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为什么我们会在“关键时刻掉链子”？fNIRS揭示人在焦虑时的大脑活动

引言

你是否有过这样的经历：背得滚瓜烂熟的演讲稿，在登上舞台那一刻，脑子一片空白；私下里准备充分的面试，在面对面试官的问题时，突然思维混乱，语无轮次；模拟了无数次的考试，却在拿到考卷那一刻，无法集中注意力，答错答漏了最简单的题。为什么我们会在“关键时刻掉链子”呢？这种情况在体育竞技中也有发生，比如，在职业足球比赛的关键时刻，罚球队员经常会出现罚丢的情况。作为职业球员，在12码的距离将球踢进球门，似乎并不是什么难事。明明在训练场上或者不太重要的比赛中，他们都能轻松进球，为什么在关键时刻反而会错失点球呢？

焦虑和压力等心理因素被认为是导致罚球失误的重要原因之一。点球在足球比赛中非常重要，在关键比赛中罚丢点球不但会让成千上万的球迷失望，还会让俱乐部失去数百万的收入，对球员造成极大的压力。虽然心理抗压能力因人而异，但压力会导致苦恼，这种消极因素会对罚球质量造成不利影响从而阻碍得分。焦虑和压力导致的表现下降通常被称为 “压力下窒息”(choking under pressure)，在足球比赛的关键时刻普遍存在。而焦虑作为“压力下窒息”的结果，会成为罚球的不良导向，这种不良影响也存在于其他运动领域，如举重、高尔夫、国际象棋、篮球和网球中。此前，荷兰特文特大学（University of Twente）电气工程、数学和计算机科学学院进行了一项实验，他们用 fNIRS 探索了球员在踢点球时大脑活动，并在《计算机科学前沿》(frontiers in Computer Science)上发表了他们的研究成果。^[1]在该实验中，他们对处于“压力下窒息”下球员的大脑活动进行监测，研究球员在高精神压力下的运动表现。

实验方法

本实验共招募了22位受试者，在一个人造足球场中进行，实验过程中，受试者被要求在三轮比赛中完成罚踢任务，每轮比赛包括五次罚踢。比赛的压力条件逐轮增加：在第一轮比赛中，不安排守门员在场，球员对着空门射门；在第二轮比赛中，安排一名守门员在场，但不允许他分散球员的注意力；在第三轮比赛中，安排一名守门员在场，允许他分散球员的注意力，并设置了奖励——表现最好的球员赢得两张 50 欧元的礼品卡。实验的受试者中既有经验丰富的足球运动员，也有经验不足的足球运动员。本次实验比较了两个组别的受试者在感到焦虑时与没有感到焦虑时的 fNIRS 激活情况，以及罚进点球与罚丢点球时的 fNIRS 激活情况。

该实验使用 Artinis Brite 24 测量 fNIRS 信号。Artinis Brite 24 是由荷兰领先的近红外光谱成像技术研发公司Artinis研发的一种便携式近红外脑成像系统，该设备可以随身佩戴，机身小而轻巧，方便测试者完成各种非剧烈运动，如散走、跑步、太极等动作，解决了台式机工作站不易移动带来的不便。这款设备配备多通道LED光源，能够在随系统提供的数据分析软件中提供连续、实时的反馈。

Artinis Brite 24 记录每个通道的氧合血红蛋白（O2Hb）和脱氧血红蛋白（HHb），O2Hb是血红蛋白与氧结合的形式，而HHb不与氧结合。Artinis Brite 24 可以灵活配备10个发射光极和8个接收光极，并有多种模板排列这些光极。该实验使用 Artinis 公司开发的专有软件 OxySoft 对 fNIRS 信号进行记录和转换，并在 Python 中进行分析。每对光极之间的最大距离为30 mm，所有受试者的差分路径长度因子为6。实验过程中 fNIRS 数据来自左侧前额叶皮层、右侧前额叶皮层、左侧颞叶皮层、运动皮层、左侧背外侧前额叶皮层、右侧背外侧前额叶皮层。为了测量所有这些区域，采用Artinis的标准” 4 × 4 + 2 “模板，对应的光极放置位置如图 1 所示。4个通道分别记录左侧前额叶、右侧前额叶、左侧颞叶和运动皮层的每个区域。

图1：头皮上所有 fNIRS 通道的布局。黄色圆圈代表发射器光极，蓝色圆圈代表接收器光极。每对发射器与接收器之间都有一个通道。通道 1-4 对应运动皮层，通道 5-8 对应右侧前额叶皮层，通道 9-12 对应左侧前额叶皮层，通道 13-16 对应左侧颞叶皮层。通道 17 和 18 分别对应右侧和左侧 DLPFC。某些脑电图的电极位置与 10-20 国际单位制一致，以供参考。

该实验使用一台高速摄像机记录罚球过程，以便确定射门的位置和力量，射门的力量由球到达球门的时间决定，另一个高速摄像机记录球员的行动。该实验特别关注了球员注视守门员的持续时间，并对不同回合进行了比较。球员看守门员的时间越长，说明他们越容易被守门员分散注意力。

