國家象棋層級和一級棋士級腦功能磁共振成像比較研究

國家象棋層級和一級棋士級腦功能磁共振成像比較研究

磁共振信號與血流中的氧含量有關(guān)。在腦活動期間，大腦中血氧含量的變化可以反映相應(yīng)神經(jīng)活動的變化。功能磁共振成像技術(shù)（mri）可以用來測量大腦認(rèn)知任務(wù)的工作，近年來成為腦認(rèn)知科學(xué)的熱點。棋類活動是人類高級認(rèn)知活動的代表,文獻(xiàn)大多研究國際象棋。前人曾對性別、年齡、智力、練習(xí)甚至出生月份等多種影響因素與運動員水平的關(guān)系進(jìn)行過研究。到目前為止,僅Atherton和Chen利用fMRI分別對國際象棋和圍棋運動員對弈時大腦的工作情況進(jìn)行了研究。中國象棋極具中國特色,擁有眾多的愛好者,中國運動員幾乎包攬了世界上所有中國象棋比賽的獎牌。截止目前,對中國象棋的研究僅涉及其歷史、文化、機器博弈等方面,尚未見對棋手大腦功能進(jìn)行研究的報道。近兩年世界和全國智力運動會在中國的召開讓國人認(rèn)識到棋類活動作為競技比賽項目的吸引力。競技比賽有輸贏,運動員按比賽成績分運動等級,中國象棋也不例外。Ross等人和Milton等人以高爾夫入洞竿數(shù)作為劃分運動等級的標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)不同級別運動員大腦激活腦區(qū)部位和程度不同。Kim和Wei分別對不同級別射箭運動員和跳水運動員進(jìn)行的研究也有相似結(jié)論,以上研究提示,從腦功能角度看,不同運動等級運動員技能相關(guān)的神經(jīng)基礎(chǔ)不同。本研究采用fMRI方法對中國象棋大師級和一級棋士級運動員進(jìn)行比較分析,為研究運動水平的中樞神經(jīng)機制提供借鑒。1數(shù)據(jù)收集和分析處理1.1實驗受試對象的特點在最近發(fā)表的相應(yīng)的國外文獻(xiàn)中,涉及大師級運動員一類“稀少人群”的fMRI研究曾采用6~7人。據(jù)東萍象棋網(wǎng)數(shù)據(jù),我國中國象棋男運動員共6768人,大師級運動員共110人,男性大師級運動員在棋手中所占比例為1.6%。本實驗收集的對象為第1屆智力運動會的運動員,共有182名男性參賽運動員報名參加比賽,經(jīng)最大的努力,已將符合條件并自愿參加測試的受試納入。本實驗收集男性參賽運動員13名,其中大師級運動員6名,年齡25.67±6.8歲,體重70.33±10.5kg,受教育年限13.83±1.83年;一級棋士7名,年齡29.43±10.42歲,體重75±15.28kg,受教育年限12.43±2.37年。兩組受試年齡、體重、受教育年限均無顯著性差異(P>0.05)。受試均身體健康,無神經(jīng)精神疾病史和用藥史,均為右利手。1.2任務(wù)刺激實驗如圖1所示,本實驗設(shè)計為8s靜息準(zhǔn)備狀態(tài)和594s任務(wù)刺激狀態(tài)。靜息準(zhǔn)備狀態(tài)為黑色底色加正中小白色十字界面,要求受試定睛看十字,避免走神。任務(wù)刺激狀態(tài)為1個循環(huán)(section),包括9個單元(trail),每個單元依次呈現(xiàn)空白棋盤、隨機棋盤和殘局三種任務(wù)刺激,分別持續(xù)22s,包括20s刺激時間和2s選擇時間。在每個任務(wù)刺激后2s的選擇時間中,屏幕將顯示“1”、“2”兩個數(shù)字,受試以食指按“1”,中指按“2”,在空白和隨機棋盤刺激后,受試隨機進(jìn)行按鍵,兩個數(shù)字沒有差異,在殘局刺激后,受試作為紅方,按“1”代表想出如何將死對方,按“2”代表未想出。本實驗任務(wù)設(shè)計采用心理學(xué)實驗軟件E-prime編程實現(xiàn)。1.3受試對象的確定采用四川大學(xué)華西醫(yī)院放射科磁共振研究中心西門子3.0T全身磁共振成像儀(SiemensMagnetomTrio3.0T),受試實驗時仰臥,頭部左右側(cè)加軟海綿墊固定于線圈內(nèi)以減少頭部運動。