fNIRS 揭秘足球运动员又快又准的大脑高效运作模式
2026-05-20 来源:本站 点击次数:23
为什么足球运动员踢得又快又准？fNIRS看懂他们大脑的“高效模式”
引言/背景
绿茵场上，一名职业足球运动员在接到传球的瞬间，需要同时完成好几件事：判断队友和对手的站位、预估球路、选择脚法、控制力度——这一切往往在一两秒内完成。对于没有经过专业训练的人来说，哪怕只要求他在看到同伴出现的方向后立刻踢出对应一脚，都可能反应迟缓、动作变形，这种差距不只是肌肉记忆。长期训练会让大脑在执行专项任务时进入一种“神经效率”状态：用更少的资源完成更难的事。运动员究竟是在哪些脑区、用怎样的网络协作方式实现这种高效的？这是运动神经科学关心多年的问题。
借助便携、耐运动干扰的功能性近红外光谱（fNIRS）脑成像技术，上海体育大学的研究团队给出了一份具有体育专项意义的答复。他们把典型的工作记忆范式 N-back 与足球踢球动作结合起来，观察国家级足球运动员与普通大学生在执行“边想边踢”任务时的大脑活动有什么不同。
论文概述
上海体育大学体育学院联合北京航空航天大学、香港理工大学、民政部国家康复辅具研究中心等机构，在运动医学领域权威期刊《Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports》上发表题为“Brain Functional Characteristics in Football Players During Motor-Cognitive Dual Task: Insights From fNIRS”的研究论文。研究利用 fNIRS 同步记录皮层血氧信号，对比了 24 名国家级男性足球运动员与 20 名无运动专长的男性大学生，在单一任务、N-back 方向任务、运动-认知双任务和 N-back 数字任务四种条件下的行为表现和大脑功能特征，并分析了脑功能指标与行为成绩之间的关系。
研究方法
招募 24 名国家级及以上的男性足球运动员（运动员组）与 20 名年龄匹配、无足球经验的健康男性（对照组）。剔除信号质量极差者后，最终纳入 18 名运动员、16 名对照者；两组年龄、BMI 无显著差异，均为右利手，近 1 年无运动损伤、无烟酒不良嗜好，身心健康。
实验在安静隔离室开展，受试者先完成基础信息采集与静息态测量（9 分钟），随后随机完成 4 项任务（每项 9 分钟，任务间休息 9 分钟）：
1.单任务：模拟踢球传球，按屏幕队友出现方向踩踏对应踏板；
2.N-back 方向任务：判断当前队友位置是否与 2 次前一致；
3.双任务：结合运动与认知，位置匹配则踢球，不匹配则按键；
4.N-back 数字任务：判断当前数字（1/2/3）是否与 2 次前一致。
全程同步采集行为数据（正确率、反应时）与 fNIRS 信号。
以国际 10/10 系统布设光极，覆盖前额叶（PFC）、背外侧前额叶（DLPFC）、运动前 / 辅助运动区（PMC&SMA）、初级感觉皮层（S1）、初级运动皮层（M1），采样率 10Hz。仅分析 氧合血红蛋白（ΔHbO₂） 信号：原始光强经 0.01–2Hz 四阶 Butterworth 带通滤波去噪；结合主成分分析与独立成分分析去除生理噪声；以三次样条插值与 Hampel 滤波剔除运动伪影及尖峰。
预处理信号经 Morlet 小波变换至时频域，提取 0.01–0.08Hz小波幅值（WA）表征皮层活动强度；基于左右对称脑区 WA 计算侧化指数（LI）；以 小波相位相干（WPCO） 刻画脑区间及脑区内功能连接强度（FC）。每位受试者各状态下，可获 10 个脑区 WA、5 个 LI、55 个 WPCO 值。
研究结果
行为表现：运动员反应更快，受负荷影响更小
行为层面的结果清晰地体现出运动员的优势。在运动员组内，单一任务（Task 1）的正确率显著高于其他三种任务，说明一旦引入 N-back 工作记忆要求，正确率会被拖低。在反应时方面，无论是运动员组还是对照组，单一任务的反应时都显著短于其他三种任务；而跨任务进行组间比较可以发现，运动员组在所有四种任务中的反应时都显著低于对照组。
