視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)ψ藙?shì)和動(dòng)作肌肉預(yù)期和補(bǔ)償姿勢(shì)調(diào)節(jié)的影響*

王 健 袁立偉 張 芷 王詩(shī)忠

(1浙江大學(xué)心理與行為科學(xué)系,杭州 310028)(2浙江大學(xué)體育與科學(xué)技術(shù)研究所, 杭州 310028)(3浙江警察學(xué)院偵查系,杭州 310000)(4福建中醫(yī)藥大學(xué),福州 350122)

1 引言

大腦具有適應(yīng)不同身體活動(dòng)的需要,依據(jù)預(yù)知或者感知的各種突發(fā)性內(nèi)部或外部姿勢(shì)干擾(Postural perturbation),通過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)主導(dǎo)的前饋控制(feed-forward control,FFC)、反饋控制(feed-back control,FBC)和隨意運(yùn)動(dòng)控制(voluntary control,VC)機(jī)制,激活姿勢(shì)肌肉活動(dòng)、發(fā)動(dòng)動(dòng)作肌肉活動(dòng)以及協(xié)調(diào)姿勢(shì)肌肉與動(dòng)作肌肉之間的活動(dòng),快速有效地應(yīng)對(duì)各種突發(fā)姿勢(shì)干擾對(duì)身體姿勢(shì)的破壞和動(dòng)作任務(wù)績(jī)效的影響(Massion,1994,1998;Morasso,Baratto,Capra,&Spada,1999)。其中,FFC和FBC分別是CNS“自上而下”和“自下而上”的無(wú)意識(shí)性運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程,前者是指 CNS通過(guò)預(yù)先激活姿勢(shì)肌肉活動(dòng)而產(chǎn)生的一種開(kāi)環(huán)控制(Open chain control),發(fā)生于突發(fā)姿勢(shì)干擾之前,相應(yīng)的中樞姿勢(shì)控制活動(dòng)被稱為預(yù)期姿勢(shì)調(diào)節(jié)(anticipatory postural adjustments,APAs)。FBC則是CNS依據(jù)外周肌肉本體感受、位覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感覺(jué)傳入信息產(chǎn)生的一種閉環(huán)控制(Close chain control),發(fā)生于突發(fā)姿勢(shì)干擾之后,相應(yīng)的姿勢(shì)控制活動(dòng)被稱為補(bǔ)償姿勢(shì)調(diào)節(jié)(compensatory postural adjustments,CPAs);而 VC則是由大腦通過(guò)隨意運(yùn)動(dòng)控制指令驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程(Eriksson&Thorstensson,2009)。

APAs和CPAs受突發(fā)姿勢(shì)干擾方向、干擾強(qiáng)度等物理因素以及心理預(yù)期(Visual Anticipation,VA)、注意指向(focus of attention,FOA)、任務(wù)目標(biāo)等心理因素的影響,通常情況下心理預(yù)期和注意關(guān)注是影響APAs和CPAs最基本和最重要的心理因素(Shumway-Cook &Woollacott,2009)。視覺(jué)預(yù)期是姿勢(shì)控制心理預(yù)期效應(yīng)研究的經(jīng)典范式。Leinonen等采用此研究范式發(fā)現(xiàn),睜眼條件下的突發(fā)身體加載時(shí),被試背部豎脊肌和腰部多裂肌姿勢(shì)預(yù)期調(diào)節(jié)起始時(shí)間顯著縮短且強(qiáng)度減小,表現(xiàn)出明顯的前饋控制效應(yīng)(Leinonen,Kankaanp??,H?nninen,Airaksinen,&Taimela,2002)。Santos等采用重物擺干擾研究了視覺(jué)預(yù)期對(duì)姿勢(shì)肌肉APAs和CPAs的影響,發(fā)現(xiàn)大部分姿勢(shì)肌肉在有預(yù)期條件下回出現(xiàn)預(yù)期姿勢(shì)激活,而無(wú)預(yù)期條件下則不產(chǎn)生預(yù)期姿勢(shì)激活,但有較大幅度的補(bǔ)償姿勢(shì)激活,提示視覺(jué)預(yù)期對(duì)突發(fā)干擾條件下APAs和CPAs的調(diào)節(jié)作用(Santos,Kanekar,&Aruin,2010 )。以上相關(guān)研究表明了視覺(jué)預(yù)期對(duì)姿勢(shì)調(diào)節(jié)中被試姿勢(shì)肌肉的重要影響,而對(duì)于姿勢(shì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中動(dòng)作肌肉缺乏相關(guān)探索。因此本研究的第一個(gè)目標(biāo)就是同步觀察外界姿勢(shì)干擾下,視覺(jué)預(yù)期對(duì)動(dòng)作肌肉姿勢(shì)調(diào)節(jié)的影響。本研究的第一個(gè)假設(shè)為：人體受到外界干擾時(shí),視覺(jué)預(yù)期對(duì)動(dòng)作肌肉也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的姿勢(shì)調(diào)節(jié),且此調(diào)節(jié)策略可能與姿勢(shì)肌肉存在差異。

