棋类项目磁共振成像研究综述

梁东梅　刘承宜

（1华南师范大学体育科学学院，广州 510006；2喀什大学教育科学学院，喀什 844000）

棋类项目磁共振成像研究综述

梁东梅1，2刘承宜1

（1华南师范大学体育科学学院，广州 510006；2喀什大学教育科学学院，喀什 844000）

本文沿影像技术发展的脉络，综述脑成像技术在棋类问题研究中的应用，展示技术进步如何促进棋类问题研究的深入，梳理对棋类对弈神经机制的认识，以期促进对人脑高级认知活动机制的理解。

医学影像；棋类项目；神经机制；高级认知活动

1　初期的尝试

最初，研究者根据间接手段，采用左右利手测试等推断棋类认知的神经基础。如Cranberg等观察发现，以非娱乐态度参加国际象棋的选手大多为左利手，从而据此推断右侧大脑半球负责国际象棋技能［1］。Chabris研究发现，非利手侧（如，右利手选手的非利手侧为左侧，右侧大脑负责左侧功能，即，右利手选手的右侧大脑，左利手选手的左侧大脑）大脑负责国际象棋技能［2］。虽然推断过程不一致，但不同研究者对负责国际象棋技能的大脑半球位置有相同看法。

此时，脑成像技术在认知科学领域开始被应用，而基于国际象棋问题解决的过程是典型的认知模型［3］。该过程也可在断层摄影术中实现，研究者以国际象棋认知任务为对象，先后使用PET（positron emission tomography）方法［4］和SPECT（single photon emission computerized tomography）方法［5］考察大脑如何解决从易到难的国际象棋问题。这两个实验首先展示了两种脑成像技术的适用性，其次验证了前人通过间接手段推论获得的结论，并进一步归结为非利手侧大脑负责国际象棋技能，更进一步，从SPECT实验所获得的结果发现，棋手思考国际象棋问题时，非利手侧大脑的背侧前额叶和颞叶在活动［5］。

2　棋类对弈脑成像研究的生态学效度

因为脑成像技术的特点，对肢体运动的脑机制研究受限。Ogata等认为，脑成像技术并不适用于考察下日本将棋（shogi，Japanese Chess）者的神经基础，因为所有技术对受试的身体运动都有限制，而光学地形绘图（optical topography，OT）方法却可能通过测试大脑血流间接地获得日本将棋者的大脑活动过程［6］。Ogata等纳入了两个受试下日本将棋的过程，但只测试到一个受试的大脑血流。结果发现，右侧额叶比左侧活动程度更高，并且视觉区的两个部分彼此交换信息。在Ogata的报道中，仅两个受试却只测试到一个受试的数据，而且丢失数据的原因是仪器容量有限，因此，OT方法在棋类过程研究中的应用还有待进一步考察。

对以fMRI为代表的神经科学实验技术而言，由于实验过程多以计算机屏幕呈现实验刺激，随着计算机的普及，越来越多的国际象棋选手学棋和练棋都不再用传统的棋子棋盘方式，而是通过计算机进行。因此，在实验中面对计算机呈现的棋局，完成想棋和解棋等过程对众多受试而言是很熟悉的，这提高了实验本身的效度。目前，国际象棋成为研究专家使用较多的领域［7－22］。在进行研究时，基于一个公认的标准来区分研究对象是十分重要的，国际象棋在此点上也有优势。国际象棋有国际公认的技能标准评价系统——等级分（ELO Rating）［23］，而且，国际象棋是一项复杂活动，有许多认知过程参与其中，同时，国际象棋棋盘的有限区域不仅提供了可控制的实验环境，在该有限区域中还可产生数目众多的可能棋局数目组合（约10123）。此外，几乎每一场棋赛每一位选手的每一步走棋都被纳入了数据库中，这为实验提供了众多可选素材。

