不同水平足球運動員空間知覺能力差異：基于行為學和fNIRS的研究

摘""""" 要：空間知覺能力是決定足球運動員運動技能的關鍵，更是提升運動員競技表現的核心因素。選取20名國家一級足球運動員（專家組）和20名高校足球俱樂部的體教專業大學生（新手組），采用功能性近紅外光譜成像技術（fNIRS），探討心理旋轉任務下行為績效、前額葉腦血氧（Oxy-Hb）激活以及腦功能連接的組間差異。結果顯示：（1）專家組心理旋轉任務正確率顯著高于新手組（P＜0.05），反應時顯著短于新手組（P＜0.01）。（2）專家組左右側背外側前額葉、額極區和右腹外側前額葉激活低于新手組（P＜0.05），并且腦間功能連接協同更強。研究認為，長期足球訓練能夠改變運動員的空間知覺加工模式，提高神經資源的利用效率，有利于大腦網絡連接性，對認知功能的改善起到重要作用。

關" 鍵" 詞：足球運動；空間知覺能力；心理旋轉；認知優勢；行為學；功能性近紅外光譜成像技術

中圖分類號：G843""" 文獻標志碼：A"nbsp;" 文章編號：1006-7116（2024）01-0143-06

Differences in spatial perception ability among different-level soccer players：

A study based on behavioral science and fNIRS

YIN Chunyu¹，SHI Li²，ZHANG Wen³

（1.Department of Physical Education and Research，Northwest University，Xi’an 710127，China；

2.Department of Public Course Teaching and Research，Shaanxi Youth Vocational College，Xi’an 710100，China；

3.School of Physical Education，Shaanxi Normal University，Xi’an 710119，China）

Abstract： Spatial perception ability is a critical factor to influence the motor skills of soccer players and also plays a central role in enhancing athletic performance. In this study， 20 national-level soccer players （expert group） and 20 physical education college students from football clubs （novice group） were selected， and by using the functional near-infrared spectroscopic imaging （fNIRS）， between-group differences in behavioral performance， prefrontal cerebral blood oxygenation （Oxy-Hb） activation， and functional brain connectivity during a mental rotation task were also discussed. The results revealed that： （1） The expert group exhibited significantly higher correct rates （P lt; 0.05） and shorter reaction times （P lt; 0.01） in the mental rotation task compared to the novice group. （2） Activation in the left and right dorsolateral prefrontal cortex， frontal pole area， and right ventrolateral prefrontal cortex was lower in the expert group （P lt; 0.05）， with stronger interbrain functional connectivity. The study suggested that： long-term football training appears to alter the spatial perceptual processing mode in athletes， enhancing neural resource efficiency and promoting stronger brain network connectivity， and these findings contribute valuable insights into the cognitive benefits associated with soccer training.

Keywords： soccer；spatial perception ability；mental rotation；cognitive advantage；behavioral science；fNIRS

足球比賽中攻防態勢瞬息萬變，運動員不僅要注意球的位置、運行軌跡^[1]，還要注意場上對手及隊友的空間站位等時空信息，可見復雜的時空動態場景需要運動員具有較強的空間感知、編碼和轉換信息的空間知覺能力^[2]。空間知覺是對物體距離、形狀、大小、方位等空間特性的知覺^[3]，多通過心理旋轉范式進行測試^[4]。心理旋轉也被稱為“心象旋轉”^[5]，是個體在大腦中將自己或視覺刺激物（如數字、圖形）的形象在平面或三維空間中旋轉的心理過程^[6]，心理旋轉任務體現空間知覺的加工特征。研究發現，長期運動訓練可以提升練習者的空間知覺能力^[7]。如攀巖運動過程中運動員需要提前決策和想象他們身體姿態和動作停留時間，刻意練習使得攀巖運動員比非攀巖運動員具有更好的認知表現^[8]。摔跤手和體操運動員相比運動新手具有更好的空間能力^[9]。盡管足球運動員相比其他運動員心理旋轉速度更快，具有更好地感知或編碼對象的空間知覺能力^[10]，但目前關于這一優勢的神經機制尚需探討。

