压力下运动员特有的神经策略：一项fNIRS先导研究

01研究背景

前人研究表明，中等水平的压力与认知功能及身体表现的改善有关，高水平的压力则与认知功能中的认知灵活性和执行功能受损有关。诸如知觉/决策/注意力等这些易受压力影响的认知技能与身体表现恰好又是决定一个运动员成绩的关键因素。且在视觉模拟任务中，心理压力对运动员前额叶皮质(PFC)功能的影响尚不清楚。这项先导性研究的目的是利用功能性近红外光谱研究视觉模拟任务中诱发压力和压力的血流动力学反应，以更好的了解应激状态下PFC的参与情况。

02研究方法

2.1、被试

在韩国射箭协会注册的十名射箭运动员(4男6女，平均年龄26.8，标准差4.1)与十名非运动员大学生(7男3女，平均年龄23.2，标准差3.6)均为右利手。

2.2、实验设备与视觉刺激

使用采样率为8.1138Hz的NIRSIT设备(OBELAB, 首尔, 韩国)。视觉刺激为一段影片，内容由三段组成，分别是三个场景：（场景一）在第一轮射击时间快结束的时候，高亮秒表，增加参赛者的压力和紧张感，确保运动员无法射击，并用蜂鸣器宣布射击时间结束。（场景二）第三局比赛，运动员因压力和紧张，弓箭瞄准镜晃动，以0-4输球，投篮不中，误投三分。（场景三）5-5的决胜局，只剩下最后一杆决定胜负的情况；弓箭手在压力大的情况下，在可以听到自己心跳声的情况下进行射击。影片呈现前有每种情况的短述，影片时间为140s。

2.3、实验流程

在实验之前，参与者被要求在观看模拟电影之前对感知到的精神压力进行评分，以研究压力水平的变化。在实验中，参与者被要求休息 30 秒，然后在屏幕上显示两秒钟的视觉提示，代表即将到来的任务（模拟电影）。在模拟任务中，运动员组被要求认为他们正在经历一场真正的比赛，而大学组被要求认为他们正在经历一场校内比赛或射箭课的期末考试。在任务过程中，参与者的手放在椅子的扶手上，双手内旋，双脚并拢，身体直立。在实验过程中，参与者不允许移动身体或头部。

2.4、数据记录与分析

压力水平测量：心理压力水平用数字评定量表进行评级，终点设置为“完全没有心理压力”（= 0）和“可以想象的最强烈的心理压力”（= 10）。参与者在实验结束时进行了另一个压力评级。

近红外数据：采用采样率为 8.1138 Hz ，通过 24 个光源和 32 个探测器测量 PFC 的神经血流动力学响应。NIRSIT设备有一个有源检测传感器，总容量为 204 个通道——其中 48 个通道用于本研究——覆盖整个 PFC 区域。为了确保 fNIRS 设备根据参与者的大脑解剖结构进行定位，使用额极区 (FPz) 来确保所有测试参与者之间的可比性。图 1显示了具有参考点 FPz（红点）的发射器和检测器的位置以及本研究中的八个区域。用于检测两种发色团（氧合血红蛋白；HbO 和脱氧血红蛋白；HbR）的波长分别为 780 和 850 nm。为了获得空间分辨率，激光发射器和探测器间距为3cm。

图1.功能性近红外通道布局呈现-前额叶区

预处理中使用0.5Hz、0.005Hz的低通与高通滤波器以消除心跳与慢波漂移，之后拒绝信噪比小于30dB的通道，随后将光信号强度转为HbO与HbR浓度变化的时间序列。实验任务期间血流动力学反应（HbO、HbR 和 HbT）的浓度被标准化为任务开始前的静息基线（-5 到 0 秒）。从任务试验的平均 HbO 水平中减去基线试验的平均 HbO 水平，以获得来自双侧 PFC 位点的标准化 HbO 水平。相同的过程应用于 HbR 和 HbT 水平。

为研究在整个实验任务中PFC中HBO、HBr和HBT水平的变化规律，使用HBO、HBr和HBT的总体平均值和标准差进行统计分析。平均HBO、HBr和HBT代表实验期间每个区域的平均血流动力学反应，而SD HBO、HBr和HBT代表每个特定区域的模拟试验期间相同信号的变异性。在视觉刺激前后收集当前心理应激水平的视觉模拟量表(VAS)，以评估心理应激水平的成功操纵。

