不同级别中国象棋运动员脑功能成像研究

梁东梅,刘承宜,邱丽华,段旭君,李辉辉,龚启勇

不同级别中国象棋运动员脑功能成像研究

梁东梅1,刘承宜1,邱丽华2,段旭君3,李辉辉3,龚启勇2

目的:比较中国象棋大师级和一级棋士级运动员大脑功能的不同,讨论“项目内稳态”的神经表现。方法:采用大脑功能磁共振成像方法,应用基于Matlab的统计参数图软件(SPM)分析第1届全国智力运动会中国象棋运动员脑区激活信息。结果:大师级运动员有范围更广、程度更高的脑区激活,主要体现在右侧中央前、后回和左侧额叶上、中回,一级棋士右侧枕叶上回激活程度更高。结论:中国象棋大师级运动员在逻辑推理、空间工作记忆和运动控制等方面的水平比一级棋士更高。

神经影像;中国象棋;运动员;脑功能

磁共振信号与血流中含氧量有关,测量脑活动时脑内各处血流含氧量的变化可反映相应的神经细胞活动的变化[4],功能磁共振成像技术(Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)可探测大脑完成认知任务时的工作情况,近年来已成为脑认知科学的研究热点。

棋类活动是人类高级认知活动的代表,文献大多研究国际象棋。前人曾对性别[8]、年龄[9]、智力[15]、练习[7]甚至出生月份[12]等多种影响因素与运动员水平的关系进行过研究。到目前为止,仅A therton[6]和Chen[10]利用fMRI分别对国际象棋和围棋运动员对弈时大脑的工作情况进行了研究。中国象棋极具中国特色,拥有众多的爱好者,中国运动员几乎包揽了世界上所有中国象棋比赛的奖牌。截止目前,对中国象棋的研究仅涉及其历史[2]、文化[3]、机器博弈[5,28]等方面,尚未见对棋手大脑功能进行研究的报道。

近两年世界和全国智力运动会在中国的召开让国人认识到棋类活动作为竞技比赛项目的吸引力。竞技比赛有输赢,运动员按比赛成绩分运动等级,中国象棋也不例外。Ross等人[24]和Milton等人[19]以高尔夫入洞竿数作为划分运动等级的标准,发现不同级别运动员大脑激活脑区部位和程度不同。Kim[17]和Wei[27]分别对不同级别射箭运动员和跳水运动员进行的研究也有相似结论,以上研究提示,从脑功能角度看,不同运动等级运动员技能相关的神经基础不同。

本研究采用fMRI方法对中国象棋大师级和一级棋士级运动员进行比较分析,为研究运动水平的中枢神经机制提供借鉴。

1 fM RI数据采集与分析处理

1.1 受试基本情况

在最近发表的相应的国外文献中,涉及大师级运动员一类“稀少人群”的fMRI研究曾采用6～7人[19]。据东萍象棋网数据,我国中国象棋男运动员共6 768人,大师级运动员共110人,男性大师级运动员在棋手中所占比例为1.6%。本实验收集的对象为第1届智力运动会的运动员,共有182名男性参赛运动员报名参加比赛,经最大的努力,已将符合条件并自愿参加测试的受试纳入。

本实验收集男性参赛运动员13名,其中大师级运动员6名,年龄25.67±6.8岁,体重70.33±10.5 kg,受教育年限13.83±1.83年;一级棋士7名,年龄29.43± 10.42岁,体重75±15.28 kg,受教育年限12.43±2.37年。两组受试年龄、体重、受教育年限均无显著性差异(P>0.05)。受试均身体健康,无神经精神疾病史和用药史,均为右利手。

1.2 实验任务设计

如图1所示,本实验设计为8 s静息准备状态和594 s任务刺激状态。静息准备状态为黑色底色加正中小白色十字界面,要求受试定睛看十字,避免走神。任务刺激状态为1个循环(section),包括9个单元(trail),每个单元依次呈现空白棋盘、随机棋盘和残局三种任务刺激,分别持续22 s,包括20 s刺激时间和2 s选择时间。在每个任务刺激后2 s的选择时间中,屏幕将显示“1”、“2”两个数字,受试以食指按“1”,中指按“2”,在空白和随机棋盘刺激后,受试随机进行按键,两个数字没有差异,在残局刺激后,受试作为红方,按“1”代表想出如何将死对方,按“2”代表未想出。本实验任务设计采用心理学实验软件E-p rime编程实现。

