不同认知负荷条件下定向运动员心理旋转能力的行为绩效及脑加工特征

摘      要：从不同水平运动经验者的专项心理旋转能力出发，探究不同任务负荷条件下运动员心理旋转能力的行为绩效及脑加工特征，为进一步了解运动员空间认知加工机制及科学化训练提供理论依据。采用2（运动水平：专家、新手）×2（地图难度：简单地图、复杂地图）的两因素混合实验设计，通过功能性近红外光谱成像（fNIRS）技术，比较专家和新手共27名在不同任务难度条件下心理旋转任务中的正确率、反应时、背外侧前额叶（DLPFC）和腹外侧前额叶（VLPFC）中含氧血红蛋白（Oxy-Hb）浓度变化。结果：（1）随着地图难度的增大，正确率显著降低、反应时显著加长，专家组优于新手组;（2）在复杂地图条件下左右背、腹外侧前额叶4个脑区的Oxy-Hb浓度均显著高于简单地图，专家运动员左右背、腹外侧前额叶4个脑区Oxy-Hb浓度显著低于新手组。结果说明：专家运动员较新手运动员在完成识图心理旋转任务时表现出高任务绩效，Oxy-Hb激活较新手组低，表现出了一定的专项认知优势。心理旋转认知过程受认知负荷的制约，不同认知负荷条件对定向运动员心理旋转加工产生了不同的绩效影响及脑激活变化。

关  键  词：心理旋转能力;地图难度;脑加工;定向运动;功能性近红外光谱技术

中图分类号：G 804.2;G804.8    文献标志码：A    文章编号：1006-7116（2022）02-0136-09

Behavioral performance and brain processing characteristics of orienteering athletes' mental rotation ability under different cognitive load conditions

YI Yan1，LIU Jingru1，ZHANG Yan2，TANG Sijie3，LIU Yang4

（1.School of Physical Education，Northeast Normal University，Changchun 130024，China;

2.School of Physical Education，Inner Mongolia Minzu University，Tongliao 028000，China;

3.Shenzhen Oriental English College，Shenzhen 518128，China;

4. School of Physical Education，Shaanxi Normal University，Xi'an 710119，China）

Abstract： Starting from the professional mental rotation of athletes with different sports experience， explore the behavioral performance and brain processing characteristics of athletes' mental rotation under different task load conditions， and to provide a theoretical basis for further understanding of the athlete's spatial cognitive processing mechanism and scientific training. Adopting a two-factor mixed experimental design 2 （Level：expert， novice） ×2 （Map difficulty： Simple， complex）， and using functional near-infrared spectroscopy imaging technology to comparing athletes' correct rate， reaction time， changes of the Oxy-Hb concentration in the DLPFC and VLPFC in mental rotation tasks under different task difficulty conditions for 27 experts and novices. Results show that：（1） As the difficulty increases， the accuracy rate is significantly reduced， and the reaction time is significantly longer， and the experts is better than the novices; （2）under complex map conditions， the Oxy-Hb concentration in the four brain regions of the left and right dorsal and ventrolateral prefrontal lobes are significantly higher than simple map conditions. The Oxy-Hb concentration in the four brain regions of the left and right dorsal and ventrolateral prefrontal lobes of expert athletes is significantly lower than novices. Conclusion reveals that：Expert athletes showed higher task performance than novice athletes in completing mental rotation tasks of map reading， and Oxy-Hb activation was lower than that of novice athletes， showing certain specific cognitive advantages. The cognitive process of mental rotation is restricted by cognitive load. Different cognitive load conditions have different performance effects and brain activation changes on mental rotation processing of orienteering athletes.

Keywords： mental rotation ability;map difficulty;brain processing;orienteering;functional near infrared spectroscopy technology

定向运动是指参与者借助地图和指北针在陌生环境中去确定自身方位和寻找目标点的一项运动[1]。在定向运动行进过程中，运动员拿到的地图与实地方向往往是不一致的，面对方向的不断变动，运动员需不断调整地图和自身方位来更新与参照物的位置关系[2]。在这一过程大脑会自动表征地图，从而形成心象地图，方便运动员将心理地图与实际环境匹配。心理旋转能力在协助定向运动员进行空间定位过程中发挥了重要的作用，其能力的好坏直接影响到定向运动员的成绩表现[3]。

心理旋转是空间认知能力的重要成分，同时也为研究个体的空间认知能力提供了定量、客观的方法。科研人员通过心理旋转去测量空间认知能力，研究表明个体的空间认知能力与心理旋转的测验成绩显著相关[4]，心理旋转会消耗大量的精神资源，是一种认知压力[5-6]。心理旋转测验得分越高意味着空间认知能力越好[7]。随着认知心理学在运动领域中的发展，体育科研者对心理旋转的研究更加深入，心理旋转能力作为运动员专项运动技能所必备的重要能力，能较准确地预测运动员的运动水平和空间认知能力[8-9]。在定向运动领域，刘阳[10]、李俊[11]、宋杨[8]先后从不同角度对定向运动员认知能力展开了相关研究，通过研究发现：地图方位和难度在视觉注意和工作记忆过程中制约着定向运动员的识图能力，心理旋转和地图特征在识图过程中大大制约运动员的识图能力[12]，也了解到不同水平的定向运动员之间任务绩效存在差异[13]。

