功能磁共振成像技術及其在運動心理學研究中的應用

陳愛國 席嘉辰 殷恒嬋 顏軍

1 揚州大學體育學院（江蘇揚州 225009）2 北京師范大學體育與運動學院

20世紀90年代初出現的功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）將神經活動和高分辨率磁共振成像技術完美結合，既可清晰、準確地顯示腦組織解剖結構，也可通過對腦血流、腦血氧代謝等的觀察，了解人行為活動時腦的各種功能活動，尤其是腦的高級活動情況。fMRI結合功能、解剖和影像三方面因素，為磁共振成像從單一形態學研究到與功能相結合的系統研究提供強有力的技術支持；同時該技術具有無創傷性、無放射性、可重復性、較高的時間和空間分辨率、可準確定位腦功能區等特點，已在認知和心理學等科學領域顯示了廣闊的應用前景，并取得了豐碩的研究成果［1-3］。

近年來，國外一些研究者已把功能磁共振成像技術應用到運動心理學的研究中，用于探索體育運動行為的腦活動特點，為闡明體育運動中心理現象的機制提供了有力的手段，極大地推動了運動心理學理論和應用研究的發展。fMRI可為運動心理學研究增加新的數據和資料，但前提條件是研究人員需要認清這項技術的原理、實驗設計、數據分析特點以及如何利用這項技術開展運動心理學研究。因此，本文就功能磁共振成像的原理、實驗設計以及數據分析進行介紹，并對國外功能磁共振成像技術在運動心理學研究中的應用進行綜述，以幫助國內運動心理學研究者了解功能磁共振成像技術，使用該技術開展研究，推動運動心理學的發展。

1 功能磁共振成像技術概述

1.1 磁共振成像原理

原子核如1H、13C、23Na、31P等具有磁矩，是具有一定磁旋比的自旋體系，當處于一外加勻強磁場（又稱主磁場或靜磁場，用矢量B0表示）中，其在自旋的同時，又沿主磁場B0方向進動（precession），進動頻率（又稱Larmor頻率）與主磁場強度B0成正比。若以Larmor頻率施加射頻脈沖，其不同磁能之間會發生共振躍遷，即核磁共振，出現短暫的“相位同步”（phase coherence or in phase）。射頻脈沖停止后，原子核群又自發回復到平衡狀態，此過程稱之為“核磁馳豫”，其過程分別用縱向馳豫時間（T1）和橫向馳豫時間（T2）描述。人體組織中1H含量豐富，而氫核只含有一個質子，不含有中子，結構簡單，磁性強，最不穩定，最易受外加磁場的影響而發生核磁共振，所以主要利用1H質子進行磁共振成像。人體不同組織具有不同的氫核密度、縱向馳豫時間T1和橫向馳豫時間T2，若在主磁場B0上疊加一梯度磁場，利用這些參數獲得體內組織的靜態結構圖像，就是傳統的磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）。

1.2 功能磁共振成像基礎

fMRI是在MRI基礎上發展起來的。廣義上的fMRI主要包括4種：腦灌注MRI（perfusion MRI）、腦彌散MRI（diffusion MRI）、磁共振波譜分析以及功能活動（task activation）MRI。而狹義上的fMRI僅指功能活動MRI，是目前人們用MRI方法研究大腦功能活動最主要的方法。它是利用特定的任務刺激，造成腦部局部血流量明顯增加——血氧水平依賴效應（Blood-Oxygen Level-Dependent，BOLD）而表現為相應腦部激活反應的功能圖像。

