评估高山滑雪运动员的皮层活动与平衡表现：一项fNIRS研究

动态平衡表现与皮质血动力学关联性研究。采用功能性近红外光谱（fNIRS）技术，探究年轻滑雪者在单腿（SLS）与双腿（DLS）站立时皮质血动力学响应差异，发现SLS组皮质激活显著高于DLS组（p≤0.0001），且激活模式存在脑区特异性分化，如初级运动皮层（PMC）、辅助运动区（SMA）及前额叶皮层（PFC）等。研究证实单腿站立需更高神经调控强度，为平衡训练生物标志物开发提供新视角。

　　
### 研究背景与目的
阿尔卑斯滑雪是一项对平衡能力、肌肉力量和协调性要求极高的运动。维持单腿或双腿站位的动态平衡需要复杂的神经肌肉控制机制。尽管运动医学领域已积累了许多关于平衡评估的研究（如使用肌电信号、惯性测量单元等），但大脑在平衡控制中的具体作用仍不明确。本研究结合功能性近红外光谱（fNIRS）技术，探究年轻滑雪者在单腿（SLS）和双腿（DLS）站立时皮质血流量（Δ[HbO]和Δ[HbR]）的变化规律，并分析其与平衡能力的关联。

### 研究方法
#### 1. 实验设计
研究分为两个主要部分：
- **实验1**：使用fNIRS记录滑雪者在SLS和DLS时的皮质血流量变化。参与者需在稳定或不稳定的表面上完成站立任务，并通过视觉提示（如标记点）减少头部和眼部的自然运动。
- **实验2**：采用改良的跳跃平衡测试（MHBT），模拟滑雪中的动态平衡场景（如单腿跳跃、侧向移动等），通过评分系统量化平衡能力。

#### 2. 技术工具
- **fNIRS设备**：采用NIRx Medizintechnik GmbH的连续波设备，16对探针覆盖运动皮层，采样频率10.17 Hz，通过动态屏蔽帽减少环境光干扰。
- **数据分析**：使用功能性混合效应模型（SME），结合随机效应和固定效应分析个体与组间差异，并通过置换检验验证显著性（p≤0.0001）。

#### 3. 参与者信息
共9名年轻滑雪者（5男4女，平均年龄15.6岁），均来自挪威顶尖滑雪学校，签署知情同意并符合伦理审查要求（REK No. 322236）。

### 关键发现
#### 1. SLS与DLS的皮质激活差异
- **SLS组**：单腿站立时，多个脑区（如初级运动皮层、前运动皮层、辅助运动区）的Δ[HbO]显著升高，表明代谢需求增加，神经活动增强。
- **DLS组**：双腿站立时，皮质血流量变化幅度较小，且Δ[HbR]（去氧血红蛋白）在多数区域显著低于SLS组（p≤0.0001）。
- **结论**：动态平衡任务（如SLS）对大脑的神经调控需求更高，激活模式与静态或低难度任务（如DLS）存在显著差异。

#### 2. 左右腿立位的激活模式
- **LLS与RLS对比**：未发现显著差异（p>0.05），表明滑雪者已通过长期训练实现两侧肢体平衡能力的均衡发展。
- **脑区激活特点**：
- **第一组脑区**（初级运动皮层、前运动皮层、辅助运动区、背外侧前额叶皮层）：Δ[HbO]在SLS中显著升高，而DLS中逐渐恢复。
- **第二组脑区**（布罗卡区、颞叶、次中央区）：Δ[HbR]在SLS和DLS中均呈现上升趋势，可能与任务难度和代谢需求相关。

#### 3. 平衡测试（MHBT）的结果
- **任务设计**：模拟滑雪中的动态平衡场景（如单腿跳跃、侧向移动），要求参与者保持视觉专注并完成规定动作。
- **评分标准**：根据躯干稳定性、腿部位置和动作流畅性综合评分（满分8分）。
- **性别差异**：男性在大部分测试中得分略高于女性，但无统计学显著性（p>0.05）。
- **任务难度**：侧向跳跃（Test 5和7）的平衡得分显著低于正向跳跃（Test 1和2），可能与动态环境中的空间感知需求更高有关。

### 理论解释与意义
#### 1. 神经机制与平衡控制
- **SLS的神经需求**：单腿站立需要更强的本体感觉输入和抗干扰能力，导致初级运动皮层和前运动皮层的血流量显著增加（Δ[HbO]↑）。
- **DLS的代谢调节**：双腿站立时，血流量恢复可能源于多关节协同稳定机制，减少了单一脑区的代谢压力。
- **脑区功能分区**：
- **第一组脑区**：负责运动计划与执行，SLS时激活增强可能与快速调整肌群协调有关。
- **第二组脑区**（颞叶、布罗卡区）：可能参与空间感知和复杂动作控制，其Δ[HbR]的持续升高提示任务难度与神经资源消耗相关。

#### 2. 实践应用与未来方向
- **运动员训练**：SLS任务可针对性训练运动皮层激活能力，提升动态平衡表现。
- **康复医学**：慢性踝 instability患者可能表现出单腿站立时异常的皮质激活模式（如初级感觉皮层激活），可作为康复效果的生物标志物。
- **技术改进**：未来可结合眼动追踪或虚拟现实（VR）技术，模拟更真实的滑雪场景（如雪面颠簸、低温环境），以增强研究的生态效度。

### 局限性与改进建议
1. **样本局限性**：仅纳入年轻滑雪者，未来需扩展至不同年龄、性别和训练水平的人群。
2. **任务设计**：MHBT的平衡评分可能未完全捕捉到滑雪者特有的动态平衡策略（如转弯时的重心转移）。
3. **技术限制**：fNIRS的空间分辨率较低（约1 cm3），难以区分相邻脑区的细微差异。建议结合高密度fNIRS或EEG/fNIRS联合分析以提升信噪比。
4. **纵向研究**：需长期追踪训练对皮质激活模式的影响，例如专业滑雪者与业余爱好者的神经适应差异。

### 结论
本研究首次通过fNIRS揭示了单腿站立时运动皮层的显著激活增强，支持“动态平衡任务需要更高神经调控”的理论。左右腿立位的无差异结果提示滑雪者已通过专项训练实现了两侧肢体平衡能力的均衡发展。这些发现为运动医学中的平衡训练和损伤预防提供了新思路，未来需结合多模态神经影像技术进一步解析脑区间的动态交互机制。