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　　摘要：近期国外采用无创伤、非侵入的神经生理学（EEG、MEG、TMS）和神经影像学（fMRI）的方法，研究视觉、听觉、躯体感觉（触觉）刺激的认知加工过程及运动准备、执行和表象的运动认知加工过程。结果表明，运动员之所以比非运动员反应更精确、更有效率、更加自动化，是由于在长期的运动训练和比赛中，运动员大脑发生了可塑性、适应性的变化导致大脑神经加工效率提高。然而，这种现象的神经机制目前尚不清楚，研究不同项目运动之间的差异及大脑结构、功能与训练强度、时间之间的相关性可能是未来的研究方向。

　　关键词：运动员大脑；EEG；TMS；fMRI；神经效率及可塑性

　　中图分类号：G804.2文章编号：1009-783X（2013）06-0566-07文献标志码：A

　　运动员怎样控制自己的动作？运动员和非运动员相比其大脑功能有什么不同？非运动员的大脑经过多长时间能够变成像运动员那样的大脑？无论对于运动员、教练员还是运动学家，这些问题都倍受关注。人们普遍认为运动员在专项运动操作过程中表现得更加快速、有力、更加准确、更有效率、更有坚持性、更加自动化。实际上，运动员的这些优异表现均依赖于神经系统的功能活动，使正确的肌肉在正确的时间、以正确的顺序被激活[1]。神经效率假说（neuralefficiencyhypothesis）认为，长期系统的运动训练使运动员大脑在结构和功能上发生可塑性变化，导致神经效率提高[2]。神经效率是指个体更为高效的皮层功能，通常表现为更好的操作绩效和更低的皮层激活程度；神经可塑性是指通过专业领域长时间的训练促使大脑发生的结构和功能上的改变[3]。但是运动员大脑神经环路的可塑性与适应性的变化机制还不是很清楚，因此，运动学家有必要提供更多的证据来支持这一假设。近年来，随着认知神经科学的发展，研究者开始运用神经生理学（EEG、MEG、TMS）和神经影像学（fMRI）等先进技术探测运动员强大认知功能神经机制，试图揭开运动员大脑的奥秘。这些技术用来研究视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉刺激的认知加工过程及关于人类运动准备、执行和表象的认知加工过程。典型的研究是采用专家-新手范式比较他们之间大脑加工活动的不同，这些研究是基于这样的假设：运动活动和许多神经生理特点相联系。例如灵活的行为适应性是通过在多变的环境中的运动操作获得的[4]。这些适应性包括复杂的、同步的神经活动，例如知觉、刺激辨别、决策、多模式的整合，运动准备和执行。另外，注意状态也对行为在时间和空间上的精确性起着重要作用，选择性注意的快速转移和成功的操作存在密切的相关性[5]。

　　运动员的大脑为研究神经可塑性提供了良好的素材；因为运动员在很小就开始了长期的训练，并且一直贯穿整个运动生涯。运动技能学习及相关的运动能力是在长期的、重复性的运动训练过程中获得的。对动物大脑的研究表明：长期的、重复性的运动训练会导致主要初级运动皮层（primarymotorcortex，MI）[6]、突触的神经元动员比率发生适应性的改变[7]，而其还会导致大脑皮层地形发生变化[8]，类似的结果在感觉皮层区也被发现。例如，训练猴脑辨别不同频率的听觉刺激的研究发现，对训练过的频率反应的听觉皮层区扩大，而没有被训练的频率的听觉皮层区面积减小。学习依赖型的变化（learning-dependent）在动物大脑的研究中得到了大量的证据，但是，运动员大脑的神经科学研究仍旧是必需的。因为运动技能代表了人类高难度的技能，反映了人脑高级的认知加工过程，所以，研究运动技能的获得、计划与完成过程的脑神经机制势必成为当前的热点。

　　因此，本文将主要从运动相关的神经活动、感知觉相关的认知加工过程、EEG光谱功率分析和高度功能整合的ERPs和fMRI数据，来评述近年来对优秀运动员和非运动员大脑活动非侵入性研究现状，并在这些研究进展的基础上，指出运动科学在该领域研究面临的一系列问题以及未来的研究方向。

