压力下运动员特定的神经策略：fNIRS初步研究

1.研究背景

在比赛和训练中的压力会影响运动员的运动表现。然而，在视觉模拟任务中，心理应激对运动员前额叶皮层功能的影响尚不清楚。这项初步研究的目的是利用功能性近红外光谱研究在视觉模拟任务中诱发压力和应激时的血流动力学反应。

2.研究方法

2.1 被试

10名弓箭手（4男6女，M=26.8岁，SD=4.1岁）和10名非运动员大学生（7男3女，M=23.2岁，SD=3.6岁）。右利手主要根据自我报告测查。所有参与者之前都没有心血管、肺、神经精神疾病或其他可能影响实验结果的疾病史。所有参与者都被要求在实验开始前至少24小时不要食用含咖啡因的食物或饮料。

2.2 实验材料

本研究使用数码摄像机记录模拟电影，以显示表演者在压力下表演时的视角。剪辑使用Final Cut Pro软件编辑。拍摄是在训练中心的箭球场进行的。为了尽可能从演奏者的角度模拟紧张和压力，在视频中还加入了弓箭手的心跳和观众的背景音。由三位专业的射箭教练组成的小组选出最能代表射箭运动员在射击时的紧张情况和行为的场景。模拟电影由以下三个场景组成。(场景一)在第一轮比赛中，在射击时间即将结束的情况下，突出秒表，增加选手的压力和紧张感，确保运动员不能射击，并在哨声宣布射击时间结束时放下弓。(场景二)在第三盘比赛中，选手0：4输掉比赛，在紧张的压力下，弓箭抖动的情况下射击，失误得3分。(场景三)五比五的淘汰赛，最后一杆决出胜负。在压力很大的情况下，可以听到心跳的声音。所有场景都是用动作摄像机拍摄，以确保从弓箭手的角度可以看到参与者，并使用高速摄像机记录了弓箭的飞行轨迹。在每个场景开始前，先给出2s的视觉提示，然后给出7s时间来描述每个场景。模拟电影时长为140 s。

2.3 实验流程

在实验开始之前，参与者被要求在观看模拟电影之前评估自己感受到的心理压力，以调查压力水平的变化。心理压力水平由数字评分量表评定，终点设为完全没有心理压力(=0)和可以想象到的最强烈的心理压力(=10)。在实验结束时，参与者进行了另一次压力评估。

在实验中，参与者被要求休息30s，然后在屏幕上显示一个两秒钟的视觉提示，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实的比赛，而非运动员组被要求认为他们正在经历一场校内比赛或射箭课的最终测试。在这项任务中，参与者的手放在椅子扶手上，双手内翻，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 数据采集与整理

在本研究中，采用了采样率为8.1138 Hz的近红外多通道连续波系统(NIRSIT, OBELAB Inc., Seoul, Korea)，通过24个发射器和32个探测器测量PFC的神经血流动力学响应。该装置有一个共有204个通道的主动检测传感器，本研究中使用了其中的48个通道，覆盖了整个PFC区域。为了确保fNIRS装置的位置符合参与者的大脑解剖结构，QY球友会使用了前额极区(FPz)来确保所有被试之间的可比性。该设备的中心(图1，红点)与参与者的FPz匹配，设备的最下面部分正好在眉毛的上方。基于Brodmann区域(BA)，在前额叶背外侧皮层(DLPFC, BA 9, 46)、腹外侧前额叶皮层(VLPFC, BA 44, 45, 47)、前额叶皮层(FPC, BA 10)和眶额叶皮层(OFC, BA 11)记录到48个通道。图1显示了以参考点FPz(红点)和本研究八个区域的发射器和探测器的位置。用于检测两个色团(含氧血红蛋白;高压氧和缺氧血红蛋白；HbR)分别为780和850 nm。为了获得的空间分辨率，激光和探测器对之间使用了3cm的距离。

数据预处理：

使用NIRSIT分析工具对记录的血流动力学反应进行预处理。首先，使用截止频率分别为0.5和0.005 Hz的两个四阶巴特沃斯滤波器(低通和高通)将原始近红外信号转换为光强度信号，以消除由心跳引起的全身响应，减少近红外系统引起的慢波漂移。低通滤波器的截止频率足以捕捉任务诱导的血流动力学波动，该波动比任务周期(0.025 Hz)高20倍。在提取血流动力学数据前，对信号噪声比为<30 dB的不良通道进行剔除，并进行目视检查。利用改进的比尔-朗伯定律将光强信号转换为HbO和HbR浓度变化的时间序列。在实验任务期间，血流动力学反应(HbO、HbR和HbT)的浓度被归一化到任务开始前的静息基线(−5 ~ 0 s)。在任务开始前，平均HbO被标准化为静息基线(−5 ~ 0 s)。基线试验的平均高血氧水平从任务试验的平均高学氧水平中减去，得到标准化值。

