNIRS） was used to monitor the activation of cerebral oxygen （Oxy-hb） in the cerebral cortex of orienteering athletes under different cognitive tasks， to reveal the cognitive processing characteristics and internal mechanism of orienteering events. Methods： Twenty-four orienteering athletes participated in the experiment to record and analyze the participantsbehavior and the changes in the concentration of oxyhemoglobin in the prefrontal cortex of the brain during the two tasks of map recognition decision-making and picture recognition by measuring the degree of activation of cerebral blood oxygen through behavioral measurement and near-infrared spectroscopy functional imaging systems. Results： 1） The performance of picture recognition task completion behavior is significantly better than that of map recognition decision-making task. 2） Under the map recognition decision-making task， the degree of Oxy-hb activation of the left and right ventrolateral prefrontal lobe （VLPFC） of the brain was significantly greater than that of the image recognition task. 3） Under the picture recognition task， the correlation degree of brain function connection is significantly greater than that of the map recognition decision-making task. Conclusion： Under different cognitive tasks， the prefrontal lobe of the brain has differences in cognitive processing mode， and the brain region of the left and right ventrolateral prefrontal lobes plays an important role in the processing of cognitive tasks for map recognition decision-making， and the brain network function connection is stronger during the cognitive processing of picture recognition.

Keywords   orienteering; map-recognition decision-making; picture recognition; fNIRS; prefrontal cortical areas

定向運动是指利用地图和指北针进行导航，完成选择道路、寻找目标的体育运动，是1个具有高度认知成分和身体参与的运动项目。在比赛中，选手需要通过地图信息的识别决策合理的跑动路线，并不断地将地图与实景信息进行匹配，完成标定自身位置和寻找目标的任务［1］。识图决策和图景识别是定向运动的技术核心，决定着运动员的竞技成绩。

决策是人通过对现实情况的判断进而选择行动的过程［2］。定向运动中识图决策是指个人在其心理系统中输入、编码、存储和提取地图信息以决定最佳路线的认知过程［3］。这一过程涉及了识别地图符号，对地图信息的选择注意、有效的记忆等多项认知成分［4］。情景识别是首先对刺激物的特征进行分析，即提取刺激物的相关特征，然后将这些提取的特征进行整合，再与长期记忆中各种刺激物的特征进行比较。这与感知觉、记忆、思维、想象等心理过程密切相关。参与定向运动的运动员需要对地图上各种符号进行处理和编码，对地图符号进行情景匹配与识别，尽可能多地识别周围的必要特征，忽略地图上不相关的情景，并快速、准确地选择与行进路线有关的情景特征。表征地图、心理旋转、目标搜索等认知任务都参与了这个过程。识图决策与图景识别在认知加工过程中既具有共通性，也具有差异性，本研究力求通过行为及神经绩效的分析，探究两者之间的异同。

综合分析国内外已有研究发现，对定向运动项目的认知研究多采用问卷、访谈等方法对识图注意、记忆、决策等认知能力进行行为学数据分析。刘阳等将地图类型和信息量双任务范式与眼动技术相结合，研究了定向运动员识图决策过程中视觉搜索特征，发现地图类型与信息量影响定向运动员的视觉搜索特征，进而影响了选手的识图决策绩效［5］。定向运动员的识图决策能力受到记忆能力的制约，拥有好的记忆能力，有利于记忆更多的地图信息，从而提高识图决策效率［6］。在定向运动员的图景识别研究中，主要围绕地图记忆和心理旋转2种认知能力进行探究。有研究发现，通过专项记忆训练，有利于提升练习者的特定信息快速编码和提取的能力，可提高专项技能的情景识别水平和场景识别转换能力［7］。一项空间定位的行为学研究发现，心理旋转能力在定向运动图景识别的方位匹配过程中起着重要的作用［8］。综上，已有的研究证实定向运动员识图决策与图景识别受到多种认知能力的影响，但研究缺乏对不同认知任务的比较分析，不同认知加工过程中的大脑变化机制尚不清楚。本研究借助神经影像技术监测心理任务执行期间的血流动力学信号变化，以期进一步探讨不同认知任务间大脑激活模式。