3　专家-新手研究模式的应用

基于以上分析，使用国际象棋进行认知过程的研究有很高的效度。在心理学研究中，自传体记忆实验与实验室控制的实验相比，有较高的效度和较低的可控度。国际象棋专家具有一般专家的特点——技能表现的稳定性，因此，Campitelli等使用国际象棋专家自己的棋局和其他选手的棋局分别作为实验刺激，考察了国际象棋专家自传体记忆的神经基础，发现左侧颞叶—顶叶联合和左侧额叶的激活［24］，这与之前对国际象棋专家和业余选手记忆模块的研究结果一致。此前，研究者使用脑磁图描记（magnetoencephalograph，MEG）方法考察国际象棋特级大师和有十年以上练习经历的业余选手分别与计算机对弈时的Gammar波分布，发现特级大师更多分布在额叶和顶叶皮质，业余选手多分布在颞叶中回，并且，Gammar波的分布与国际象棋等级分（ELO Ranking）呈负相关，此研究提示国际象棋特级大师使用了熟练的业余选手不多用的脑区，揭示了相同时间但内容（或者强度，文中未告知）却不相同的训练和练习的结果［25，26］。

随着棋类理论研究的成熟，对专家研究提出的记忆模块理论（chunking theory of memory）［27］和模板理论（template theory）［28］在棋类研究中被普遍认可。研究者认为，国际象棋专家长时记忆中存在的模块数量和质量 （nature）可预测其下棋的表现［9］。Campitelli等使用国际象棋和非国际象棋刺激，通过变换刺激结构和受试对刺激的熟悉程度，使用专家—新手研究范式进行了fMRI结果的比较。研究者发现，大师面对不同程度的刺激结构和刺激熟悉程度，其大脑活动无差异，而新手却会呈现差异，在变换棋子摆放位置造成不同的国际象棋刺激熟悉程度时出现最大的差异。此时，边侧额叶区域（如前扣带区和上、中、下额回）和大脑后部区域（如后扣带区和小脑）呈现双侧高度激活。该研究结果证实，在完成专业技能时，专家与新手动用的大脑区域不同，至此，专家—新手研究范式为单个认知过程神经基础的研究提供了可能。

前文提及，随着模块理论被认可，Amidzic等从使用MEG方法对特级大师（2400～2600 Elo points）和业余棋手 （ranked 1700 and above on the Elo scale）进行的研究中总结出特级大师多动用近期记忆（recent memory），业余选手多动用远期记忆（remote memory）。Amidzic据此推断，特级大师的技能相关记忆模块在额叶和顶叶，业余选手在颞叶中回。Campitelli提出，国际象棋专家技能以模块形式获取并储存在长期记忆（long－term meory）中，此技能存在的形式促使了以技能为基础的快速认知的实现。Campitelli使用fMRI方法考察国际象棋专家完成记忆任务的过程以验证该推论，由于记忆任务本身的特点，工作记忆所在的额叶和顶叶脑区也将被激活［29］。表面上看起来，Campitelli与Amidzic虽然都基于国际象棋专家记忆模块理论在寻找国际象棋专家记忆模块所在的脑区，只是二者分别使用了fMRI和MEG两种不同的实验手段，而且其获得的结果好像不一致，但实际上，Campitelli使用的为国际象棋标准平均等级分 （Elo rating points）为1971（range 1750－2200）的受试为国际象棋专家，而相同等级分范围的受试在Amidzic的实验中被称为业余选手，仅等级分处于2400～2600的棋手才被纳为国际象棋专家。因此，Campitelli实验的结果其实与Amidzic一致，即国际象棋专家在下棋时动用近期记忆，其技能相关记忆模块处于额叶和顶叶，业余选手在下棋时动用远期记忆（长期记忆），其技能相关记忆模块位于颞叶（颞叶中回）。

在此之前，研究者在使用脑电图描记仪（electroencephalograph，EEG）对精神负荷（mental load）进行研究时发现，国际象棋对弈过程能实现在实验室模拟精神活动的目的，故采用不同难度的国际象棋图案作为刺激，记录棋手解决问题的过程，通过诱发脑电一致性测试 （evoked EEG coherence measures，EC）发现，与静息态相比，在任务处理过程中，EC改变的位置和方向取决于任务难度［30］。基于此结果，继续使用国际象棋进行的相关研究发现，当处理同样任务时，专家和新手表现不同的EC，以静息态作为对照，专家不仅体现在与新手不同的delta频段（位于大脑后部且多位于右侧大脑），而且专家在任务状态下的EC高于静息状态下，但新手却相反［31］。

