Football enhances Context–dependent Spatial navigation via the Entorhinal hippocampal circuit plasticity = 내후각피질-해마 회로의 가소성을 통한 축구의 맥락 의존적 공간 탐색 향상

국문 초록 (Abstract)

생물체는 생존을 위해 그들의 환경을 탐색하며, 이러한 공간 탐색 행동은 생존 활동의 기반이 되는 인지 기능이다. 포유류의 경우, 내후각피질-해마 회로(entorhinal-hippocampal circuit)가 공간 탐색 행동의 주요 기전으로 알려져 있으며, 회로 내의 격자세포(grid cell)와 장소세포(place cell)는 환경에 대한 공간적 신경 표상을 형성한다. 인간 역시 이 회로에 의존하여 일상생활에서 공간 탐색을 수행해왔으나, 최근 자동화된 내비게이션 시스템의 보편화로 인해 능동적인 공간 탐색 경험이 감소하면서, 인간 고유의 공간 탐색 능력이 저하될 가능성에 대한 우려가 제기되고 있다. 이에 따라 인간의 공간 탐색 능력을 유지하고 향상시킬 수 있는 전략을 규명할 필요성이 대두되고 있다. 축구는 경기 특성상 지속적인 공간 탐색을 요구하는 스포츠 종목 중 하나로, 축구 경험이 내후각피질-해마 회로의 가소성을 유도할 가능성을 시사한다. 이러한 관점에서 축구는 현대 사회에서 공간 탐색 능력을 유지하고 향상시킨는 데 기여할 수 있는 잠재적 활동이 될 수 있을 것이다. 그러나, 최근 공간 탐색이 수행되는 환경에 따라 다르게 나타날 수 있다는 연구들이 제시되고 있으며, 이러한 공간 탐색의 맥락 의존적 특성에 대한 신경학적 메커니즘을 규명하기 위한 연구들이 계속해서 진행되고 있다. 따라서 축구 경험이 서로 다른 맥락 전반에 걸쳐 공간 탐색 능력을 향상시킬 수 있는지에 대해서는 아직 불분명하다. 본 연구는 프로축구선수 집단과 대조군을 대상으로 기능적 자기공명영상(functional magnetic resonance imaging, fMRI)을 활용하여 공간 탐색 능력과 내후각피질-해마 회로의 구조적, 기능적 가소성을 분석하였다. 그 결과, 프로축구선수 집단은 축구 특이적인 맥락에서만 대조군에 비해 더 높은 공간 기억의 정확도와 일관성을 보였으며, 이는 우측 해마 영역의 활성도 증가와 함께 나타났다. 또한, 프로축구선수 집단은 구조적으로 내측 내후각피질의 부피가 더 컸으며, 해마에서 더 높은 분획이방성(fractional anisotrophy, FA)을 보였다. 그러나 이러한 구조적 우수성이 일반적인 맥락에서 공간 탐색 수행 능력이나 뇌 활성도의 차이로 이어지지는 않았다. 따라서, 해당 결과는 축구 경험이 내후각피질-해마 회로의 구조적 및 기능적 가소성을 유도하지만, 맥락 의존적으로 공간 탐색 능력이 향상된다는 것을 보여준다. 이는 인간의 공간 탐색이 본질적으로 맥락에 따라 나타나는 특성을 지님을 시사한다. 나아가 스포츠를 통해 공간 탐색 능력을 향상시키기 위해서는 다양한 맥락에서의 공간 탐색 경험에 참여하는 것이 중요할 수 있음을 제안한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Mobile organisms navigate their environment to optimize survival, and this navigational behavior is a fundamental cognitive function conserved across species. In mammals, this capacity is supported by the entorhinal–hippocampal circuit, where spatially tuned cells such as grid cells and place cells form neural representations of the environment. In recent decades, the pervasive use of automated navigation systems in human society has raised concerns that reduced engagement in active spatial navigation may contribute to the deterioration of intrinsic navigational abilities. Therefore, it is necessary to identify strategies that preserve and enhance human navigational abilities. Football is a sport that inherently demands navigation, and it suggests that football experience may induce plasticity within the entorhinal–hippocampal circuit. From this perspective, football may contribute to the preservation and enhancement of navigational abilities in human society. However, accumulating evidence suggests that spatial navigation is sensitive to contextual factors, and the neural mechanisms underlying these context-dependent characteristics remain insufficiently understood. Therefore, whether football experience can lead to improvements in navigation that extend across different contexts remains enigmatic. To explore this question, we conducted a functional MRI (Magnetic Resonance Imaging) experiment comparing the navigational performance and entorhinal–hippocampal activation of professional football players and a control group. We further examined how these behavioral and neural patterns differed across two contexts: a football-specific environment and a general navigation environment. Football players showed higher accuracy and greater consistency of spatial memory compared with the control group, but only in the football-specific context. This behavioral superiority was accompanied by increased activation in right hippocampal subregions during navigation. Additionally, players exhibited larger medial entorhinal cortical volume and higher fractional anisotropy (FA) values, indicating a more organized hippocampal microstructure. However, these structural characteristics did not translate into differences in navigational performance or neural activation in the general navigation context. Taken together, the findings indicate that football experience induces structural and functional plasticity within the entorhinal–hippocampal circuit and enhances spatial navigation in a context-dependent manner. This study validates that football experience induces structural and functional plasticity within the entorhinal–hippocampal circuit and enhances spatial navigation in a context-dependent manner, and further suggests that this circuit inherently reflects the context-dependent characteristics of human navigation. Therefore, to enhance broader navigational abilities through sport, it may be necessary to engage in experiences across diverse contexts.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1. Need for research 1
• 2. Purpose of research 4
• 3. Hypothesis of research 5
• II. Study Background 6
• 1. Spatial navigation 6
• 1.1 Cellular mechanisms of spatial navigation 6
• 1.2 Entorhinal-hippocampal circuit for spatial navigation 7
• 2. Spatial navigation-related plasticity 8
• 2.1 Brain plasticity 8
• 2.2 Structural plastic changes 8
• 2.3 Functional enhancements 11
• 3. Spatial navigation in football 12
• 3.1 Characteristics of football 12
• 3.2 Superiority of spatial navigation 12
• 4. Context-dependent spatial navigation 14
• III. Materials and Methods 15
• 1. Ethical approval 15
• 2. Subjects 16
• 3. Study design 17
• 4. Experimental protocol 19
• 4.1 Screening 19
• 4.2 Questionnaires and assessments 21
• 4.3 Spatial navigation task 21
• 4.4 Imaging acquisition 23
• 4.5 Image analysis 23
• 4.6 Statistical analysis 24
• IV. Results 26
• 1. Characteristics of participants 26
• 2. Validation of spatial navigation task 28
• 3. Behavioral performance of spatial navigation task 29
• 4. Functional activation of the entorhinal-hippocampal circuit 32
• 5. Structure of the entorhinal-hippocampal circuit 36
• 6. Plasma mature BDNF levels 38
• V. Disccusion 39
• VI. Conclusion 42
• V. Reference 43