傳統(tǒng)的姿勢(shì)控制理論認(rèn)為,FFC和FBC通常情況下發(fā)生于突發(fā)姿勢(shì)干擾起始點(diǎn)T的?200ms～+200ms 之間,且不伴隨明晰的運(yùn)動(dòng)知覺(jué)與控制意圖,屬無(wú)意識(shí)運(yùn)動(dòng)控制,因而較少或者不受具有明確意識(shí)屬性的“注意指向”(focus of attention,FOA)的影響;而VC通常情況下發(fā)生于T點(diǎn)+200ms 之后,且運(yùn)動(dòng)的組織、發(fā)動(dòng)和控制均需意識(shí)活動(dòng)的參與,因此易受 FOA 的影響(張芷,王健,馮金升,2013)。然而,近年來(lái)有研究發(fā)現(xiàn),FOA不僅可以明顯影響VC的績(jī)效,而且也可在一定程度上影響無(wú)意識(shí)運(yùn)動(dòng)控制活動(dòng)FFC和FBC,從而對(duì)傳統(tǒng)的注意運(yùn)動(dòng)控制理論提出質(zhì)疑。Olivier等以身體壓力中心移動(dòng)速度考察注意對(duì)姿勢(shì)控制的影響,發(fā)現(xiàn)注意條件下身體壓力中心移動(dòng)速度明顯加快(Olivier,Palluel,&Nougier,2008)。Uemura和 Yamada等以 APAs考察注意對(duì)姿勢(shì)肌肉FFC的影響,發(fā)現(xiàn)擔(dān)心跌倒的老年人由于消耗更多的注意資源用以動(dòng)作控制,從而較不擔(dān)心跌倒的老年人具有更早發(fā)動(dòng)的 APAs(Uemura et al.,2012)。McNevin和Wulf采用經(jīng)典FOA研究范式,以身體晃動(dòng)頻率考證內(nèi)部和外部注意指向?qū)ψ藙?shì)控制的影響,發(fā)現(xiàn)內(nèi)部FOA較外部FOA更容易造成身體晃動(dòng)(McNevin &Wulf,2002)。而Cluff等人另一項(xiàng)研究探索了內(nèi)、外FOA對(duì)直立姿勢(shì)控制的影響,發(fā)現(xiàn)兩者沒(méi)有顯著差異(Cluff,Gharib,&Balasubramainiam,2010)。以上研究結(jié)果的差異提示注意關(guān)注對(duì)姿勢(shì)調(diào)節(jié)的影響可能受多種因素的影響。此外,現(xiàn)有大多數(shù)研究的實(shí)驗(yàn)都是在睜眼條件下進(jìn)行的,并未考慮注意關(guān)注作用時(shí)視覺(jué)預(yù)期的影響。本研究的第二個(gè)假設(shè)為：同步控制心理預(yù)期和注意指向,外界干擾下的姿勢(shì)調(diào)節(jié)策略可能與以往研究存在差異。為此,本研究在以往研究的基礎(chǔ)上,采用經(jīng)典的落球試驗(yàn)研究范式(Ball hitting paradigm,BHP)和注意關(guān)注操作方法,同步考察視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)ρ慷嗔鸭『碗哦^肌 APAs和 CPAs各項(xiàng)時(shí)間和強(qiáng)度參數(shù)的影響,深入探討視覺(jué)預(yù)期和注意指向影響姿勢(shì)控制的腦機(jī)制。

2 方法

2.1 實(shí)驗(yàn)被試

本研究共征集 29名青年志愿者參與實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中5人的sEMG信號(hào)采集無(wú)效,最終有效被試為24名(10名男性,14名女性)。被試基本信息如下：平均年齡 22.71±2.70 歲,平均身高 169.50±7.09cm,平均體重58.20±10.42 kg。被試入選標(biāo)準(zhǔn)為：身體健康,矯正視力良好,聽(tīng)力正常,沒(méi)有運(yùn)動(dòng)相關(guān)神經(jīng)肌肉系統(tǒng)疾病。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前已征求所有被試的知情同意。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為2(視覺(jué)預(yù)期：有視覺(jué)預(yù)期、無(wú)視覺(jué)預(yù)期)×2(注意指向：注意維持托盤(pán)的穩(wěn)定、注意維持身體重心的穩(wěn)定)的被試內(nèi)設(shè)計(jì)。對(duì)被試優(yōu)勢(shì)側(cè)的肱二頭肌(BIC)和腰部多裂肌(LMF)進(jìn)行sEMG信號(hào)采集。計(jì)算并分析不同條件下sEMG信號(hào)的APAs啟動(dòng)時(shí)間、APAs強(qiáng)度和CPAs啟動(dòng)時(shí)間和強(qiáng)度的差異,從而探索視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)?dòng)作肌肉和姿勢(shì)肌肉的影響。

