定向越野经验重塑大脑：fNIRS揭示前额叶皮层神经效率优势
2026-06-10 来源:本站 点击次数:189
定向越野经验如何塑造大脑？前额叶皮层的动态响应奥秘
引言
运动经验与认知能力紧密耦合，长期专项训练可重塑大脑神经可塑性、提升空间认知效率。定向越野作为集体能、策略与空间思维于一体的运动，要求运动员在陌生环境中快速读图、导航与决策，是研究运动经验影响空间认知的理想模型。然而，现有研究多关注专业场景下的行为差异，不同经验水平定向运动员在非专业空间任务中的前额叶动态变化尚不明确。前额叶皮层（PFC）是执行功能与空间加工的核心脑区，功能性近红外光谱（fNIRS）具备抗运动干扰、高时空分辨率等优势，可精准监测其血氧动态。因此，本研究采用 fNIRS 技术，以空间记忆、心理旋转为任务，对比高、低经验定向运动员的行为表现与前额叶激活特征，揭示运动经验调控空间认知的神经机制，为运动促进脑可塑性提供客观神经证据。
论文概述
陕西师范大学团队采用功能性近红外光谱（fNIRS）技术，系统探究定向越野经验对空间认知与前额叶皮层动态的影响，相关成果发表于《Scientific Reports》，题为 “Exploring the dynamics of prefrontal cortex in the interaction between orienteering experience and cognitive performance by fNIRS”。研究招募 49 名定向运动员，分为高经验专家组与低经验新手，采用空间记忆、心理旋转任务，采集前额叶皮层血氧信号，分析不同经验水平下的行为表现与脑区激活差异。结果显示，高经验组正确率更高、反应更快；心理旋转任务诱发更强的背外侧前额叶（DLPFC）激活；高经验组在 DLP、左侧腹外侧前额叶（L VLPFC）及右侧眶额区（R OFA）激活显著更低，呈现明显神经效率优势。
本研究共纳入 49 名定向运动员，按运动经验分为高经验专家组（17 人，平均训练年限 8.7±2.75 年）与低经验新手组（32 人，平均训练年限 2±0.48 年），受试者均为右利手、视力正常，无脑部疾病史。采用 2（组别：高经验 / 低经验）×2（任务：空间记忆 / 心理旋转） 双因素实验范式，两项任务均以电脑呈现 5×5 随机矩阵视觉刺激：空间记忆任务要求记忆方块位置并判断一致性（单试次 2 秒）；
心理旋转任务需判断图形是否旋转匹配（单试次 5 秒）。
两项任务均含练习与正式阶段，各 6 模块、24 试次，模块间休息 20 秒。
前额叶布设 22 个通道、采样率 13.33 Hz，监测含氧血红蛋白（HbO₂）变化；使用 E prime 3.0 记录正确率与反应时，脑血氧数据经 NIRS_SPM 预处理后，结合 SPSS 进行双因素重复测量方差分析，比较两组行为表现与前额叶激活差异。
研究结果
一、行为学结果
如图4所示，高经验专家组在空间认知任务中的行为表现显著优于低经验新手组。正确率方面，专家组整体水平更高；两组在空间记忆任务正确率相近，但在心理旋转任务中，专家组优势突出。新手组空间记忆任务正确率明显高于心理旋转任务，而专家组两项任务表现均衡（图4左）。反应时结果显示，专家组在两项任务中的反应速度均显著快于新手，加工效率更高（图4右）。
二、fNIRS脑成像结果
任务主效应如图5所示：心理旋转任务在双侧背外侧前额叶（R DLPFC、L DLPFC）诱发的血氧激活，显著高于空间记忆任务。
组别主效应如图6所示：与新手组相比，高经验专家组在左侧背外侧前额叶（L DLPFC）、右侧背外侧前额叶（R DLPFC）、左侧腹外侧前额叶（L VLPFC）及右侧眶额区（R OFA）的激活水平显著更低，呈现明显的神经效率特征。两组间未发现任务与组别交互效应，表明经验对脑激活的影响具有稳定性。
结论与展望
本研究采用功能性近红外光谱（fNIRS）技术，系统探究了定向越野经验、空间认知表现与前额叶皮层动态的内在关联。结果表明，高经验定向运动员在空间认知任务中表现出更高的正确率与更快的反应速度；心理旋转任务可显著激活双侧背外侧前额叶（DLPFC），而高经验组在DLPFC、左侧腹外侧前额叶（L VLPFC）及右侧眶额区（R OFA）等脑区激活水平显著低于新手，呈现明显的神经效率优势。研究揭示，长期定向越野训练可优化前额叶神经资源分配、降低认知负荷，促进空间认知加工自动化，为运动经验重塑脑可塑性提供了直接神经证据。
未来可进一步扩大样本量，纳入不同年龄、性别与运动年限群体；开展纵向追踪研究，明确训练前后前额叶动态变化规律；结合真实竞赛场景与多模态脑成像技术，深入解析复杂空间认知的神经机制，为运动训练优化、脑健康促进及认知干预提供科学依据。
原文信息链接
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.
