功能磁共振成像对高尔夫球运动表象评价.doc

功能磁共振成像对高尔夫球运动表象的评价作者:杰弗里s .罗斯、珍Tkach 、保罗密.罗明坚、 迈克尔利伯 埃里克Lapresto发表杂志名：美国神经放射学杂志背景和目的：心理意象包括在无身体运动的情况下在大脑中彩排或者完成一项任务。这项技术已经得到了广泛的应用，但是在实践中尚未运用这项技术对快速的、复杂的、机械化的高尔夫球挥杆动作进行过评价。本研究运用功能磁共振成像对高尔夫球运动员在各种障碍下进行挥杆动作的成像情况进行解析，试图解释大脑活动区域与高尔夫球运动技术之间的关系。研究方法：在控制条件的情况下运用功能磁共振成像对6名高尔夫球运动员在挥杆时的心理意象进行研究。对“休息”和“墙”这两种控制条件进行评估，并且在尽可能缩小实验影响因素的情况下绘制心理意象功能活动图。然后对这些影响高尔夫球意象的控制条件进行测试：测试者将被告知以第一人称的视觉在想象进行高尔夫球的挥杆练习。再根据所激活的像素在被定义为兴趣区域的137个像素中所占的比例来进行计算。实验结果：“rest-versus-golf”这个实验激活的区域包括顶叶皮质运动皮层、额叶、小脑、蚓部和行动计划地区(额顶叶皮质、运动运动辅助区域,小脑)和错误检测区域(小脑)。被激活的最明显的区域是蚓部,运动辅助区域、小脑。激活不明显的区域主要出现在扣带回,右颞叶,深色的灰质,和脑干。一些相关区域的活动也有些得到了加强，有些受到了抑制。结论：本研究证明了在复杂的、协调的意象活动中划分大脑活动区域的可行性。高尔夫球运动技术水平越高，大脑的活化性就会相应的越低（主要是指运动辅助区域和小脑基底神经节）。心理意象是指无身体运动的情况下在心理排练或者完成一项任务。这项技术已经得到了广泛的提倡和应用。在高尔夫球领域,最近强调的重点是心理排练技术,对于这项技术专业高尔夫球手菲尔森已经进行了公开的讨论。然而意象在实际应用中尚未对快速的、复杂的、机械化的运动进行过评价，例如：高尔夫球的挥杆动作。本研究运用功能磁共振成像对高尔夫球运动员在各种障碍下进行挥杆动作的成像情况进行解析，试图解释大脑区域活动与高尔夫球运动技术之间的关系。研究方法在控制条件的前提下利用功能磁共振成像对6名男性高尔夫球运动员在各种障碍下对他们的挥杆心理意象进行评估。参与研究的对象年龄范围在24岁-50岁之间，平均年龄为39岁。5/6的人习惯用右手做事情，也用右手打高尔夫球。设置的5号障碍是一个左撇子但要求用右手打球。克利夫兰临床基金会的研究得到院校评审委员会批准，得到了所有参与者的书面同意。通过三维梯度回声序列获得所有参与者的功能融合数据。所有参与者事先都学习了有关被用于特定类型的心理意象 (即第一人称的视觉)与自然的这两个控制范例。图1rest-versus-golf的两种模式1.5T(左)和3.0T(右),显示了参与者在13种障碍中大脑活动区域出现了相同的结果。大脑激活的区域覆盖了大脑的轴向视图。对“休息”和“墙”这两种控制条件进行评估，并且在尽可能减少实验影响因素的情况下绘制大脑功能图。在休息控制模式中,参与者被告知要使自己进入安静的状态,例如,安静地坐在海滩边,在研究过程中不要想任何事物(或做任何动作)。在墙控制模式中，参与者被告知他们靠着一面墙，并且要求用手去拉或者推开墙。然后在进行高尔夫球的心理意象测试时排除这两种控制条件，测试者被告知以第一人称的视觉在心理进行高尔夫球挥杆技术的排练，随后想象实战开球，要求每1.5s2s发一次。之后参与者被告知不按照他们平常的每发一次又安装的常规,而是尽力达到心理旋启式率（大约0.5波动/秒）。在一个单独的磁共振造影系列中数据控制和实验条件交替给予，如此以致于参与者的意象交替变化，从而得到不同的图象。休息高尔夫球休息等等，或者墙高尔夫球墙等等。参与者被口头告知何时开始或者停止意象任务。这个研究考虑了房间灯光的昏暗，参与者眼睛的闭合。高尔夫球意象作为除双手交替和手指交替敲击模式和想象的手指敲击模式之外的第三个系列。允许被试者适应测试程序。