實(shí)驗(yàn)時(shí),被試需在不同條件下執(zhí)行落球試驗(yàn)：要求其在站立姿勢(shì)下雙手持托盤(pán),接住從托盤(pán)上方視線水平高度掉落下來(lái)的負(fù)荷,過(guò)程中要盡量維持上肢的空間位置和身體重心穩(wěn)定。視覺(jué)預(yù)期條件分為睜眼和閉眼兩種：在睜眼條件下,被試可以看到重物從開(kāi)始釋放到掉落在托盤(pán)的整體過(guò)程;在閉眼條件下,被試帶上耳罩和眼罩,無(wú)法看到或聽(tīng)到主試釋放重物掉落過(guò)程。在以上睜眼、閉眼條件下,分別要求被試完成兩種不同的“注意關(guān)注”。一種是要求注意“托盤(pán)穩(wěn)定”,另外一種是要求注意“保持身體重心穩(wěn)定”。通過(guò)視頻記錄被試接沙袋過(guò)程中肘關(guān)節(jié)的角度和身體擾動(dòng)度變化。不同注意指向的操作通過(guò)主試的指導(dǎo)語(yǔ)和評(píng)分量表來(lái)進(jìn)行評(píng)估。

2.3 實(shí)驗(yàn)程序

被試在實(shí)驗(yàn)中需要保持軀干直立,兩腳自然分開(kāi)一定距離。雙手握持一個(gè)約0.9 kg的金屬托盤(pán)(上直徑32cm、底直徑為21cm),要求被試左右手分別抓握托盤(pán)兩側(cè)的手柄,上臂垂直于地平面,兩個(gè)肘關(guān)節(jié)保持 90度。重物下落接觸到托盤(pán)的時(shí)間通過(guò)固定在底部的振動(dòng)傳感器來(lái)記錄,該時(shí)間即反映人體軀干受到干擾產(chǎn)生振動(dòng)的時(shí)間。傳感器的結(jié)構(gòu)由蜂鳴片和觸點(diǎn)彈簧共同構(gòu)成組成,經(jīng)檢測(cè)能夠比較準(zhǔn)確和及時(shí)地反映出肢體干擾引發(fā)的托盤(pán)振動(dòng)情況。加載的負(fù)荷為1.5 kg的沙袋,開(kāi)始時(shí)候被放置于與被試視線相平行位置,然后由主試來(lái)控制并釋放。主試與被試面對(duì)面的站立,雙手托舉沙袋,使其落于托盤(pán)中心位置。

本實(shí)驗(yàn)共有4種試驗(yàn)條件,分別為睜眼—注意維持托盤(pán)穩(wěn)定,睜眼—注意維持身體重心穩(wěn)定,閉眼—注意維持托盤(pán)穩(wěn)定,閉眼—注意維持身體重心穩(wěn)定,每種試驗(yàn)條件重復(fù)3次。注意托盤(pán)穩(wěn)定時(shí),指導(dǎo)語(yǔ)為“在落球試驗(yàn)中,注意保持托盤(pán)穩(wěn)定”;注意身體重心穩(wěn)定時(shí),指導(dǎo)語(yǔ)為“在落球?qū)嶒?yàn)中,注意保持將身體重心穩(wěn)定”。其中一半被試先在睜眼條件下按順序完成注意托盤(pán)穩(wěn)定和注意身體重心的試驗(yàn),另一半被試則先在閉眼條件下完成以上試驗(yàn)。在正式試驗(yàn)開(kāi)始前主試從被試眼睛高度釋放沙袋兩次使被試熟悉沙袋重量。睜眼條件下兩次試驗(yàn)之間間隔約15秒;閉眼條件下兩次試驗(yàn)間隔在15～30秒之間,以防止被試對(duì)于釋放時(shí)間的猜測(cè)。每次試驗(yàn)完成后,要求被試在數(shù)字1～7中進(jìn)行選擇以便對(duì)“目標(biāo)關(guān)注度”進(jìn)行反饋,其中數(shù)字越小表示越將注意力集中于“維持托盤(pán)穩(wěn)定”,數(shù)字越大表示越將注意力集中于“維系身體重心穩(wěn)定”,數(shù)字4表示注意力在肘關(guān)節(jié)和身體重心之間平均分配。該步驟的目的是檢查被試對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語(yǔ)的完成度,確保被試按照實(shí)驗(yàn)要求完成目標(biāo)關(guān)注。