腦可塑性假說提出，心理現象都是以大腦活動為基礎，運動可以改善大腦的認知能力，這是由于運動引起腦加工模式改變的結果^[11]。長期運動練習使運動員空間知覺能力有所改善，能夠自動將其神經系統與感覺信息聯系起來，進而對空間環境信息知覺更快，心理能量也呈現“節省化”特征^[12]。Claudio等^[13]研究發現在專項場景空間任務加工過程中，足球運動員相比新手的皮質激活更高。短期心理旋轉訓練可提升被試者腹、背外側前額葉皮層和額極區腦激活更活躍，空間知覺能力也得到顯著提升^[14]。在探討足球運動員靜息態下與空間注意和空間知覺協調加工整合的相關腦區的腦電研究發現，額葉等腦區的激活較明顯^[15]。然而非專項場景下，不同水平足球運動員空間知覺能力差異的腦機制需進一步探討。

功能性近紅外光譜成像技術（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS），是一種非侵入性光學成像技術，通過近紅外范圍內Hb的特征吸收光譜來測量大腦內血紅蛋白濃度的變化，能夠很好定位與認知功能相關的大腦皮質區，目前已被廣泛應用于人類復雜的認知研究當中^[16]。此外，功能性神經影像學研究可揭示特定大腦區域招募的空間認知處理的激活，如左、右背外側前額葉顯著激活以及Brodmann區域（BA8、BA9、BA10，BA44和BA47）被認為是空間知覺的核心神經相關性之一^[17]。不難看出，借助fNIRS探究高水平足球運動員空間知覺能力優勢的腦加工機制及作用腦區，可為明確足球運動提升個體空間知覺能力的鍛煉價值及通過神經調控刺激提升運動競技能力提供理論依據。綜上所述，研究旨在通過心理旋轉范式和fNIRS，對比足球專家和新手運動員在心理旋轉任務中行為績效、腦激活和腦功能連接方面的差異，同時提出以下假設：心理旋轉任務中，專家足球運動員表現出一定的行為績效優勢，即正確率更高、反應時更短，而這一優勢與其大腦神經活動相關，主要表現為專家運動員具有獨特的腦加工模式且腦功能連接更強。

1" 研究對象與方法

1.1" 研究對象

根據G Power 3.1軟件對實驗樣本量進行估算。預期效應量f為0.9，設α為0.05，統計效力β為0.8，得出總樣本量n = 40名。選取20名國家一級及以上足球運動員為專家組，男性12名、女性8名，平均年齡（21.3±1.3）歲，每周訓練（9.4±1.1） h，平均訓練年限（8.49±1.73）年。20名高校足球俱樂部的體育教育專業學生為新手組，男性11名、女性9名，無運動等級，平均年齡（20.8±0.8）歲，每周訓練（1.6±1.2） h。選取標準：（1）各組被試者健康狀況良好，受教育程度一致，均為右利手；（2）裸眼視力或矯正視力正常；（3）無腦創傷、精神病史、心肺疾病、鼻炎等，實驗前被試者均未使用過影響腦神經活性的藥物，如酒精和咖啡因等；（4）能夠熟知鍵盤按鍵位置，均未參加過類似實驗；（5）無聽力和視力障礙。所有被試者均簽署知情同意書，同時本研究得到陜西師范大學倫理委員會的批準。

1.2" 實驗設計及流程

實驗采用單因素被試間設計，自變量為專家組和新手組2個水平，因變量為心理旋轉任務的正確率、反應時、各腦區氧合血紅蛋白（Oxy-Hb）變化及各腦區功能連接強度。

實驗分為2個階段：練習階段和正式測試階段。在2個階段中，每個軌跡的處理過程都相同。首先采集被試者30 000 ms靜息態下的電生理信息，之后出現指導語程序，待被試者明白實驗操作后按空格結束，測試階段根據被試者的反應，在屏幕中央會顯示“正確”，“錯誤”或“未響應”形式的反饋1 500 ms。為最大限度減少超出任務熟悉程度的學習量，培訓階段被限制為2 min，該階段使用的刺激材料與隨后進行正式實驗（測試階段）所用的刺激材料不同。培訓階段的目的是幫助參與者熟悉實驗，并且在此期間未收集任何數據。

