定向越野运动正逐渐成为一种有效的身心训练方式,因为它将体力活动与空间导航相结合。本文提供了一份关于如何在科研中开展定向越野运动研究的指南。
定向越野运动正逐渐成为一种有效的身心训练方式,因为它将体力活动与空间导航相结合。本文提供了一份关于如何在科研中开展定向越野运动研究的指南。
定向越野运动将体力活动与空间导航相结合。参与者仅凭地图和指南针,必须在不熟悉的地形中自主选择行进路线,快速找到一系列检查点。尽管专业定向越野运动员具有卓越的空间记忆和导航能力,但即使是单次定向越野活动也能对认知功能产生益处,这表明定向越野可能是一种有前景的大脑训练方式。涉及定向越野的研究干预措施可能特别有助于延缓阿尔茨海默病及相关痴呆症的发展,这些疾病早期常表现为寻路能力和空间认知功能的损害。尽管定向越野在近期文献中逐渐受到关注,但对于不熟悉该运动并希望开展干预研究的研究人员而言,仍存在一些障碍。具体而言,缺乏基于研究的定向地图和路线设计资源,可能阻碍有意研究定向越野者开展干预设计。因此,本报告提供了在科研环境中开发定向地图与路线以及实施定向越野干预所需的基本信息。
定向越野将空间导航与运动相结合,主要以跑步的形式进行。这项运动的目标是利用地图和指南针,在尽可能短的时间内穿越一个陌生区域中的多个检查点1。定向越野者可自行选择任意行进路线,以寻找一系列被称为“定向路线”的检查点。定向路线的导航难度各不相同,其挑战程度根据参与者的技能水平进行调整,以确保提供适宜且富有参与感的导航体验。
定位检查点的能力需要空间处理和寻路技能,所有年龄段的定向运动专家在导航过程中均报告采用更高效的空间策略,并表现出优于非定向运动对照组的空间处理能力2,3,4。当初学者以较高强度进行定向运动时,即使仅一次训练即可改善空间记忆,并提高脑源性神经营养因子(BDNF)水平,BDNF 是一种支持脑细胞最佳功能的生长因子5。中等强度的定向运动同样可以改善记忆,但可能需要持续训练。Bao 及其同事观察到,初学者每周进行两次、持续12周(即共24次)的中等强度定向运动后,其空间记忆能力得到提升6。
尽管单独进行跑步即可增强海马等脑区的结构与功能,改善空间7,8,9和情景记忆10,11,12,但研究表明,当跑步与认知挑战性任务相结合时,这些效应可能会进一步增强13,14,15,16,17,18。此外,定向越野通常包含高强度运动,并在检查点处有短暂休息,类似于高强度间歇训练(HIIT)。这种运动形式已被证明在提升认知功能19, 20以及增加BDNF水平21,22,23方面,比持续的中等强度运动更为有效。高强度运动可能对认知特别有益,因为它会导致乳酸积累,而乳酸既可作为大脑的能量来源24,也可作为BDNF的激活剂以支持认知功能25,26,27,但目前针对该通路在人类中的研究仍较为有限28,29,30。
有多种理论可以解释为何定向运动有益于认知功能。其一,定向运动依赖于类似于狩猎采集活动的过程,根据适应能力模型(Adaptive Capacity Model)31,大脑和身体可能更易于接受具有进化相似性的训练活动。此外,定向运动需要空间导航能力,而由于全球定位系统(GPS)技术的广泛应用,这种能力在现代生活中已基本被弱化32,因此这也可能属于"用进废退"的情况33。
鉴于定向越野运动在增强人类认知功能方面的新颖性和广阔前景,开发相关资源并建立指导规范至关重要,这有助于不熟悉该运动的研究人员实施定向越野干预措施。因此,本实验方案旨在为研究人员提供在科研环境中制作定向越野地图、设计路线以及开展干预研究所需的必要步骤。
本文稿中概述的数据来自一项先前的研究,该研究已获得哈密尔顿综合研究伦理委员会的伦理批准(#14560)。
1. 选择地点
2. 制作定向地图
注意:如果所选位置没有定向地图,则需创建一张。

图 1:使用 OpenOriententeeringMap 创建的定向基础地图示例。用于创建简化地图的按钮和地图元素已突出显示。请点击此处查看此图的放大版本。
3. 定向路线的设计
注意:定向路线是一系列检查点,参与者必须按数字顺序依次找到,可自行选择任意路线(参见第3.2节)。通过调整路线距离和检查点的设置位置,可调节路线的体能和导航难度。路线难度取决于参与者的经验和技能水平。路线长度(以千米计)由参与者的技能水平(即在相同时间内,高水平定向运动员比初学者能完成更长路线)、所选地形的通行难易程度以及参与者的体能水平共同决定。对于大多数地形中的初学者定向运动员,假设其平均行进速度为每千米7-10分钟,并据此调整路线距离。