根据棋类研究成果，Wan等发现，世界级和本地俱乐部级别选手棋盘搜索程度和范围无差异，但在游戏树枝搜索过程中不同［32］。最好的下一步走法经常包含在世界级选手搜索的第一部分，而本地俱乐部级选手经常在他们大范围的搜索中将此遗忘。有人认为，世界级选手主要通过信号记忆产生一个或多个最好的下一步走法。专家更优秀的表现体现在棋盘模式记忆任务中，有人推测，棋类专家使用感知单元（模块，即许多棋子组成的各种不同的模式化的布局安排）迅速感知棋盘模式。由于模块与长期记忆中下一步最好的走法相关，棋类专家对模块的感知自动在大脑中产生最好的下一步走法。Wan等同时认为，虽然过去成像研究发现专家大脑有体积的部分改变和特殊活动过程，但以上提及的自动过程（由于对模块的感知而自动在大脑中产生最好的下一步走法）的神经基础尚不知道。此外，就日本将棋自身特点而言，据专业棋手报告，最好的下一步走法是“凭直觉产生”（意味着迅速且自动产生，没有意识搜索过程参与，是一个内隐过程），剩余的时间用于确定的搜索和考虑更高级别的策略。专家的此直觉过程像常规一样出现，其不同于顿悟，顿悟发生的频率更低且不可预测。Wan等以fMRI方法观察了受试下日本将棋时的大脑活动，以揭示快速感知棋盘模式和随后快速产生最好的下一步走法的神经基础。由于心理学研究显示，棋类专家凭直觉产生下一步走法是基于对模块更高级和更快的感知，故此，该实验首先设置一个日本将棋模块的感知实验，在之后设计了快速判断下一步走法的实验。Wan等充分利用棋类理论研究中的记忆模块理论，将对模块的感知和自动产生最好的下一步走法联系起来，从而考察了专家通过直觉产生最好下一步走法的神经过程。

4　新技术推动棋类对弈的脑机制研究

在最初的成像技术实验中，研究者将受试在不同认知环境下的大脑反应相减，比如将受试判断将棋时的反应减去受试对国际象棋规则的反应，Nichelli等部分模拟了下国际象棋者的复杂认知过程，且发现双侧枕叶和顶叶（areas 7、18、20）、上额叶某区（area 8）和两个前额叶区（左侧枕—额皮层和右侧前额叶皮层）在该过程中的作用［4］，揭示了可能会与国际象棋认知过程相关的皮层区域，但国际象棋完整认知过程的神经基础仍不可知。通过真实下棋场景下再现真实的棋局，模拟其中的视觉搜索和注意过程并将其认知影响在下棋场景中除去，同时，适逢非侵入性功能成像技术 （non－invasive functional magnetic resonance imaging，non－invasive fMRI）的发展，为在人体研究下棋这一复杂过程的中枢神经基础提供了契机。