测量：

在整个实验过程中获得HbO、HbR和总血红蛋白(HbT)水平。从fNIRS数据中，得到了三种不同类型的依赖测度。为了研究整个实验任务中PFC中HbO、HbR、HbT水平的变化规律，采用HbO、HbR、HbT的总体平均值和标准差进行统计分析。此外，使用每个场景0 ~ 39s的平均HbO、HbR和HbT水平来计算平均HbO、HbR和HbT值。因此，三个平均值(S1, S2, S3)在140 s的实验任务中出现。平均HbO、HbR和HbT代表实验中每个区域的平均血流动力学反应，而SD HbO、HbR和HbT代表模拟试验中每个特定区域中相同信号的变异性。采用视觉模拟量表(visual analog scale, VAS)测量模拟任务前后的心理压力水平，以评估心理压力水平的操作成功程度。VAS被用来评估压力方案的有效性。

数据分析：

由于样本量小且违反正态假设，所有相关测度均进行秩变换后在进行混合模型方差分析。采用双向混合模型方差分析，探讨组别(运动员和非运动员大学生：被试间的因素)和测试(前和后)对感知心理应激水平的影响。采用双向混合模型方差分析确定分组和PFC面积(左、右DLPFC、VLPFC、FPC和OFC：被试内因素，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：被试内部因素，三个水平)和半球(左、右：被试内部因素)对兴趣区(DLPFC)平均HbO、HbR和HbT值的影响。统计学意义设为p <0.05。根据需要，通过与Bonferroni校正进行两两比较，检验了明显的主效应和相互作用。汇总数据以平均标准误差(SE)表示。实验结果通过Matlab (R2015b)、R (v.4.0.2)和RStudio (v.1.0.136)可视化显示。

3.实验结果
通过分析模拟前和模拟后任务的VAS数据，检验压力操纵的有效性。结果表明，检验效果明显(F(1,18) = 199.03, p <0.001， η2p = 0.97)， VAS应激评分如图2a所示。各组的主效应及其与VAS的交互作用均无明显性差异(ps >0.29)。VAS值在整个实验中增加，并且模拟任务被发现成功地增加了运动员和非运动员大学生的压力感知。

为了分析实验任务中皮层活动的变异性(SD for HbO)，使用双向混合模型方差分析(如图2b所示)对SD HbO值进行分析。组别和区域的主效应明显，非运动员组的SD HbO水平明显高于运动员组。PFC区域的事后分析显示，DLPFC两侧的变异量高于OFC左侧(ps <0.003)， DLPFC左侧是PFC中最不稳定的区域(ps = 0.001-0.045)。其他PFC区域间无明显差异(ps = 0.06-0.97)。PFC区与组间相互作用对HbO变化的影响不明显(p >0.19)。SD HbR 的分析显示组别和区域的主效应明显，非运动员大学生组SD HbR水平明显高于运动员组。PFC区域的事后分析显示，DLPFC两侧的变异量高于OFC左侧(ps <0.01)。左侧DLPFC变异性高于右侧OFC和左侧FPC (ps = 0.01, 0.04)。其他PFC区域之间差异无统计学意义(ps = 0.06-0.88)。组别和PFC区域之间的交互作用不明显。SD HbT的分析显示组别和区域的主效应明显。非运动员大学生组的SD HbT水平明显高于运动员组。PFC区域的事后分析显示，DLPFC两侧的变异量高于OFC左侧(ps <0.01)，DLPFC变异性高于两侧OFC和FPC (ps <0.01)和左VLPFC (p = 0.03)。其他PFC区域之间差异不明显(ps = 0.13-0.98)， PFC区域的组间交互作用对HbT变异性的影响不明显(p >0.12)。

采用三因素混合方差分析检验组、半球和场景对DLPFC平均HbO、HbR和HbT水平的主效应和交互效应(如图4所示)。分析HbO水平DLPFC显示场景主效应明显，其中场景2和场景3的DLPFC激活水平明显高于场景1，场景2与场景3之间差异无统计学意义。组别和半球的主效应不明显。另外，半球、场景和组间交互作用对平均HbO水平的影响不明显(ps = 0.28 - 0.78)。DLPFC的HbR水平分析显示场景主效应明显。场景事后分析显示，场景3的HbR水平明显低于场景1 (p = 0.01)。场景2和场景3之间没有明显差异(p = 0.91)。组别和半球的主效应不明显，半球、场景和组别之间的交互作用不明显。与HbO水平相似，DLPFC的HbT水平分析显示场景主效应明显。场景事后分析显示，场景2和场景3的HbT水平明显高于场景1 (ps <0.01)，场景2和场景3之间差异无统计学意义(p = 0.92)。组别主效应不明显(p >0.6)、半球的主效应不明显(p >0.3)，二者的交互作用不明显(ps >0.25)。

4.结论

在观看模拟电影后，被试的心理压力水平有所上升。与非运动员相比，弓箭手在HbO中表现出较低的可变性。整体平均HbO水平增加，在模拟任务中没有观察到组间差异。具体来说，场景2和场景3中DLPFC的激活水平高于场景1。

总而言之，精英弓箭手应激相关的代偿神经策略具有降低视觉模拟过程中血流动力学响应变异性的潜在机制，该机制可能通过稳定PFC的波动来实现。

5.参考文献及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