图2:在OpenOrienteeringMap中创建的一个初级定向路线示例。 本图中已将检查点位置说明(线索)包含在地图内,但也可按照步骤3.2.1.8进行打印。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:在OpenOrienteeringMap中创建的一个中级定向路线示例。 本图中已将控制点位置的描述(点标说明)包含在地图上,但也可按照步骤3.2.1.8单独打印。请点击此处查看此图的放大版本。

图 4:在 OpenOrienteeringMap 中创建的一个高级定向路线示例。 本图中已将控制点位置说明(线索)包含在地图内,但也可按照步骤 3.2.1.8 打印。 请点击此处查看此图的放大版本。
4. 实施定向干预
注意:实施定向运动干预的方法可能因参与者对定向运动的经验、可用材料、运动参数以及感兴趣的研究变量而异。以下方案概述了在研究环境中实施定向运动干预的基本步骤。
5. 实施慢性定向干预
表1. 为期6周的慢性定向越野训练计划进展示例。 该表格概述了一个为期6周、每周进行两次定向越野训练的慢性干预示例课程计划。每次训练的课程难度等级,以及需要教授的不同技能、目的和目标均在表中列出。请点击此处下载该表格。
6. 评估定向越野表现

图5:使用 Google MyMaps 对定向越野参与者 GPS 轨迹的示例分析。 图像中以不同颜色突出显示了多名参与者所经过的路线,可用于可视化整个定向越野路线中的导航能力,具体步骤见 6.1.2。 请点击此处查看该图的放大版本。
定向运动表现
我们之前的研究分析了41名参与定向越野运动的受试者的导航表现5。欲全面了解本研究的方法学,请参考 Waddington 等人5。
本研究中,19名参与者以高强度(跑步)进行定向运动,而22名参与者则以中等强度(步行)进行定向运动。导航表现通过计算参与者实际行进距离与定向路线最优路径之间的比值来确定。该分析假设,行进距离超过最高效路线的参与者存在导航错误,从而延长了完成定向路线所需的行进距离。因此,比值为1表示该参与者在完成定向干预路线时采用了最高效的路径,且未出现任何导航错误。
定向越野课程的最优路线由一名专家级定向运动员确定。不同研究人员使用计数器沿前进和返回方向对该路线进行了多次测量,共获得六次测量结果。根据这些测量结果的平均值,确定定向干预课程的最高效路线长度为1300 m。
以高强度运动强度进行定向运动的参与者完成定向路线的平均距离为 1415.79 ± 162.25 m,而以中等强度进行定向运动的参与者平均距离为 1360 ± 149.83 m。从行进距离与最优路线长度的比值来看,高强度定向组的平均比值为 1.09 ± 0.12(范围:0.95–1.35),中等强度定向组为 1.05 ± 0.12(范围:0.96–1.48)(图6)。这些结果表明,无论是高强度还是中等强度的参与者,其行进距离均超过最优路线,反映出存在导航错误,这在初学者中较为典型,并预期随着训练而改善。将这些数值与 GPS 运动手表记录的可视化路线(如 图5 所示)进行比较,可进一步评估导航表现。