通过1.5-T（全身磁共振造影系统）(交响乐团、西门子、埃尔兰根)或者3.0-T（头部磁共振造影系统）（Allegra、西门子、埃尔兰根）对血氧等级相关功能进行研究。1.5-T系统身体上的线圈是用于传送的，只能通过头部的线圈来收集数据，3.0-T系统通过头部的线圈来传送和接收数据。所有功能图象的获得都是通过2D多节段二围成像获得。在16节段中每个节段采集3到4个/S脂肪饱和度。获得的参数如下：1442/50 (TR/TE)；激发翻转90度；视野220mm；矩阵=6464；相位R/L（无线定位）；截面厚度4mm 带有33的缺口。功能图象从轴向或斜轴向平面获得，覆盖全部皮质和大部分小脑。带宽的信号强度是1953赫兹/像素。前瞻性和回顾性移动校正的方法应用于所有磁共振的研究中。前者主要应用于在功能磁共振研究过程中减小患者从头至尾的平面影响。前瞻性校正的方法在现实中主要是运用三维刚体转化成最近的图像内容和参考内容来实现。将新位置信息传递给测量系统，利用这些数据调整部位的位置和方向，为进一步获得数据，采集参数，允许测量值与大脑协调系统之间存在一个恒定的空间关系。在一个信息采集循环中位置信息的更新有一个短暂的延迟。量到量的变化导致的结果是暂时的延迟，只有通过倒易空间将回顾性移动校正的量插入进去才能校正。功能磁共振成像数据的统计学评价被用于自动计算Z图。这个计算图被应用于分析3.1(Mayo Foundation)和左右大脑和小脑半球的16个部位：额部,时间,顶部,枕、补充运动区,扣带皮质、电机、感觉,深的灰色物质,小脑半球、脑阀杆,以及蚓部中描绘出137个不同的兴趣区域。然后对激活相素在每个兴趣区域所占的百分比进行计算。让一个参与者（13项障碍），在休息模式下进行5次高尔夫球对打想象，将数据总结得出一个可以与其他参与者进行比较的模板。同时也将1.5-T系统和3.0-T系统的数据质量进行比较评估。表1: 两种实验条件活动百分比统计Region 0 Rest 0 Wall 5 Rest 5 Wall 7 Rest 7 Wall 10 Rest 11 Rest 11 Wall 13 Rest 13 WallVermis 2.3 0 6 0.3 1 0 7.2 8.2 7.2 14.7 8.6R SMA 5.9 0 0.7 0 9.8 3.8 7.6 13.9 7.7 12.7 7.7L SMA 21.2 0 0.6 3.6 22.6 10 12.6 16 8.3 12.1 8.9L motor 3.4 1.2 1.8 1.3 13.8 2.7 2.5 14 13.2 10 7.8R cere 4.6 0.4 6.3 0.2 0.2 0 9.3 6.1 1.5 8.8 5.1L cere 4.7 1.7 7.9 0.6 1.7 1.2 7.4 5.6 2.5 6.2 3R motor 4.4 0 1.7 0.3 5.2 1.5 4.1 8.1 8.7 4.1 2.8L frontal 8.5 0.5 0.8 0.1 5.2 0.8 7.3 4.4 4.5 3.8 1.1L sensory 3.8 1.4 5 1 2.1 0 7.2 0.5 0.8 3.8 4.7L parietal 4.3 0.2 3 0.4 4.8 0.7 6.1 7.5 3.6 3.1 1.8R occipital 1.8 0 1.4 0.3 2.3 0.2 11.5 1 0.4 2.8 0.8Brainstem 1.2 1 0.5 0 0 0 5.2 0.7 0.2 2.3 4.5R sensory 3.1 1.5 6.8 0.9 3.2 0.5 5.4 5.1 6.5 2 2.7L deep gray 2.9 0.7 1.8 0.5 2.1 0.8 4.1 1.5 1.7 1.9 0.7L temporal 1.1 0.3 4.3 0.2 1.1 0.3 3.2 0 0.3 1.9 2.8L occipital 2 0.8 1.3 0.3 2.3 0.5 7.3 0.6 0.3 1.5 1.1R frontal 