https://doi.org/10.1038/s41598-024-65747-1
研究团队简介
本文作者Jingru Liu与Linzhen Wu任职于西安邮电大学体育学院；通讯作者Yang Liu任职于陕西师范大学体育学院，主要从事运动认知神经科学、运动心理学及功能性近红外光谱（fNIRS）技术应用研究。研究团队依托陕西师范运动科学实验室、天津财经大学高水平运动员办公室开展实验工作，相关研究经陕西师范大学学术伦理委员会批准（SNNU20230318）
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
运动经验与认知能力紧密耦合，长期专项训练可重塑大脑神经可塑性、提升空间认知效率。定向越野作为集体能、策略与空间思维于一体的运动，要求运动员在陌生环境中快速读图、导航与决策，是研究运动经验影响空间认知的理想模型。然而，现有研究多关注专业场景下的行为差异，不同经验水平定向运动员在非专业空间任务中的前额叶动态变化尚不明确。前额叶皮层（PFC）是执行功能与空间加工的核心脑区，功能性近红外光谱（fNIRS）具备抗运动干扰、高时空分辨率等优势，可精准监测其血氧动态。因此，本研究采用 fNIRS 技术，以空间记忆、心理旋转为任务，对比高、低经验定向运动员的行为表现与前额叶激活特征，揭示运动经验调控空间认知的神经机制，为运动促进脑可塑性提供客观神经证据。
论文概述
陕西师范大学团队采用功能性近红外光谱（fNIRS）技术，系统探究定向越野经验对空间认知与前额叶皮层动态的影响，相关成果发表于《Scientific Reports》，题为 “Exploring the dynamics of prefrontal cortex in the interaction between orienteering experience and cognitive performance by fNIRS”。研究招募 49 名定向运动员，分为高经验专家组与低经验新手，采用空间记忆、心理旋转任务，采集前额叶皮层血氧信号，分析不同经验水平下的行为表现与脑区激活差异。结果显示，高经验组正确率更高、反应更快；心理旋转任务诱发更强的背外侧前额叶（DLPFC）激活；高经验组在 DLP、左侧腹外侧前额叶（L VLPFC）及右侧眶额区（R OFA）激活显著更低，呈现明显神经效率优势。
文章信息
研究方法 本研究共纳入 49 名定向运动员，按运动经验分为高经验专家组（17 人，平均训练年限 8.7±2.75 年）与低经验新手组（32 人，平均训练年限 2±0.48 年），受试者均为右利手、视力正常，无脑部疾病史。采用 2（组别：高经验 / 低经验）×2（任务：空间记忆 / 心理旋转） 双因素实验范式，两项任务均以电脑呈现 5×5 随机矩阵视觉刺激：空间记忆任务要求记忆方块位置并判断一致性（单试次 2 秒）；
图1 空间记忆任务流程图
心理旋转任务需判断图形是否旋转匹配（单试次 5 秒）。
图2 心理旋转任务流程图
两项任务均含练习与正式阶段，各 6 模块、24 试次，模块间休息 20 秒。
前额叶布设 22 个通道、采样率 13.33 Hz，监测含氧血红蛋白（HbO₂）变化；使用 E prime 3.0 记录正确率与反应时，脑血氧数据经 NIRS_SPM 预处理后，结合 SPSS 进行双因素重复测量方差分析，比较两组行为表现与前额叶激活差异。
图3 近红外脑功能成像通道排布及标定脑区信息
研究结果
一、行为学结果
如图4所示，高经验专家组在空间认知任务中的行为表现显著优于低经验新手组。正确率方面，专家组整体水平更高；两组在空间记忆任务正确率相近，但在心理旋转任务中，专家组优势突出。新手组空间记忆任务正确率明显高于心理旋转任务，而专家组两项任务表现均衡（图4左）。反应时结果显示，专家组在两项任务中的反应速度均显著快于新手，加工效率更高（图4右）。
图4 不同等级定向越野运动员非专项场景下空间认知任务的行为学结果
二、fNIRS脑成像结果
任务主效应如图5所示：心理旋转任务在双侧背外侧前额叶（R DLPFC、L DLPFC）诱发的血氧激活，显著高于空间记忆任务。
图5 任务主效应F值激活图（左）及显著通道下的任务差异图（右）
组别主效应如图6所示：与新手组相比，高经验专家组在左侧背外侧前额叶（L DLPFC）、右侧背外侧前额叶（R DLPFC）、左侧腹外侧前额叶（L VLPFC）及右侧眶额区（R OFA）的激活水平显著更低，呈现明显的神经效率特征。两组间未发现任务与组别交互效应，表明经验对脑激活的影响具有稳定性。
图6 组别主效应F值激活图（左）与显著通道下的组间差异图（右）
结论与展望
本研究采用功能性近红外光谱（fNIRS）技术，系统探究了定向越野经验、空间认知表现与前额叶皮层动态的内在关联。结果表明，高经验定向运动员在空间认知任务中表现出更高的正确率与更快的反应速度；心理旋转任务可显著激活双侧背外侧前额叶（DLPFC），而高经验组在DLPFC、左侧腹外侧前额叶（L VLPFC）及右侧眶额区（R OFA）等脑区激活水平显著低于新手，呈现明显的神经效率优势。研究揭示，长期定向越野训练可优化前额叶神经资源分配、降低认知负荷，促进空间认知加工自动化，为运动经验重塑脑可塑性提供了直接神经证据。
未来可进一步扩大样本量，纳入不同年龄、性别与运动年限群体；开展纵向追踪研究，明确训练前后前额叶动态变化规律；结合真实竞赛场景与多模态脑成像技术，深入解析复杂空间认知的神经机制，为运动训练优化、脑健康促进及认知干预提供科学依据。
原文信息链接
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.
https://doi.org/10.1038/s41598-024-65747-1
研究团队简介
本文作者Jingru Liu与Linzhen Wu任职于西安邮电大学体育学院；通讯作者Yang Liu任职于陕西师范大学体育学院，主要从事运动认知神经科学、运动心理学及功能性近红外光谱（fNIRS）技术应用研究。研究团队依托陕西师范运动科学实验室、天津财经大学高水平运动员办公室开展实验工作，相关研究经陕西师范大学学术伦理委员会批准（SNNU20230318）
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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