Половые различия в активации теменной доли мозга у спортсменов-ориентировщиков во время задачи ментального вращения с использованием функциональной ближней инфракрасной спектроскопии
Введение
Пространственное мышление — это фундаментальная когнитивная способность, играющая ключевую роль во многих областях, от повседневной навигации до специализированных профессий. Спортсмены, занимающиеся такими видами деятельности, как ориентирование, где требуется быстрое и точное распознавание и манипулирование пространственной информацией, демонстрируют, как правило, развитые способности к пространственному мышлению. Исследования показали, что между мужчинами и женщинами существуют половые различия в выполнении задач, связанных с пространственным мышлением, хотя причины этих различий являются предметом продолжающихся дискуссий. Некоторые исследования предполагают, что мужчины в среднем превосходят женщин в задачах, требующих пространственной навигации и ментального вращения объектов, в то время как другие исследования не обнаруживают существенных различий или указывают на превосходство женщин в определенных аспектах пространственного мышления.
Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS)
В последние годы функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) стала ценным инструментом для изучения активности мозга во время когнитивных задач. Этот неинвазивный метод использует свет ближнего инфракрасного диапазона для измерения изменений в концентрации оксигемоглобина (HbO) и дезоксигемоглобина (HbR) в коре головного мозга, которые косвенно отражают нейронную активность. Преимущества fNIRS включают его портативность, относительно низкую стоимость и возможность проведения исследований в естественных условиях, что делает его идеальным для изучения активности мозга у спортсменов во время выполнения их специфических задач. В данном исследовании fNIRS был выбран для оценки нейронной активности в теменной доле, области, тесно связанной с пространственным мышлением.
Задача ментального вращения
Задача ментального вращения (Mental Rotation Task, MRT) является классическим методом оценки пространственных когнитивных способностей. В этой задаче участникам обычно представляют пару трехмерных объектов или двухмерных изображений, одно из которых повернуто относительно другого. Задача состоит в том, чтобы определить, являются ли объекты идентичными или зеркальными. Успешное выполнение этой задачи требует способности мысленно вращать один объект, чтобы сравнить его с другим, что задействует определенные области мозга, в первую очередь теменную долю.
Цель исследования
Данное исследование ставит своей целью исследовать половые различия в пространственном мышлении и мозговой активности у спортсменов-ориентировщиков, выполняющих задачу ментального вращения, с использованием fNIRS. Ориентировщики были выбраны как группа, обладающая высокими навыками в области пространственного мышления. Исследователи стремились понять, существуют ли различия в поведенческой производительности, мозговой активности и взаимосвязи между ними между мужчинами и женщинами в этой элитной группе спортсменов.
Методология исследования
Участники
В исследовании приняли участие сорок два спортсмена, занимающихся спортивным ориентированием. Из них тридцать три участника (после контроля качества данных) были включены в окончательный анализ. Состав участников, включая пол, не был детализирован в представленном абстракте, однако анализ был направлен на выявление половых различий.
Процедура
Участники выполняли основанную на буквах задачу ментального вращения (letter-based mental rotation task). Во время выполнения задачи проводилась запись данных fNIRS для мониторинга мозговой активности. Подразумевается, что задача включала предъявление букв, повернутых под разными углами, и требовала от участников определения, является ли буква обычной или зеркальной.
Анализ данных
Анализ данных включал в себя оценку поведенческой производительности (точность и время реакции), мозговой активации (изменения в концентрации гемоглобина, измеряемые fNIRS) и взаимосвязей между мозговой активностью и поведением. Для статистического анализа использовались t-тесты, корреляционный анализ и ANCOVA (анализ ковариации). Для коррекции множественных сравнений применялась процедура FDR (False Discovery Rate – коррекция на ложноположительные результаты), что является стандартной практикой в нейронаучных исследованиях для снижения вероятности случайных статистически значимых результатов.
Результаты
Поведенческая производительность
Результаты показали, что мужчины демонстрировали более высокую точность в выполнении задачи ментального вращения по сравнению с женщинами. Средняя точность у мужчин составила 83.33%, в то время как у женщин — 69.68%. Эта разница была статистически значимой (p = 0.039) и характеризовалась умеренным размером эффекта (d = 0.91), указывающим на явное превосходство мужчин в точности решения задачи.
Однако, значимых различий во времени реакции между мужчинами и женщинами обнаружено не было (p = 0.228). Это может означать, что, несмотря на различия в точности, скорость выполнения задачи была сопоставима между полами.
Мозговая активация
После применения коррекции FDR не было выявлено статистически значимых различий в активации мозга между мужчинами и женщинами. Однако, наблюдалась тенденция к незначимым различиям в области нижней теменной доли (Inferior Parietal Lobe, IPL) по показателю HbT (общее содержание гемоглобина, сумма HbO и HbR). У мужчин наблюдалась более низкая активация в этой области (q = 0.074, d = 0.91).
Расшифровка терминов:
- fNIRS (Functional Near-Infrared Spectroscopy) — функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия. Метод, позволяющий измерять изменения кровотока и кислородного насыщения в мозге, отражающие нейронную активность.
- HbT (Total Hemoglobin) — общее содержание гемоглобина. Сумма концентраций оксигемоглобина (HbO) и дезоксигемоглобина (HbR). Изменение HbT используется как показатель общей мозговой активности.
- IPL (Inferior Parietal Lobe) — нижняя теменная доля. Область коры головного мозга, играющая важную роль в пространственной обработке, навигации, внимании и интеграции сенсорной информации.
- BA5 — Area 5 по Бродману. Это часть верхней теменной доли, связанная с соматосенсорной обработкой и пространственным представлением.