1.2.1 功能磁共振成像原理

1990年，Ogawa等人根據腦功能活動區氧合血紅蛋白（HbO2）含量的增加導致磁共振信號增強的原理得到人腦的功能性磁共振圖像［4］，即血氧水平依賴的腦功能成像（Blood-Oxygen Level-Dependent fMRI，BOLD fMRI）。由于血液動力學反應與腦神經活動之間存在著緊密的聯系，BOLD fMRI信號與局部腦血流、氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（dHb）含量密切相關。當被特定的任務（如視覺、運動等）刺激后，可激活相應的腦功能區，從而引起局部腦血流量和氧交換量增加，氧的供應量大于消耗量，導致氧合血紅蛋白含量增加，脫氧血紅蛋白含量降低。脫氧血紅蛋白具有順磁特性［5］，可使組織毛細血管內外出現非均勻性的磁場，從而加快質子的失相位，縮短T2馳豫時間，導致T2加權信號降低。因此當脫氧血紅蛋白含量減少時可促使局部的T2加權信號增強，從而獲得相應激活腦區的功能成像圖［6，7］。

BOLD成像的基本過程是通過外在的、有規律的任務與靜息兩種狀態的交互刺激，經轉換獲得一系列動態原始圖像，通過設定閾值，對兩種狀態下的原始圖像進行匹配減影，用相關圖像處理技術重建功能激活圖像。

1.2.2 功能磁共振成像實驗設計

fMRI實驗設計主要有兩種類型：一是組塊設計（block design）；二是事件相關設計（event related）。fMRI組塊設計主要采用基于認知減法范式的“基線－任務刺激”模式，其特點是以組塊的形式呈現刺激，在每一個組塊內，同一類型的刺激連續、反復呈現。一般至少需要兩種類型的刺激，其中一類是任務（task）刺激，另一類是控制（control）刺激。通過對任務刺激和控制刺激引起的腦局部血氧反應的對比，了解與任務相關的腦區活動，常用于功能定位實驗中。采用這種方法能夠得到腦的激活圖或統計參數圖。

fMRI事件相關設計（或稱單次實驗，single trial）是一次只給一個刺激，經過一段時間間隔再進行下一次相同或不同的刺激。它的關鍵在于單次刺激或行為事件所引發的血氧反應。刺激呈現后，BOLD信號逐漸增強，達到峰值后又緩慢回到基線。其具有隨機化設計，基于實驗任務和被試反應的選擇性處理，可提高腦局部活動的反應等優點。

1.2.3 功能磁共振成像圖像采集與處理

fMRI實驗的圖像采集包括功能圖像采集和解剖圖像采集兩個步驟。功能圖像掃描與刺激任務同步進行，用來探測刺激任務在被試腦中引起的神經活動的相關信息（區域、時間、強度等），即BOLD 信號。功能圖像數據采集一般使用EPI梯度回波（echo plannar imaging，EPI）脈沖序列。由于功能像的分辨率和信噪比都較低，在完成功能像掃描之后，還需要掃描一幅與功能像位置完全相同的高分辨率T1圖像，從而把功能像得到的腦區激活信息對應到相應的解剖位置上。普通自旋回波（spin echo）脈沖序列用于高分辨率解剖圖像（T1圖像）掃描。T1圖像與功能圖像掃描的層數和層位置均須保持一致。

fMRI實驗的圖像數據處理過程比較復雜，主要分為圖像預處理和統計處理兩部分。預處理包括校正、配準、歸一化和平滑等。統計處理包括通過設定閾值對兩種狀態下的原始像進行匹配減影，減影圖像經過像素平均化處理后，使用統計方法重建可信的功能激發圖像。目前常用的統計方法主要是相關分析、t檢驗等。通過這些后處理不但可以提高實驗結果可信度，還可有效消除部分圖像偽影。

目前，AFNI、FSL和在Matlab軟件包上開發的軟件系統SPM，是國際上應用最多的腦功能成像數據處理軟件，它們都配置了圖形界面，腦功能圖像處理過程中的數據重建、配準和標準化都可以非常簡單地完成。另外，這些處理系統都具有開放式平臺，給用戶留有接口，用戶可根據自身研究需要，采用不同計算機語言進行編程。