大脑激活：运动员“开销”更低且集中在关键区域
脑激活层面揭示了运动员更为“节能”的工作方式。相比静息态，运动员组在双任务时右侧 DLPFC 的 WA 显著下降，表现出对高负荷任务的适应；对照组则在单一任务下就已出现左侧 PFC、左侧 DLPFC 和左侧 M1 活动减弱的现象。由于两组在静息态下的基线 WA 本身存在差异，研究者进一步用“任务态 - 静息态”的差值进行组间比较：在单一任务中，运动员组几乎在所有测量脑区（仅右侧 S1 例外的反向除外）都比对照组呈现更低的激活水平；在双任务中，运动员组的右侧 DLPFC 激活显著低于对照组；在数字 N-back 任务中，运动员组的左侧 PMC&SMA 激活显著更低。整体上，运动员以更少的皮层能量消耗完成了同样甚至更好的任务。
半球侧化：双任务中 DLPFC 明显偏左
进一步的侧化指数分析发现，运动员组与对照组在不同任务条件下的半球分工存在差异。在单一任务条件下，运动员组 S1 呈现出更明显的左侧偏侧；在运动-认知双任务中，运动员组 DLPFC 表现出显著的左侧偏侧趋势，暗示在高负荷的“边想边踢”条件下，专项运动员更倾向于让左半球 DLPFC 承担工作记忆相关的控制功能；而在数字 N-back 任务中，运动员组的 S1 则呈现出右侧偏侧趋势。
功能连接：运动员在运动感觉网络中更“整合”
在功能连接层面，两组人在任务状态下的 WPCO 值总体上较静息态有所下降，这与 DMN 在静息时活跃、任务时被抑制的经典规律一致。但运动员组在 N-back 方向任务中表现出更高的跨半球 FC，涉及 LPMC&LSMA 与 RS1、LM1 与 RS1、LS1 与 RS1、LS1 与 RM1 等一系列感觉运动网络（SMN）内的连接；在 N-back 数字任务中，LM1 与 RS1 之间的连接同样显著高于对照组。这些连接大多落在 SMN 内部，表明运动员在面对高负荷认知任务时依然维持着较强的感觉-运动整合能力。
脑-行为关联：左侧前额叶内部的连接预测双任务正确率
当把功能连接与行为成绩联系起来时，运动员在双任务条件下的正确率与左侧前额叶相关的连接强度呈显著正相关（如图7）。LPFC 与 LPMC&LSMA 之间的连接（r = 0.747, p < 0.001）以及 LPFC 区域内部的连接（r = 0.780, p < 0.001），都与双任务正确率高度正相关。可说明在同一批运动员中，LPFC 与运动执行区之间的信息流动越顺畅、计划-执行衔接越高效，他们在“边思考边踢球”的复杂场景下就越不容易出错。
结论与展望
本研究通过 fNIRS 为专家效率假说提供了足球专项双任务的实证依据。行为上，足球运动员在四类任务中反应时显著短于普通人，受认知负荷影响更小。神经层面，运动员以更低皮层激活完成任务，双任务中右侧 DLPFC 活动减弱、DLPFC 呈左侧偏侧化，体现资源集中策略。网络层面，其感觉运动网络跨半球连接更强，左前额叶内部及与左侧 PMC&SMA 的连接与双任务正确率正相关，证实长期训练优化了计划 - 执行通路。
将 “神经效率” 具象到脑区与网络，拓展至贴近实战的双任务场景。对开放项目而言，可通过专项训练、认知干预及神经调控技术，强化左前额叶与运动脑区连接，提升高压下决策与反应能力。
本研究存在局限：采用统一静息基线，未采集各任务前近端基线，可能引入偏差；仅测皮层血氧与行为，未同步记录下肢肌电，难以阐明中枢 - 外周耦合机制。未来可结合 sEMG，进一步揭示从脑决策到肌肉执行的完整调控链路。
原文信息链接
Yin J, Gao S, Zhang M, Xu G, Xu K, He X, Wang Y, Li Z, Shao B. Brain Functional Characteristics in Football Players During Motor-Cognitive Dual Task: Insights From fNIRS. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports, 2025, 35(1): e70003.
