任务难度对定向运动练习者路线决策的影响研究

赵明生 刘静如 鲍圣彬 刘阳

摘 要：目的：利用功能性近红外光谱成像技术（fNIRS）探讨定向运动练习者前额叶皮层（PFC）在不同任务难度负荷下识图路线决策的脑激活模式，揭示定向运动项目路线决策的认知特征和内在机制。方法：选取23名定向运动练习者，分别进行简单任务和复杂任务的路线决策实验，通过fNIRS监测左侧腹外侧前额叶（L-VLPFC）、右侧腹外侧前额叶（L-DLPFC）、左侧背外侧前额叶（R-VLPFC）、右側背外侧前额叶（R-DLPFC）的血氧（Oxy-Hb）激活浓度变化。结果：（1）随着任务难度的增加，受试者路线决策任务的正确率显著下降，反应时显著升高。（2）大脑双侧PFC的激活强度随着任务难度增加而增强，背外侧前额叶激活显著（P<0.05）。（3）在复杂地图条件下，背外侧与腹外侧前额叶血氧激活强度均与正确率相关显著，在简单地图条件下右背外侧前额叶相关不显著。（4）复杂地图条件下，前额叶各脑区间脑网络连接相关性均显著，简单地图条件下，右侧腹外侧与右背外侧前额叶脑区相关不显著。结论：fNIRS可以检测到定向运动练习者在不同难度识图路线决策任务下，大脑双侧PFC在激活强度和血氧响应模式存在差异，表现出随着任务难度增加，行为绩效能力下降，背外侧前额叶功能激活显著，前额叶各脑区功能连接增强的认知特征。

关键词：定向运动;地图;功能性近红外光谱成像技术;前额叶皮质区;路线决策

中图分类号：G804.8   文献标识码：A  文章编号：1006-2076（2022）02-0110-08

The Influence of Task Difficulty on Route Decision of Orienteering Exercise Practitioners：Evidence from fNIRS

ZHAO Mingsheng1，LIU Jingru2，BAO Shengbin1，LIU Yang1，3

1. School of Physical Education， Shaanxi Normal University， Xi'an 710119，Shaanxi China; 2. School of Physical Education， Northeast NormalUniversity， Changchun 130024，Jilin China; 3. Laboratory of Sports Learning Science，Shaanxi Normal University， Xi'an 710119，Shaanxi China

Abstract：Objective：To explore the brain activation patterns of map-recognition route decision-making in the prefrontal cortex （PFC） of orienteering exercise practitioners under different task difficulty loads using functional near-infrared spectroscopic imaging （fNIRS）， and to reveal the cognitive characteristics and underlying mechanisms of route decision-making in orienteering exercise programs. Methods：Twenty-three orienteering exercise practitioners were selected to perform route decision-making experiments for simple and complex tasks， and the activation of blood oxygen （Oxy-Hb） in the left ventral lateral prefrontal lobe （L-VLPFC）， right ventral lateral prefrontal lobe （L-DLPFC）， left dorsolateral prefrontal lobe （R-VLPFC）， and right dorsolateral prefrontal lobe （R-DLPFC） was monitored by fNIRS concentration changes. Results：1. With increasing task difficulty， the correct rate of subjects on the route decision task significantly decreased and the reaction time significantly increased.2 The activation intensity of the bilateral PFC of the brain was enhanced with increasing task difficulty， and dorsolateral prefrontal activation was significant （P<0.05）.3. In the complex map condition， both dorsolateral and ventral lateral prefrontal blood oxygen activation intensity correlated significantly with correct rate， and in the simple map condition The correlation between right dorsolateral prefrontal and dorsolateral prefrontal brain regions was not significant in the complex map condition. 4. The correlation between brain network connections among prefrontal brain regions was significant in the complex map condition， and the correlation between right ventral lateral and dorsolateral prefrontal brain regions was not significant in the simple map condition. Conclusions：fNIRS can detect differences in activation intensity and blood oxygen response patterns in the bilateral PFC of the brain of orienteering exercise practitioners under different difficulty map-recognition route decision-making tasks， showing： a decrease in behavioral performance capacity with increasing task difficulty， significant functional activation in the dorsolateral prefrontal， and enhanced cognitive characteristics of functional connectivity among prefrontal brain regions.336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508