近年来，功能性近红外光谱成像技术（fNIRS）在运动领域的应用越来越广泛，在篮球［9］、太极拳［10］、乒乓球［11］、有氧运动［12］等方面都有一定的进展与突破。前额叶皮质层是接收来自大脑其他功能区的经过处理的外部信息，然后整合记忆、意图等信息，立即作出合理的计划的区域［13］。许多功能性神经影像学研究报告显示了在注意和记忆相关任务过程中前额叶的激活［14-16］。因此，本研究选取大脑腹外侧前额叶（VLPFC）和背外侧前额叶（DLPFC）来监测定向运动员在识图决策、图景识别的任务下含氧血红蛋白（Oxy-hb）信号的变化，从行为绩效和fNIRS指标进行分析，并提出以下研究假设：1）识图决策和图景识别2种认知任务下定向运动员的行为绩效和脑激活模式存在显著差异。2）识图决策和图景识别任务下行为学指标与脑血氧结果具有相关性，不同认知任务体现出脑功能连接的差异性。

1   研究对象与方法

1.1  实验对象

本研究共招募24名定向运动队队员，平均年龄为（22.78±0.85）岁，年龄范围在21～25岁之间；均为国家一级运动员以上，平均训练年限为（8.37±2.12）年；左、右眼视力或矫正视力正常，皆为右利手，受教育程度一致；无色盲色弱现象、无神经病症史、无严重身体疾病、无酒精或者药物依赖；从未参加过类似实验及提前一天告知被试实验相应的内容，受试者均同意签署《实验知情同意书》。该研究已获得陕西师范大学伦理委员会的批准（20191011）。

1.2  研究方法

1.2.1  实验材料

1）识图决策任务刺激材料。采用800×600像素定向运动标准比赛地图，比例尺为1∶5 000，地图信息多为建筑物等地物特征，每张地图含24条路线规划任务。

2）图景识别刺激材料。运动员应根据纸质版地图信息及检查点点位信息在实景中快速搜索，图景识别任务中有4个选择位置（用白色与橙色相间的点标旗表示），其中一个为与地图点位一致的正确选项。地图信息及检查点说明表在刺激材料左侧，指北标识显示与实景方位一致。定向运动员需要在实景中找出认为相应匹配的点位。

对实验范式进行了信效度检验。效度采用专家访谈法，由3位专家对本研究的实验材料进行评分（4.30±0.33），评分结果说明本研究的实验材料具有效度。信度采用时间信度检验，在预实验中对10名受试者进行实验，1周后进行第2次測试，2次测试的结果进行相关性分析，r＞0.80，说明实验信度可靠。

1.2.2  实验程序

实验前让被试者熟悉实验环境，并记录被试者的性别、年龄、训练年限、运动等级等基本情况，期间告知被试者实验注意事项。之后由实验人员对被试者佩戴fNIRS光极帽，并进行校准，使其通道连接。实验包括2个阶段：练习阶段和正式测试阶段。练习阶段受试者完成8个点位共4次识图决策练习和4次图景识别练习（练习阶段和正式阶段实验材料随机选取）。在练习阶段考察受试者实验操作熟练度的同时，重点要求受试者头部和肢体尽量少动，保持相对稳定的状态。

正式测试阶段：首先让受试者保持放松状态，30 s后受试者在时间提醒下开始测试识图决策任务。识图决策共有23个目标点位，受试者从地图的起点出发，完成24次路线决策最后到达终点，每4次路线决策为1个组块，每完成1个组块，休息30 s（保证受试者的脑血氧恢复基线水平）。图景识别任务正式实验共有16个图景识别选项，每4个图景识别选项为1个组块，完成一个组块休息30 s，整个实验任务总计4个组块。