- HbR (Deoxyhemoglobin) — дезоксигемоглобин. Форма гемоглобина, лишенная кислорода. Увеличение концентрации HbR в определенной области мозга обычно связано с повышенной нейронной активностью, поскольку она потребляет больше кислорода.
- FDR (False Discovery Rate) — коррекция на ложноположительные результаты. Статистический метод, используемый для контроля количества ложных отклонений нулевой гипотезы при множественном тестировании.
- ANCOVA (Analysis of Covariance) — дисперсионный анализ с ковариатами. Статистический метод, который сравнивает средние значения двух или более групп, контролируя влияние одной или нескольких независимых переменных (ковариат).
- p-значение — вероятность получить наблюдаемый результат (или более экстремальный), если нулевая гипотеза верна. Низкое p-значение (обычно < 0.05) указывает на статистическую значимость.
- d (Cohen's d) — мера размера эффекта, стандартизированная разница между двумя средними. Позволяет оценить величину обнаруженного различия, независимо от размера выборки.
- q-значение — аналогично p-значению, используется при коррекции FDR для оценки статистической значимости.
Связь между мозгом и поведением
Были обнаружены половые различия в корреляциях между мозговой активностью и поведенческими показателями:
- У женщин наблюдалась корреляция между активацией в области BA5 (верхняя теменная доля) по показателю HbR и временем реакции. Это указывает на то, что увеличение потребления кислорода в этой области было связано с более медленным временем реакции у женщин.
- У мужчин корреляция была обнаружена между активацией в области IPL (нижняя теменная доля) по показателю HbR и временем реакции. Здесь, более высокое потребление кислорода в IPL коррелировало с более быстрым временем реакции у мужчин.
Межкатетельная вариативность
Исследование выявило, что у женщин наблюдалась большая межкатетельная вариативность (interindividual variability) в выполнении задачи. Это означает, что результаты и, возможно, стратегии решения задачи у женщин были более разнообразны по сравнению с мужчинами.
Обсуждение
Гипотеза нейронной эффективности
Результаты данного исследования, в частности, более высокая точность у мужчин при одновременном наличии тенденции к более низкой активации теменной доли (IPL) у мужчин, согласуются с гипотезой нейронной эффективности (neural efficiency hypothesis). Эта гипотеза предполагает, что более высокий уровень когнитивных способностей или более эффективное выполнение задачи может быть связано с меньшей активацией соответствующих областей мозга. Другими словами, более «умные» или эффективные люди могут задействовать мозг менее интенсивно для достижения того же или лучшего результата.
Половые различия и стратегии
Обнаруженные половые специфичные корреляции между мозговой активностью и временем реакции, а также большая межкатетельная вариативность у женщин, предполагают наличие различий в стратегиях решения задачи ментального вращения между мужчинами и женщинами. Например, мужчины могли использовать более прямые или автоматизированные процессы, требующие меньшей вовлеченности теменной доли, в то время как женщины могли применять более разнообразные подходы, возможно, в большей степени задействуя другие когнитивные ресурсы или демонстрируя большую гибкость в использовании нейронных сетей.
Ограничения исследования
Важно отметить, что данное исследование носит предварительный характер и его выводы ограничены специфической популяцией спортсменов-ориентировщиков. Для обобщения результатов на более широкую популяцию требуются дальнейшие исследования с более разнообразным составом участников.
Заключение
Исследование предоставляет первые данные, полученные с помощью fNIRS, свидетельствующие о половых различиях в ментальном вращении у спортсменов-ориентировщиков. Хотя значимые различия в активности мозга после коррекции FDR не были выявлены, наблюдаемая тенденция к более низкой активации теменной доли у мужчин, в сочетании с их превосходством в точности, поддерживает гипотезу нейронной эффективности. Выявленные половые специфичные взаимосвязи и большая вариативность у женщин указывают на возможные различия в когнитивных стратегиях. Эти находки открывают путь для дальнейших исследований в области половых различий в пространственном мышлении и нейронных коррелятов когнитивной производительности.
Научные дисциплины
- Нейронаука (Neuroscience): Изучает структуру, функции, развитие, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Данное исследование использует методы нейронауки для изучения мозговой активности.
- Психология (Psychology): Наука, изучающая психические процессы, поведение и их взаимосвязи. Исследование направлено на понимание когнитивных способностей (пространственное мышление) и их нейронных основ.
Благодарности
Авторы выражают благодарность всем спортсменам-ориентировщикам за их активное участие в исследовании, а также членам исследовательской группы за помощь в сборе и анализе данных.
Информация об авторах
Авторство:
- Yuqing Liu (Harbin Sport University)
- Ying Qin (Harbin Sport University)
- Mingyuan Zhao (Harbin Sport University)
- Baoshan Qian (Harbin Sport University)
Корреспондирующий автор: Baoshan Qian.
Конфликт интересов: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Дополнительная информация:
Издатель Springer Nature сохраняет нейтралитет в отношении территориальных претензий в опубликованных картах и институциональных принадлежностях.
Дополнительные материалы:
Ниже приведена ссылка на электронные дополнительные материалы:
- Дополнительный материал 1 (скачать DOCX)
- Дополнительный материал 2 (скачать PNG)
- Дополнительный материал 3 (скачать PNG)
Права и разрешения:
Данная статья распространяется по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License, которая разрешает любое некоммерческое использование, распространение и воспроизведение в любых средствах и форматах, при условии указания авторства и источника. Вы не имеете права распространять измененные материалы, производные от данной статьи или ее частей.
Цитирование:
Liu, Y., Qin, Y., Zhao, M. et al. Sex differences in parietal lobe activation among orienteering athletes during a mental rotation task using functional nearinfrared spectroscopy. Sci Rep (2026). https://doi.org/10.1038/s41598026673673
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598026673673
Дата публикации: 18 Августа 2026 г.
