不同水平冰壺運動員投壺動作表象時的腦電變化特征

于亮 王禎 趙麗

北京體育大學運動人體科學學院（北京100084）

冰壺是一項集體能、智能于一體的冰上運動項目。投壺是冰壺運動中的關鍵技術[1，2]，投壺目標的完成除需要身體各部位肌肉的協(xié)調配合外，大腦對信息的整合及發(fā)放的神經支配也同樣影響著投壺成功與否，因此，了解冰壺運動員投壺時中樞對信息的處理情況至關重要。腦電圖（electroencephalograph，EEG）作為評價人體大腦皮層神經元活動規(guī)律的生理指標，其在客觀反映中樞神經系統(tǒng)機能狀態(tài)方面具有一定優(yōu)勢，近些年來已廣泛應用于運動員神經系統(tǒng)功能方面的評定。目前對冰壺的研究多集中在技戰(zhàn)術[3，4]、動作分析[5-7]及心理學[8]方面，尚未見冰壺運動員運動過程中的神經調控研究。本研究利用腦電圖記錄不同水平冰壺運動員在閉眼安靜狀態(tài)和閉眼表象投壺狀態(tài)時的腦電變化情況，觀察不同水平運動員在不同狀態(tài)下的腦電特征及差異，并分析在閉眼表象投壺時的腦功能特點，為提高冰壺運動員運動專項技能訓練的中樞機制研究提供參考。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

本研究選取高水平女性冰壺運動員（運動技術等級為健將級）與北京市某機構一般水平運動員（運動技術等級為二級或以下）各8 名，均為右利手，基本信息見表1。

表1 受試者基本信息

1.2 主要研究器材

Nation9128W 數字化腦電圖儀（上海諾誠公司生產）。

1.3 實驗流程

通知受試者→設置腦電儀→佩戴電極帽→記錄不同狀態(tài)腦電→分析腦電特征。

1.4 測試方法

在采集腦電前，保證受試者精神狀態(tài)良好，并確保受試者頭皮清潔。在實驗開始前告知受試者本次實驗目的及流程，簡要介紹腦電測試的基本原理及注意事項，以消除其緊張焦慮情緒。

正式測試時提前將電極浸泡在生理鹽水中，并根據受試者頭型大小調節(jié)電極帽，使其松緊適合。使用酒精在放置電極的頭皮部位進行脫脂清潔，按國際10/20 系統(tǒng)放置電極，即接地電極（前額正中），參考電極（雙耳垂），左右前額極（Fp1、Fp2）、左右額極（F3、F4）、左右中央極（C3、C4）、左右頂極（P3、P4）、左右枕極（O1、O2）、左右顳前極（F7、F8）、左右顳中極（T3、T4）、左右顳后極（T5、T6），共19個電極。戴好電極帽后，采集閉眼安靜放松狀態(tài)時的腦電，隨后直接測量表象競賽狀態(tài)時的腦電，具體方法如下：

閉眼安靜放松狀態(tài)：受試者取舒適坐位，身體自然倚靠在椅子上，兩手放松置于大腿處，全身放松，閉目安靜，在測試過程中要求受試者盡量不眨眼，不轉動眼球，由腦電儀記錄自發(fā)腦電30 秒。表象投壺狀態(tài)：在閉眼安靜狀態(tài)腦電記錄完成后，實驗人員發(fā)出口令示意運動員閉眼表象投壺技術中的“投進”動作，即投進大本營的有效投壺，從投壺前準備、投壺開始，直到最后投壺結束，測試時間約30秒，表象結束時睜眼示意，測試結束。

采集閉眼安靜狀態(tài)與表象投壺狀態(tài)的腦電，對兩種狀態(tài)下各腦區(qū)α、θ、β、δ頻段腦電功率百分比進行分析。

1.5 數據處理

所有數據采用x±s表示，使用Spss19.0進行統(tǒng)計分析，組間腦電功率百分比對比采用非參數Mann-Whitney U秩和檢驗，組內腦電功率百分比對比采用配對樣本的非參數檢驗（Wilcoxon 符號秩檢驗），P<0.05時認為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 研究結果