Key words：orienteering; maps; functional near-infrared spectral imaging; prefrontal cortical areas; route decision making

定向运动（Orienteering）是利用一张详细精确的地图和一个指北针，按顺序到达地图上所指示的各个点标，以用时最短者为胜的运动项目[1]。定向运动不仅需要参与者具备良好的身体素质，还需拥有较高的认知能力[2]，被誉为一项同时进行国际象棋和马拉松赛跑的高认知决策和体能类运动项目。比赛过程中，运动员需要快速准确读取地图信息，结合地图路线的可跑性、爬高量、地貌以及所存在的障碍物等因素，利用自身的知识结构和经验对地图上的信息快速而有效地识别、加工和编码[3]，从而规划出一条合理的跑动路线。快速、准确的路线决策是定向运动项目取得比赛胜利的关键所在。

决策是大脑根据决策者的主观意愿及现实情况进行选择行为的过程[4]。决策行为的发生伴随着视觉搜索[5]等基本脑认知功能[6]。运动决策是指运动员通过视觉搜索感知信息、查找情景特征，寻找与运动任务有关的线索、应用基本脑认知功能确定线索并调整注意、进行决策，采取行动[7]，一般分为直觉决策[8]和认知决策[9]。目前研究多集中在直觉决策项目。直觉决策是指运动员在运动环境中做出的一种快速的、直接的、偶然的决策，如网球接球位置的决策需要500～600 ms内进行判断[10]。认知决策主要依靠逻辑思维，在严密的逻辑体系和严格的逻辑规则下进行，需要在一定时间内进行多个目标运动决策[11]。定向运动是典型的认知决策类项目[1]，对定向运动项目识图路线决策进行深入研究，可为运动领域认知决策研究提供更广泛的理论支撑。

定向运动项目的相关研究主要体现在定向运动员认知优势和定向运动改善不同人群认知功能价值研究两方面。在定向运动员认知优势研究中，主要有视觉搜索、工作记忆、认知决策、心理旋转[12-16]等认知指标，多采用行为学测试方法[17]。对定向运动员识图效率的研究发现，地图难度会制约定向运动选手识图决策行为表现[17-18]。也有学者通过眼动指标分析发现，路线决策过程受视觉搜索和工作记忆的制约，不同任务难度条件下表现出不同的眼动特征[19]。相关的研究结论均反映了任务难度对定向运动员空间认知加工过程具有显著的影响。此外已有研究表明，定向运动练习对注意缺陷多动障碍（ADHD）儿童执行功能、青少年和老年人空间导航能力具有改善效益[20-23]。然而，以往的研究对识图路线决策任务中的脑加工作用机制还不明确，在不同任务难度水平下大脑不同脑区的血氧响应模式还不清楚。

近年来，随着认知神经科学的深入开展，为定向运动员认知特征研究提供了更多的技术手段和思路。功能性近紅外光谱成像仪（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）具有受头动的影响较小、安全性能高、便携、时空分辨率较高、可以长时间且重复测量等优点[24-25]，已经广泛应用在足球[26]、羽毛球[27]、太极拳[28]等运动项目，这为本研究探索定向运动中任务难度和路线决策之间的内在关系及脑加工机制提供了很好的技术支撑。通过fNIRS技术发现，前额叶（PFC）在认知过程中扮演着重要的角色。PFC是接收来自大脑其他功能区的经过处理的外部信息，然后整合记忆、意图等大脑信息，立即做出合理的计划的区域[29]。背外侧前额叶（DLPFC）和腹外侧前额叶（VLPEC）作为前额叶皮质的主要功能区与运动认知相关的脑功能和依赖于情境的决策行为息息相关。因此，本研究选取DLPFC和VLPEC为兴趣区，对不同难度条件下定向运动练习者路线决策的认知机制进行探究。