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和信號(hào)處理

實(shí)驗(yàn)使用表面肌電(Surface electromyography,sEMG)設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集。研究目標(biāo)為優(yōu)勢(shì)側(cè)的動(dòng)作肌和姿勢(shì)肌。動(dòng)作肌選取上肢肱二頭肌(BIC),姿勢(shì)肌選取軀干的多裂肌(LMF)。表面肌電的兩個(gè)差分探測(cè)電極放置于被檢肌肉的肌腹位置,兩電極中心點(diǎn)連線與肌纖維方向一致。每個(gè)電極直徑約為0.5cm,電極間距離為2cm,參考電極貼于探測(cè)電極旁側(cè)3cm處。放置電極之前用75%酒精棉球?qū)ο鄳?yīng)部位的皮膚預(yù)先進(jìn)行清潔擦拭,從而減小阻抗及噪聲干擾。表面肌電儀采用ME6000(Mega Electronics Ltd,Finland),信號(hào)采樣頻率為1000 Hz,輸入阻抗<10 G?,通帶濾波10～500 Hz,噪聲水平小于3.5 μV。

托盤(pán)底部安裝有振動(dòng)傳感器以記錄刺激重物掉落托盤(pán)底部并引起身體姿勢(shì)改變的時(shí)間。傳感器采用蜂鳴片及觸點(diǎn)彈簧組成,靈敏度為0～105 dB,響應(yīng)時(shí)間約1ms,能夠較準(zhǔn)確及時(shí)地反映托盤(pán)的振動(dòng)情況。

依據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)(Santos et al.,2010 ),本研究設(shè)定的各項(xiàng)姿勢(shì)控制觀察變量及其操作定義如下：以托盤(pán)底部的振動(dòng)傳感器產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)(T)作為姿勢(shì)干擾的起始點(diǎn),取 T前 500～350ms時(shí)段的sEMG振幅平均值作為參考基線,被檢肌肉開(kāi)啟活動(dòng)的時(shí)間為sEMG平均振幅開(kāi)始大于參考基線3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差并持續(xù)15ms所對(duì)應(yīng)的時(shí)間(ms)。被檢肌肉開(kāi)始活動(dòng)時(shí)間若出現(xiàn)在T的?200ms～+50ms之間,被定義為APAs;若出現(xiàn)在+50ms～+200ms之內(nèi)則稱為CPAs。被檢肌肉在APAs階段從“開(kāi)始活動(dòng)”到T后+50ms內(nèi)肌電振幅的平均值與參考基線的比值為 APAs強(qiáng)度;被檢肌肉在 CPAs階段從啟動(dòng)時(shí)刻到T后200ms內(nèi)肌電振幅的平均值與基線的比值為CPAs強(qiáng)度。

2.5 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 19.0上執(zhí)行。采用相關(guān)樣本t檢驗(yàn)分別對(duì)不同“目標(biāo)關(guān)注度”執(zhí)行情況進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。以視覺(jué)(有、無(wú))和注意關(guān)注(托盤(pán)穩(wěn)定、身體重心穩(wěn)定)為被試內(nèi)變量,對(duì)被試多裂肌和肱二頭肌的肌電信號(hào)指標(biāo)(APA啟動(dòng)時(shí)間、APAs強(qiáng)度、CPAs啟動(dòng)時(shí)間和CPAs強(qiáng)度)采用重復(fù)測(cè)量的方差分析。不符合球形標(biāo)準(zhǔn)的方差分析自由度采用 Greenhouse-Geisser方法進(jìn)行校正,選擇顯著性水平為

α

=0.05。

3 結(jié)果

3.1 注意指向?qū)Α澳繕?biāo)關(guān)注度”的影響

不同注意指向條件下被試“目標(biāo)關(guān)注度”見(jiàn)圖1。不同“目標(biāo)關(guān)注度”的得分為：指向托盤(pán)穩(wěn)定2.33±1.12分,指向身體重心穩(wěn)定5.42±1.13分。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,要求被試將注意力指向托盤(pán)穩(wěn)定或指向身體重心穩(wěn)定的“目標(biāo)關(guān)注度”均與平均分配注意力 4有顯著差異(

p

<0.001),表明被試認(rèn)為自己按照實(shí)驗(yàn)要求完成對(duì)目標(biāo)的主觀關(guān)注。

圖1 不同注意指向?qū)嶒?yàn)效度研究結(jié)果(*表示p<0.05)

3.2 視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)ψ藙?shì)肌肉和動(dòng)作肌肉APAs啟動(dòng)時(shí)間的影響