由于样本量小且违反正态假设，数据都要经过对齐的秩变换后进行混合模型方差分析(ANOVA)。采用ANOVA双向混合模型，研究了群体(运动员和非运动员大学生：被试之间的因素)和测试(前后)对知觉到的心理压力水平的影响。采用双向混合模型ANOV A来确定组和PFC区域(左右DLPFC、VLPFC、FPC和OFC：受试者内因素，8个水平)对HBO、HBr和HBT值的总体平均值和SD的影响。最后，采用三因素方差分析来确定群体、场景(S1、S2和S3：被试内因素，三个水平)和半球(左、右：被试内因素)对感兴趣区HBO、Hbr和Hbt平均值(DLPFC)的影响。

03实验结果

对VAS数据分析后发现，视觉刺激确实明显影响了被试的应激状态，(F(1，18)=199.03，p<0.001，η2p=0.97)(图2a)。组主效应及其与测试的交互作用对VAS的影响不明显(PS>0.29)。VAS值在整个实验中都有所增加。

为了分析实验任务期间皮质活动的变异性（HbO 的 SD），使用双向混合模型 ANOVA 分析了 SD HbO 值（图2b）。分析显示显着组 ( F (1, 18) = 23.48, p < 0.01,η2 p= 0.55) 和面积效应 ( F (7, 126) = 8.20, p < 0.001,η2磷= 0.19）。非运动员大学组的 SD HbO 水平显着高于运动员组。PFC 区域的事后分析显示，DLPFC 的两侧变异性高于 OFC 的左侧（ps < 0.003），而 DLPFC 的左侧是 PFC 中最不稳定的区域（ps = 0.001 –0.045）。其他 PFC 区域彼此之间没有显着差异（ps = 0.06-0.97）。未发现组与 PFC 面积的相互作用对 HbO 的变化有显着影响 ( p > 0.19)。

使用双向混合模型 ANOVA 分析整个实验试验中的总体平均 HbO、HbR 和 HbT 水平，以探索每个区域平均氧合水平的差异（图 3）。HbO 水平的分析表明 PFC 面积的主效应显着（F (7, 126) = 2.76, p < 0.01,η2 p= 0.13）。主效应的事后分析显示，左侧 VLPFC 的皮质活动显着高于右侧 VLPFC 和右侧 DLPFC（p < 0.05）。其他皮质区域的 HbO 水平没有显着差异（p = 0.06-0.93）。组的主效应（p >0.56）和组与PFC面积的交互作用不显着（p >0.43）。

图2.(A)运动员组和非运动员组在模拟试验前后感觉到的心理压力水平的变化。(B)视觉刺激中运动员组(·)和非运动员组(#)PFC区氧合血红蛋白(HBO2)水平的标准差。错误条表示SE

三向混合因子方差分析用于测试组、半球和场景对 DLPFC 中平均 HbO、HbR 和 HbT 水平的主要和交互影响（图 4）。DLPFC 中 HbO 水平的分析揭示了场景的显着主效应（F (2, 90) = 35.19, p < 0.01,η2p= 0.89）。具体来说，场景 2 和场景 3 的 DLPFC 激活水平显着高于场景 1（ps < 0.001），场景 2 和场景 3 之间的差异不显着（p > 0.10）。组和半球的主效应不显着（ps = 0.19-0.71）。

图4.激活映射说明每个场景从0 ~ 39 s获得的平均HbO级别，激活图显示了运动员和非运动员大学生组在每个场景中从0 ~ 39 s获得的平均HbO水平，红色和绿色的圆圈表示源和探测

04结论

本研究是一项初步研究，旨在为运动员建立一个有效的模拟训练环境。在这项研究中，压力被诱导用于研究使用 fNIRS 的 PFC 的血流动力学响应。观看视觉刺激后，参与者的精神压力水平有所增加。与非运动员相比，弓箭手的 HbO 变异性较低。在模拟任务期间，整体平均 HbO 水平增加，并且没有观察到组差异。虽然平均 HbO 水平的组间差异并不明显，但弓箭手的 HbO 变化比非运动员更稳定。

05参考文献及DOI号

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