针对上述问题，本研究提出以下假设：（1）不同任务难度条件下，定向运动练习者会表现出不同的行为绩效。（2）行为学结果与脑血氧结果具有相关性，不同的任务难度类型会造成识图路线决策任务中Oxy-Hb在PFC功能脑区上的激活差异。本研究通过探讨大脑双侧PFC分别在识图路线决策不同任务难度水平下的血氧响应特性，明确双侧PFC的功能活动随着任务难度的不同而发生的变化，以期为进一步揭示不同任务难度下定向运动练习者大脑的功能活动机制提供参考，为今后通过神经调控提升高难度下的识图绩效提供客观依据，为定向运动改善认知的不同干预模式效益提供理论支撑与实践指导。

1 研究方法

1.1 实验对象

选取23名（男生11人，年龄19.16±1.01岁，女生12人，年龄18.63±0.68岁）陕西师范大学定向运动代表队队员作为受试者，训练时间均为1年以上。所有被试者采用以下纳入标准：（1）受教育程度一致;（2）右利手;（3）裸眼视力或矫正视力正常;（4）无任何无精神疾病史;（5）能够熟练掌握定向运动专项基础知识;（6）均未参加过类似实验。实验均征得了被试者的同意，并签署了实验知情同意书，完成实验后被试者将会领取到相应的报酬，该研究已得到本校伦理委员会的批准。

1.2 实验设计和材料

研究自变量为不同难度的地图类型，分为简单地图和复杂地图，因变量为行为学的正确率和反应时以及大脑前额叶4个脑区的含氧血红蛋白的浓度变化。

刺激材料：地图采用800×600像素的定向运动比赛标准，分为简单地图和复杂地图。定向运动地图由3名定向运动专家（国家级制图员）进行难度评分，简单地图为校园场景，地图信息多为建筑物等地物特征，复杂地图为野外山地场景，地图信息多为山体等地貌特征（见图1）。

1.3 实验设备和fNIRS测试方案

本实验采用便携式近红外脑功能成像系统Nirsport 2，检测受试者任务期间局部脑区的血氧动力学信号。以国际标准10-20系统法和人脑生理解剖结构来佩戴fNIRS光极帽实现探头布置，经过仪器和相应模板进行校准，确保既定通道可以准确落入前额叶皮质区。采用松紧头帽对模板和头部进行固定，在将探测器探头、近红外光源探头放置模板中时，需要将受试者的头发充分拨开，确保探头和头皮充分接触。在通道布局方面，包括13个光源探头以及8个接收探头，共同构成了28个测量通道，采样频率设为7.812 5 Hz（见图2）。根据已有的解剖标定体系（Anatomical Labeling Systems，LBPA40）来划分感兴趣区（Region of interest，ROI），共划分出4个ROI（表1）：左侧腹外侧前额叶（L-VLPFC）、左侧背外侧前额叶（L-DLPFC）、右侧腹外侧前额叶（R-VLPFC）、右侧背外侧前额叶（R-DLPFC）。以上4个ROI均匀分布在前额叶，采用多通道近红外数据空间配准到MNI空间的方法。336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508

1.4 实验流程

在实验前让被试者熟悉实验环境，并记录被试者的性别、年龄、训练年限、运动等级等基本情况，期间告知被试者实验注意事项。之后由实验人员为被试者佩戴fNIRS光极帽，并进行校准，使其通道连接。

实验包括两个阶段：练习阶段和正式测试阶段。练习阶段受试者完成5个点位共6次路线决策练习，因路线决策无法完成电脑端的路线绘制，实验采用手

绘方式进行路线决策。因此，练习阶段在考察受试者实验操作熟练度的同时，重点要求受试者头部和肢体尽量少动，保持相对稳定的状态。

正式测试阶段：首先采集正常状态下的电生理信号，时间为30 s，受试者保持放松状态，30 s后受试者在时间提醒下开始测试任务。每张包括20个目标点位，受试者从地图的起点出发，完成21次路线决策最后到达终点，每3次路线决策为一个block，每完成一个block，休息30 s（保证受试者的脑血氧恢复基线水平），30 s后提示受试者进行下一次任务。每张地图共计7个block，每个block前后手动标记mark点;两种地图之间的测试间隔为3 min，整个实验任务总计14个block，完成42次路线决策任务，实验全程设置时间提醒装置，受试者在观察纸质版定向地图并规划路线过程中记录测试总时间和脑血氧的变化（见图3）。

