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基于近红外光谱的我国青年竞走运动员运动过程中脑功能连接变化特...

基于近红外光谱的我国青年竞走运动员运动过程中脑功能连接变化特点研究

作     者:宋倩倩 尹兆友 

作者单位:燕山大学 

会议名称:《第十二届全国体育科学大会》

会议日期:2022年

学科分类:04[教育学] 

关 键 词:功能性近红外光谱 竞走 大脑激活 功能连接 

摘      要:研究目的:竞走是一项以有氧代谢为主并伴随有氧无氧混合代谢的运动,是我国田径项目中的具有世界夺金实力的优势项目。最近的神经影像学研究已经表明,运动能够重新分配大脑资源并诱发可塑性变化。运动员在经过多年训练后,大脑皮层会对熟知的动作表现出提前性激活,并较初学者占用较少的脑区资源,在行为学中可具体表现为运动员获得更好的动作稳定性、准确性和经济性等特点。然而,青年竞走运动员在执行训练任务时的脑功能变化及其生理机制目前尚不明确。此外,随着功能性近红外光谱(fNIRS)技术的发展,探索运动对身体中血液动力学调节的影响已成为可能。因其具有适中的时间和空间分辨率、在检测大脑组织微循环中血氧浓度变化时还能够有效避免心率及呼吸对血氧信号的干扰、实验过程中对被测试者的限制较小、可进行运动的实时监测等优势,所以在运动康复研究中受到大量关注,但尚未应用于运动训练的研究中。因此,本研究旨在探讨竞走训练对脑血氧振荡和脑网络功能连接重组的影响,并评估fNIRS在高强度运动过程中的应用效果。研究方法:本研究招募了12名右利手14-18岁(15.5±1.41)青年竞走运动员,并使用fNIRS测定了其10min静息状态及20min竞走训练(运动态)过程中,左右前额叶(PFC)、顶叶运动区(MC)以及枕叶(OC)中氧合血红蛋白浓度及脱氧血红蛋白浓度变化。人体内自发的血氧波动信号在不同的频率段有着不同的生理来源,本研究提取了3个特征频率信号(Ⅰ-Ⅲ),分别表征了心率活动、呼吸作用及神经性活动,并用小波振幅(WA)和小波相位相干(WPCO)来描述频率特异性的皮层活动。WA反映了原始信号在某一频率上的波动情况,其表征为大脑皮层的活动强度或激活程度,WPCO是利用信号的相位信息来评估两个信号关联性的一种方法,其通过定量表示两个信号的瞬时相位在整个时间序列持续过程中保持一致的程度来识别可能存在的连接性,可表征两个不同脑区之间的功能连接。研究结果:青年竞走运动员在竞走训练过程中,PFC与MC在脑区在心率、呼吸及神经性活动层面产生了显著性的激活。具体表现为,运动态下的左PFC在第Ⅰ(F=32.256,P0.001)、第Ⅱ(F=31.582,P0.001)以及第Ⅲ(F=5.483,P=0.022)频率段中,以及右PFC在第Ⅱ(F=32.75,P=0.001)、第Ⅲ(F=25.865,P=0.003),小波幅值较静息态有显著性升高。此外,左顶叶运动区在第Ⅰ(F=26.565,P=0.002)、Ⅱ(F=52.856,P0.001)、Ⅲ(F=22.75,P0.001)频率段,右顶叶运动区在第I(F=23.567,P0.001)、Ⅱ(F=48.613,P0.001)、Ⅲ(F=19.667,P0.001)频率段,右枕叶在第Ⅰ(F=7.698,P=0.01)、Ⅱ(F=16.328,P0.001)、Ⅲ(F=17.288,P0.001)频率段的小波幅值在运动态时比静息态有显著性升高。此外,在运动态中,半球内部脑区间以及双侧半球间的动态功能连接较静息态有显著上升。表现为,左右前PFC之间的WPCO在第Ⅰ(F=6.352,P=0.021),Ⅱ(F=10.992,P=0.009)频率段中显著高于静息态;左MC与左OC(F=10.256,P=0.003),左MC与右PFC(F=6.892,P=0.011),左MC与右MC(F=38.765,P=0.001),左OC与右MC(F=7.632,P=0.006),以及右PFC与右MC(F=12.872,P0.001)在第Ⅲ频率段中,WPCO显著高于静息态。研究结论:本研究表明,竞走训练可诱导前额叶、顶叶运动区和枕叶,产生显著激活;功能连接结果表明,长期的竞走训练改善了前额叶,运动区和枕叶在神经活动中的联系;左右半球脑区间的小波相位相干性的增加表明双侧脑区在神经活动中具有较高的相位一致性,从而证明竞走训练可以增强双侧脑区之间的同步性,这有利于运动过程中的行为规划。此外,竞走训练使得前额叶与其他大脑区域之间的交流显著增加,由其是与运动区的功能连接显著上升,表明在运动执行过程中,前额叶与运动区共同支配了任务的完成,这可能有利于运动任务效率的提升。最后,这项研究表明,功能性近红外光谱是一个极佳的皮质成像监测工具,十分适用于评估受试者在静息状态和高强度运动状态中的大脑功能情况,本研究的结论有助于探究运动过程中大脑功能变化的生理机制。

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