高水平乒乓球运动员视觉-运动系统功能特异性和灵活性发生可分离重塑
特异性和灵活性是脑功能组织的两个基本属性，也是认知和行为具备高效性的基础。人类技能学习是一种复杂的现象，它能够引起脑功能组织发生重塑从而适应新的行为。在实验室条件下，针对一些简单运动技能学习（如手指序列学习）的神经机制已有大量的研究，并揭示了在技能学习的不同阶段会涉及不同的神经环路（如基底节-皮层环路），即大脑的响应模式会从早期广泛的额顶脑区参与到后期激活区域更加的聚焦。但是支持这种简单运动技能的神经基础在多大程度上能解释经过长期专业训练习得的复杂运动技能仍然不是很清楚。另外，简单运动技能学习的研究很少关注学习引起的脑可塑性变化对一般认知功能（如注意）的影响。相比之下，另一类研究主要关注专业运动员非凡的运动技能及其神经基础，专业运动员的大脑也为研究神经可塑性提供了一个很好的模型。考虑到复杂的全身性运动难以在脑成像环境中实际执行，以往这类研究大都是探究专业运动员在进行特定运动技能想象时大脑的响应模式或采用静息态功能成像探究其内在脑功能组织的可塑性变化。不过，目前很少有研究从动态脑功能组织的角度来揭示专业运动员的神经可塑性变化，而且长期特定领域的运动技能训练对一般感知或认知功能的影响机制还缺乏一致的认识。
2021年5月26日，华东师范大学心理与认知科学学院尹大志研究员与该校物理与电子科学学院范明霞副教授、体育与健康学院李琳教授团队合作在神经科学领域国际知名学术期刊《Brain Structure and Function》上在线发表了题为《Dissociable plasticity of visual motor system in functional specialization and flexibility in expert table tennis players》的研究论文。该项工作结合静息态和任务态功能磁共振成像技术以及动态脑网络分析方法（图1）试图解决以下两个科学问题：（1）高水平乒乓球运动员视觉-运动区与其他脑区之间内在的动态相互作用发生了怎样的可塑性变化，以适应其非凡的运动技能？（2）长期的乒乓球技能训练引起视觉-运动系统的适应性变化如何影响一般注意加工过程。主要研究发现如下：
图1：动态脑网络框架下的脑区功能特异性和灵活性。
通过静息态功能磁共振成像和动态脑网络分析，发现乒乓球运动员感觉运动区（即右侧中央前回，左侧中央后回，右侧顶上小叶和左侧壳核）的内在功能灵活性增加，而视觉区（即两侧舌回）的内在功能特异性增加（功能灵活性减小）(图2)。从动态功能连接的概率分布来看，感觉运动区与广泛分布的额顶脑区之间的连接概率增加，而与感觉运动系统内脑区之间的连接概率减小。相反，两侧舌回与初级视觉区之间的连接概率增加，而与广泛分布的额顶脑区之间的连接概率减小（图3）。通过相关分析发现，乒乓球运动员左侧壳核的内在功能灵活性与运动技能水平呈正相关；左侧中央后回和右侧中央前回的内在功能灵活性与训练年限呈负相关(图4)；而视觉区的内在功能灵活性与技能水平和训练年限都不相关。该结果表明了乒乓球运动员的技能水平与基底节中的重要运动核团—壳核的神经灵活性有关。
图2：（a,b）对照组与乒乓球运动员大脑内在功能灵活性图谱；（c）视觉-运动系统感兴趣区；（d）乒乓球运动员（TTP）与对照组(CTL)之间内在功能灵活性存在显著差异的脑区。
图3：乒乓球运动员视觉-运动区（黄色小球）动态连接概率的变化。红色线条表示运动员连接概率增加，蓝色线条表示连接概率减小，线宽反映变化的大小且红色和蓝色线条的总宽度相等。
图4：乒乓球运动员感觉运动区内在功能灵活性与技能水平和训练年限之间的相关性。
为了探究长期乒乓球技能训练对运动员一般注意功能的影响机制，进一步开展了基于Flanker注意任务的功能磁共振成像研究。行为学结果发现，乒乓球运动员处理不一致条件Flanker刺激的准确率要显著低于对照组（尽管平均准确率都大于90%），且准确率与视觉皮层内在功能灵活性呈正相关(图5)。乒乓球运动员在处理不一致条件Flanker刺激时左侧顶上小叶的激活强度显著高于对照组，但与技能水平或行为学指标没有发现相关性。不过，通过感兴趣区分析发现右侧视觉皮层的激活强度与任务准确率呈负相关。以上结果提示长期特定运动技能训练引起的视觉皮层功能特异性增强对处理一般注意任务可能具有一定的不利影响。