图2：实验设置概览。受试者在一台笔记本电脑上填写问卷，研究人员在另一台笔记本电脑上监测 fNIRS 信号。

结果分析

行为结果

表 1 显示了球员的表现，表现得分表明，经验不足的球员在最后一轮（压力最大的一轮）的表现最差，而经验丰富的球员在第二轮和最后一轮的表现相似。图 3 显示了每个点球的位置（射门精度），表明在最后一轮中，经验不足的球员射门偏高或偏出的点球较多。此外，无论是经验丰富的球员还是经验不足的球员，他们的射门力量在后几轮都有所增加。经验不足的选手相比第二轮，他们在最后一轮的表现明显较差，而经验丰富的球员的成绩则没有明显下降。

表1：行为结果显示了经验丰富（Exp）和经验不足（Inexp）的球员在每轮比赛中罚进点球的百分比，球员注视守门员的平均持续时间，报告的 SAS 分数的平均值和标准偏差。

图3：有经验和无经验球员在每轮比赛中执行点球的位置概览。红点代表罚失点球，绿点代表罚进点球。

数据结果

关于焦虑，图 4 的结果表明，在运动皮层中，焦虑与非焦虑球员差异最大的是在通道1，其中焦虑球员的皮层激活明显较少。焦虑球员通道5-9、7-9、8-9的平均前额叶皮层(PFC)激活量显著高于正常组。然而，在通道6-12和8-12中，右侧PFC激活比左侧PFC激活更高，表现为更多的不对称性。

图4：经验、焦虑、得分/失分表现之间的差异对比

对于左侧颞叶皮层，研究者对经验丰富和经验不足的球员分别进行了分析，焦虑的经验丰富的球员在通道15上的激活显著高于不焦虑的球员。同样，经验不足的球员相比经验丰富的球员在得分时左侧颞叶皮层的激活明显增加。

研究结论

结果显示，当球员没有表现出焦虑时，与任务相关的大脑区域，即运动皮层被更多地激活。而当球员表现出焦虑时，与任务无关的区域，尤其是 PFC 则被激活，这表示球员的焦虑情绪和罚丢点球有关。具体地说， PFC 整体激活程度的升高和前额叶皮层侧向不对称性的增加，可能是由于球员担心罚进或罚失点球的所造成的后果所致，而影响了自身的表现。此外，研究人员还发现fNIRS技术可以帮助球员在压力下表现得更好，因为当他们知道自己的大脑是如何表现时，可能通过训练自己在高压情况下激活有益的大脑区域，从而在关键比赛中取胜。总之，本研究的结果符合神经效率理论，即激活大脑的正确区域可以产生积极地精神压力以成功执行运动任务，并证明了 fNIRS 技术在研究焦虑等情绪状态的潜在神经机制中的可行性。

近年来，fNIRS技术在情绪研究中的应用越来越受到关注。天津大学医学部神经工程团队司雪鹏课题组设计了一个以中文视频作为自然刺激材料的情绪诱发实验，并构建了功能近红外fNIRS情绪识别数据库，探索基于fNIRS的跨被试情绪识别新型BCI。团队首次引入深度学习技术，构建双分支联合网络(DBJNet)，该模型能够推广到新的受试者并展现出优异的跨被试情绪识别性能，为基于fNIRS的新型情绪识别脑机接口发展提供了新的思路。

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此前，北京清华大学与首尔汉阳大学的研究者们共同完成了一项课题，他们使用近红外fNIRS根据积极情绪的行为差异的离散适应功能或评估方式对积极情绪的行为差异现象进行了研究。以情感视频作为自然刺激材料，激发受试者的10种典型积极情绪（喜悦、感激、宁静、兴趣、希望、自豪、娱乐、鼓舞、敬畏和爱），并用24通道fNIRS系统记录了他们的额叶神经活动。^[3]

fNIRS技术在情绪识别领域的相关研究还有许多，通过fNIRS技术，研究者可以直接获取情绪刺激下特定脑区的活动状况，这对于深入理解情绪调节机制和相关神经疾病的发生机制具有重要的意义，期待未来fNIRS在情绪识别领域的更多应用。如需获取相关设备方案及报价，欢迎致电4006-111-556详询！

参考文献

[1]Max W. J. Slutter, Nattapong Thammasan, Mannes Poel.Exploring the Brain Activity Related to Missing Penalty Kicks: An fNIRS Study.frontiers in Computer Science2021 May 07.doi:10.3389fc0mp.2021.661466

[2]Xiaopeng Si,Huang He,Jiayue Yu,Dong Ming. Cross-Subject Emotion Recognition Brain–Computer Interface Based on fNIRS and DBJNet. Cyborg Bionic Syst. 2023;4:0045.DOI:10.34133/cbsystems.0045

[3]Hu X, Zhuang C, Wang F, Liu YJ, Im CH, Zhang D. fNIRS Evidence for Recognizably Different Positive Emotions. Front Hum Neurosci. 2019 Apr 9;13:120. doi: 10.3389/fnhum.2019.00120. PMID: 31024278; PMCID: PMC6465574.