6.8 1.2 1.2 0.2 4.6 0.1 5 2.5 1.7 1.3 0.8R parietal 6.1 0 1.8 0.5 2.7 0.3 5.9 1 1.6 1.3 0R deep gray 3.1 0 2 0.3 2.1 1.8 1.6 0 0 1.2 0R temporal 0 0.3 3.1 0.5 0.9 0.2 1 0.4 0.5 1.1 0L cingulate 3.7 0 0 0 1.3 1.3 8.9 0 0 0.8 0R cingulate 0 0 0 0 7.6 1.9 0.8 0 0 0.5 0Note.R indicates right; L, left; SMA, supplementary motor area.* 参与者在13种障碍下在rest-versus-golf模式中进行5次测试所获得的数据从大到小的分类情况。功能磁共振成像与以互换信息最大化为基础的内部软件三维梯度-回声影像相似(3)。相互信息是一种类似于两个图象的数据元素既不是基准点（框架与头皮）又不是预处理（大脑分割），要求计算出标注转换的统计测量。功能磁共振成像是运用六个参数的一元线性和三元线性插补去匹配三维阶梯回声成像的尺寸和分辨。将三维表面重建与三维磁共振成像利用实时系统产生相互作用, 通过内部软件先进的计算机无限的实现红玛瑙的(山景、钙) (4)。为无名脑结构（透明）的重建大脑分割的预处理阶段是必要的。剩下的大脑结构被渲染,利用强度和不透明基础窗口算法作为一个给出了分段线性功能核磁共振成像的信号强度(5)。coregistered功能磁共振图像与作为pseudocolored元素的三维核磁共振表面重建融合。图2在墙高尔夫球对抗模式中比较被试者在13（上图）和0（下面图表）障碍中的大脑活动区域。13种障碍下被试者的图象也可以与其他模式进行比较（如表1所示），wall-versus-golf模式展示了所有大脑活动的降低和高水平高尔夫球运动员大脑活动水平低。在核磁共振成像的后期，完全可以通过运动意象调查问卷来评价他们进行心理意象时的知觉能力。将视觉和动觉图像等级的调查问卷在1 7分七个等级,1分的代表最坏的情况,7分代表最好的。图三：画出的是每一个参与者的兴趣区域的图解。这里列出了功能磁共振成像在大脑各典型区域地段的数据，这个过程包括从图表1和图表2中大脑顶部的最左边到大脑底部的最右边。F代表大脑额叶，M代表运动控制区，S代表知觉，P代表头顶骨，Sma代表运动辅助区域，C代表皮质，B代表神经基地节，T代表颞叶，O代表枕叶，Ce代表小脑半球，Br代表脑干，V代表小脑蚓。结果6人中的5人完成了rest-versus-golf和wall-versus-golf两种模式。在10种障碍下被试者只完成了wall-versus-golf模式的一部分，4种障碍下用1.5-T系统对被试者进行评估，7种和11种障碍时用3.0-T系统对被试者进行评估，运动意象调查问卷的平均分为5.59分(波动范围是4.63到6.38之间)。图1显示的是参与者在13种障碍下进行rest-versus-golf模式时，通过1.5-T和3.0-T两个系统获得的的大脑功能图。这两个系统的活动区域相似，在1.5-T系统中相素为2.7%，在3.0-T系统中相素为3.8%。图2显示的是wall-versus-golf模式在0到13种障碍的功能图。图3显示的是被试者兴趣区域图。将被试者在13种障碍下各进行的5次功能磁共振图象情况作为模板给其他4名被试者参考。表格1和图4显示了参与者在13种障碍下活动区域由最强到最弱的变化情况。在表格1和图5中：激活的百分比反映了rest-versus-golf和wall-versus-golf两种模式的实验条件。图6反映的是wall-versus-golf模式的活动百分比。图4：参与者在13种障碍下激活面积的百分比。数据反映的是在5次rest-versus-golf模式独立实验中激活面积的最大百分比，最小百分比以及平均百分比。