图5：（a）Flanker任务范式；（b）行为学指标的统计结果；（c）乒乓球运动员处理不一致条件Flanker刺激的准确率与视觉皮层内在功能灵活性之间的相关性。
总之，该研究从动态脑功能组织的角度揭示了高水平乒乓球运动员视觉-运动系统内在功能特异性和灵活性发生可分离的适应性重塑，这为理解乒乓球运动员高效的视觉运动能力的神经基础提供了新的认识。所采用的动态脑网络分析方法也可应用于其他专业运动员以进一步理解复杂技能学习与脑可塑性之间的关系。
该项工作得到了科技部重点研发计划（2017YFC1310400）和国家自然科学基金（31600869, 81471651, 11835003）等项目的支持。心理与认知科学学院蔡清教授参与了本研究并给予了大力支持；在论文的前期准备阶段郭秀艳教授、周晓林教授、蒯曙光教授以及郑丽博士等参与了相关讨论并提出了一些非常有价值的意见和评论。
论文信息：
Yin D*, Wang X, Zhang X, Yu Q, Wei Y, Cai Q, Fan M*, Li L*. Dissociable plasticity of visual-motor system in functional specialization and flexibility in expert table tennis players. Brain Structure and Function. 2021; doi: 10.1007/s00429-021-02304-w.
(https://link.springer.com/article/10.1007/s00429-021-02304-w)
近年来，尹大志研究员的一个主要研究方向就是通过发展新的动态脑网络计算方法来描绘大脑神经灵活性图谱。2016年，基于动态功能连接方法提出一种新的概率模型框架揭示了人类大脑内在功能灵活性图谱及其毕生发展规律（Yin et al., 2016, J Neurosci）；后来将该方法进一步应用于跨物种的人-猴比较研究（Yin et al., 2019, Front Neurosci）；最近又将该方法应用于探究复杂运动技能学习对视觉-运动系统功能灵活性和特异性的可塑性影响机制（Yin et al., 2021, Brain Struct Funct）；基于前期的系列工作，2021年尹大志研究员与英国诺丁汉大学医学院Marcus Kaiser教授联合发表了一篇关于如何理解神经灵活性的综述文章（Yin and Kaiser, 2021, NeuroImage），提出了一种多层面的定义来理解脑区水平的神经灵活性。
论文详细信息如下：
Yin D, Liu W, Zeljic K, Wang Z, Lv Q, Fan M, Cheng W, Wang Z. Dissociable Changes of Frontal and Parietal Cortices in Inherent Functional Flexibility across the Human Life Span. Journal of Neuroscience. 2016; 36(39):10060 –10074.
Yin D, Zhang Z, Wang Z, Zeljic K, Lv Q, Cai D, Wang Y, Wang Z. Brain Map of Intrinsic Functional Flexibility in Anesthetized Monkeys and Awake Humans. Frontiers in Neuroscience. 2019; 13:174.
Yin D*, Wang X, Zhang X, Yu Q, Wei Y, Cai Q, Fan M*, Li L*. Dissociable plasticity of visual-motor system in functional specialization and flexibility in expert table tennis players. Brain Structure and Function. 2021; doi: 10.1007/s00429-021-02304-w.
Yin D*, Kaiser, M*. Understanding Neural Flexibility From a Multifaceted Definition. NeuroImage. 2021; 235:118027.