激活似然估計(jì)法分析運(yùn)動(dòng)相關(guān)專業(yè)人員腦灰質(zhì)可塑性

劉述芝，陳 渝，周任潔

(重慶大學(xué)體育學(xué)院，重慶 400044)

神經(jīng)影像學(xué)和基于體素對(duì)運(yùn)動(dòng)員大腦灰質(zhì)厚度、體積、密度及白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)變化的形態(tài)學(xué)研究[1-5]發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)相關(guān)專業(yè)人員大腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)變化可能與其接受的長(zhǎng)期特定運(yùn)動(dòng)技能訓(xùn)練所涉認(rèn)知過(guò)程相關(guān)。既往研究[4-8]多針對(duì)某運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的熟練運(yùn)動(dòng)員與新手進(jìn)行對(duì)照研究，以觀察大腦結(jié)構(gòu)的可塑性，不同研究間運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目不同，結(jié)論各不相同，而運(yùn)動(dòng)任務(wù)訓(xùn)練各自具有其特殊性，可比性較差。本研究采用腦成像領(lǐng)域最常用的元分析方法——激活似然估計(jì)法(activation likelihood estimation, ALE)對(duì)運(yùn)動(dòng)相關(guān)專業(yè)人員大腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)可塑性研究進(jìn)行Meta分析，探討長(zhǎng)期訓(xùn)練誘發(fā)大腦灰質(zhì)可塑性的特征及其神經(jīng)機(jī)制。

1 資料與方法

1.1 文獻(xiàn)檢索 以“大腦灰質(zhì)”、“體素形態(tài)”、“腦可塑性”、“腦結(jié)構(gòu)”、“運(yùn)動(dòng)員”、“運(yùn)動(dòng)技能專家”、“專業(yè)舞者”為中文檢索詞，以“gray matter”、“voxel-based morphometry”、“brain plasticity”、“brain structure”、“athlete”、“motor skill expert”、“professional dancer”為英文檢索詞，于CNKI、PubMed、Web of Science進(jìn)行檢索，檢索時(shí)間為2005年1月1日—2020年6月12日。應(yīng)用Google scholar搜索引擎對(duì)已有元分析或綜述文獻(xiàn)的參考文獻(xiàn)進(jìn)行人工補(bǔ)充檢索，以確保納入文獻(xiàn)的完整性。

1.2 文獻(xiàn)篩選 納入標(biāo)準(zhǔn)：①正式發(fā)表的中文或英文完整論文；②以年齡、性別不限健康優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員(國(guó)家二級(jí)及以上運(yùn)動(dòng)員或具有優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)技能的專業(yè)人員，如雜技演員)為試驗(yàn)組、非運(yùn)動(dòng)相關(guān)人員為對(duì)照組，進(jìn)行組間比較的橫斷面研究；③采用SPM或FSL軟件對(duì)MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行基于體素的全腦形態(tài)學(xué)分析(voxel-based morphometry, VBM)，并報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)化腦灰質(zhì)密度增強(qiáng)或灰質(zhì)體積增加的蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)或Talairach三維空間峰值坐標(biāo)；④對(duì)于符合上述標(biāo)準(zhǔn)且由同一作者或研究機(jī)構(gòu)完成的多項(xiàng)研究，將其中樣本量最大者納入分析。排除標(biāo)準(zhǔn)：①基于感興趣腦區(qū)分析的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；②文獻(xiàn)類型為摘要、會(huì)議、綜述或元分析；③未報(bào)告比較結(jié)果；④坐標(biāo)空間不明。