1.2.3  数据采集

本实验仪器采用德国某公司的便携式fNIRS设备（Nirsport2）。在前额叶皮层区域的测量通道布局上，由13个光源探头和8个接收探头组合成28通道，采样频率设为7.813 Hz（如图1所示）。兴趣区（ROI）是根据已有的解剖标定体系进行划分［17-18］。为了提高信噪比和信号可靠性，测量通道分为左、右两侧区域，共划分出4个ROI，每个区域由6～7个通道表示，可确保区域之间的信噪比相同。左侧腹外侧前额叶（L-VLPFC）为Ch1、Ch2、Ch3、Ch4、Ch5、Ch7；左侧背外侧前额叶（L-DLPFC）为Ch6、Ch8、Ch9、Ch10、Ch11、Ch12、Ch13；右侧腹外侧前额叶（R-VLPFC）为Ch23、Ch24、Ch25、Ch26、Ch27、Ch28；右侧背外侧前额叶（R-DLPFC）为Ch16、Ch17、Ch18、Ch19、Ch20、Ch21、Ch22（见表1）。以上4个ROI均匀分布在PFC，采用多通道近红外数据空间配准到MNI空间的方法。

1.2.4  数据处理与分析

采集定向运动员在图景识别、识图决策任务中的正确率、反应时。使用“SPSS 23.0”软件对测量数据进行正态分布检验，夏皮洛－威爾克检验（S-W）结果显示数据均大于0.05阈值，服从正态分布；通过配对样本t检验，观察不同认知任务下的行为学指标的差异。

使用MATLAB对fNIRS采集的数据进行初步分析。采用主成分分析（PCA）法去除噪声和运动伪迹。根据血液动力响应函数和运用带通滤波的方法（大于0.30 Hz和小于0.01 Hz的成分被滤除）过滤心跳，呼吸等因素对fNIRS数据的影响。通过朗伯比尔定律对采集的光学数据进行计算，得到Oxy-Hb、Deoxy-Hb和Total-Hb的血氧信号数据［19］。相比于Deoxy-Hb而言，以Oxy-Hb反映大脑神经激活水平更为真实有效［20-21］，获得28个通道的Oxy-Hb原始数据后，计算各任务条件下所有试次的Oxy-Hb数值的平均数，得到了受试者在各个任务条件下每个通道在单位时间内每个采样点的均值，再将ROIs包含的6～7个通道的oxy-Hb数据进行平均数计算，即为该ROI的血氧信号。运用“SPSS23.0”软件对各指标的Oxy-Hb数据进行了配对t检验，使用FDR校正所有的p值，校正后以p＜0.05被认为是具有统计学意义。

分析各个通道的Oxy-Hb值在时间序列上的Pearson相关系数，相关系数范围位于［0，1］，数字越大表示其相关性越强。根据以往的研究［22-23］，将具有相关性的通道定义为相关系数大于0的通道，生成一个28×28的对角矩阵。根据对应行的序号和列的序号可以得到所选通道之间的相关系数。经过Fisher-Z转换，改善这些相关系数的正态分布，使用反Fisher变换将分析后的Z值矩阵逆变换，根据转换后的数值界定通道之间的功能连接强度。

2   结果

2.1  行为学结果

定向运动员在不同认知任务下的正确率和反应时比较结果见表2，对识图决策、图景识别间认知任务的正确率、反应时分别进行配对样本t检验，结果显示，在正确率上，识图决策任务显著低于图景识别任务（t=6.494，p<0.01）；在反应时上，识图决策任务显著大于图景识别任务（t=10.042，p<0.01）。