姿勢(shì)肌肉和動(dòng)作肌肉APAs啟動(dòng)時(shí)間的描述性統(tǒng)計(jì)信息詳見(jiàn)表1。

視覺(jué)預(yù)期對(duì)腰部多裂肌的APAs啟動(dòng)時(shí)間主效應(yīng)顯著(圖 2A,

F

(1,23)=9.68,

p

=0.005,η=0.30),表現(xiàn)為睜眼條件下的啟動(dòng)時(shí)間明顯早于閉眼;注意指向?qū)ρ苛鸭〉闹餍?yīng)不顯著,

F

(1,23)=0.15,

p

=0.699;視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)ρ慷嗔鸭〉?APAs啟動(dòng)時(shí)間交互作用不顯著,

F

(1,23)=0.14,

p

=0.711。

表1 不同視覺(jué)預(yù)期和注意指向條件下腰部多裂肌和肱二頭肌APAs啟動(dòng)時(shí)間(ms)

視覺(jué)預(yù)期對(duì)肱二頭肌的APAs啟動(dòng)時(shí)間主效應(yīng)顯著(圖 2B,

F

(1,23)=80.10,

p

<0.001,η=0.77),表現(xiàn)為睜眼條件下的啟動(dòng)時(shí)間明顯早于閉眼;注意指向?qū)﹄哦^肌APAs啟動(dòng)時(shí)間主效應(yīng)顯著(

F

(1,23)=10.02,

p

=0.004,η=0.30),表現(xiàn)為關(guān)注托盤(pán)穩(wěn)定的啟動(dòng)時(shí)間顯著早于關(guān)注身體重心穩(wěn)定;視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)﹄哦^肌APAs啟動(dòng)時(shí)間交互作用顯著,

F

(1,23)=5.64,

p

=0.026,η=0.20。簡(jiǎn)單效應(yīng)分析表明,注意關(guān)注托盤(pán)穩(wěn)定條件下,睜眼 APAs啟動(dòng)時(shí)間顯著早于閉眼,

F

(1,23)=18.60,

p<

0.001,η=0.45。注意關(guān)注重心穩(wěn)定條件下,睜眼APAs啟動(dòng)時(shí)間也顯著早于閉眼(

F

(1,23)=92.74,

p<

0.001,η=0.80),關(guān)注托盤(pán)時(shí)有無(wú)視覺(jué)的時(shí)間差值(128.55ms)大于關(guān)注托盤(pán)(68ms)(見(jiàn)圖3)。

圖2 視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)PAs啟動(dòng)時(shí)間的影響(++、**表示p<0.01)

圖3 肱二頭肌視覺(jué)預(yù)期和注意指向的交互作用

3.3 視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)ψ藙?shì)肌肉和動(dòng)作肌肉APAs強(qiáng)度的影響

視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)ψ藙?shì)肌肉和動(dòng)作肌肉APAs強(qiáng)度的影響詳見(jiàn)表2。

表2 不同視覺(jué)預(yù)期和注意指向條件下的腰部多裂肌和肱二頭肌的APAs強(qiáng)度(倍)

視覺(jué)預(yù)期對(duì)腰部多裂肌APAs強(qiáng)度的主效應(yīng)不顯著(圖3A),

F

(1,23)=0.53,

p

=0.475;注意指向?qū)Χ嗔鸭PAs強(qiáng)度的主效應(yīng)不顯著,

F

(1,23)=0.21,

p

=0.649。視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)ρ慷嗔鸭PAs強(qiáng)度的交互作用不顯著,

F

(1,23)=0.13,

p

=0.727。視覺(jué)預(yù)期對(duì)肱二頭肌的APAs強(qiáng)度的主效應(yīng)不顯著(圖3B),

F

(1,23)=0.50,

p

=487;注意指向?qū)?dòng)作肌肉APAs強(qiáng)度的主效應(yīng)不顯著,

F

(1,23)=1.86,

p

=0.186。視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)﹄哦^肌APAs強(qiáng)度的交互作用不顯著,

F

(1,23)=9.27,

p

=0.005,η=0.30。簡(jiǎn)單效應(yīng)分析表明,在注意關(guān)注于托盤(pán)穩(wěn)定時(shí),有、無(wú)視覺(jué)預(yù)期的 APAs強(qiáng)度差異顯著,

F

(1,23)=91.80,

p

<0.001,η=0.80;在注意關(guān)注于重心穩(wěn)定時(shí),有、無(wú)視覺(jué)預(yù)期的 APAs強(qiáng)度差異顯著(

F

(1,23)=26.47,

p

<0.001,η=0.54),關(guān)注托盤(pán)穩(wěn)定條件下睜、閉眼的差異(6.87)大于關(guān)注重心穩(wěn)定的差異(4.72)(見(jiàn)圖4)。

圖4 視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)PAs強(qiáng)度的影響(**表示p<0.01)

3.4 視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)ψ藙?shì)肌肉和動(dòng)作肌肉CPAs時(shí)間的影響

視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)ρ慷嗔鸭『碗哦^肌CPAs時(shí)間的影響描述信息見(jiàn)表3。