與計算機相連的投影儀將實驗任務(wù)內(nèi)容投射到成像儀內(nèi)的屏幕上,受試通過頭部所戴掃描線圈上的反光鏡觀看屏幕內(nèi)容。以平面回波成像(Echo-PlanarImaging,EPI)序列采集T2*功能像,掃描參數(shù):TR=2000ms,TE=30ms,翻轉(zhuǎn)角度為90°,層厚5mm,矩陣64×64,視野240×240mm2,體素大小為(3.8×3.8×5.0)mm3,共30層,隔層掃描。1.4fmri數(shù)據(jù)的校正、罪犯身份采用統(tǒng)計參數(shù)圖(StatisticalParametricMapping,SPM)軟件SPM2在MatlabR2008a的平臺上對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,對每個受試的fMRI數(shù)據(jù)首先進(jìn)行時間校正、頭動校正,排除頭部平動大于1mm、轉(zhuǎn)動大于1°的受試對象,而后將校正后的圖像進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化,采用SPM自帶蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所(MontrealNeurologicalInstitute,MNI)模板空間,并將每個體素重采樣至(3×3×3)mm3;最后使用高斯函數(shù)進(jìn)行平滑,降低空間噪聲,半高寬(fullwidthathalfmaximum,FWHM)取8mm。采用配對樣本t檢驗(P<0.001,未校正),激活范圍閾值設(shè)為5個體素。2大師組和一級棋士組實驗結(jié)果及差異對大師組和一級棋士組受試殘局減空白棋盤的數(shù)據(jù)做配對樣本t檢驗的組間分析,分別得到大師組比一級棋士組激活程度更高(P<0.001,未校正)以及一級棋士組比大師組激活程度更高(P<0.001,未校正)的腦區(qū)。2.1腦區(qū)殼核的范圍和程度更高由圖2和表1可以看出,大師組受試比一級棋士組受試激活范圍更廣(以激活簇內(nèi)體素數(shù)量表明)、程度更高(以t值表明)的腦區(qū)有雙側(cè)中央后回、雙側(cè)額葉中回、右側(cè)中央前回、左側(cè)額葉上回、右側(cè)扣帶中回、左側(cè)中央旁小葉和右側(cè)殼核。2.2第一和第二級水平的國際象棋組的結(jié)果大于大師組一級棋士組受試比大師組受試激活范圍更廣、程度更高的腦區(qū)為右側(cè)枕葉上回(RightSuperiorOccipital,表2)。3激活前、后扣帶回、杏仁核-前腦成分配劉承宜等人研究發(fā)現(xiàn),運動訓(xùn)練可以形成項目特異的內(nèi)穩(wěn)態(tài)(sport-specifichomeostasis,SSH)。SSH的品質(zhì)包括運動功能的復(fù)雜性和穩(wěn)定性。項目的運動成績表征了功能的復(fù)雜性,成績越好,復(fù)雜性越高;項目成績的可重復(fù)性代表了功能發(fā)揮的穩(wěn)定性,可重復(fù)性越好,功能發(fā)揮的穩(wěn)定性越高。顯然,SSH的品質(zhì)越高,運動成績越好。訓(xùn)練會導(dǎo)致大腦皮層產(chǎn)生可塑性變化,神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性是SSH的神經(jīng)表現(xiàn)。不同級別運動員的區(qū)別可以分為兩個層次。第1種情況:兩者所建立的SSH品質(zhì)相同,低級別運動員的腦區(qū)激活比高級別運動員高。Ross等人對高爾夫運動員的研究發(fā)現(xiàn),在輔助運動區(qū)(supplementarymotorarea)、小腦(cerebellum)和基底節(jié)(basalganglia)等任務(wù)相關(guān)區(qū)域,隨著受試水平的提高,大腦激活程度降低。