2.2  fNIRS结果

通过ROI的划分，对定向运动员在识图决策、图景识别任务下的L-VLPFC、L-DLPFC、R-VLPFC和R-DL

PFC分别进行配对样本t检验，结果如图2所示。

分析结果显示：在识图决策任务下，L-VLPFC（t=2.406， p<0.05）和R-VLPFC（t=2.080，p<0.05）的激活程度显著大于图景识别。

2.3  相关性分析结果

2.3.1  不同认知任务下正确率与脑区激活程度的相关性分析

为了探究定向运动员在进行不同认知任务时与行为学（正确率）相关的脑区，将图景识别任务和识图决策任务存在显著差异的脑区分别进行相关性分析，结果如图3所示。

分析结果显示：图景识别任务下L-VLPFC（r=0.624，p=0.001）和R-VLPFC（r=0.577，p=0.004）与正确率相关显著。识图决策任务下L-VLPFC（r=0.492，p=0.017）和R-VLPFC（r=0.561，p=0.005）与正确率相关显著。

2.3.2  不同认知任务下脑区之间激活程度的相关性分析

为了进一步评估定向运动员在图景识别任务和识图决策任务的脑网络功能连接，采用皮尔逊相关系数计算通道之间的相关性，分析结果如表3所示。

对不同认知任务下脑区之间功能连接的比较进行配对样本t检验，结果表明：图景识别任务下L-VLPFC和L-LPFC之间的相关系数显著大于识图决策任务（t= 3.329，p<0.01）；图景识别任务下R-VLPFC和R-

DLPFC之间的相关系数显著大于识图决策任务（t= 4.147，p<0.01）。

3   讨论

3.1  不同认知任务下行为学特征分析

本研究结果显示：识图决策的正确率显著低于图景识别，识图决策的反应时显著大于图景识别，说明不同的识图任务影响定向运动员的行为绩效，图景识别效率更高。在识图决策过程中，定向运动员合理的路线决策需要对点与点之间的众多地物（例如：房屋、建筑物等）和地貌（例如：等高线）符号进行综合判断，从而决策出一条合理路线。这一过程涉及到对输入信息进行辨别，根据大脑记录的行为信息及关键因素，进一步对这些信息进行加工与分析。而信息认知加工过程中，任务越复杂使得识别加工占用和消耗更多的注意资源［24-25］，这种高认知负荷、低效率资源消耗的特征，不利于中枢资源合理的分配［26］。因此表现出识图决策的正确率低和反应时长。定向运动员的行为绩效与任务难度紧密相关，难度的加大会制约个体的行为绩效，高认知负荷会消耗更多认知资源，这也是为什么定向运动员在图景识别任务中行为绩效高于识图决策任务的原因。本研究用正确率和反应时2个指标比较识图决策和图景识别任务的差异，然而这2个指标主要反映定向运动员在2种认知任务中的行为学表现，无法了解其内在机制及原因，因此借助fNIRS技术监测定向运动员在不同认知任务执行过程中大脑前额叶皮质区的变化。

3.2  不同认知任务下的脑激活特征分析

fNIRS结果显示，左、右两侧VLPFC在识图决策任务下的激活程度显著大于图景识别任务，这可能是任务难度影响着运动员的脑激活模式。相关研究表明，VLPFC脑区的激活被认为在抑制控制［27］、工作记忆［28］、选择性注意过程中发挥作用［29］，在行动控制过程中，当复杂性或整合性需求增加时，VLPFC脑区的认知负荷升高，激活随之增强，负荷降低，激活随之减弱［30］。此外，在任务过程中VLPFC脑区激活程度与任务难度存在相关性［31］，与简单任务相比复杂任务会诱发脑区更大程度的激活［32］。依据知觉负载理论，知觉负载水平决定了当前认知任务过程中的资源的分配。在认知资源有限的情况下，简单任务只需要耗费较少的认知资源，而复杂任务则需要耗费更多的认知资源，分心刺激干扰水平更高［33］。因此，识图决策任务中VLPFC的激活表现得更明显。