1.5 数据采集与处理

行为学数据：请3名定向运动专家对所有受试者路线决策结果进行5分制评定，取平均值作为路线决策正确率指标;分别记录受试者在两种不同地图难度下的路线反应时，反应时为测试总时间减去每个block间休息时间。利用SPSS 22.0对测量数据进行正态分布检验，夏皮洛-威尔克检验（S-W）检验结果显示数据均大于0.05阈值，服从正态分布;通过配对样本t检验，观察不同地图难度下的行为学指标的差异。

fNIRS数据：带通滤波滤除小于0.01 Hz和大于0.3 Hz数据，Nirsport 2系统通过朗伯比尔定律（Lambert Beer law）对采集的光学数据进行解算，得到Oxy-Hb的血氧信号数据。相较于Deoxy-Hb而言，Oxy-Hb对大脑局部血流变化更为敏感，因此本研究选取Oxy-Hb来反映大脑神经激活水平更为真实有效[30]。获得28个通道的Oxy-Hb原始数据后，使用MATLAB进行初步数据分析。采用主成分分析（PCA）的方法来去除运动伪迹对fNIRS数据的影响，平均各决策任务条件下的Oxy-Hb数值，得到受试者每个通道在单位时间内采样点的均值，将ROI所包含的6～7个通道的Oxy-Hb数据进行平均，该均值即为该 ROI 的血氧信号[31]。利用SPSS 22.0对测量数据进行正态分布检验，夏皮洛-威尔克检验（S-W）检验结果显示本文的数据均大于0.05阈值，服从正态分布;通过Mauchly球形检验对上述重复测量方差分析的数据对称性进行检验，Greenhouse-Geisser矫正的方法对发生对称性偏离的数据进行矫正。对于方差分析中存在显著主效应的变量，使用成对比较的方法进行进一步分析;对于方差分析中存在显著交互作用的变量组合，进行进一步分析。同时，运用Pearson相关分析对受试者每个ROI的Oxy-Hb浓度与路线决策正确率结果进行相关性分析，P<0.05被认为是具有统计学意义。

2 研究结果

2.1 行为学结果

定向运动练习者路线决策的正确率和反应时比较结果见表2。

结果显示：在路线决策的正确率上，复杂地图显著低于简单地图（P=0.000）;在路线决策的反应时上，复杂地图显著大于简单地图（P=0.000）。

2.2 fNIRS结果

不同地图难度对路线决策时兴趣区激活强度的影响结果见表3、图4、图5。

结果显示，地图难度主效应显著，F（1，22）=5.518，P=0.028， η2=0.201;兴趣区主效应显著，F（3，66）=8.129，P=0.003， η2=0.270;地图难度×兴趣区的交互效应显著，F（3，66）=3.368，P=0.014， η2=0.164。对地图难度和兴趣区两个因素进一步分析发现：任务难度对于ROI血氧激活响应上存在差异，L-VLPFC和R-VLPFC血氧激活强度没有显著差异（P=0.088，P=0.722），L-DLPFC在复杂地图下的血氧激活强度显著大于简单地图（P=0.001），R-DLPFC在复杂地图下的血氧激活强度显著大于简单地图（P=0.004）。

2.3 各ROI脑血氧激活强度与路线决策的正确率相关性分析结果

变量之间的相关程度一般用相关系数来表示，其值在-1到1之间，大于0代表正相关，小于0代表负相关，相关系数r在0～0.30为低相关，0.31～0.49为中度相关，0.5～0.69为高度相关，0.7～0.89为非常高度相关[32]。定向运动练习者再进行路线决策任务时各ROI下的Oxy-Hb浓度与行为学（正确率）进行相关性分析，激活强度和行为绩效的相关程度见表4。