本實驗設計參考以往研究^[18]，測試程序均用E-prime 3.0軟件編寫和呈現。心理旋轉任務是由1個5×5的矩陣構成的正方形。其中，隨機6個方塊為黑色。首先會出現在白色背景（完整的計算機顯示）的中心出現紅色的“+”注視點，持續1 000 ms；隨后出現識記刺激圖片呈現6 000 ms。被試者需要對目標刺激進行向左或向右（90°、180°、270°）的心理旋轉操作，然后判斷右邊的圖形是否為左邊圖形旋轉以后的圖形。如果是，要求被試者按下f鍵；如果不是，按下j鍵。心理旋轉任務共24 trail，每4個trail休息20 000 ms，記錄被試者判斷心理旋轉所需要的反應時和正確率指標，并在完成心理旋轉任務時用近紅外記錄氧合血紅蛋白的濃度變化，進而反映腦功能等指標（流程見圖1）。

1.3" 數據采集

實驗儀器采用研究型便攜式近紅外腦功能成像系統（LIGHTNIRS，日本島津公司），檢測被試者任務期間局部腦區的血氧動力學信號。該系統是一種連續波近紅外系統，包括8個光源探頭（780 nm、805 nm、830 nm）以及8個接收探頭，用黑色線段及數字表示光源和探測器形成的近紅外通道，共22個測量通道（圖2-a）。根據已有的解剖標定體系（Anatomical Labeling Systems，LBPA40）來劃分感興趣區（Region of interest，ROI），共劃分出8個ROI（圖2-b）。右側背外側前額葉（R-DLPFC）：Ch1、Ch2、Ch9；左側背外側前額葉（L-DLPFC）：Ch6、Ch7、Ch14；右側腹外側前額葉（R-DLPFC）：Ch8、Ch16；左側腹外側前額葉（L-DLPFC）：Ch15、Ch22；右側額極區（R-FOA）：Ch3、Ch4、Ch10、Ch11；左側額極區（L-FOA）：Ch4、Ch5、Ch12、Ch13；右側眶額區（R-OFA）：Ch17、Ch18、Ch9；左側眶額區（L-OFA）：Ch19、Ch20、Ch21。以上8個ROI均勻分布在前額葉，采用多通道近紅外數據空間配準到MNI空間的方法。fNIRS記錄結束后使用3D定位儀確定探頭位置，通過概率配準方法把fNIRS通道位置與MNI空間坐標進行配準，獲得與分區之間的對應關系。

1.4" 數據分析

行為績效指標為反應時間（reaction time，RT）和正確率（accuracy rate，ACC），計算所有被試者各績效指標的均值作為行為結果。通過獨立樣本t檢驗進行分析，觀察不同水平足球運動員的行為學指標差異。

fNIRS數據分析，基于Matlab（R2013b）平臺的NIRS_SPM軟件，通過修正的比爾－朗伯定律將光強數據轉換為血氧數據，然后對數據進行預處理，消除異常值、提高信噪比，使整體濾波后的信號便于后續計算分析。具體步驟包括：MNI坐標配準、基于一般線性模型（GLM）的設計矩陣的構建、基于具有時間導數的血流動力學響應函數（HRF）的低通濾波器、基于離散余弦變換（DCT）去趨勢算法的高通濾波器；然后對任務條件下的22個通道的Beta值進行評估，根據劃分ROI作為相對應腦區的激活指標；最后，針對每個腦區的Beta值，通過獨立樣本t檢驗進行分析。采用SPSS 26.0對測量的行為學和fNIRS數據進行統計處理，分別對專家組和新手組足球運動員心理旋轉任務下各個通道的beta值進行Pearson相關分析，使用FDR校正所有P值，P＜0.05被認為具有統計學上的顯著意義。