在本研究中，定向运动员在不同认知任务时脑激活差异可以用以下事实来解释。例如，在执行任务时，参与者必须采用第一视角在想象的运动环境中进行，并且在识图决策过程中要對地图符号特征中的等高线、建筑物等信息进行抽象的三维想象，从平面信息变为立体信息的合理规划都要伴随着复杂的认知加工，对运动员的认知负荷要求也越大［34］。在这一过程中对地图信息的选择性注意、符号的编码与记忆影响着定向运动员的识图决策绩效，任务的复杂程度诱发了前额叶脑功能活动强度，因此与之相关的脑区表现出了脑激活特性。在图景识别任务中需要单一地提取所需地图符号的特征进行分析，将这些提取的特征进行整合并在实景中搜索正确的目标。相比图景识别任务，识图决策任务认知负荷强度更大，认知负荷的差异可能引起了VLPFC的功能活动变化［35］，导致大脑VLPFC更大程度地激活。本研究发现了VLPFC在识图决策任务中的重要作用，将为今后通过神经调控提升识图绩效提供客观依据。

3.3  不同认知任务下脑功能连接相关性分析

比较正确率和大脑激活程度的相关性分析进一步证实了图景识别、识图决策任务下的L-VLPFC和R-VLPFC均与正确率相关显著。从不同认知任务下脑功能连接发现，在图景识别任务下L-VLPFC和L-DL

PFC、R-VLPEC和R-DLPEC的脑区功能连接更具有相关性，表明脑区之间功能整合的增加与大脑活动的增加密切相关［36］。依据认知加工通路假说，认知加工主要有2条不同的皮层加工通道，一个是腹侧通路（what通路），另一个是背侧通路（where通路）。腹外侧前额叶主要控制方位认知和地图表征［37］，背外侧前额叶参与决策中个体整合信息并作出最适合当前情境的行为控制视觉搜索的过程［38］。视觉空间信息在腹侧通路的区域进行处理，并通过背腹侧功能连接与背侧通路中处理的信息相整合［39］。脑神经相关研究表明，图景识别与多个脑区的活动相关。一项fMRI研究发现，腹侧前额叶皮层在提取情景信息和模拟情景预见的任务中被激活［40］。Westerberg发现图景识别与腹侧和背侧视觉通路的视觉区域相关［41］，较高的功能连接表明特定大脑区域之间的信息流更高［42］。在情景记忆编码时，前额叶区域出现了更强的功能连接，其原因是在对视觉信息进行加工与编码、并与真实场景进行不断地提取与转换的过程中，前额叶皮质区会积极参与注意力重新分配、内部状态处理、关系整合和记忆感知［43］。这些脑区神经元功能耦合增强可能与运动员在图景识别过程中应对目标识别、记忆检索或地图表征需动用更多的神经资源有关，从而需要较多的脑区协同合作。

4   结论

本研究整合了行为学和神经影像学证据，发现定向运动员在图景识别任务、识图决策任务下行为绩效和前额叶激活的变化存在显著性差异。VLPFC的神经激活在识图决策任务中较为重要，图景识别任务下行为绩效与功能连接脑区协同合作更广泛。该结论较好地揭示了定向运动项目中不同认知任务脑区激活的神经功能连接机制，从关联脑区激活和功能连接视角评价定向运动员在不同认知任务时的脑加工策略，可以更好地科学指导训练，并能反映定向运动项目的锻炼效益。

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收稿日期：2022-06-21

基金项目：陕西省社会科学基金项目（2022P003）；陕西省教育科学“十三五”规划2020年度课题（SGH20Y1061）。

第一作者简介：张文（1998—），男，硕士在读，研究方向为户外运动理论与方法。E-mail：903411756@qq.com。

通信作者简介：刘阳（1979—），男，博士，教授，研究方向为运动领域的注意、记忆与决策。E-mail：liuyang0330@snnu.edu.cn。

作者单位：1.陕西师范大学体育学院，陕西西安 710119；2.天津财经大学竞技运动管理中心，天津  300222。

1.School of Physical Education， Shaanxi Normal University，Xian，Shaanxi  710119， China；2.Tianjin University of Finance and Economics Athletic Sports Management Center，Tianjin  300222， China.