激活似然估计法分析运动相关专业人员脑灰质可塑性

刘述芝，陈 渝，周任洁

(重庆大学体育学院，重庆 400044)

神经影像学和基于体素对运动员大脑灰质厚度、体积、密度及白质纤维结构变化的形态学研究[1-5]发现，运动相关专业人员大脑灰质结构变化可能与其接受的长期特定运动技能训练所涉认知过程相关。既往研究[4-8]多针对某运动项目的熟练运动员与新手进行对照研究，以观察大脑结构的可塑性，不同研究间运动项目不同，结论各不相同，而运动任务训练各自具有其特殊性，可比性较差。本研究采用脑成像领域最常用的元分析方法——激活似然估计法(activation likelihood estimation, ALE)对运动相关专业人员大脑灰质结构可塑性研究进行Meta分析，探讨长期训练诱发大脑灰质可塑性的特征及其神经机制。

1 资料与方法

1.1 文献检索 以“大脑灰质”、“体素形态”、“脑可塑性”、“脑结构”、“运动员”、“运动技能专家”、“专业舞者”为中文检索词，以“gray matter”、“voxel-based morphometry”、“brain plasticity”、“brain structure”、“athlete”、“motor skill expert”、“professional dancer”为英文检索词，于CNKI、PubMed、Web of Science进行检索，检索时间为2005年1月1日—2020年6月12日。应用Google scholar搜索引擎对已有元分析或综述文献的参考文献进行人工补充检索，以确保纳入文献的完整性。

1.2 文献筛选 纳入标准：①正式发表的中文或英文完整论文；②以年龄、性别不限健康优秀运动员(国家二级及以上运动员或具有优秀运动技能的专业人员，如杂技演员)为试验组、非运动相关人员为对照组，进行组间比较的横断面研究；③采用SPM或FSL软件对MRI数据进行基于体素的全脑形态学分析(voxel-based morphometry, VBM)，并报告标准化脑灰质密度增强或灰质体积增加的蒙特利尔神经学研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)或Talairach三维空间峰值坐标；④对于符合上述标准且由同一作者或研究机构完成的多项研究，将其中样本量最大者纳入分析。排除标准：①基于感兴趣脑区分析的坐标数据；②文献类型为摘要、会议、综述或元分析；③未报告比较结果；④坐标空间不明。

1.3 ALE分析 以Ginger ALE 3.02软件为脑成像ALE元分析工具。将原始报告中的Talairach标准空间坐标转换为MNI空间坐标。以P<0.001为激活似然估计图的阈值，采用未矫正P值(UncorrectedP)进行纠正，设簇像素最小值为100 mm3[1-2]。采用Mango 4.0软件将三维坐标与标准大脑进行重合，以可视化ALE分析结果。

2 结果

2.1 纳入文献基本特征 初步检出589篇文献，根据纳入及排除标准筛选后最终纳入21篇[3-23](图1)，其基本特征见表1。21篇中，15篇涉及脑灰质体积增加[3-17]、7篇涉及脑灰质密度增加[3，18-23]；总样本量为934名，其中试验组396名、对照组538名。

图1 文献筛选流程图

表1 21篇纳入文献基本特征

2.2 ALE元分析结果 相比对照组，试验组共存在7个灰质体积增加的激活簇和7个灰质密度增加的激活簇，见表2；试验组左侧脑岛、右侧顶下小叶、右侧额中回、右侧前扣带回、左侧楔前叶、右侧颞上回表现为灰质体积增大(图2)，右侧小脑前叶、右侧小脑顶、左侧海马旁回、右侧丘脑、右侧小脑后叶、右侧额上回及左侧楔前叶灰质密度增加(图3)。

图2 灰质体积增加的ALE可视化激活脑区(橙黄色区域) L：左侧；R：右侧；INS：脑岛；IPL：顶下小叶；MFG：额中回；AC：前扣带回；PR：楔前叶；STG：颞上回