DOI: https://doi.org/10.1111/sms.70003
研究团队简介
本研究由上海体育大学、北京航空航天大学、香港理工大学、国家康复辅具研究中心及民政部相关重点实验室联合完成。第一作者 Yin Jiahui（上海体育大学）聚焦运动训练对脑功能的塑造与运动员认知-运动能力神经机制研究。通讯作者 Li Zengyong 深耕fNIRS、康复工程与神经评估；Shao Bin 专注竞技训练与运动员专项能力科学评估。团队旨在为运动员选材、认知训练及表现提升提供神经科学依据。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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引言/背景
绿茵场上，一名职业足球运动员在接到传球的瞬间，需要同时完成好几件事：判断队友和对手的站位、预估球路、选择脚法、控制力度——这一切往往在一两秒内完成。对于没有经过专业训练的人来说，哪怕只要求他在看到同伴出现的方向后立刻踢出对应一脚，都可能反应迟缓、动作变形，这种差距不只是肌肉记忆。长期训练会让大脑在执行专项任务时进入一种“神经效率”状态：用更少的资源完成更难的事。运动员究竟是在哪些脑区、用怎样的网络协作方式实现这种高效的？这是运动神经科学关心多年的问题。
借助便携、耐运动干扰的功能性近红外光谱（fNIRS）脑成像技术，上海体育大学的研究团队给出了一份具有体育专项意义的答复。他们把典型的工作记忆范式 N-back 与足球踢球动作结合起来，观察国家级足球运动员与普通大学生在执行“边想边踢”任务时的大脑活动有什么不同。
论文概述
上海体育大学体育学院联合北京航空航天大学、香港理工大学、民政部国家康复辅具研究中心等机构，在运动医学领域权威期刊《Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports》上发表题为“Brain Functional Characteristics in Football Players During Motor-Cognitive Dual Task: Insights From fNIRS”的研究论文。研究利用 fNIRS 同步记录皮层血氧信号，对比了 24 名国家级男性足球运动员与 20 名无运动专长的男性大学生，在单一任务、N-back 方向任务、运动-认知双任务和 N-back 数字任务四种条件下的行为表现和大脑功能特征，并分析了脑功能指标与行为成绩之间的关系。
文章信息
研究方法
招募 24 名国家级及以上的男性足球运动员（运动员组）与 20 名年龄匹配、无足球经验的健康男性（对照组）。剔除信号质量极差者后，最终纳入 18 名运动员、16 名对照者；两组年龄、BMI 无显著差异，均为右利手，近 1 年无运动损伤、无烟酒不良嗜好，身心健康。
实验在安静隔离室开展，受试者先完成基础信息采集与静息态测量（9 分钟），随后随机完成 4 项任务（每项 9 分钟，任务间休息 9 分钟）：
1.单任务：模拟踢球传球，按屏幕队友出现方向踩踏对应踏板；
2.N-back 方向任务：判断当前队友位置是否与 2 次前一致；
3.双任务：结合运动与认知，位置匹配则踢球，不匹配则按键；
4.N-back 数字任务：判断当前数字（1/2/3）是否与 2 次前一致。
全程同步采集行为数据（正确率、反应时）与 fNIRS 信号。
图1 四种不同任务的任务设置流程及相应按钮的使用方式示意图
(a)单一任务(b)N-back方向判断任务 (c)双重任务(d)N-back数字识别任务
以国际 10/10 系统布设光极，覆盖前额叶（PFC）、背外侧前额叶（DLPFC）、运动前 / 辅助运动区（PMC&SMA）、初级感觉皮层（S1）、初级运动皮层（M1），采样率 10Hz。仅分析 氧合血红蛋白（ΔHbO₂） 信号：原始光强经 0.01–2Hz 四阶 Butterworth 带通滤波去噪；结合主成分分析与独立成分分析去除生理噪声；以三次样条插值与 Hampel 滤波剔除运动伪影及尖峰。
图1 实验流程与装置示意图
(a)实验流程 (b)桌子、显示屏和按钮的布局及其空间位置 (c)fNIRS传感器的布置情况
预处理信号经 Morlet 小波变换至时频域，提取 0.01–0.08Hz小波幅值（WA）表征皮层活动强度；基于左右对称脑区 WA 计算侧化指数（LI）；以 小波相位相干（WPCO） 刻画脑区间及脑区内功能连接强度（FC）。每位受试者各状态下，可获 10 个脑区 WA、5 个 LI、55 个 WPCO 值。
研究结果
行为表现：运动员反应更快，受负荷影响更小
行为层面的结果清晰地体现出运动员的优势。在运动员组内，单一任务（Task 1）的正确率显著高于其他三种任务，说明一旦引入 N-back 工作记忆要求，正确率会被拖低。在反应时方面，无论是运动员组还是对照组，单一任务的反应时都显著短于其他三种任务；而跨任务进行组间比较可以发现，运动员组在所有四种任务中的反应时都显著低于对照组。
图3 准确率和反应时间的统计分析结果
大脑激活：运动员“开销”更低且集中在关键区域