2" 結果與分析

2.1" 行為結果

為觀察專家組和新手組在空間知覺能力上的行為學指標差異，采用獨立樣本t檢驗對不同水平足球運動員心理旋轉任務的行為學結果進行分析，研究顯示：專家組（0.64±0.03）%正確率顯著高于新手組（0.61±.03）%，t = 2.736，P＜0.05，d = 1.00；專家組反應時（2 385.75±244.11） ms顯著低于新手組（3 139.52±334.31） ms，t = -7.636，P＜0.01，d = 2.57。

2.2" fNIRS結果

1）不同腦區激活結果。

為考察不同水平足球運動員空間知覺能力的認知神經特征，將8個腦區的β值作為結果變量，采用獨立樣本t檢驗進行差異檢驗。如圖3所示：在心理旋轉任務下專家組腦血氧激活強度在R-DLPFC（38）：t = -2.561，P = 0.015，d = 0.81；L-DLPFC（38）：t = -3.116，P = 0.003，d = 0.98；R-VLPFC（38）：t = -3.166，P = 0.003，d = 1.00；R-OFC（38）：t = -3.314，P = 0.002，d = 1.04和L-OFC（38）：t = -2.084，P = 0.044，d = 0.65均低于新手組。根據通道所對應的腦區，進一步反映專家組左、右側背外側前額葉、額極區和右腹外側前額葉激活低于新手組。

2）腦間通道相關性分析結果。

為探究長期足球練習對個體腦區和腦區神經生理活動變化之間的關系，對不同水平足球運動員在心理旋轉任務下腦區之間功能連接相關系數進行獨立樣本t檢驗，結果發現專家組的VLPFC、DLPFC、FOA和OFC之間的功能連接強度顯著大于新手組，說明專家組足球運動員在任務過程中的腦網絡的組織更加協調、高效，并且比新手組運動員更強（見第147頁表1）。

3" 討論

空間知覺能力是決定足球運動員運動技能的關鍵，更是提升運動員競技表現的核心因素。研究發現，專家組心理旋轉任務正確率顯著高于新手組，反應時顯著低于新手組，結果驗證專項水平與一般認知能力存在正相關關系，對于揭示運動經驗改善空間知覺能力的調節作用具有一定價值。足球運動員在比賽過程中要處理一系列復雜的空間信息，這些信息包括隊友和對手的位置和意圖、球的位置和軌跡、防守和進攻戰略以及戰術，這就需要運動員具備較強的空間知覺能力。因此，足球運動員能否在有效的時間內做出時空判斷是決定其運動成績的關鍵。專家組運動員對技能習得過程或運動訓練所導致的感覺運動系統的適應性更高^[19]，在應對刺激目標時編碼更完整、性能和效率更快^[20]，表現出專家優勢^[21]。這種能力更多取決于運動員空間知覺能力，也就是運動員大腦對空間信息自上而下的加工效率和神經資源的募集數量緊密相關^[22]。研究進一步明確，高水平足球運動員在空間知覺能力上具有一定的認知優勢。

通過對比專家組運動員和新手組運動員在心理旋轉任務中前額葉腦血流動力學變化的差異，發現專家組左、右側背外側前額葉、額極區和右腹外側前額葉激活均低于新手組。行為表現與大腦加工具有著對應關系，不同水平運動員的行為績效差異可能是由于長期運動訓練改善練習者的認知功能^[23]，因此專家組運動員具有獨特的腦加工模式。網狀激活模型指出，運動訓練可提升運動控制的優化和有限的神經資源自動化，表現為前額葉血氧激活降低^[24]。神經影像學研究表明，額葉皮層在先前研究中一致認為參與控制空間認知任務，如通過經顱直流電刺激（tDCS）可激活背外側前額葉皮層^[25]，進而提高被試者在空間知覺任務中的表現，同時額極區主要功能在于對多個目標的空間整合任務^[26]。