图3 灰质密度增加的ALE可视化激活脑区(橙黄色区域) L：左侧；R：右侧；AL：小脑前叶；CUL：右侧小脑顶；PG：海马旁回；THA：丘脑；PL：小脑后叶；SFG：额上回；PRE：楔前叶

表2 ALE分析激活簇结果

3 讨论

体育比赛中常出现外部场景、目标和对手等环境背景动态变化，运动员需根据现场不确定因素及时做出判断，例如对手进攻策略及队员之间相互配合等，故应具有较普通人更强的预测功能，对某些必须具备运动相关技能的专业演出人员亦然。本研究采用ALE观察长期专业运动训练对运动相关专业人员大脑灰质体积和密度的影响，结果显示左侧脑岛(BA13)、右侧顶下小叶(BA40)、右侧额叶(BA11、BA6)、右侧前扣带回(BA24)、左侧楔前叶(BA7)及右侧颞上回(BA41)灰质体积增大，使其拥有高度协调的脑岛，可精确预测身体下一刻的感觉，提示经过长期专业训练刺激，运动相关专业人员脑岛灰质体积可能增大。对于这些专业人员而言，比赛或演出及训练时，注意处理、运动感知和意图分析过程是决定结果的关键因素。

有学者[24]分析16名健康受试者，发现颞上回在观察复杂的视觉运动、点光源运动、观看他人动作并判断意图任务时出现激活，表明颞上回参与感知和理解他人动作的行为。YU等[25]研究证实，颞上回与颞中回于感知和分析自身运动状态具有重要作用。大脑皮层对感觉信息与躯体运动之间在协调互动处理过程，楔前叶在调节视觉-运动转换方面具有重要作用[26-27]。训练和比赛或演出中，运动相关专业人员需根据不同对视觉刺激信息不断调整和变换身体动作，以适应当前情境；长期动作学习和运动训练带来的大量视觉信息加工和处理可使负责视觉信息系统的楔前叶灰质体积出现适应性变化；顶下小叶在观察和模仿他人动作时均发生激活，提示顶下小叶可能是人类识别和模仿他人行为和姿势的神经基础。前扣带回皮层可监控正在进行的目标定向行为，长期专业训练可使前扣带回发生可塑性变化而体积增大，在不断提升与强化运动技能的过程中，前扣带回可能具有纠正错误或抑制干扰信息的作用，以提升执行控制的正确率[28]。

本研究发现，运动相关专业人员右侧小脑前叶、右侧小脑顶、左侧海马旁回(BA19)、右侧丘脑、右侧小脑后叶、右侧额上回(BA10)及左侧楔前叶(BA7)灰质密度均增加。丘脑是大脑传递信息的中继站，而快速空间信息处理、精确感应运动、精确控制与协调身体均为运动相关专业人员必须具备的条件，长期训练可诱发相关区域神经可塑性[29]。海马旁回是介导短时程记忆转化为长时程记忆的重要脑区，在情景记忆、情绪、空间位置定向等行为编码中扮演重要角色。运动相关专业人员的海马旁回在长期训练和比赛或演出中不断被激活，使其灰质密度增加[30-31]。相关解剖学、临床及神经成像研究[8,32]表明，长期运动技能训练可诱发小脑结构的可塑性，导致小脑前叶、后叶灰质密度显著增加，不仅支持运动控制功能，还有助于加强非运动功能如视动协调、执行控制等。

本研究的主要不足：①基于具有显著差异的已发表坐标、而非原始数据进行分析；②采用比较保守的多重比较矫正方法分析纳入文献数据，有待纳入更多文献、以更严格的矫正方法进一步观察；③基于横断面研究数据进行分析，不能完全排除先天优势条件等其他因素的影响。

综上所述，运动相关专业人员多个脑区灰质结构的可塑性可能与其接受长期技能训练有关。