脑激活层面揭示了运动员更为“节能”的工作方式。相比静息态，运动员组在双任务时右侧 DLPFC 的 WA 显著下降，表现出对高负荷任务的适应；对照组则在单一任务下就已出现左侧 PFC、左侧 DLPFC 和左侧 M1 活动减弱的现象。由于两组在静息态下的基线 WA 本身存在差异，研究者进一步用“任务态 - 静息态”的差值进行组间比较：在单一任务中，运动员组几乎在所有测量脑区（仅右侧 S1 例外的反向除外）都比对照组呈现更低的激活水平；在双任务中，运动员组的右侧 DLPFC 激活显著低于对照组；在数字 N-back 任务中，运动员组的左侧 PMC&SMA 激活显著更低。整体上，运动员以更少的皮层能量消耗完成了同样甚至更好的任务。
图4 小波幅度变化及统计分析结果：(a) 运动员组与对照组之间均存在显著的激活差异 (b) 运动员组与对照组之间存在显著差异
半球侧化：双任务中 DLPFC 明显偏左
进一步的侧化指数分析发现，运动员组与对照组在不同任务条件下的半球分工存在差异。在单一任务条件下，运动员组 S1 呈现出更明显的左侧偏侧；在运动-认知双任务中，运动员组 DLPFC 表现出显著的左侧偏侧趋势，暗示在高负荷的“边想边踢”条件下，专项运动员更倾向于让左半球 DLPFC 承担工作记忆相关的控制功能；而在数字 N-back 任务中，运动员组的 S1 则呈现出右侧偏侧趋势。
图5 运动员组与对照组在侧化指数上的显著差异
功能连接：运动员在运动感觉网络中更“整合”
在功能连接层面，两组人在任务状态下的 WPCO 值总体上较静息态有所下降，这与 DMN 在静息时活跃、任务时被抑制的经典规律一致。但运动员组在 N-back 方向任务中表现出更高的跨半球 FC，涉及 LPMC&LSMA 与 RS1、LM1 与 RS1、LS1 与 RS1、LS1 与 RM1 等一系列感觉运动网络（SMN）内的连接；在 N-back 数字任务中，LM1 与 RS1 之间的连接同样显著高于对照组。这些连接大多落在 SMN 内部，表明运动员在面对高负荷认知任务时依然维持着较强的感觉-运动整合能力。
图6 小波相位相干性值存在显著差异
(a) 运动员组内的显著差异 (b) 对照组内的显著差异 (c) 不同组间小波相位相干性值存在显著差异
脑-行为关联：左侧前额叶内部的连接预测双任务正确率
当把功能连接与行为成绩联系起来时，运动员在双任务条件下的正确率与左侧前额叶相关的连接强度呈显著正相关（如图7）。LPFC 与 LPMC&LSMA 之间的连接（r = 0.747, p < 0.001）以及 LPFC 区域内部的连接（r = 0.780, p < 0.001），都与双任务正确率高度正相关。可说明在同一批运动员中，LPFC 与运动执行区之间的信息流动越顺畅、计划-执行衔接越高效，他们在“边思考边踢球”的复杂场景下就越不容易出错。
图7 运动员组中，任务表现与FC值之间的相关性分析结果
结论与展望
本研究通过 fNIRS 为专家效率假说提供了足球专项双任务的实证依据。行为上，足球运动员在四类任务中反应时显著短于普通人，受认知负荷影响更小。神经层面，运动员以更低皮层激活完成任务，双任务中右侧 DLPFC 活动减弱、DLPFC 呈左侧偏侧化，体现资源集中策略。网络层面，其感觉运动网络跨半球连接更强，左前额叶内部及与左侧 PMC&SMA 的连接与双任务正确率正相关，证实长期训练优化了计划 - 执行通路。
将 “神经效率” 具象到脑区与网络，拓展至贴近实战的双任务场景。对开放项目而言，可通过专项训练、认知干预及神经调控技术，强化左前额叶与运动脑区连接，提升高压下决策与反应能力。
本研究存在局限：采用统一静息基线，未采集各任务前近端基线，可能引入偏差；仅测皮层血氧与行为，未同步记录下肢肌电，难以阐明中枢 - 外周耦合机制。未来可结合 sEMG，进一步揭示从脑决策到肌肉执行的完整调控链路。
原文信息链接
Yin J, Gao S, Zhang M, Xu G, Xu K, He X, Wang Y, Li Z, Shao B. Brain Functional Characteristics in Football Players During Motor-Cognitive Dual Task: Insights From fNIRS. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports, 2025, 35(1): e70003.
DOI: https://doi.org/10.1111/sms.70003
研究团队简介
本研究由上海体育大学、北京航空航天大学、香港理工大学、国家康复辅具研究中心及民政部相关重点实验室联合完成。第一作者 Yin Jiahui（上海体育大学）聚焦运动训练对脑功能的塑造与运动员认知-运动能力神经机制研究。通讯作者 Li Zengyong 深耕fNIRS、康复工程与神经评估；Shao Bin 专注竞技训练与运动员专项能力科学评估。团队旨在为运动员选材、认知训练及表现提升提供神经科学依据。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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