2 功能磁共振成像技術在運動心理學研究中的應用

作為發展最為迅速、應用前景最為廣闊的腦功能成像技術，fMRI已在腦科學、生命科學等領域的應用中獲得了巨大成功，取得了很多突破性的研究成果。國內外一些運動心理學研究者也利用功能磁共振成像技術開展了一些研究，主要研究領域有：運動訓練與腦可塑性、運動表象的腦機制和體育鍛煉心理健康效應的腦機制等。

2.1 運動訓練與腦可塑性

腦可塑性就是中樞神經系統的可塑性，包括結構可塑性和功能可塑性。腦可塑性并不是自發產生的，而是受經驗、損傷、訓練等許多因素的影響。運動技能學習和訓練是指一系列提高動作速度、準確性、自動化水平和適應性等動作效率指標的內部過程，是感覺和動作信息進行重組和整合的中樞神經系統的復雜活動［8］。fMRI為研究運動訓練與腦可塑性變化的關系提供了一個新視角，該領域的研究范式為通過使用fMRI對高水平運動訓練個體腦結構和執行多種任務腦活動進行觀察，并將觀察結果與普通人相對比，可以揭示長期運動訓練者不同于普通人的腦結構和腦功能活動模式等。

運動訓練可引起腦結構可塑性變化。Maguire對倫敦出租車司機大腦結構像進行研究，發現其大腦海馬后部的灰質體積顯著大于普通人［9］。對音樂家大腦可塑性的研究也發現，經過專業訓練的樂器演奏者的大腦結構不同于一般人，其腦結構發生了與專業技能訓練相關的可塑性變化［10，11］。此外，3個月甚至短暫1周的接拋球雜耍訓練后，學習雜耍者主要負責運動信息存儲與加工處理的腦區（如顳中區、頂內溝）的灰質容量均出現了顯著的雙側擴展［12，13］。這些結果均表明，通過訓練可引起腦結構可塑性變化，大腦神經系統的神經信號傳導速度得以提高，進而改善了行為表現。魏高峽等人采用功能磁共振技術，對我國極具金牌優勢的跳水項目運動員進行了大腦結構的探索性研究。該研究選取了年齡在13～17歲、國家健將級、平均訓練10年以上的優秀跳水運動員，同時選取了在性別、年齡、體重、人數等人口學因素上與之嚴格匹配的中學生進行對照研究。結果發現，優秀跳水運動員雙側丘腦和左側運動前區（BA6）上的灰質密度顯著高于普通人［14］，證實了運動訓練對大腦結構可塑性的影響。

運動訓練可引起大腦功能可塑性變化。Ross等人使用功能磁共振技術研究不同技術水平高爾夫球選手表象揮桿動作的腦功能活動異同，發現高爾夫球選手技術水平越高，其輔助運動區（supplementary motor area， SMA）、小腦（cerebellum）和基底節（basal ganglia）等相關腦區域激活程度越低［15］。Milton等人采用專家—新手研究范式，使用功能磁共振技術比較兩組被試完成擊球前例行動作（Pre-shot routine）表象時的大腦激活異同，新手和專家都激活頂上小葉（superior parietal lobule）、背外側運動前區（dorsal lateral premotor area）和枕葉（occipital area），且新手高于專家，新手還激活后扣帶回（cingulate gyrus）、杏仁核—前腦復合體（amygdalaforebrain complex）和基底節［16］。基于以上研究結果，一些研究者提出新手的腦區激活強度比專家高，且激活區域范圍廣的觀點。認為長期訓練的專家，隨著運動技能水平提高，形成了集中和高效的任務相關腦活動網絡，而新手卻很難過濾不相關信息，導致激活更多的腦區。但是最近出現的一些研究結果卻不支持這種觀點。Wei 等采用專家—新手研究范式，使用功能磁共振技術比較國家健將級跳水運動員和普通人動覺表象的大腦激活區異同，研究發現在表象跳水動作時，國家健將級跳水運動員海馬旁回（parahippocampus）腦區較普通人顯著激活，并認為該特異性腦激活特征是運動員經過多年訓練表現出來的與技能有關的優化網絡模式［17］，即表現為新手的腦區激活比專家低。而Kim等人采用專家—新手研究范式，使用功能磁共振技術比較奧運金牌獲得者和新學習者放箭前瞄準期大腦激活區的異同。研究發現，專家和新手均激活前、后扣帶回，而專家在枕中回（occipital gyrus）、顳上回（temporal gyrus）腦區的激活程度高于新手，在額葉區（frontal area）的激活程度低于新手［18］。即表現為專家的腦區激活在一些區域高于新手，但在另一些區域低于新手。綜上所述，已有研究結果表明，運動訓練會引起大腦功能變化，但是對于運動訓練究竟會導致哪些相關腦區激活、激活程度如何，目前還沒有統一的結論，主要原因可能與研究的對象、運動項目和動作技能水平等不同有關。