重復(fù)測(cè)量方差分析表明,注意指向?qū)ρ慷嗔鸭PAs時(shí)間的主效應(yīng)顯著(圖5A)(

F

(1,23)=26.43,

p

<0.001,η=0.54);其余均無(wú)顯著差異(LMF:視覺(jué)預(yù)期：

F

(1,23)=2.55,

p

=0.124;視覺(jué)預(yù)期×注意指向：

F

(1,23)=1.33,

p

=0.260),(BIC:視覺(jué)預(yù)期：

F

(1,23)=0.20,

p

=0.660,注意指向：

F

(1,23)=0.001,

p

=0.991;視覺(jué)×注意指向：

F

(1,23)=2.65,

p

=0.117)。

表3 不同視覺(jué)預(yù)期和注意指向條件下腰部多裂肌和肱二頭肌CPAs時(shí)間(ms)

3.5 視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)ψ藙?shì)肌肉和動(dòng)作肌肉CPAs強(qiáng)度的影響

視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)ψ藙?shì)肌肉和動(dòng)作肌肉CPAs強(qiáng)度的影響詳見(jiàn)表4。

表4 不同視覺(jué)預(yù)期和注意指向條件下腰部多裂肌和肱二頭肌CPAs強(qiáng)度(倍)

重復(fù)測(cè)量方差分析表明,視覺(jué)預(yù)期對(duì)肱二頭肌CPAs強(qiáng)度的主效應(yīng)顯著(圖5B)(

F

(1,23)=10.85,

p

=0.003,η=0.32);其余均無(wú)顯著差異(LMF:視覺(jué)預(yù)期：

F

(1,23)=0.10,

p

=0.758;注意指向：

F

(1,23)=0.51,

p

=0.481;視覺(jué)預(yù)期×注意指向：

F

(1,23)=0.77,

p

=0.338),(BIC:注意指向：

F

(1,23)=3.27,

p

=0.084;視覺(jué)預(yù)期×注意指向：

F

(1,23)=0.04,

p

=0.839)。

圖5 視覺(jué)預(yù)期和注意指向?qū)PAs的影響(++,**表示p<0.01)

4 討論

視覺(jué)預(yù)期和注意指向是影響干擾條件下人體姿勢(shì)控制策略的關(guān)鍵因素。日常生活中,人體很多時(shí)候是同時(shí)接受這兩個(gè)因素的刺激,因此同步控制這兩個(gè)因素來(lái)探索人體相應(yīng)肌肉活動(dòng)可以為姿勢(shì)調(diào)節(jié)策略提供重要依據(jù)。本研究采用姿勢(shì)控制經(jīng)典研究范式“落球試驗(yàn)”以及注意指向的常規(guī)操作方法“外部指向與內(nèi)部指向”,同步考察視覺(jué)預(yù)期和主觀注意指向?qū)|干姿勢(shì)肌肉 LMF和上肢動(dòng)作肌肉BIC的APAs和CPAs的影響。研究發(fā)現(xiàn),視覺(jué)預(yù)期能夠明顯提早多裂肌和肱二頭肌 APAs啟動(dòng)時(shí)間,弱化肱二頭肌 APAs強(qiáng)度,增強(qiáng)肱二頭肌的 CPAs強(qiáng)度;注意指向影響多裂肌的 CPAs啟動(dòng)時(shí)間和肱二頭肌 APAs啟動(dòng)時(shí)間,表現(xiàn)為注意指向重心穩(wěn)定時(shí)相對(duì)于關(guān)注托盤(pán)穩(wěn)定APAs和CPAs啟動(dòng)時(shí)間延遲;視覺(jué)預(yù)期和注意指向有顯著的交互作用,但交互作用僅存在于調(diào)節(jié)肱二頭肌的APAs啟動(dòng)時(shí)間和強(qiáng)度。以上研究結(jié)果一方面驗(yàn)證了視覺(jué)預(yù)期對(duì)肌肉姿勢(shì)調(diào)節(jié)策略的影響;另一方面也明確指出注意指向調(diào)節(jié)姿勢(shì)肌肉的 CPAs啟動(dòng)時(shí)間和動(dòng)作肌肉的APAs啟動(dòng)時(shí)間,同時(shí)對(duì)動(dòng)作肌肉APAs參數(shù)的調(diào)節(jié)作用和視覺(jué)預(yù)期具有交互。

