不同水平足球运动员空间知觉能力差异：基于行为学和fNIRS的研究
作者： 殷春宇 史利 张文
摘 要：空间知觉能力是决定足球运动员运动技能的关键，更是提升运动员竞技表现的核心因素。选取20名国家一级足球运动员（专家组）和20名高校足球俱乐部的体教专业大学生（新手组），采用功能性近红外光谱成像技术（fNIRS），探讨心理旋转任务下行为绩效、前额叶脑血氧（Oxy-Hb）激活以及脑功能连接的组间差异。结果显示：（1）专家组心理旋转任务正确率显著高于新手组（P＜0.05），反应时显著短于新手组（P＜0.01）。（2）专家组左右侧背外侧前额叶、额极区和右腹外侧前额叶激活低于新手组（P＜0.05），并且脑间功能连接协同更强。研究认为，长期足球训练能够改变运动员的空间知觉加工模式，提高神经资源的利用效率，有利于大脑网络连接性，对认知功能的改善起到重要作用。
关 键 词：足球运动；空间知觉能力；心理旋转；认知优势；行为学；功能性近红外光谱成像技术
中图分类号：G843 文献标志码：A 文章编号：1006-7116（2024）01-0143-06
Differences in spatial perception ability among different-level soccer players：
A study based on behavioral science and fNIRS
YIN Chunyu1，SHI Li2，ZHANG Wen3
（1.Department of Physical Education and Research，Northwest University，Xi’an 710127，China；
2.Department of Public Course Teaching and Research，Shaanxi Youth Vocational College，Xi’an 710100，China；
3.School of Physical Education，Shaanxi Normal University，Xi’an 710119，China）
Abstract： Spatial perception ability is a critical factor to influence the motor skills of soccer players and also plays a central role in enhancing athletic performance. In this study， 20 national-level soccer players （expert group） and 20 physical education college students from football clubs （novice group） were selected， and by using the functional near-infrared spectroscopic imaging （fNIRS）， between-group differences in behavioral performance， prefrontal cerebral blood oxygenation （Oxy-Hb） activation， and functional brain connectivity during a mental rotation task were also discussed. The results revealed that： （1） The expert group exhibited significantly higher correct rates （P < 0.05） and shorter reaction times （P < 0.01） in the mental rotation task compared to the novice group. （2） Activation in the left and right dorsolateral prefrontal cortex， frontal pole area， and right ventrolateral prefrontal cortex was lower in the expert group （P < 0.05）， with stronger interbrain functional connectivity. The study suggested that： long-term football training appears to alter the spatial perceptual processing mode in athletes， enhancing neural resource efficiency and promoting stronger brain network connectivity， and these findings contribute valuable insights into the cognitive benefits associated with soccer training.
Keywords： soccer；spatial perception ability；mental rotation；cognitive advantage；behavioral science；fNIRS