綜上，應用fMRI的研究結果初步表明，運動訓練可影響大腦可塑性的變化（包括腦結構和功能的變化），這為深入了解運動技能與腦結構和功能特征的關系提供了重要依據。未來研究如果能揭示某一運動技能特征性的腦結構和腦活動網絡，以及影響該特征性腦結構和腦活動網絡發展和形成的因素將為評價運動員技能水平，以及選擇最佳的策略來促進運動員技能水平提高提供更為科學的依據。因此，未來采用fMRI關于運動訓練與大腦可塑性的研究應該著重于：同一項目不同技能水平（如三級、二級、一級、國家級和國際健將級等）運動員的腦結構和功能活動網絡特征，同一級別不同運動項目（如籃球、拳擊、射擊、馬拉松等）運動員的腦結構和功能活動網絡特征，某一群體（如兒童等）運動技能習得的各階段腦結構和功能活動網絡特征的追蹤研究，不同運動訓練方法和策略對大腦可塑性的影響等。

2.2 運動表象的腦機制

運動表象是指在沒有任何肢體運動情況下，大腦對運動執行的排演。運動表象需要在動作準備和執行中有大腦區域的意識活動，但同時禁止實際動作自發的發生［19］。隨著大腦成像技術的發展，特別是fMRI技術的發展，近幾年對運動表象的腦機制研究越來越多。大量的研究表明：在運動表象中，大腦激活區域與實際運動執行的激活區域有很大部分的重疊，很多腦區如輔助運動區、運動前區（premotor cortex）、主運動皮層（Primary motor cortex，M1）、小腦等不僅與實際運動有關，也與運動表象有關；在運動表象的所有激活區中，輔助運動區是激活最強烈的區域，在運動表象任務和復雜運動的控制過程中起著重要作用，并且參與了運動的準備過程［20-22］。

目前，隨著運動表象腦激活定位的研究以及fMRI數據處理方法和技術的發展，研究者開始深入探測運動表象的腦機制，對運動表象腦功能網絡的研究也逐漸成為焦點。Solodkin等人利用結構方程模型（structural equation modeling，SEM）計算運動執行、運動表象、視覺表象的腦功能網絡，通過劃定幾個運動表象特定的激活腦區為感興趣區域，然后計算各感興趣區域間的功能網絡，發現運動表象的腦功能網絡包括以下腦區：輔助運動區，主運動區，側背部運動前區（lateral dorsal premotor cortex，LPMC），第一和第二感覺區，頂上小葉，頂內溝（intraparietal sulcus，PAR）和小腦［23］。Kasess等人利用動態因果模型（dynamic causal modeling，DCM），以輔助運動區和主運動區為交點，研究兩腦區在運動表象中的相互作用，發現大腦執行運動表象時，輔助運動區對大腦主運動區的活動有抑制作用［26］。但是，在運動表象過程中，究竟輔助運動區與大腦其他區域是否存在功能連接關系，其功能網絡是如何的，這些問題仍有待解決。