姿勢(shì)控制是人體維持重心穩(wěn)定、維護(hù)平衡和進(jìn)行軀干空間定位的基本身體能力,是運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。視覺(jué)預(yù)期對(duì)姿勢(shì)調(diào)節(jié)中姿勢(shì)肌肉的影響已有很多研究,本研究的結(jié)果與多數(shù)研究是一致的：睜眼條件下,腰部多裂肌主要通過(guò)前饋?zhàn)藙?shì)控制來(lái)進(jìn)行相關(guān)姿勢(shì)調(diào)節(jié),表明視覺(jué)線索在姿勢(shì)控制中具有重要作用(Leinonen et al.,2002;Santos et al.,2010;張芷,王健,2014;謝琳,王健,張芷,袁立偉,王楚婕,2014)。本實(shí)驗(yàn)同時(shí)觀察了肱二頭肌的sEMG表現(xiàn),發(fā)現(xiàn)其視覺(jué)預(yù)期效應(yīng)與姿勢(shì)肌肉具有一定差異。具體表現(xiàn)為視覺(jué)預(yù)期僅對(duì)腰部多裂肌APAs啟動(dòng)時(shí)間有影響,對(duì)肱二頭肌APAs啟動(dòng)時(shí)間和強(qiáng)度,CPAs強(qiáng)度均有影響。提示CNS對(duì)外界干擾下姿勢(shì)肌肉和動(dòng)作肌肉的調(diào)節(jié)可能是由不同中樞指令來(lái)控制的。在各種姿勢(shì)干擾因素的作用下,機(jī)體一方面可以通過(guò) CNS主導(dǎo)的無(wú)意識(shí)的前饋控制和反饋控制,快速而有效地應(yīng)對(duì)各種突發(fā)姿勢(shì)干擾對(duì)身體重心穩(wěn)定性和肢體空間定位的干擾和破壞。另一方面,還可以通過(guò)具有意識(shí)屬性的心理預(yù)期、注意指向、行為意圖等心理因素的作用,對(duì)姿勢(shì)控制過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化,從而使得無(wú)意識(shí)和有意識(shí)的姿勢(shì)控制機(jī)制協(xié)同一致,實(shí)現(xiàn)對(duì)身體姿勢(shì)的最優(yōu)控制。人體的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括姿勢(shì)控制和動(dòng)作控制兩部分,兩個(gè)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)合作完成人體的日常運(yùn)動(dòng)并維持身體的穩(wěn)定,CNS指令對(duì)姿勢(shì)和動(dòng)作的控制過(guò)程構(gòu)成了姿勢(shì)控制的“內(nèi)部模型”(Kawato,1999)。本研究結(jié)果中,一方面觀察到視覺(jué)預(yù)期對(duì)姿勢(shì)肌肉腰部多裂肌 APAs啟動(dòng)時(shí)間的提早作用,從而驗(yàn)證了CNS對(duì)姿勢(shì)肌肉“預(yù)激活現(xiàn)象”的客觀存在;另一方面,進(jìn)一步觀察到視覺(jué)預(yù)期對(duì)動(dòng)作肌肉肱二頭肌的姿勢(shì)調(diào)節(jié)策略,即提早APAs啟動(dòng)時(shí)間,增強(qiáng)APAs和CPAs強(qiáng)度。以上研究結(jié)果為姿勢(shì)控制的“內(nèi)部模型”提供了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

注意指向在姿勢(shì)控制研究領(lǐng)域泛指認(rèn)知與控制資源對(duì)特定任務(wù)目標(biāo)的指向與集中,在本研究中特指對(duì)“重心穩(wěn)定”和“托盤(pán)穩(wěn)定”的注意關(guān)注。以往研究指出,不同注意指向策略對(duì)運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)具有明顯不同影響,主要表現(xiàn)為外部注意指向有利于提高和改善動(dòng)作控制和技能學(xué)習(xí)的績(jī)效,而內(nèi)部注意指向則無(wú)此作用甚至有一定的負(fù)面干擾作用(Wulf,Lewthwaite &T?llner,2009;Newell,1985;Peh,Chow,&Davids,2011)?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)多是在睜眼條件下進(jìn)行,沒(méi)有考慮視覺(jué)預(yù)期可能對(duì)注意指向產(chǎn)生的影響。本研究同時(shí)控制視覺(jué)預(yù)期和注意指向因素,主要結(jié)果和以上觀點(diǎn)一致,即關(guān)注“托盤(pán)穩(wěn)定”的姿勢(shì)調(diào)節(jié)效率好于關(guān)注“重心穩(wěn)定”,但此作用對(duì)于肱二頭肌的 APAs調(diào)節(jié)具有交互影響,關(guān)注重心穩(wěn)定時(shí)相對(duì)于關(guān)注托盤(pán)穩(wěn)定,睜閉眼之間的差異減小。說(shuō)明作為內(nèi)部注意指向,關(guān)注重心穩(wěn)定的負(fù)面干擾作用可能同時(shí)降低了神經(jīng)中樞對(duì)視覺(jué)預(yù)期的關(guān)注,以致視覺(jué)有、無(wú)對(duì)人體姿勢(shì)調(diào)節(jié)影響的差異減小。此外,注意指向影響多裂肌 CPAs啟動(dòng)時(shí)間和肱二頭肌APAs啟動(dòng)時(shí)間。這一注意指向策略在不同功能性質(zhì)的肌肉動(dòng)員上表現(xiàn)出來(lái)的差異性,具有非常重要的意義。說(shuō)明屬于意識(shí)活動(dòng)范疇的“注意指向”不僅對(duì)受意識(shí)控制的動(dòng)作肌肉有影響,同時(shí)也可以一定程度上影響無(wú)意識(shí)控制的姿勢(shì)肌肉。