　　1运动相关皮层区电位

　　1.1运动相关皮层电位

　　运动相关皮层电位（motor-relatedcorticalpotentials，MRCPs）是用EEG记录到的在随意运动之前的峰值信号，它反映了运动准备加工过程。这些电位开始于一个缓慢升高的负波，称为准备电位（bereitschaftspotential，BP）和随后变负的陡波，大约在运动开始前500ms左右称为负斜坡电位（negativityslope，NS）。MRCPs的信燥比随着平均时间进程而提高，并且已经在手指、脚和舌头、下巴的随意运动中被记录到。MRCPs主要产生在运动相关的区域，也就是说BP和NS′主要产生于辅助运动区（SMA）、前辅助运动区（pre-SMA）、背侧运动前区（dorsalpremotorarea，PM）、对侧MI、主要躯体感觉区（SI）、前扣带皮层（ACC），以及包括基底神经节和丘脑的皮层下结构。

　　Kita等[9]首先记录到运动员的MRCPs。他对4名日本剑道、2名体操运动员和9名非运动员的研究发现，在手腕伸出之前，运动员MRCPs潜伏期比非运动员短，波幅比非运动员小。运动员的MRCPs产生于手腕肌电反应之前的400ms，并且快速增加，而对于非运动员，MRCPs开始于肌电反应之前的1500～2000ms。这说明，运动员的大脑皮层功能活动效率较高，功率消耗少，同时也表明通过长期的运动训练运动员大脑的神经环路变得更加特殊。

　　DiRusso等[10]在此项研究的基础上发现，右利手优秀射击运动员的右手操作活动的MRCPs波幅比非运动员小，但是左手没有发现这一差异，这进一步表明了是运动训练导致了神经效率的提高。Del等[11]记录了11名击剑运动员、11名空手道运动员和11名非运动员的MRCPs。结果发现，非运动员比运动员的MRCPs波幅更高，但是空手道运动员同侧半球的波幅比击剑运动员和非运动员高。这就是说，空手道运动员两侧半球都得到了发展，而击剑运动员和非运动员却没有。这些结果同样表明优秀运动员的神经效率与运动训练息息相关。

　　运动员MRCPs的研究结果，已经证明了运动相关皮层区（SMA、pre-SMA、PM、MI、SI和ACC及皮层下结构）的神经加工效率的存在，但是，这些结果可能受到诸如利手、运动项目和运动员经验的影响。建议未来的研究应该通过比较运动员和音乐家的fMRI数据来证实这种神经效率，目前这样的研究设计未见报道。另外，先前的EMG研究也发现专家比新手的MRCPs开始时间早，暗示了真实的运动特点；所以，运动学家应该通过观察专家和新手在操作具有相同肌电活动的动作时的表现，来证实这种神经效率是否真的是基于运动经验。

　　1.2关联性负变化

　　关联性负变化（contingentnegativevariation，CNV）是一种事件相关电位，是指发生在警告刺激（S1）和目标刺激（S2）之间的时间间隔之内的波幅增长。CNV与运动准备和与期望、动机、注意及唤醒的认知加工过程有关[12-14]。CNV至少由2个成分组成，一个是前额中央区主导成分（早期CNV），另一个是中央顶骨区主导成分（晚期CNV）。如前所述，MRCPs是在自发式随意运动之前记录到的，但不涉及与命令式刺激相关的认知加工过程。

　　迄今为止，只有1篇论文报告了运动员和非运动员之间的CNV差异。Hung等[15]记录了15名男性乒乓球运动员和非运动员的CNVs。结果显示，运动员的CNV波幅显著大于非运动员。这一来自CNV的研究显示，尽管在运动准备期CNVs和MRCPs具有相似的波形，但是却显示出与MRCPs相反的神经效益模式。CNVs和MRCPs出现这种差异的原因可能有2种解释：一是CNVs和MRCPs的发生器（generators）不同。先前的研究表明，前额皮层、眼窝前额皮层、SMA、PM、MI、SI、扣带回、颞叶、顶枕区、脑岛和皮层下结构（基底神经节和丘脑）[16-19]和CNVs的产生相关。这也就是说，CNVs和MRCPs的差异主要是因为CNV发生器不仅包括运动相关皮层，而且还包括和高级认知加工过程相联系的几个区域。例如，前额皮层、颞叶和顶枕区，而MRCPs的发生器只包括运动相关皮层。第2个可能的原因是CNVs和MRCPs研究使用的是不同的运动员群体。这些研究对象既有运动员群体差异，又有运动项目、经验水平、年龄、性别和国籍之间的差异。因此，未来的研究应该记录同一群体运动员的CNVs和MRCPs来进一步证明这些现象产生的原因。