認知神經科學研究表明，腦間協同水平與信息傳遞的效率有關^[27]。研究對不同水平足球運動員空間知覺能力的功能連接進行分析發現，專家組功能連接強度顯著大于新手組。任務誘發的功能連接被認為與特定任務表現相關的特定大腦區域之間存在短暫的相互作用，而運動可以增強大腦網絡中的連接性^[28]。這一結果可能是長時間足球訓練讓練習者習得空間認知加工能力，所以對空間認知資源的需求減少，同時在任務中具有注意力轉移、空間記憶編碼和空間位置判斷的高效率^[29]。韓卓君^[30]研究發現，專家組運動員前額葉與左右運動區的功能連接強，動作想象更加集中。在足球場復雜多變的情況下，球員需要調節和調控技術動作以便應對運動情境中的空間變化，不斷更新和分析對手的空間位置信息，感知空間距離，進而明確攻防戰術，可見專家組足球運動員的腦網絡組織更加協調、高效并增強腦組織的合成繼而增加功能連接^[31]。

綜上所述，研究從大腦血流動力學的角度，通過對比研究關注運動經驗對空間認知能力的調節作用并明確加工腦區，揭示長期足球訓練對運動員空間知覺能力的影響，為運動訓練促進空間知覺能力改善的潛在機制及制定個性化運動干預方案提供理論參考。

參考文獻：

[1] 謝松林，龔波，陶然成. 刻意訓練理論在英國足球后備人才培養中的應用與啟示[J]. 體育學刊，2020，27（6）：132-125.

[2] FENG T，LI Y. The time course of event-related brain potentials in athletes’ mental rotation with different spatial transformations[J]. Frontiers in Behavioral Neuroscience，2021，15：675446.

[3] 梁祎明，張忠秋，章建成. 運動空間知覺的影響因素及其信息加工特征[J]. 西安體育學院學報，2018，35（3）：354-360.

[4] 康丹，文鑫. 心理旋轉訓練對5～6歲兒童空間能力和數學能力的影響[J]. 心理發展與教育，2020，36（1）：19-27.

[5] NISHIKAWA R，MIURA H，TAKIB H. Analysis of cerebral blood flow state during a mental rotation task to assess spatial perception ability[J]. Procedia Computer Science，2022，20（7）：4055-4064.

[6] WANG S，HU B Y，ZHANG X. Kindergarteners’spatial skills and their reading and math achievement in second grade[J]. Early Childhood Research Quarterly，2021，57（4）：156-166.

[7] DAVID M，ANNIE M D，JEROME C，et al. Spatial ability and motor performance：Assessing mental rotation processes in elite and novice athletes[J]. International Journal of Sport Psychology，2011，42（6）：525-547.

[8] SUGI T，ISHIHARA M. The effect of visual and tactile information in motor preparation of climbing[J]. European Journal of Sport Science，2021，23（2）：11-15.

[9] DAVID M，JéROME C，ANNIE M D，et al. Enhancing spatial ability through sport practice：Evidence for an effect of motor training on mental rotation performance[J]. Journal of Individual Differences，2012，33（2）：83-88.

[10] HAMDI H，LAURE L P，NICOLAS M，CORINNE M. Effects of the axis of rotation and primordially solicited limb of high level athletes in a mental rotation task[J]. Human Movement Science，2014，37（6）：58-68.

[11] 易妍，劉靜如，張言，等. 不同認知負荷條件下定向運動員心理旋轉能力的行為績效及腦加工特征[J]. 體育學刊，2022，29（2）：136-144.

[12] 周成林，馮琰，王小春. 高水平男子擊劍運動員空間知覺特性的事件相關電位研究[J]. 中國運動醫學雜志，2011，30（2）：121-127.