姿勢(shì)控制系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可以自動(dòng)地接受來(lái)自視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、位覺(jué)和本體感覺(jué)等器官的感覺(jué)輸入信息以及大腦運(yùn)動(dòng)控制區(qū)的運(yùn)動(dòng)控制指令,然后根據(jù) CNS業(yè)已形成的“身體圖式(scheme)”,發(fā)動(dòng)姿勢(shì)肌肉和動(dòng)作肌肉的活動(dòng),協(xié)同不同姿勢(shì)肌肉和動(dòng)作肌肉之間的活動(dòng),維持身體重心穩(wěn)定和肢體空間定位。姿勢(shì)控制系統(tǒng)具有自組織和自動(dòng)控制的基本特點(diǎn)(Lestienne,Soechting,&Berthoz,1977),具有較強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性、易受隨意運(yùn)動(dòng)控制的干擾(Wing &Lederman,1998)。目前研究認(rèn)為,姿勢(shì)控制的預(yù)期效應(yīng)主要源自于大腦基于視覺(jué)輸入和任務(wù)目標(biāo)的姿勢(shì)肌肉前饋控制作用(Shumway-Cook &Woollacott,2009),而外部注意指向優(yōu)勢(shì)效應(yīng)則主要是因?yàn)樵撟⒁庵赶蛉趸艘庾R(shí)活動(dòng)對(duì)自動(dòng)化姿勢(shì)控制的阻礙作用(Maki&McIlroy,1996)。本研究關(guān)于外部姿勢(shì)干擾條件下CNS對(duì)姿勢(shì)肌肉和動(dòng)作肌肉APAs啟動(dòng)時(shí)間和活動(dòng)強(qiáng)度影響的研究結(jié)果,一方面同步控制視覺(jué)預(yù)期和注意指向兩因素,認(rèn)為視覺(jué)預(yù)期和注意指向具有交互作用,且此交互作用僅針對(duì)于動(dòng)作肌肉的前饋控制;另一方面,本研究中的目標(biāo)肌肉包括了動(dòng)作肌肉,發(fā)現(xiàn)姿勢(shì)肌肉和動(dòng)作肌肉在外界干擾下的姿勢(shì)調(diào)節(jié)策略具有差異：姿勢(shì)肌肉僅從時(shí)間參數(shù)上進(jìn)行調(diào)節(jié),而動(dòng)作肌肉則強(qiáng)度和時(shí)間參數(shù)都進(jìn)行了調(diào)節(jié)。以上兩點(diǎn)發(fā)現(xiàn)對(duì)中樞神經(jīng)肌肉姿勢(shì)控制研究進(jìn)行的驗(yàn)證和拓展;第三,屬于意識(shí)活動(dòng)范圍的“注意指向”可以對(duì)無(wú)意識(shí)控制的姿勢(shì)肌肉產(chǎn)生一定程度的調(diào)節(jié),該發(fā)現(xiàn)對(duì)于無(wú)意識(shí)和意識(shí)的相互關(guān)系領(lǐng)域研究提供了新的依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)突發(fā)外部姿勢(shì)干擾條件下,大腦可以在?200ms～+200ms的無(wú)意識(shí)加工時(shí)限內(nèi)完成對(duì)姿勢(shì)和動(dòng)作肌肉活動(dòng)的早期啟動(dòng),并依此實(shí)現(xiàn)其對(duì)后續(xù)反射性神經(jīng)肌肉活動(dòng)和身體姿勢(shì)的精準(zhǔn)控制。

(2)突發(fā)外部姿勢(shì)干擾條件下,視覺(jué)預(yù)期通過(guò)姿勢(shì)肌肉的 APAs啟動(dòng)時(shí)間和動(dòng)作肌肉 APAs和CPAs時(shí)間和強(qiáng)度參數(shù)來(lái)進(jìn)行相關(guān)姿勢(shì)調(diào)節(jié)。

(3)突發(fā)外部姿勢(shì)干擾條件下,注意指向影響姿勢(shì)肌肉反饋控制的啟動(dòng)時(shí)間和動(dòng)作肌肉前饋控制的啟動(dòng)時(shí)間;在視覺(jué)預(yù)期同時(shí)存在時(shí),對(duì)動(dòng)作肌肉APAs的調(diào)節(jié)具有交互作用。

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