2.1 閉眼安靜狀態(tài)時各腦區(qū)腦電功率百分比特征

對不同水平冰壺運動員閉眼安靜時各腦區(qū)各頻段腦電功率百分比進行Mann-Whitney U秩和檢驗，結果顯示高水平運動員左側大腦半球中央區(qū)（C3）、頂葉區(qū)（P3）、顳葉區(qū)（T3、T5）的α頻段功率百分比較一般水平運動員明顯增加，而左側大腦半球中央區(qū)（C3）、頂葉區(qū)（P3）和顳葉區(qū)（T3、T5）的θ和δ頻段功率百分比較一般水平運動員明顯降低（P<0.05）。高水平運動員右側大腦半球顳葉區(qū)（T6）的α頻段功率百分比明顯高于一般水平運動員（P<0.05），額葉區(qū)（Fp2）、顳葉區(qū)（T6）的θ頻段功率百分比和枕葉區(qū)（O2）、顳葉區(qū)（T6）的δ頻段功率百分比明顯低于一般水平冰壺運動員（P<0.05）。詳見表2。因此，在對比不同水平冰壺運動員表象投壺動作各腦區(qū)各頻段功率百分比差異時，需將腦電功率百分比作為協(xié)變量進行分析。兩水平運動員各腦區(qū)β頻段功率百分比無差異。

表2 不同水平冰壺運動員閉眼安靜時左右腦區(qū)各頻段腦電功率百分比比較（%）

2.2 表象狀態(tài)時各腦區(qū)各頻段腦電功率百分比特征

觀察不同水平冰壺運動員閉眼表象狀態(tài)下各腦區(qū)各頻段功率百分比發(fā)現，兩水平運動員左側大腦半球額葉區(qū)（Fp1）及雙側大腦半球顳葉區(qū)（F7、T4）均以δ頻段占比多，右側大腦半球額葉區(qū)（F4）、顳葉區(qū)（T6）及雙側大腦半球頂葉區(qū)（P3、P4）、枕葉區(qū)（O1、O2）均以α頻段占比多；二者在雙側大腦半球額葉區(qū)（Fp2、F3）、中央區(qū)（C3、C4）和顳葉區(qū)（T3、T5、F8）上的優(yōu)勢頻段具有差異，高水平運動員以α頻段為主，一般水平運動員以δ頻段為主。對不同水平冰壺運動員在進行投壺表象時各腦區(qū)各頻段腦電功率百分比進行Mann-Whitney U 秩和檢驗及協(xié)方差分析，結果顯示左側大腦半球各腦區(qū)未見顯著性差異，而右側大腦半球高水平冰壺運動員與一般水平運動員有明顯差異，表現為右側大腦半球額葉區(qū)（Fp2、F4）α頻段功率百分比高水平運動員顯著高于一般水平運動員（P<0.05），顳葉區(qū)（T4、T6）θ頻段功率百分比顯著低于一般水平冰壺運動員（P<0.05）。詳見表3～5。

表3 不同水平冰壺運動員表象時各腦區(qū)各頻段腦電功率百分比比較（%）

表4 高水平運動員表象狀態(tài)腦電功率百分比（n=8，%）

表5 一般水平運動員表象狀態(tài)腦電功率百分比（n=8，%）

2.3 閉眼安靜與表象狀態(tài)下各腦區(qū)α頻段功率百分比特征

對不同水平冰壺運動員不同狀態(tài)下各腦區(qū)α頻段功率百分比進行配對樣本的非參數檢驗（Wilcoxon 符號秩檢驗）發(fā)現，各運動水平冰壺運動員在進行投壺表象時，左右大腦半球各腦區(qū)的腦電α頻段功率百分比較閉眼安靜狀態(tài)均呈現下降趨勢，即在表象投壺過程中，腦電α波形所占比例下降。其中高水平冰壺運動員左側大腦半球顳葉區(qū)（T3），一般水平冰壺運動員右側大腦半球額葉區(qū)（Fp2）及雙側大腦半球顳葉區(qū)（T3、T4）的α 頻段功率百分比在表象時出現了顯著下降（P<0.05）。見表6和7。