1.3 ALE分析 以Ginger ALE 3.02軟件為腦成像ALE元分析工具。將原始報(bào)告中的Talairach標(biāo)準(zhǔn)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為MNI空間坐標(biāo)。以P<0.001為激活似然估計(jì)圖的閾值，采用未矯正P值(UncorrectedP)進(jìn)行糾正，設(shè)簇像素最小值為100 mm3[1-2]。采用Mango 4.0軟件將三維坐標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)大腦進(jìn)行重合，以可視化ALE分析結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 納入文獻(xiàn)基本特征 初步檢出589篇文獻(xiàn)，根據(jù)納入及排除標(biāo)準(zhǔn)篩選后最終納入21篇[3-23](圖1)，其基本特征見(jiàn)表1。21篇中，15篇涉及腦灰質(zhì)體積增加[3-17]、7篇涉及腦灰質(zhì)密度增加[3，18-23]；總樣本量為934名，其中試驗(yàn)組396名、對(duì)照組538名。

圖1 文獻(xiàn)篩選流程圖

表1 21篇納入文獻(xiàn)基本特征

2.2 ALE元分析結(jié)果 相比對(duì)照組，試驗(yàn)組共存在7個(gè)灰質(zhì)體積增加的激活簇和7個(gè)灰質(zhì)密度增加的激活簇，見(jiàn)表2；試驗(yàn)組左側(cè)腦島、右側(cè)頂下小葉、右側(cè)額中回、右側(cè)前扣帶回、左側(cè)楔前葉、右側(cè)顳上回表現(xiàn)為灰質(zhì)體積增大(圖2)，右側(cè)小腦前葉、右側(cè)小腦頂、左側(cè)海馬旁回、右側(cè)丘腦、右側(cè)小腦后葉、右側(cè)額上回及左側(cè)楔前葉灰質(zhì)密度增加(圖3)。

圖2 灰質(zhì)體積增加的ALE可視化激活腦區(qū)(橙黃色區(qū)域) L：左側(cè)；R：右側(cè)；INS：腦島；IPL：頂下小葉；MFG：額中回；AC：前扣帶回；PR：楔前葉；STG：顳上回

圖3 灰質(zhì)密度增加的ALE可視化激活腦區(qū)(橙黃色區(qū)域) L：左側(cè)；R：右側(cè)；AL：小腦前葉；CUL：右側(cè)小腦頂；PG：海馬旁回；THA：丘腦；PL：小腦后葉；SFG：額上回；PRE：楔前葉

表2 ALE分析激活簇結(jié)果

3 討論

體育比賽中常出現(xiàn)外部場(chǎng)景、目標(biāo)和對(duì)手等環(huán)境背景動(dòng)態(tài)變化，運(yùn)動(dòng)員需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不確定因素及時(shí)做出判斷，例如對(duì)手進(jìn)攻策略及隊(duì)員之間相互配合等，故應(yīng)具有較普通人更強(qiáng)的預(yù)測(cè)功能，對(duì)某些必須具備運(yùn)動(dòng)相關(guān)技能的專業(yè)演出人員亦然。本研究采用ALE觀察長(zhǎng)期專業(yè)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)運(yùn)動(dòng)相關(guān)專業(yè)人員大腦灰質(zhì)體積和密度的影響，結(jié)果顯示左側(cè)腦島(BA13)、右側(cè)頂下小葉(BA40)、右側(cè)額葉(BA11、BA6)、右側(cè)前扣帶回(BA24)、左側(cè)楔前葉(BA7)及右側(cè)顳上回(BA41)灰質(zhì)體積增大，使其擁有高度協(xié)調(diào)的腦島，可精確預(yù)測(cè)身體下一刻的感覺(jué)，提示經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期專業(yè)訓(xùn)練刺激，運(yùn)動(dòng)相關(guān)專業(yè)人員腦島灰質(zhì)體積可能增大。對(duì)于這些專業(yè)人員而言，比賽或演出及訓(xùn)練時(shí)，注意處理、運(yùn)動(dòng)感知和意圖分析過(guò)程是決定結(jié)果的關(guān)鍵因素。