足球比赛中攻防态势瞬息万变，运动员不仅要注意球的位置、运行轨迹[1]，还要注意场上对手及队友的空间站位等时空信息，可见复杂的时空动态场景需要运动员具有较强的空间感知、编码和转换信息的空间知觉能力[2]。空间知觉是对物体距离、形状、大小、方位等空间特性的知觉[3]，多通过心理旋转范式进行测试[4]。心理旋转也被称为“心象旋转”[5]，是个体在大脑中将自己或视觉刺激物（如数字、图形）的形象在平面或三维空间中旋转的心理过程[6]，心理旋转任务体现空间知觉的加工特征。研究发现，长期运动训练可以提升练习者的空间知觉能力[7]。如攀岩运动过程中运动员需要提前决策和想象他们身体姿态和动作停留时间，刻意练习使得攀岩运动员比非攀岩运动员具有更好的认知表现[8]。摔跤手和体操运动员相比运动新手具有更好的空间能力[9]。尽管足球运动员相比其他运动员心理旋转速度更快，具有更好地感知或编码对象的空间知觉能力[10]，但目前关于这一优势的神经机制尚需探讨。
脑可塑性假说提出，心理现象都是以大脑活动为基础，运动可以改善大脑的认知能力，这是由于运动引起脑加工模式改变的结果[11]。长期运动练习使运动员空间知觉能力有所改善，能够自动将其神经系统与感觉信息联系起来，进而对空间环境信息知觉更快，心理能量也呈现“节省化”特征[12]。Claudio等[13]研究发现在专项场景空间任务加工过程中，足球运动员相比新手的皮质激活更高。短期心理旋转训练可提升被试者腹、背外侧前额叶皮层和额极区脑激活更活跃，空间知觉能力也得到显著提升[14]。在探讨足球运动员静息态下与空间注意和空间知觉协调加工整合的相关脑区的脑电研究发现，额叶等脑区的激活较明显[15]。然而非专项场景下，不同水平足球运动员空间知觉能力差异的脑机制需进一步探讨。
功能性近红外光谱成像技术（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS），是一种非侵入性光学成像技术，通过近红外范围内Hb的特征吸收光谱来测量大脑内血红蛋白浓度的变化，能够很好定位与认知功能相关的大脑皮质区，目前已被广泛应用于人类复杂的认知研究当中[16]。此外，功能性神经影像学研究可揭示特定大脑区域招募的空间认知处理的激活，如左、右背外侧前额叶显著激活以及Brodmann区域（BA8、BA9、BA10，BA44和BA47）被认为是空间知觉的核心神经相关性之一[17]。不难看出，借助fNIRS探究高水平足球运动员空间知觉能力优势的脑加工机制及作用脑区，可为明确足球运动提升个体空间知觉能力的锻炼价值及通过神经调控刺激提升运动竞技能力提供理论依据。综上所述，研究旨在通过心理旋转范式和fNIRS，对比足球专家和新手运动员在心理旋转任务中行为绩效、脑激活和脑功能连接方面的差异，同时提出以下假设：心理旋转任务中，专家足球运动员表现出一定的行为绩效优势，即正确率更高、反应时更短，而这一优势与其大脑神经活动相关，主要表现为专家运动员具有独特的脑加工模式且脑功能连接更强。
1 研究对象与方法
1.1 研究对象
根据G Power 3.1软件对实验样本量进行估算。预期效应量f为0.9，设α为0.05，统计效力β为0.8，得出总样本量n = 40名。选取20名国家一级及以上足球运动员为专家组，男性12名、女性8名，平均年龄（21.3±1.3）岁，每周训练（9.4±1.1） h，平均训练年限（8.49±1.73）年。20名高校足球俱乐部的体育教育专业学生为新手组，男性11名、女性9名，无运动等级，平均年龄（20.8±0.8）岁，每周训练（1.6±1.2） h。选取标准：（1）各组被试者健康状况良好，受教育程度一致，均为右利手；（2）裸眼视力或矫正视力正常；（3）无脑创伤、精神病史、心肺疾病、鼻炎等，实验前被试者均未使用过影响脑神经活性的药物，如酒精和咖啡因等；（4）能够熟知键盘按键位置，均未参加过类似实验；（5）无听力和视力障碍。所有被试者均签署知情同意书，同时本研究得到陕西师范大学伦理委员会的批准。
1.2 实验设计及流程
实验采用单因素被试间设计，自变量为专家组和新手组2个水平，因变量为心理旋转任务的正确率、反应时、各脑区氧合血红蛋白（Oxy-Hb）变化及各脑区功能连接强度。
实验分为2个阶段：练习阶段和正式测试阶段。在2个阶段中，每个轨迹的处理过程都相同。首先采集被试者30 000 ms静息态下的电生理信息，之后出现指导语程序，待被试者明白实验操作后按空格结束，测试阶段根据被试者的反应，在屏幕中央会显示“正确”，“错误”或“未响应”形式的反馈1 500 ms。为最大限度减少超出任务熟悉程度的学习量，培训阶段被限制为2 min，该阶段使用的刺激材料与随后进行正式实验（测试阶段）所用的刺激材料不同。培训阶段的目的是帮助参与者熟悉实验，并且在此期间未收集任何数据。
本实验设计参考以往研究[18]，测试程序均用E-prime 3.0软件编写和呈现。心理旋转任务是由1个5×5的矩阵构成的正方形。其中，随机6个方块为黑色。首先会出现在白色背景（完整的计算机显示）的中心出现红色的“+”注视点，持续1 000 ms；随后出现识记刺激图片呈现6 000 ms。被试者需要对目标刺激进行向左或向右（90°、180°、270°）的心理旋转操作，然后判断右边的图形是否为左边图形旋转以后的图形。如果是，要求被试者按下f键；如果不是，按下j键。心理旋转任务共24 trail，每4个trail休息20 000 ms，记录被试者判断心理旋转所需要的反应时和正确率指标，并在完成心理旋转任务时用近红外记录氧合血红蛋白的浓度变化，进而反映脑功能等指标（流程见图1）。