[13] CLAUDIO P D，MAURO F，JOSY A M D，et al. Football players do not show \"neural efficiency\" in cortical activity related to visuospatial information processing during football scenes：An EEG mapping study[J]. Frontiers in Psychology，2019，10（8）：890.

[14] MOEN K C，BECK M R，SALTZMANN S M，et al. Strengthening spatial reasoning：Elucidating the attentional and neural mechanisms associated with mental rotation skill development.[J]. Cognitive Research：Principles and Implications，2020，5（1）：20.

[15] 李垂坤，張業廷，魏翠蘭，等. 足球運動對運動員源定位及腦功能連接的影響研究[J]. 中國體育科技，2022，58（11）：51-62.

[16] CONA G，SCARPAZZA C. Where is the \"where\" in the brain？ A meta-analysis of neuroimaging studies on spatial cognition[J]. Human Brain Mapping，2019，40（6）：1867-1886.

[17] 唐思潔，秦奎元，李瑛，等. 定向運動員空間距離感知特征研究：來自行為學和fNIRS的證據[J]. 中國體育科技，2023，59（3）：20-27+36.

[18] 邵永聰，皇甫恩，苗丹民，等. 表象旋轉測驗預測空間能力的有效性[J]. 中華航空航天醫學雜志，2004（4）：201-203.

[19] 宋揚，唐思潔，缐紅. 心理旋轉能力對定向運動選手試圖效率的影響研究[J]. 體育學刊，2018，28（4） ：125-130.

[20] HIEW S，ROOTHANS J，ELDEBAKEY H，et al. Imaging the spin：Disentangling the core processes underlying mental rotation by network mapping of data from meta-analysis[J]. Neuroscience and Biobehavioral Reviews，2023，50（10）：105187.

[21] STEFANIE P，PETRA J. Laterality-specific training improves mental rotation performance in young soccer players[J]. Frontiers in Psychology，2018，9：220.

[22] ALVES H，MICHELLE W V，WALTER R B，et al. Perceptual-cognitive expertise in elite volleyball players[J]. Frontiers in Psychology，2013，4：36.

[23] 宋楊，劉陽，楊寧，等. 定向運動練習改善注意缺陷多動障礙兒童執行功能的研究[J]. 體育學刊，2020，27（3）：110-115.

[24] LEONARDO J，ANDREAS W，PETRA J. Interactions between simultaneous aerobic exercise and mental rotation[J]. Current Psychology，2021，42（5）：1-14.

[25] 郭婭美，焦學軍，姜勁，等. 基于經顱直流電刺激的心理旋轉能力增強研究[J]. 生物醫學工程學雜志，2021，38（4）：630-637.

[26] 漆昌柱，賀夢陽，王浩宇. 運動專長的記憶痕跡：基于注意競爭優勢的腦機制研究[J]. 武漢體育學院學報，2021，55（2）：68-75.

[27] MENEGHETTI C，CARDILLO R，MAMMARELLA I C，et al. The role of practice and strategy in mental rotation training：Transfer and maintenance effects[J]. Psychological Research，2017，81（2）：415-431.

[28] MOORE D，LOPRINZI P D. Exercise influences episodic memory via changes in hippocampal neurocircuitry and long-term potentiation[J]. The European Journal of Neuroscience，2020，54（8）：6960-6971.

[29] MENGXIA G，DELONG Z，ZENGJIAN W，et al. Mental rotation task specifically modulates functional connectivity strength of intrinsic brain activity in low frequency domains：A maximum uncertainty linear discriminant analysis[J]. Behavioural Brain Research，2017，32（6）：233-243.

[30] 韓卓君. 基于fNIRS的不同技術水平太極拳練習者腦功能差異的研究[D]. 北京：北京體育大學，2019.

[31] GOWIK J K，GOELZ C，VIELUF S，et al. Publisher Correction：Source connectivity patterns in the default mode network differ between elderly golf-novices and non-golfers[J]. Scientific Reports，2023，13（1）：7336-7338.