图1 实验任务设计示意图

1.3 数据采集

采用四川大学华西医院放射科磁共振研究中心西门子3.0T全身磁共振成像仪(Siemens Magnetom Trio 3.0T),受试实验时仰卧,头部左右侧加软海绵垫固定于线圈内以减少头部运动。与计算机相连的投影仪将实验任务内容投射到成像仪内的屏幕上,受试通过头部所戴扫描线圈上的反光镜观看屏幕内容。以平面回波成像(Echo-Planar Imaging,EPI)序列采集T2＊功能像,扫描参数:TR =2 000 ms,TE=30 ms,翻转角度为90°,层厚5 mm,矩阵64×64,视野240×240 mm2,体素大小为(3.8×3.8× 5.0)mm3,共30层,隔层扫描。

1.4 数据处理

采用统计参数图(Statistical Parametric Mapping,SPM)软件SPM 2在Matlab R2008a的平台上对实验数据进行预处理,对每个受试的fMRI数据首先进行时间校正、头动校正,排除头部平动大于1 mm、转动大于1°的受试对象,而后将校正后的图像进行空间标准化,采用SPM自带蒙特利尔神经学研究所(Montreal Neurological Institute,MN I)模板空间,并将每个体素重采样至(3×3×3)mm3;最后使用高斯函数进行平滑,降低空间噪声,半高宽(full width at half maximum,FWHM)取8 mm。采用配对样本t检验(P<0.001,未校正),激活范围阈值设为5个体素。

2 实验结果

对大师组和一级棋士组受试残局减空白棋盘的数据做配对样本t检验的组间分析,分别得到大师组比一级棋士组激活程度更高(P<0.001,未校正)以及一级棋士组比大师组激活程度更高(P<0.001,未校正)的脑区。

2.1 大师组高于一级棋士组的结果

由图2和表1可以看出,大师组受试比一级棋士组受试激活范围更广(以激活簇内体素数量表明)、程度更高(以t值表明)的脑区有双侧中央后回、双侧额叶中回、右侧中央前回、左侧额叶上回、右侧扣带中回、左侧中央旁小叶和右侧壳核。

图2 任务减空白刺激时大师组比一级棋士组激活程度更高的脑区(横截面观)图

2.2 一级棋士组高于大师组的结果

一级棋士组受试比大师组受试激活范围更广、程度更高的脑区为右侧枕叶上回(Right Superior Occipital,表2)。

表1 本研究任务减空白刺激时大师组被试激活程度更高的脑区数据一览表

表2 本研究任务减空白刺激时一级棋士组运动员激活程度更高的脑区数据一览表

3 分析与讨论

刘承宜等人[1]研究发现,运动训练可以形成项目特异的内稳态(sport-specific homeostasis,SSH)。SSH的品质包括运动功能的复杂性和稳定性。项目的运动成绩表征了功能的复杂性,成绩越好,复杂性越高;项目成绩的可重复性代表了功能发挥的稳定性,可重复性越好,功能发挥的稳定性越高。显然,SSH的品质越高,运动成绩越好。训练会导致大脑皮层产生可塑性变化,神经系统的可塑性是SSH的神经表现。

不同级别运动员的区别可以分为两个层次。第1种情况:两者所建立的SSH品质相同,低级别运动员的脑区激活比高级别运动员高。Ross等人[24]对高尔夫运动员的研究发现,在辅助运动区(supplementary moto r area)、小脑(cerebellum)和基底节(basal ganglia)等任务相关区域,随着受试水平的提高,大脑激活程度降低。Milton等人[19]对高尔夫运动员的研究发现,两组运动员完成某个技术动作想象时的大脑激活不同,高级别运动员主要激活顶上小叶(superior parietal lobule)、背外侧运动前区(dorsal lateral p remotor area)和枕叶(occipital area),低级别运动员还激活后扣带回(posterior cingulate)、杏仁核-前脑复合体(amygdala-fo rebrain complex)和基底节(basal ganglia)。研究认为,此类结果源于高级别运动员形成了集中和高效的任务相关网络,而低级别运动员却很难滤过不相关信息。

第2种情况:低级别运动员所建立的SSH品质低于高级别运动员的SSH品质,后者的脑区激活在一些区域高于前者,但在另一些区域低于前者。Kim等人[17]对射箭运动员的研究发现,二者放箭前习惯动作的大脑激活区有异同,两组均激活前、后扣带回(anterior and posterior cingulate gyrus),高级别运动员主要激活枕中回(occipital gyrus)、颞上回(temporal gyrus),低级别运动员主要激活额叶区(frontal area),同时,在相同激活区,高级别运动员激活强度高于低级别运动员。Wei等[27]对跳水运动员实施的动觉想象实验、Seung等[25]对音乐家的研究也支持此类结果。