蚓部，运动辅助区域，小脑，运动区域和小脑半球表现的最为活跃，R代表右，L代表左，SMA代表运动辅助区域。 rest-versus-golf模式显示的活动如下：主要运动控制区（运动皮层）；成像控制区（顶叶皮层）特别是左顶叶；执行区域（大脑额叶，小脑，小脑蚓体）；中枢（额叶和顶叶皮质，运动辅助区域，小脑）；错误检测区域（小脑）。蚓部，运动辅助区域，小脑，运动区域通常显示的最活跃。扣带皮质回,右颞叶,深色灰质,和脑干区域通常显示很不活跃。与rest-versus-golf模式相比wall-versus-golf模式所有激活区域都缩小。所有被试者在13种障碍中的wall-versus-golf模式与rest-versus-golf模式相比除了在左翼和右翼的感觉带和脑干有很小的增加外，其它几乎没有任何活化程度增加的地方。在wall-versus-golf模式中大部分优秀运动员的活跃程度有所缩小。如果2的激活认为是由于系统内部原因造成的，那么激活区域的增加与障碍的增加之间存在相关性（表2，图7）。表2: wall-versusgolf-paradigm模式总激活百分比 2%。Handicap 0 5 7 11 13Vermis 7.2 8.6R SMA 3.8 7.7 7.7L SMA 3.6 10 8.3 8.9L motor 2.7 13.2 7.8R cerebellum 5.1L cerebellum 2.5 3R motor 8.7 2.8L frontalL sensory 4.5 4.7L parietal 3.6R occipitalBrainstem 4.5R sensory 6.5 2.7L deep grayL temporal 2.8L occipitalR frontalR parietalR deep grayR temporalL cingulateR cingulate R代表右，L代表左，SMA代表运动辅助区域。这个激活区域主要反映在辅助运动区域，小脑蚓部，小脑和运动区域。图8和图9显示的是在各种障碍下的三维T1加权成像，侧面功能数据和大脑中部表面。图5:所有源自rest-versus-golf模式的数据按激活区域的分类，以被试者在13种障碍下的rest-versus-golf模式中的数据作为模板。R代表右，L代表左，SMA代表运动辅助区域。图6：将被试者在Wall-versus-golf 模式中的数据按激活区域进行分类，并将被试者在13种障碍下的数据作为模板，类似图5。R代表右，L代表左，SMA代表运动辅助区域。图7.，Wall-versus-golf 模式激活区域2，参与者的大脑活化性在最高障碍时最活跃，R代表右，L代表左，SMA代表运动辅助区域。图8，功能融合和三维梯度-回声影像传输数据显示参与者在三种障碍下大脑运动皮质增加的情况。图9，功能融合和三维梯度-回声影像传输数据显示大脑右半球中间表面，运动辅助区域兴奋性的增加与相关障碍的增加有关。讨论在对相关知觉缺乏适当刺激的情况下，心理意象是一种类似于知觉体验的体验。意象被认为在记忆和动机中扮演了一个重要角色。在研究运动控制和心理过程中神经系统的地位与运动系统的作用是一样重要的。意象可以提高运动成绩或者通过心理彩排培养运动感觉。本研究证明如下：（1）通过功能磁共振成像在复杂的运动意象中划分大脑激活区域是可行的；（2）提高高尔夫球技术可以缩小运动辅助区域的兴奋性，特别是小脑；（3）任何技术水平的高尔夫球挥杆运动表象都不能使脑回扣带皮质和神经基底节产生太大兴奋；（4）与大部分rest-versus-golf模式激活的区域相比是乎wall-versus-golf模式激活的区域更容易辨别。我们发现高尔夫球挥杆意象激活的大脑区域与解释文学而激活的大脑区域是一样，包括基本的运动控制（运动皮质）；意象（顶骨皮质）；执行区域（额叶中的前运动皮质，小脑侧壁，基底神经节，小脑蚯蚓，小脑半球内侧）；中枢（额骨和顶骨皮质，运动辅助区域，小脑侧壁）；辨别区域（扣带沟的有色区域，小脑）。