有學(xué)者[24]分析16名健康受試者，發(fā)現(xiàn)顳上回在觀察復(fù)雜的視覺(jué)運(yùn)動(dòng)、點(diǎn)光源運(yùn)動(dòng)、觀看他人動(dòng)作并判斷意圖任務(wù)時(shí)出現(xiàn)激活，表明顳上回參與感知和理解他人動(dòng)作的行為。YU等[25]研究證實(shí)，顳上回與顳中回于感知和分析自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有重要作用。大腦皮層對(duì)感覺(jué)信息與軀體運(yùn)動(dòng)之間在協(xié)調(diào)互動(dòng)處理過(guò)程，楔前葉在調(diào)節(jié)視覺(jué)-運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換方面具有重要作用[26-27]。訓(xùn)練和比賽或演出中，運(yùn)動(dòng)相關(guān)專業(yè)人員需根據(jù)不同對(duì)視覺(jué)刺激信息不斷調(diào)整和變換身體動(dòng)作，以適應(yīng)當(dāng)前情境；長(zhǎng)期動(dòng)作學(xué)習(xí)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練帶來(lái)的大量視覺(jué)信息加工和處理可使負(fù)責(zé)視覺(jué)信息系統(tǒng)的楔前葉灰質(zhì)體積出現(xiàn)適應(yīng)性變化；頂下小葉在觀察和模仿他人動(dòng)作時(shí)均發(fā)生激活，提示頂下小葉可能是人類識(shí)別和模仿他人行為和姿勢(shì)的神經(jīng)基礎(chǔ)。前扣帶回皮層可監(jiān)控正在進(jìn)行的目標(biāo)定向行為，長(zhǎng)期專業(yè)訓(xùn)練可使前扣帶回發(fā)生可塑性變化而體積增大，在不斷提升與強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)技能的過(guò)程中，前扣帶回可能具有糾正錯(cuò)誤或抑制干擾信息的作用，以提升執(zhí)行控制的正確率[28]。

本研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)相關(guān)專業(yè)人員右側(cè)小腦前葉、右側(cè)小腦頂、左側(cè)海馬旁回(BA19)、右側(cè)丘腦、右側(cè)小腦后葉、右側(cè)額上回(BA10)及左側(cè)楔前葉(BA7)灰質(zhì)密度均增加。丘腦是大腦傳遞信息的中繼站，而快速空間信息處理、精確感應(yīng)運(yùn)動(dòng)、精確控制與協(xié)調(diào)身體均為運(yùn)動(dòng)相關(guān)專業(yè)人員必須具備的條件，長(zhǎng)期訓(xùn)練可誘發(fā)相關(guān)區(qū)域神經(jīng)可塑性[29]。海馬旁回是介導(dǎo)短時(shí)程記憶轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)時(shí)程記憶的重要腦區(qū)，在情景記憶、情緒、空間位置定向等行為編碼中扮演重要角色。運(yùn)動(dòng)相關(guān)專業(yè)人員的海馬旁回在長(zhǎng)期訓(xùn)練和比賽或演出中不斷被激活，使其灰質(zhì)密度增加[30-31]。相關(guān)解剖學(xué)、臨床及神經(jīng)成像研究[8,32]表明，長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)技能訓(xùn)練可誘發(fā)小腦結(jié)構(gòu)的可塑性，導(dǎo)致小腦前葉、后葉灰質(zhì)密度顯著增加，不僅支持運(yùn)動(dòng)控制功能，還有助于加強(qiáng)非運(yùn)動(dòng)功能如視動(dòng)協(xié)調(diào)、執(zhí)行控制等。

本研究的主要不足：①基于具有顯著差異的已發(fā)表坐標(biāo)、而非原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；②采用比較保守的多重比較矯正方法分析納入文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，有待納入更多文獻(xiàn)、以更嚴(yán)格的矯正方法進(jìn)一步觀察；③基于橫斷面研究數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不能完全排除先天優(yōu)勢(shì)條件等其他因素的影響。

綜上所述，運(yùn)動(dòng)相關(guān)專業(yè)人員多個(gè)腦區(qū)灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的可塑性可能與其接受長(zhǎng)期技能訓(xùn)練有關(guān)。