表6 高水平運動員閉眼安靜與表象狀態(tài)下各腦區(qū)α頻段功率百分比比較（n=8，%）

表7 一般水平運動員閉眼安靜與表象狀態(tài)下各腦區(qū)α頻段功率百分比比較（n=8，%）

3 討論

3.1 不同水平冰壺運動員閉眼安靜時大腦狀態(tài)分析

腦電活動是偏態(tài)分布的非平穩(wěn)隨機信號，其節(jié)律隨著人體生理及精神狀態(tài)的變化而不斷變化。腦電的基本節(jié)律包括α、β、δ、θ四個主要頻段，其中α和β頻段又稱快波頻段，δ和θ頻段又稱慢波頻帶。α節(jié)律是頭皮腦電圖中最早發(fā)現的最主要節(jié)律，曾被認為與“放空”（idling）的精神狀態(tài)有關，但新近研究顯示α節(jié)律在工作記憶中主要抑制無關刺激干擾而發(fā)揮重要功能[9]。同時，隨著工作記憶項目數量增加，皮層α節(jié)律也隨之增大，從而保護工作記憶目標信息免受無關刺激的干擾[10，11]。本研究結果顯示，高水平冰壺運動員在閉眼安靜狀態(tài)下其左側大腦半球中央區(qū)（C3）、頂葉區(qū)（P3）和雙側大腦半球顳葉區(qū)（T3、T5、T6）α頻段功率百分比明顯高于一般水平冰壺運動員，可能高水平冰壺運動員與工作記憶容量存儲的關鍵腦區(qū)相關的頂葉在安靜狀態(tài)下α節(jié)律功率增大。

一般精神活動如情緒緊張、覺醒水平增高等均可使枕區(qū)α波抑制，β波活動及θ波活動增多，本研究慢波θ和δ頻段的結果顯示，高水平冰壺運動員閉眼安靜狀態(tài)下左側大腦半球中央區(qū)（C3）、頂葉區(qū)（P3）、顳葉區(qū)（T3、T5）的θ和δ頻段功率百分比，以及右側大腦半球額葉區(qū)（Fp2）、顳葉區(qū)（T6）的θ頻段和枕葉區(qū)（O2）、顳葉區(qū)（T6）的δ頻段功率百分比明顯低于一般水平冰壺運動員，推測一般水平運動員在開始表象投壺動作前即表現出情緒緊張等較活躍的心理活動。

3.2 不同水平冰壺運動員閉眼表象時大腦喚醒水平分析

運動表象是在運動感知覺的基礎上產生的、在頭腦中重現的動作形象或運動情境[12]。運動表象可以反映動作在一定時間、空間和力量等方面的特點，如動作速度、方向、位置和肌肉用力等特點。神經肌肉調控理論認為人們在想象動作時，運動中樞會興奮，表象的運動模式與實際動作執(zhí)行時的神經–肌肉運動模式相似。表象時應用知覺所用的某些認知過程，只不過沒有知覺的刺激輸入，運動表象、運動知覺和運動執(zhí)行功能是等價的。因而運動表象、運動知覺和運動執(zhí)行的神經過程相似，三者參與的腦區(qū)相同[13]。有研究對運動表象和真實運動的腦功能進行研究發(fā)現，除了初級感覺運動皮層以外，參與到運動表象和真實運動中的腦功能區(qū)域是相同的，在程度上并沒有區(qū)別[14]。故運動表象訓練可以強化運動的神經調控過程，使動作更加熟悉并最終達到自動化。

冰壺比賽局面與投壺技術水平關系密切，較高的投壺成功率是比賽獲勝的重要條件?！巴哆M”作為冰壺運動員投壺技術中的最基本的動作，是“粘貼”“擊打”“清空”等其他技術動作的基礎，其準確性代表了運動員投壺的穩(wěn)定程度。研究冰壺運動的投壺表象腦電特征對于強化運動表象訓練過程具有一定的應用價值，“投進”的動作表象可以作為反映運動員完整投壺過程的有效選擇。目前較少有研究報道冰壺運動表象時其腦電變化特征。已有的其他相關研究提示運動表象活動時兩側大腦半球額葉、頂葉、顳葉、枕葉等區(qū)域均有激活，且大腦右半球的激活更明顯[15]。本研究結果顯示，在冰壺投壺的閉眼表象活動中高水平運動員與一般水平運動員左側大腦半球各腦區(qū)的激活無顯著性差異，但右側大腦半球激活特點高水平冰壺運動員與一般水平運動員差異明顯，高水平冰壺運動員右側大腦半球額葉區(qū)（Fp2、F4）α頻段功率百分比顯著高于一般水平運動員，顳葉區(qū)（T4、T6）θ頻段功率百分比顯著低于一般水平冰壺運動員。提示高水平冰壺運動員投壺表象時α波比率高，說明投壺表象能力與α波相關，該結果與前人研究發(fā)現的表象能力好的被試α波比率高一致[16]。