尽管在高尔夫球运动表象的研究中大部分这些区域的激活不明显，特别是扣带沟的有色区域和基底神经节。基底神经节在后期的学习中起什么作用还不确定。研究人员发现在学习的早期基底神经节有激活的迹象但是在学习的后期却没有。另一个发现是基底神经节的激活与练习是乎没有什么关系。我们在被试者处在最高障碍下辨别他们的激活程度，特别是小脑蚯蚓，运动辅助区域，运动皮质。运动皮质包括很多肌肉群，是乎直接与意象有关。运动辅助区域具有原创的能力，内部提示的功能，特殊任务的持续和自然中断或者超量学习的功能。（控制）格拉夫顿等报道称当被试者改变操作形式去保持铁针在磁盘上旋转时，可以使他们运动辅助区域的兴奋性增加，van Mie等证明在有技术条件下运动辅助区域的兴奋性要比无技术条件下运动辅助区域的兴奋性要高。（学习）另一方面，Jueptner等报道称新知识的学习以及提前预习序列与控制相比更能提高运动辅助区域的兴奋性。序列任务越复杂以及顺序序列的性能越高运动辅助区域的兴奋性也会越高。Decety等通过对网球运动员的运动表象测试发现小脑的兴奋性（中部和小脑双侧底部的激活）与实际的运动没有必然联系。Deiber等证明当想象进行简单的手指敲击（finger-tapping）任务时病人的小脑没有反应。他们暗示执行过程激活的是蚓部和前页中部（例如运动任务的执行），尽管小脑侧壁在计划复杂任务中扮演重要角色。虽然很多研究证明小脑的活性是受操作影响的，这个证明是可以变化的。在学习的早期和中期阶段这也被设想是伴随着小脑兴奋性下降的 ，然而超量学习和无意识的表演与兴奋性的增加是一致的。研究的一个关键假设是心理意象是一种类似于运动计划中的无意识运动的方法。这个假设得到了一系列实验的支持。最近的成像发现在运动行为的心理意象过程中大脑的活动方式与实际操作时是一样的。这符合发生在运动以及模拟内部时的一些神经部分活动的概念。以前的功能磁共振成像研究认为在同一肌肉运动成像时手部肌肉的本能收缩被激活时像素被激活。可以通过颈颅磁刺激来发现这些结果。就正常正常参与者而言，运动表象中大脑的活化依赖于手在运动想象中的使用。 各种畸形病理的研究是为了了解涉及运动表象的区域。西里古（Sirigu）等证实由于皮质退化限制主要运动皮质的半偏瘫病人仍然可以通过手的影响产生运动表象。在执行运动时帕金森病患者模拟动作缓慢。仅仅是顶骨皮质受损的病人被发现会预测选择性受损和在足够的时间里通过心理想象来完成各种手指动作，暗示着顶骨皮质是心理活动的重要部位。特定模式被用于决定结果很明显是重要的。在成像中可以是视觉成像，运动成像，或者两者都有。这种差异是很重要的，因为视觉表象暗示的是在你心里被动的看一个场景，而运动表象则是在你的身体里利用心理想象亲自完成运动任务。在研究中，对高尔夫球的两种主要控制条件进行测试：休息和墙。休息条件是指在无肌肉动觉表象和运动表象的情况下，允许视觉表象，因此选择坐在安静的海滩上。墙条件引入一个由所有4个四肢和静电组成的意象方程式，目的是为了排除所有电定序和时间定序的影响。因此在高尔夫球运动表象中这两种模式的差异期望表现出明显的差异。将rest-versus-golf模式的研究与运动意象原始激活区域的图进行比较，包括静态和动态两个方面。wall-versus-golf模式的研究不仅包括动态的运动想象和大幅度的运动想象，而且还包括运动时间顺序，节奏和方向等。在wall-versus-golf模式贯穿的区域观察到一个明显的相对缩小的激活区域，优秀球员的最明显。这个研究有几个方面的局限性。在实际实验的同时，几乎是不可能在实验过程中对心理表现的程度进行测量。这个限制是由成像技术内部(心理内部构造)引起的。没有必要的外部检测不能回答中心问题被试者在真实表现内部激活程度，尽管在这样的检测中要求排除由于实际物理活动造成的人为因素。在研究中，试图通过严格的指令来指导每一个参与者执行特殊任务，在磁共振过程中监测每一个被试者身体运动的每一个明显顺序。另外，在测试完成后，每一个被试者的有效图象调查即刻结束，平均值为5.59分，1分为最差，7分为最好。没有参与训练的平均分小于4.