如圖6所示，各ROI的激活强度与路线决策正确率的相关程度不同：简单地图条件下，路线决策正确率与L-VLPFC（r=0.566）和R-VLPFC（r=0.547）激活强度高度相关，与L-DLPFC（r=0.470）激活强度中度相关，与R-DLPFC激活强度不相关（P=0.089）;复杂地图条件下，路线决策正确率与L-VLPFC激活强度高度相关（r=0.504），与L-DLPFC（r=0.498）、R-VLPFC（r=0.499）和R-DLPFC（r=0.423）激活强度中度相关。

2.4 前额叶兴趣区脑网络功能连接变化

对比分析不同任务难度条件下前额叶不同兴趣区之间的相关性。

如图7所示，两种地图ROI脑网络的连接有显著差异，简单地图条件下，L-VLPFC和R-VLPFC（r=0.90）、L-DLPFC（r=0.75）、R-DLPFC（r=0.51）脑区相关均显著，L-DLPFC和R-VLPFC（r=0.62）、R-DLPFC（r=0.86）相关显著，R-VLPFC与R-DLPFC脑区相关不显著（r=0.39）;复杂地图条件下，L-VLPFC和R-VLPFC（r=0.86）、L-DLPFC（r=0.87）、R-DLPFC（r=0.67）相关显著，L-DLPFC和R-VLPFC（r=0.72）、R-DLPFC（r=0.88）相关显著，R-VLPFC与R-DLPFC脑区相关显著（r=0.55）。336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508

3 讨论与分析

3.1 定向运动练习者行为学特征分析

本研究结果显示，地图难度的主效应表现为复杂地图路线决策正确率显著降低，反应时显著升高，说明难度的加大制约了定向运动练习者的行为绩效。认知加工理论模型说明[33]，在运动决策情境中，首先要对输入的信息进行辨别，根据大脑所记录的行为信息及关键因素，进一步对这些信息进行加工、分析，而这一过程就是为运动决策做准备，包括运动员自己的直觉、记忆、注意及问题解决等几个重要组成部分，越是决策复杂性的运动项目，对于最终成绩的影响也越大[34]。任务难度的增加使得识别加工占用消耗更多的注意资源，个体的正确率会有所降低[35]，执行任务所需要的反应时也会越长[36]。

认知负荷对决策的影响是研究人员关注的重要问题之一，合理的规划和准确的预测是专业知识和技能学习中的两个重要策略[37]，研究中采用的刺激材料均为定向运动比赛专用地图，复杂地图符号特征多为野外地形，多用棕色等高线表示山谷、山背、山脊的地貌信息，等高线信息需要进行抽象的三维想象，从平面信息转化为立体信息，符号特征虽单一但难以识别，难度要远远超过简单地图;简单地图多为公园、校园建筑环境，地图信息多为道路、房屋、湖泊等，符号较易识别。定向练习者对于复杂地图的信息加工，就需要更多认知资源来进行分配，从而会表现出对路线决策的正确率降低，并在反应时这一指标表现出来。

3.2 不同任务难度路线决策的脑激活表现

fNIRS结果显示，随着任务负荷难度的增加，PFC的激活强度增强，这是因为难度越大的任务需要被试的注意力更集中，脑力负荷也就越大，因此脑血氧的激活更大[38]，向大脑前额叶提供更多的能源物质，这个结论跟以往的fNIRS研究一致[39]。