Atherton等使用fMRI方法定位了国际象棋认知过程的皮层功能脑区［33］，虽然未能清楚了解整个国际象棋认知过程的神经机制，但fMRI方法在国际象棋研究中的应用为了解该认知过程中的脑区活动模式提供了可能，同时，fMRI方法在除国际象棋以外其他棋类项目中的应用将促进人们了解不同棋类认知任务的特点。Chen等同时使用fMRI对围棋进行了研究［34］。对国际象棋的fMRI研究发现，激活脑区主要位于顶叶 （parietal areas）和顶／枕叶（occipital／parietal lobes），提示国际象棋主要涉及空间认知。由于缺乏额叶激活，尤其是左边侧额叶 （如area 46和／或area 6）的激活，而该区域与智力和逻辑推理相关［35，36］，故推测智力因素不参与国际象棋认知过程。对围棋的fMRI研究也发现缺乏额叶激活，但研究者并不否定智力因素在围棋认知过程中的作用，而认为可能是由于受试对实验中的围棋棋局熟悉，从而导致受试不需过多思考即可清楚走棋方法。这一推论与前人发现面对相同分析任务时，智力更高的受试额叶激活更弱一致［37］。但研究者随即发现此解释并不具备足够的说服力，因为围棋fMRI研究中的受试均为业余围棋选手，研究者故此建议下一步的研究可考虑使用经过长期专业训练的围棋专家考察此现象。同时，国际象棋和围棋的脑区激活均无大脑半球优势，比如，就国际象棋而言，52.6%处于左侧半球，与右侧半球几乎无差异。此结果不仅与前人的研究结论——非利手侧大脑半球负责国际象棋技能不同，也与前人认为的右侧大脑半球负责空间认知不一致［38］。对国际象棋和围棋fMRI研究的比较发现，仅围棋在左侧大脑半球前额叶背边侧区域（area 44／45）有激活。研究者认为，该区域通常与产生语言相关，发生此差异可能由于较国际象棋选手而言，围棋选手对棋盘策略位置的名称更熟悉。

Ouchi等使用PET方法对比了8名男性专业围棋选手和6名业余围棋选手（4名男性，2名女性）判断过程的神经基础［39］。在实验中，受试面对开局判断和终局判断两种情况，每种情况呈现60s，受试在每种情况下都默想如何走棋并在实验后将结果告知研究者。研究者发现，在开局判断时，两组均激活顶叶，业余选手额外激活前额叶；在终局判断时，业余选手激活前运动区和顶枕皮质（视觉空间区域），专业选手激活楔前叶和小脑；将两组选手在终局判断时的激活区域比较发现，专业选手在楔前叶和小脑有显著更强的激活，业余选手在前运动区有更强的激活；另外，高级别等级分的专业选手在小脑有很显著的激活。研究者据以上发现推断：对于专业围棋选手而言，小脑和楔前叶在通过视觉想象和非运动学习记忆进行准确判断的过程中有重要作用。

对比以上两篇对围棋的研究发现，单一使用业余选手（新手）研究棋类认知过程并不能全面说明棋类复杂认知过程的神经基础，因为当面对相同技能和经验相关的认知任务时，通过脑功能成像手段获得的专业选手和业余选手的活动脑区不同，这与Volke等［31］使用EEG对国际象棋专家和新手进行的研究所得的结论相似。不同的是，Volke等获得的是国际象棋专家新手的EC频段，该频段不仅与新手不同，并且更多位于大脑后部和右侧大脑，同时，专家任务状态下的EC高于静息状态下，但新手却相反。在Ouchi等的研究中却未体现静息状态下专家新手的脑区活动情况，虽然专家新手在围棋开局和终局的判断过程都有不同，但却不知两组受试的两个过程分别与其静息状态相减后各组的脑区活动会有何样差异。Atherton等对国际象棋的fMRI研究也仅考虑了新手（男性，7名，知道规则和简单的策略，曾经规律地进行过国际象棋练习）。若以后对棋类复杂认知过程神经机制的研究不仅测试专家和新手，并将想棋过程和基点静息状态一并测试并比较，可能会更全面地帮助人们认识不同棋类各自的特点和共同点。

5　总结与展望

虽然对棋类各种认知过程，如感觉整合［2］、心理意象［40］和记忆［26，29，40－42］的研究已经开展，同时，如上所述，通过不同的实验技术，如PET［4］、SPECT［5］、MEG［25］、EEG［31］、fMRI［32－34］和 OT［6］对下国际象棋［4，5，25，31，33］、围棋［］和日本将棋［］者神经基础的研究已广泛开展，但截至目前，就棋类问题解决过程本身而言，无前人对中国象棋问题解决过程大脑活动的研究，同时，无前人考察过长期棋类训练对人脑所产生的效应。

