運動經驗與認知能力緊密耦合，長期專項訓練可重塑大腦神經可塑性、提升空間認知效率。定向越野作為集體能、策略與空間思維于一體的運動，要求運動員在陌生環境中快速讀圖、導航與決策，是研究運動經驗影響空間認知的理想模型。然而，現有研究多關注專業場景下的行為差異，不同經驗水平定向運動員在非專業空間任務中的前額葉動態變化尚不明確。前額葉皮層（PFC）是執行功能與空間加工的核心腦區，功能性近紅外光譜（fNIRS）具備抗運動干擾、高時空分辨率等優勢，可精準監測其血氧動態。因此，本研究采用 fNIRS 技術，以空間記憶、心理旋轉為任務，對比高、低經驗定向運動員的行為表現與前額葉激活特征，揭示運動經驗調控空間認知的神經機制，為運動促進腦可塑性提供客觀神經證據。

陜西師范大學團隊采用功能性近紅外光譜（fNIRS）技術，系統探究定向越野經驗對空間認知與前額葉皮層動態的影響，相關成果發表于《Scientific Reports》，題為 “Exploring the dynamics of prefrontal cortex in the interaction between orienteering experience and cognitive performance by fNIRS”。研究招募 49 名定向運動員，分為高經驗專家組與低經驗新手，采用空間記憶、心理旋轉任務，采集前額葉皮層血氧信號，分析不同經驗水平下的行為表現與腦區激活差異。結果顯示，高經驗組正確率更高、反應更快；心理旋轉任務誘發更強的背外側前額葉（DLPFC）激活；高經驗組在 DLP、左側腹外側前額葉（L?VLPFC）及右側眶額區（R?OFA）激活顯著更低，呈現明顯神經效率優勢。

文章信息

本研究共納入 49 名定向運動員，按運動經驗分為高經驗專家組（17 人，平均訓練年限 8.7±2.75 年）與低經驗新手組（32 人，平均訓練年限 2±0.48 年），受試者均為右利手、視力正常，無腦部疾病史。采用 2（組別：高經驗 / 低經驗）×2（任務：空間記憶 / 心理旋轉） 雙因素實驗范式，兩項任務均以電腦呈現 5×5 隨機矩陣視覺刺激：空間記憶任務要求記憶方塊位置并判斷一致性（單試次 2 秒）；

圖1 空間記憶任務流程圖

心理旋轉任務需判斷圖形是否旋轉匹配（單試次 5 秒）。

圖2 心理旋轉任務流程圖

兩項任務均含練習與正式階段，各 6 模塊、24 試次，模塊間休息 20 秒。

前額葉布設 22 個通道、采樣率 13.33 Hz，監測含氧血紅蛋白（HbO?）變化；使用 E?prime 3.0 記錄正確率與反應時，腦血氧數據經 NIRS_SPM 預處理后，結合 SPSS 進行雙因素重復測量方差分析，比較兩組行為表現與前額葉激活差異。

圖3 近紅外腦功能成像通道排布及標定腦區信息

一、行為學結果

如圖4所示，高經驗專家組在空間認知任務中的行為表現顯著優于低經驗新手組。正確率方面，專家組整體水平更高；兩組在空間記憶任務正確率相近，但在心理旋轉任務中，專家組優勢突出。新手組空間記憶任務正確率明顯高于心理旋轉任務，而專家組兩項任務表現均衡（圖4左）。反應時結果顯示，專家組在兩項任務中的反應速度均顯著快于新手，加工效率更高（圖4右）。

圖4 不同等級定向越野運動員非專項場景下空間認知任務的行為學結果

二、fNIRS腦成像結果

任務主效應如圖5所示：心理旋轉任務在雙側背外側前額葉（R?DLPFC、L?DLPFC）誘發的血氧激活，顯著高于空間記憶任務。

圖5 任務主效應F值激活圖（左）及顯著通道下的任務差異圖（右）

組別主效應如圖6所示：與新手組相比，高經驗專家組在左側背外側前額葉（L?DLPFC）、右側背外側前額葉（R?DLPFC）、左側腹外側前額葉（L?VLPFC）及右側眶額區（R?OFA）的激活水平顯著更低，呈現明顯的神經效率特征。兩組間未發現任務與組別交互效應，表明經驗對腦激活的影響具有穩定性。

圖6 組別主效應F值激活圖（左）與顯著通道下的組間差異圖（右）

本研究采用功能性近紅外光譜（fNIRS）技術，系統探究了定向越野經驗、空間認知表現與前額葉皮層動態的內在關聯。結果表明，高經驗定向運動員在空間認知任務中表現出更高的正確率與更快的反應速度；心理旋轉任務可顯著激活雙側背外側前額葉（DLPFC），而高經驗組在DLPFC、左側腹外側前額葉（L?VLPFC）及右側眶額區（R?OFA）等腦區激活水平顯著低于新手，呈現明顯的神經效率優勢。研究揭示，長期定向越野訓練可優化前額葉神經資源分配、降低認知負荷，促進空間認知加工自動化，為運動經驗重塑腦可塑性提供了直接神經證據。

未來可進一步擴大樣本量，納入不同年齡、性別與運動年限群體；開展縱向追蹤研究，明確訓練前后前額葉動態變化規律；結合真實競賽場景與多模態腦成像技術，深入解析復雜空間認知的神經機制，為運動訓練優化、腦健康促進及認知干預提供科學依據。

原文信息鏈接

Liu J, Liu Y, Wu L. Exploring the dynamics of prefrontal cortex in the interaction between orienteering experience and cognitive performance by fNIRS[J]. Scientific Reports, 2024, 14(1): 14918.

研究團隊簡介

本文作者Jingru Liu與Linzhen Wu任職于西安郵電大學體育學院；通訊作者Yang Liu任職于陜西師范大學體育學院，主要從事運動認知神經科學、運動心理學及功能性近紅外光譜（fNIRS）技術應用研究。研究團隊依托陜西師范運動科學實驗室、天津財經大學高水平運動員辦公室開展實驗工作，相關研究經陜西師范大學學術倫理委員會批準（SNNU20230318）

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