腦波的不同頻段節(jié)律是由神經元網絡的物理結構及軸突傳導和突觸延遲所致的神經元通信速度差異引起的。節(jié)律周期受到參與神經元集群及神經環(huán)路大小的限制，一般來說，較高頻率的節(jié)律反映局部空間的信息，而低頻節(jié)律招募較大空間的神經元集群，反映不同腦區(qū)間協(xié)調機制。研究發(fā)現θ節(jié)律與一些特定行為有關，比如θ節(jié)律在運動時產生，且主動運動時的能量要大于被動運動能量[17]。本研究還發(fā)現在閉眼投壺表象時高水平運動員顳葉區(qū)θ頻段功率百分比較一般水平運動員低，提示高水平運動員可能由于運動自動化水平較高，其表象活動時局部腦區(qū)激活存在能量的節(jié)省化。此外，已有的研究還發(fā)現θ頻率和眼動頻率相同，即θ節(jié)律選擇性地與外界刺激的頻率相關[18]，同時θ節(jié)律在多個類型的學習和記憶過程起到關鍵作用，對于突觸可塑性的調節(jié)作用也至關重要[19]。鑒于此，后續(xù)本課題組擬將自由眼動、限制眼動和閉眼表象三種方式相結合進一步深入研究投壺表象的腦電特征。

在進行表象時，大腦神經元可能會出現興奮性升高與降低的不同趨勢，α頻段功率百分比的變化通?？勺鳛樵u價大腦神經元激活程度的指標。一般認為與安靜狀態(tài)相比，α頻段功率百分比降低程度越大，大腦神經元激活水平越高[20]。對于表象時α頻段功率百分比的變化，多數學者認為表象使大腦神經興奮性升高，進而導致α頻段功率百分比降低。本研究結果顯示高水平及一般水平冰壺運動員在表象投壺動作時，其α頻段功率百分比均較閉眼安靜狀態(tài)呈下降趨勢，提示兩水平冰壺運動員在進行投壺表象時大腦神經元激活水平均出現提高。此外，觀察同一水平運動員在安靜和表象時的α頻段功率百分比可見，高水平冰壺運動員在進行表象時，僅左中顳（T3）顯著降低（P<0.05），而一般水平冰壺運動員右前額（Fp2）及左右顳葉（T3、T4）均顯著降低（P<0.05），可能與一般水平冰壺運動員投壺動作自動化程度低，表象時精神活動高度緊張有關。

4 小結

本研究結果顯示，閉眼安靜狀態(tài)下高水平冰壺運動員左側大腦半球中央區(qū)（C3）、頂葉區(qū)（P3）和雙側大腦半球顳葉區(qū)（T3、T5、T6）α頻段功率百分比增大，左側大腦半球中央區(qū)（C3）、頂葉區(qū)（P3）、顳葉區(qū)（T3、T5）的θ和δ頻段功率百分比與右側大腦半球額葉區(qū)（Fp2）和顳葉區(qū)（T6）θ頻段功率百分比、枕葉區(qū)（O2）和顳葉區(qū)（T6）δ頻段功率百分比較低。閉眼表象投壺動作時，高水平與一般水平冰壺運動員各腦區(qū)α頻段功率百分比均呈下降趨勢，同時高水平冰壺運動員右側大腦半球激活明顯，額葉區(qū)（Fp2、F4）α頻段功率百分比較高，顳葉區(qū)（T4、T6）θ頻段功率百分比較低。