Milton等人對高爾夫運動員的研究發(fā)現(xiàn),兩組運動員完成某個技術(shù)動作想象時的大腦激活不同,高級別運動員主要激活頂上小葉(superiorparietallobule)、背外側(cè)運動前區(qū)(dorsallateralpremotorarea)和枕葉(occipitalarea),低級別運動員還激活后扣帶回(posteriorcingulate)、杏仁核-前腦復(fù)合體(amygdala-forebraincomplex)和基底節(jié)(basalganglia)。研究認(rèn)為,此類結(jié)果源于高級別運動員形成了集中和高效的任務(wù)相關(guān)網(wǎng)絡(luò),而低級別運動員卻很難濾過不相關(guān)信息。第2種情況:低級別運動員所建立的SSH品質(zhì)低于高級別運動員的SSH品質(zhì),后者的腦區(qū)激活在一些區(qū)域高于前者,但在另一些區(qū)域低于前者。Kim等人對射箭運動員的研究發(fā)現(xiàn),二者放箭前習(xí)慣動作的大腦激活區(qū)有異同,兩組均激活前、后扣帶回(anteriorandposteriorcingulategyrus),高級別運動員主要激活枕中回(occipitalgyrus)、顳上回(temporalgyrus),低級別運動員主要激活額葉區(qū)(frontalarea),同時,在相同激活區(qū),高級別運動員激活強度高于低級別運動員。Wei等對跳水運動員實施的動覺想象實驗、Seung等對音樂家的研究也支持此類結(jié)果。大師組被試的SSH品質(zhì)高于一級棋士組,本研究結(jié)果屬于第2種情況。大師組比一級棋士組受試激活程度更高的腦區(qū)有右側(cè)中央前回、雙側(cè)中央后回、雙側(cè)額葉中回、左側(cè)額葉上回。中央前回主要負(fù)責(zé)運動功能,中央后回主要負(fù)責(zé)接收外來刺激,產(chǎn)生感覺。額葉主要負(fù)責(zé)邏輯推理和空間工作記憶等高級認(rèn)知功能。以往對國際象棋運動員的研究并不一致認(rèn)可額葉的作用,本研究提示了自額葉在中國象棋大師級運動員大腦功能中的作用,但需進(jìn)一步結(jié)合運動員智力和空間工作記憶等結(jié)果進(jìn)行分析。大師組被試比一級棋士組被試在左側(cè)中央旁小葉也有更高程度的激活,中央旁小葉前部為輔助運動區(qū)(supplementarymotorarea,SMA),該區(qū)為感覺運動皮層的一部分,主要負(fù)責(zé)運動準(zhǔn)備和雙手控制,其功能與視覺線索依賴的運動控制不同,掌管記憶中順序運動的控制。中央旁小葉后部為頂葉的一部分,頂葉主要參與包括空間信息處理、空間導(dǎo)向和內(nèi)外空間信息交互在內(nèi)的空間計算過程。對國際象棋運動員的研究提出,頂葉與思考棋子可能走法的心理想象過程相關(guān)。中國象棋大師級運動員在右側(cè)扣帶中回也有更高程度的激活,扣帶回是大腦皮層和邊緣系統(tǒng)間的白質(zhì)連接纖維,研究提出后扣帶回激活程度與運動技能掌握程度成反相關(guān)。對圍棋運動員的研究發(fā)現(xiàn),在任務(wù)減空白刺激時也有后扣帶回的激活,但未對運動員分級別進(jìn)行討論,也沒有對扣帶中回的討論。中國象棋大師級運動員右側(cè)殼核激活程度也更高。殼核和尾狀核共同構(gòu)成背側(cè)紋狀體,二者協(xié)作接收來自大腦皮層的傳入信息,是皮層通往基底節(jié)的入口。殼核參與運動學(xué)習(xí)、控制、準(zhǔn)備等功能,若發(fā)生異常,將導(dǎo)致帕金森等運動系統(tǒng)疾病。一級棋士組被試激活程度更高的腦區(qū)為右側(cè)枕葉上回。枕葉主要負(fù)責(zé)視覺功能,較低水平運動員激活程度更高可能說明需要更多注意棋盤以思考如何行走棋子,而大師級運動員對棋局的不同布局已經(jīng)熟悉,需要的視覺注意可能較少。棋類研究提出的“組塊學(xué)說”(chunkingth