大师组被试的SSH品质高于一级棋士组,本研究结果属于第2种情况。大师组比一级棋士组受试激活程度更高的脑区有右侧中央前回、双侧中央后回、双侧额叶中回、左侧额叶上回。中央前回主要负责运动功能,中央后回主要负责接收外来刺激,产生感觉。额叶主要负责逻辑推理[14]和空间工作记忆[11]等高级认知功能[20]。以往对国际象棋运动员的研究并不一致认可额叶的作用[6,21],本研究提示了自额叶在中国象棋大师级运动员大脑功能中的作用,但需进一步结合运动员智力和空间工作记忆等结果进行分析。大师组被试比一级棋士组被试在左侧中央旁小叶也有更高程度的激活,中央旁小叶前部为辅助运动区(supplementary motor area,SMA),该区为感觉运动皮层的一部分,主要负责运动准备和双手控制,其功能与视觉线索依赖的运动控制不同,掌管记忆中顺序运动的控制[26]。中央旁小叶后部为顶叶的一部分,顶叶主要参与包括空间信息处理、空间导向和内外空间信息交互在内的空间计算过程[22]。对国际象棋运动员的研究提出,顶叶与思考棋子可能走法的心理想象过程相关[6]。中国象棋大师级运动员在右侧扣带中回也有更高程度的激活,扣带回是大脑皮层和边缘系统间的白质连接纤维,研究提出后扣带回激活程度与运动技能掌握程度成反相关[23]。对围棋运动员的研究发现,在任务减空白刺激时也有后扣带回的激活,但未对运动员分级别进行讨论,也没有对扣带中回的讨论。中国象棋大师级运动员右侧壳核激活程度也更高。壳核和尾状核共同构成背侧纹状体,二者协作接收来自大脑皮层的传入信息,是皮层通往基底节的入口。壳核参与运动学习、控制、准备等功能[18],若发生异常,将导致帕金森等运动系统疾病[16]。

一级棋士组被试激活程度更高的脑区为右侧枕叶上回。枕叶主要负责视觉功能,较低水平运动员激活程度更高可能说明需要更多注意棋盘以思考如何行走棋子,而大师级运动员对棋局的不同布局已经熟悉,需要的视觉注意可能较少。棋类研究提出的“组块学说”(chunking theory)对此提供了一些证据[13],对国际象棋和围棋的研究也发现有枕叶的激活[6,10]。

本研究显示,与中国象棋一级棋士运动员相比,大师级运动员有范围更广、程度更高的脑区激活,主要在负责运动功能的中央前回、负责接收外来刺激产生感觉的中央后回、负责逻辑推理和空间工作记忆等高级认知功能的额叶上、中回。一级棋士运动员在负责视觉功能的枕叶上回激活程度更高。神经系统的可塑性是运动训练形成的SSH的神经表现,大师级运动员的SSH品质高于一级棋士运动员。

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Functional M RIStudies on Different Level Chinese Chess Players

L IANG Dong-mei1,L IU Cheng-yi1,Q IU Li-hua2, DUAN Xu-jun3,L I Hui-hui3,GONG Qi-yong2

This study app lied functional magnetic resonance imaging(fMRI)to investigate the difference of the neural basis of Chinese chess players between grandmasters and first level p layers.The chess p layers are studied in the 1st National M ind Sports Games by using the method of fMRI.The result showed that increased activations were observed in cortical areas such as right p recentral and postcentral cortex,left superior and middle frontal areas among grandmasters but in right occipital superior areas among first level players in comparison w ith each other.These results indicated that grandmasters may be of higher ability in logic reasoning,spatial wo rking memo ry and motor control.

neural imaging;Chinese chess;athlete functional m agnetic resonance imaging

G804.8

A

1000-677X(2010)08-0069-04

2010-04-14;

2010-05-28

国家自然科学基金资助项目(60878061)。

梁东梅(1982-),女,四川富顺人,在读博士研究生,主要研究方向为功能内稳态,Tel:(020)39315884,E-mail: dongmeiliang2008@yahoo.com.cn;刘承宜(1963-),男,四川大竹人,博士,教授,主要研究方向为功能内稳态, Tel:(020)85213369,E-mail:liutcy@scnu.edu.cn。

1.华南师范大学激光运动医学实验室,广东广州510006;2.四川大学华西医院放射科磁共振研究中心,四川成都610041;3.电子科技大学神经信息重点实验室,四川成都610054 1.South China Normal University,Guangzhou 510006, China;2.West China Hospital,Sichuan University, Chengdu 610041,China;3.University of Electronic Science and Technology,Chengdu 610054,China.