定向运动已有研究范式多为行为指标的探究及经验性的描述，缺乏深入的科学探索[14]。近年来，随着认知神经科学的不断发展，为定向运动提供了更多的研究技术和思路。功能性近红外光谱成像技术（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）在为进一步了解运动认知加工过程的机制具有重要的应用价值[15]。文献表明运动员在运动学习过程中，由额叶和顶叶组成的额顶神经网络是调节认知能力的主要功能脑区[16]。前额叶皮层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、意图等大脑信息，立即作出合理的计划[17]。背外侧前额叶（DLPFC）和腹外侧前额叶（VLPEC）作为额叶皮质的主要功能区，在与运动认知相关的脑功能中发挥着重要作用，对依赖于情境的计划和决策具有重要意义。定向运动员在识图空间认知过程中，不可避免会诱发额叶血氧浓度的激活。不同水平运动员的心理旋转能力是否存在差异？是否表现出不同的脑激活特征？不同认知负荷下心理旋转任务表现出什么样的脑激活特征？这一系列问题急需解决。随着科学技术的进步，研究者可以通过fNIRS技术得到定向运动员在任务下脑机制的变化情况，了解定向运动员在不同地图难度条件下的心理旋转能力，以及不同水平定向运动员前额叶血氧浓度变化特征，从大脑加工机制的视角来探讨定向运动项目的专项认知加工问题。

因此，针对上述问题，研究提出假设：（1）在任务过程中，专家组与新手组运动员之间呈现出不同的行为绩效;（2）专家组运动员会表现出专项认知优势;（3）不同的地图难度会造成心理旋转任务中Oxy-Hb信号在前额叶（PFC）功能脑区上的差异，不同水平运动员的脑激活程度存在差异。通过研究可以挖掘定向运动项目的理论依据，完善定向运动项目训练体系，为定向运动项目中专家认知优势研究提供理论支撑与实践指导，实现训练的最优化。

1  研究对象与方法

1.1  研究对象

选取专家组运动员14名和新手组13名共27名（男性）定向练习者参加本实验，平均年龄为（20.54±0.76）岁。专家组为现役陕西省定向运动队队员，运动等级一级以上，训练年限6年以上;新手组均为某高校定向运动公共体育课的学生，训练年限3个月以上。所有被试者裸眼视力或矫正视力正常，无任何精神疾病史，均未参加过类似实验。

所有被试者提前一天均被告知实验相应的内容，如时间安排和注意事项等，要求被试者在测试进行之前保证充足的睡眠，以及头部的清洁，并在实验前一天内不进行剧烈运动，均征得了被试者的同意，并签署了实验知情同意书，完成实验后被试者将会领取到相应的报酬。该研究已得到本校伦理委员会的批准。

1.2  研究设计

采用2（运动水平：专家、新手）×2（地图难度：简单地图、复杂地图）的两因素混合实验设计。地图难度为组内变量，运动水平为组间变量，考察不同认知负荷下专项识图情景下的心理旋转能力。因变量指标为受试者的正确性、反应时和Oxy-Hb血氧浓度。

1.3  实验仪器和刺激材料

所有刺激均在Panasonic CF-53显示器上显示，分辨率为1 366×768，刷新率为60 Hz，由运行IBM的PC兼容计算机管理，测验程序均用E-prime 2.0软件编写而成。

fNIRS设备：本实验仪器是便携式近红外光谱脑功能成像系统Nirsport 2，实现对前额叶皮层脑血氧数据采集。以国际10-10系统实现探头布置，通过校准仪器确保既定通道上可以准确探测到前额叶皮质区。

刺激材料：实验材料采用800×600像素定向运动标准比赛地图，由地图难度构成刺激材料（简单地图、复杂地图）。其中简单地图多为校园、公园场景，比例尺为1︰4 000，地图信息多为建筑物等地物特征。复杂地图多为野外、山地场景，比例尺为1︰10 000，地图信息多为山体等地貌特征（见图1和图2）。

两种类型地图共44张（4张图用于练习实验，其余40张作为正式实验材料）。所有刺激材料均采用近一年内未举办过定向运动赛事的定向运动地图，由3名具有国家资格的定向运动地图制图员进行难度评分，并通过OCAD 11.0版（定向运动地图开发的专业软件）绘制而成。每张刺激材料由1张原图+3张旋转成不同方向的图片组成，在3张不同方向的图片中只有1张与原图的点位（图1、2中圆圈位置）完全一致，被试者需观察并按对应的1、2、3键盘按键，做出判定。