图6:不同定向运动强度下的导航效率比率。该图展示了参与者以中等或剧烈运动强度完成定向路线时的导航效率比率的平均值 ± 标准差。该比率通过参与者实际行进的距离(由GPS运动手表测定)除以最优路线长度1300 m计算得出,比值为1表示路线完成过程中无导航错误。相关数据此前已在Waddington等人的研究中报道5。请点击此处查看此图的放大版本。
定向运动将体育锻炼与导航的认知挑战相结合,是一种独特的干预方式,有望增强受年龄和痴呆症显著影响的认知功能领域2,6。然而,由于缺乏标准化的操作流程以及人们对定向运动普遍了解不足,限制了这项运动在临床实践中的应用价值。本文针对这些不足,为缺乏定向运动知识的研究人员提供了一套详细的定向地图与材料设计操作方案,以支持在科研环境中实施定向运动研究。
尽管定向运动干预在地点和路线设置方面会有所不同,但本方案提供了全面的资源、材料、网站和项目,以帮助开发旨在测量其认知效应的定向运动干预。本指南仅用于信息和教育目的,且按“原样”提供,不附带任何明示或暗示的保证。作者声明,对于所述方法的应用以及使用这些方法所导致的任何不良后果或损害,概不承担任何责任。研究人员若使用本指南开发自身的定向运动干预,须独自负责评估其方法学的相关风险,获得适当的机构批准,并确保遵守所有相关的伦理准则和法规。
第2步中地图类型的选择取决于可用时间、资源、制图技能以及参与者的技能水平。使用OCAD或OpenOrienteeringMapper等程序制作的详细定向地图 (步骤2.2)通常建议使用此类地图,因为它们能够显示更详细的地形信息和复杂的高程数据,而使用OpenOrienteeringMap制作的简化地图则无法呈现这些细节。据高水平定向运动员反馈,他们在跑步过程中能够有效处理高精度的空间信息。2建议为这些参与者提供详细地图,以匹配与其技能相适应的地图信息复杂度。然而,制作详细的定向地图需要制图知识并耗费更多时间,对于缺乏定向运动经验的研究人员而言可能构成障碍,从而限制定向运动干预的实施。在此情况下,可使用 OpenOrienteeringMap 为所有参与水平的人员制作简化的定向地图(步骤 2.1)。
在第3步中,必须按照数字顺序依次添加检查点,从起点位置开始,到终点位置结束。通过这种方式,路线设计者能够更好地追踪检查点之间的潜在路线选择,从而有效调整路线的难度。例如,在设置初级水平路线时,路线设计者可以确保参与者从一个检查点到下一个检查点之间只需做出一次决策。
在第4.4步教授基本定向技能时,部分初学者可能需要比其他人更多的指导才能理解定向概念。研究表明,没有定向经验的个体在空间导航与信息处理方面采用不同的方式,且其空间记忆能力也弱于有定向经验者2,3。这凸显了个体在空间记忆能力上的差异,以及这些差异对定向学习与表现的影响。因此,有必要对实验方案进行调整,加入更详尽和细致的定向指导,以适应这些个体差异。
建议选择参与者相对不熟悉的定向越野地点,因为个体在陌生和熟悉地形中的导航倾向可能存在差异34。然而,在实施定向越野干预措施时,安全考虑和适应性调整至关重要,尤其是在不熟悉的区域。在设计任何定向越野路线之前,建议对所使用的全部地形进行全面的风险评估。由于定向越野通常在户外进行,且某些路线需要广阔的空间,并非所有地点、气候或天气条件都适合且安全。
出于安全考虑,应使用 GPS 运动手表或类似设备持续追踪参与者的行进路线,并由研究人员(不进行干预)观察,以监控其时间和位置。在实施定向越野干预时,如步骤 4.5 所述,必须确保所使用的 GPS 运动手表或 MapRun 应用程序成功获取 GPS 信号并正确开始记录,以便完整追踪参与者在整个路线中的行进轨迹。
当参与者参加时间较长、高级别的课程时,建议采取额外的安全措施。这包括准备急救箱,并备有参与者的紧急联系人信息。参与者还可能被要求随身携带通信设备,仅用于紧急情况。由于定向越野可能以高强度进行,因此应在开展定向越野活动前完成所有参与者的健康评估,以确保其身体状况能够胜任定向越野课程,且无过度风险。最后,在整个定向越野课程及运动过程中,应提供充足的水分和营养补给。通过实施这些安全措施,可显著降低事故和紧急情况发生的风险。研究人员须牢记自身在风险评估以及为其特定干预措施获取必要伦理审批方面的责任。
总之,随着定向运动研究领域的不断发展,本方案为定向运动知识有限的研究人员提供了在科研环境中设计和实施定向运动干预措施所需的信息。通过使用本方案作为指导,未来的研究人员将能够创建标准化的定向运动地图和路线,以研究其预期的结果。
作者声明无利益冲突。
我们感谢NeuroFit实验室的成员在我们开始探索定向运动对大脑健康和功能的影响时提供的持续支持。本研究得到了加拿大自然科学与工程研究理事会(NSERC)的资助,资助编号为RGPIN-2022-05298(资助对象:J. J. H.)。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 胸部心率监测带 | Polar Electro | https://www.polar.com/ | 或任何其他能够持续记录心率并可与所选手表配对的设备。 |
| 写字板 | Staples | https://www.staples.com/clipboards | 用于记录现场测量数据。 |
| 彩色打印机 | HP Laser 彩色打印机 | https://www.hp.com/ | 用于打印地图。 |
| 计算机 | Lenovo IdeaPad | https://www.lenovo.com/in/en/c/laptops/ideapad/ | 确保所选设备能够运行所选的定向地图和路线设计软件。 |
| GPS 运动手表 | Polar Electro | https://www.polar.com/ | 或任何其他采样速率为 1–3 秒的 GPS 手表。 |
| OCAD 定向运动软件 | OCAD | https://www.ocad.com/en/ | |
| OpenOrienteeringMapper | Open orienteering | https://www.openorienteering.org/apps/mapper/ | |
| 定向指南针(适用于更高级的定向运动员) | Suunto Oy | https://www.suunto.com/en-in/News/Suunto-introduces-stable-and-fast-AIM-compasses-for-competitive-orienteers/ | 或任何其他能够对准磁北并设定方位角的指南针型号。 |
| 定向检查点标志物,或插旗,或标记带,或锥形路标 | Silva-USA(定向检查点标志物)或 Amazon.com | n/a | 选择最适合您实际条件的物品来标记每个检查点位置。 |
| 笔 | Staples | https://www.staples.com | 用于记录现场测量数据。 |
| 塑料文件套 | Staples | https://www.staples.com/sheet-protectors/ | 用于保护地图免受天气影响。 |
| 可运行 MapRun 应用程序的智能手机 | Apple, iPhone 12 | https://www.apple.com/iphone/ | 如果按照步骤 4.2.2 使用 MapRun 应用程序,则为必需。 |