綜上，已有研究初步揭示了運動表象的腦功能定位和腦功能網絡，同時，越來越多的運動心理學研究證實，運動表象對于運動技能學習和訓練有非常重要的積極作用，并且對傷后恢復運動功能也有很大的幫助［24，25］。然而，目前以上運動表象積極效應的相關腦機制問題尚不清楚，因此，借助fMRI技術進一步揭示運用運動表象掌握運動技能以及傷后恢復運動功能的相關腦機制問題非常有價值。

2.3 體育鍛煉心理健康效應的腦機制

大量運動心理學研究表明，體育鍛煉能產生積極的心理健康效應（如鍛煉時或鍛煉后所產生的認知改善、良好情緒體驗等）。任何一種心理現象，簡單或復雜，都是以神經系統尤其大腦的活動為基礎的。同樣，體育鍛煉產生的心理效應是腦的機能，是腦對體育鍛煉的反應。現階段的大多數研究僅是描述性的，對體育鍛煉產生心理健康效應的內在機制還存在爭議，腦機制研究少。

fMRI技術為研究體育鍛煉心理健康效應的腦機制提供了可能和有力的手段，近年來已出現一些使用fMRI技術探索體育鍛煉改善老年人認知效應腦機制的研究。Colcombe等使用磁共振技術掃描腦部結構，發現在排除年齡、教育等相關因素后，老年人心肺功能健康水平與其認知功能相關腦區（腦前額葉、顳葉及頂葉）的灰質和白質容量成正相關；由于體育鍛煉能提高心肺功能健康水平，研究者在結論部分指出該研究間接揭示了體育鍛煉對認知改善效應的腦機制［27］。Jacini等通過磁共振技術掃描腦部結構，發現訓練年限10年以上的跆拳道運動員的與認知功能相關腦區的灰質密度增加［28］。Colcombe等使用完全隨機實驗設計，通過磁共振技術掃描腦部結構，發現與對照組比較，6個月有氧運動組老年人的與認知功能相關腦區（前額葉、顳葉及頂葉）的灰質和白質容量顯著增加［29］，從腦結構變化的角度初步揭示了體育鍛煉改善認知的腦機制。Colcombe等使用完全隨機實驗設計，采用fMRI方法檢測老年人6個月體育鍛煉前后完成f anker task（一種測量認知功能的任務）時腦區激活的特征，結果發現6個月有氧運動能提高老年人的認知功能，其主要機制是通過降低前扣帶回激活水平，提高中前腦回（the middle frontal gyrus，MFG）和頂上小葉等相關腦區激活水平［30］。該研究從腦功能變化的角度揭示了體育鍛煉改善認知的腦機制。

以上借助于fMRI技術的研究結果表明，體育鍛煉能夠通過改善大腦相關腦區結構和功能改善老年人認知水平，為認識體育鍛煉改善認知效應的腦機制提供了直接和堅實的證據。但要全面揭示體育鍛煉心理健康效應的腦機制，還有許多問題值得深入研究：體育鍛煉對其他心理健康維度（如情緒、意志等）影響的腦機制研究；研究對象需要拓寬，不僅應關注老年人，也應關注其他人群，特別是處于身心發展關鍵期的兒童青少年；體育鍛煉方案的項目、強度、持續時間和頻率各變量及其交互作用影響心理健康的腦機制等。

3 小結

fMRI技術具有無創傷性、無放射性、可重復性、較高的時間和空間分辨率、可定位和定量檢測人腦的活動等特點，國內外借助fMRI技術在運動訓練與腦可塑性、運動表象的腦機制和體育鍛煉心理健康效應的腦機制等領域進行了初步探索，發現了一些有價值的成果，顯示了該技術在運動心理學研究領域廣闊的應用前景。相信借助fMRI 技術在運動心理學領域進行深入研究，將會有新的重要發現和重大突破，推動運動心理學的發展。

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