不同的任务难度条件下，左右前额脑区表现出了血氧激活的差异，VLPFC脑区激活差异不显著，DLPFC脑区复杂地图条件下血氧激活强度显著大于简单地图。这可能是因为大脑左右前额叶认知功能与优势的不同而产生的差异。Kelly 等[40]认为DLPFC的参与程度取决于所执行任务的认知特征，分析原因可能是由于复杂地图中等高线需要受试者进行认知标准，表象为山的形状，增加了认知加工任务。相关研究也指出前额叶的血氧激活因任务情境而异[41]，不同的地图类型可能是造成前额叶血氧激活强度差异的重要原因。DLPFC在决策能力中发挥着重要作用[42-43]，涉及到空间信息的保持、监控以及认知决策等相关功能[44-45]，在进行有关冲突任务的实验中被显著激活[46]，在任务过程中的复杂性或整合需求增加时，DLPFC激活也更为明显[47]。简单地图条件下，符号较易识别，任务相比较为简单，个体的认知决策加工的有关脑区资源分配比较轻松，对注意资源进行调动的时候，并没有太大的难度[48]。而复杂地图完成任务需要投入更多的认知努力，所以DLPFC含氧血红蛋白浓度增多，即脑血氧激活强度增加，说明DLPFC在任务难度增加的条件下，具备一定的优势加工，对于复杂地图的路线决策发挥着重要作用。根据Hikosaka理论，DLPFC参与空间序列获取的过程，涉及处理最初的感觉输入以及描绘空间序列的过程，最终到达运动皮层[41]，两种地图采用不同的运动情景，野外地图涉及到的空间信息量较为复杂，需要进行更多的空间序列描绘。研究发现DLPFC在复杂地图路线决策中的重要作用，将为我们在今后通过神经调控提升高难度下的识图绩效提供客观依据。

进一步分析行为学绩效与脑血氧以及各脑区脑血氧的相关性，我们发现，在复杂地图条件下，左、右DLPFC与VLPFC均与正确率相关显著，而简单地图条件下R-DLPFC相关不显著。对左、右DLPFC与VLPFC脑网络连接相关性分析同样发现，复杂地图条件下4个兴趣区均相关显著，而简单地图条件下，R-DLPFC与R-VLPFC相关不显著。综合分析两者的相关特征我们发现，在复杂地图条件下，脑区激活更全面，覆盖面更广。大脑是一个计算和决策系统它包含复杂的网络。执行特定的认知任务活动需要大脑的几个功能区域和复杂的功能网络由这些联系组成，脑认知水平一般受三个因素的影响：学习材料中包含的知识的复杂性，学习的组织规则或呈现方法材料和学习者的经验[49]。有学者提出认知加工通路假说[50]，认为认知决策加工主要有两条不同的皮层加工通道，一个是腹侧通路（what通路），另一个是背侧通路（where通路）。背外侧前额叶（DLPFC）和腹外侧前额叶（VLPEC）作为前额叶皮质的主要功能区与运动认知相关的脑功能和依赖于情境的决策行为息息相关。其中腹外侧前额叶主要控制方位认知和地图表征[44];背外侧前额叶主要控制视觉搜索和认知决策[51]，是认知决策的关键皮层。在定向运动的路线决策过程中包括了对地图信息进行输入、编码、存储和提取，最后做出决策[52]。复杂地圖与简单地图相比，地图均通过等高线进行山形的表示，在认知加工过程中，相对比简单地图等城市符号信息多了等高线与山形的表征过程，这可能是造成复杂地图条件下脑区直接网络连接增强的原因，在复杂任务条件下，练习者需要更多脑区协同合作完成认知决策。

4 结 论

本研究采用（fNIRS）技术考察了不同任务难度条件下定向运动练习者识图路线决策行为绩效和前额叶激活的变化情况。发现在不同难度识图路线决策任务下，大脑双侧PFC在激活强度和血氧响应模式存在差异，随着任务难度增加，行为绩效能力下降，背外侧的功能激活显著显得较为重要，可为今后通过神经调控提升高难度下的识图绩效提供了参考依据。同时发现，高难度条件下更多脑区参与决策任务，各脑区功能连接增强，该结论或可为定向运动项目科学训练及促进认知功能改善的训练模式构建提供理论支撑。

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收稿日期：2022-02-15

基金项目：陕西省教育科学“十三五”规划课题（编号：SGH20Y1061），陕西师范大学公共课改革专项课题（编号：21GGK-JG06）。

作者简介：赵明生（1996- ），男，甘肃环县人，在读硕士研究生，研究方向认知运动心理学。

通讯作者：刘 阳（1979- ），男，辽宁锦州人，教授，研究方向运动与注意、记忆、决策的认知关系。

作者單位：1.陕西师范大学体育学院，陕西 西安 710119;2.东北师范大学体育学院，吉林 长春 130024;3.陕西师范大学运动学习科学实验室，陕西 西安 710119336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508