众所周知，身体训练会对大脑产生可塑性影响。从脑成像角度而言，前人多通过横向研究来考察身体训练的相关效应，考察对象包括出租车司机［42］、音乐家［43，44］和打字员［45］等。在纵向研究中，从单一或者复杂运动学习的效应［46，47］到视觉—运动协调的复杂学习过程［48，49］的神经基础均有被揭示。虽然前人研究不多，但思维训练会带来大脑可塑性变化，前人曾对数学家［50］、会两种语言者［51］和掌握多种词汇者［52］等进行了研究。不管身体训练抑或思维训练，在考察训练所致大脑可塑性影响时，大脑结构会发生何样变化是研究者首先考虑的问题。除以上论及的对象以外，跳水运动员［53］、高尔夫球手［54］、篮球选手［55］与年龄性别匹配的一般人相比均呈现训练相关的大脑结构改变；通过杂耍训练［48，49，56，57］、镜读练习［58］和复杂运动技能练习［59］也会带来大脑结构的改变。虽然可以肯定训练将导致大脑结构可塑性改变，思维训练也不例外，对棋类选手的大脑成像研究也较多，但尚无对长期棋类训练导致大脑结构改变的研究。

除去健康受试的大脑，病人大脑也是可塑性现象的范例，但由于fMRI需要复杂精细的实验设计，在实验中要求受试密切配合以达到对刺激变量的操作，因此在研究病人时并不具有优势。静息态脑功能成像（resting－state functional magnetic resonance imaging，rs－fMRI）研究发现，大脑在没有执行任务的清醒、休息状态时，一些特定的脑区也存在着功能活动［60，61］，称为脑自发的功能活动。因而，从理论上讲，rs－fMRI信号能够反映大脑能量的新陈代谢的情况，同时，rs－fMRI实验只要求受试放松、安静、避免任何有结构的思维活动的状态，实验过程简单，受试容易配合，因此在临床研究病人时更常用。但实际上，除病人外，rs－fMRI也被应用于对正常人的研究，而且人们通过rs－fMRI已经发现，训练会导致距离相隔较远的脑区同步活动的改变［47，62］。不仅距离相隔较远的脑区，局部脑区的自发性活动［63］也可以通过rs－fMRI检测并使用 “局部一致性（regional homogeneity，ReHo）”分析方法获得。ReHo分析方法由臧玉峰等［64］于2004年提出，此方法假设在一定条件下功能激活区内相邻体素的BOLD信号随时间变化具有相似性，此一致性可使用肯德尔和谐系数（Dendall’coefficient of concordance，KCC）来度量。ReHo已经被应用于健康受试rs－fMRI数据的分析中［64，65］。基于此，长期棋类训练对局部脑区功能连接是否产生改变以及产生何样的改变可以通过基于ReHo分析方法的rs－fMRI实验获得。

综上所述，虽然对棋类各种认知过程的研究已经开展，同时，通过不同的实验技术对下国际象棋、围棋、日本将棋者的神经基础的研究也已广泛开展，但截至目前，就棋类问题解决过程本身而言，无前人对中国象棋问题解决过程大脑活动的研究。同时，无研究考察过长期棋类训练对大脑结构和局部脑区功能连接所产生的效应。开展相关研究将进一步促进对棋类对弈神经机制的认识，从而促进对人脑高级认知活动工作机制的认识。

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Review on Magnetic Resonance Imaging Research on Chess Problems

Liang Dongmei1，2，Liu Chengyi1
（1 School of Physical Education＆Sports Exercise，South China Normal University，Guangzhou 510006；2 School of Educational Science，Kashgaer University，Kashgaer 844000）

This paper reviewed the application of magnetic resonance imaging technology to the research of chess problems based on the development of imaging technology in order to show how technological development advance the research of chess problem，renew the knowledge of neural mechanism of chess playing in order to improve the understanding of working mechanism of higher cognitive activity of human brain.

medical imaging；chess games；neural mechanism；higher cognitive activity

国家自然科学基金（31560286），广东省科技厅公益研究与能力建设专项资金（2014A020209076）

刘承宜，男，教授，博士生导师。Email：liutcy＠scnu.edu.cn