運(yùn)動(dòng)疲勞的腦電指標(biāo)

關(guān)雅婧

運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練和比賽中需要承受高強(qiáng)度的心理負(fù)荷和身體負(fù)荷，因此，平衡好訓(xùn)練負(fù)荷刺激不足與訓(xùn)練過(guò)度是必要的一項(xiàng)任務(wù)。近年來(lái)，運(yùn)動(dòng)員中樞神經(jīng)機(jī)能測(cè)試從問(wèn)卷量表發(fā)展到電生理儀器，結(jié)果的客觀性有很大提升，其中腦電技術(shù)廣泛用于訓(xùn)練監(jiān)測(cè)和科學(xué)研究。

1運(yùn)動(dòng)疲勞的概念

疲勞是人體在大量體力或腦力活動(dòng)后出現(xiàn)的感覺(jué)，導(dǎo)致人們完成工作的能力下降。一般來(lái)說(shuō)，疲勞分為腦力疲勞、心理疲勞、體力疲勞以及病理疲勞等。第五屆國(guó)際運(yùn)動(dòng)生化會(huì)議對(duì)運(yùn)動(dòng)疲勞的定義是：機(jī)體不能將功能保持在某一特定水平，或者不能維持某一預(yù)定的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)運(yùn)動(dòng)疲勞發(fā)生時(shí)，運(yùn)動(dòng)者的心臟負(fù)荷會(huì)不斷加重，變得比平時(shí)更煩躁易怒，肌肉發(fā)生酸痛且靈活度降低，判斷、決策等競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中必需的認(rèn)知功能也會(huì)下降。所以運(yùn)動(dòng)疲勞屬于腦力、心理、體力兼而有之的綜合性身心疲勞。運(yùn)動(dòng)疲勞的產(chǎn)生機(jī)制有衰竭學(xué)說(shuō)、離子代謝紊亂學(xué)說(shuō)、堵塞學(xué)說(shuō)、保護(hù)性抑制學(xué)說(shuō)和氧自由基-脂質(zhì)過(guò)氧化學(xué)說(shuō)的解釋?zhuān)\(yùn)動(dòng)疲勞會(huì)引發(fā)人體內(nèi)離子流的變化，使人體生物電信號(hào)發(fā)生改變（唐興亮，2020）。運(yùn)動(dòng)疲勞發(fā)生后事件相關(guān)電位潛伏期增加，暗示運(yùn)動(dòng)疲勞導(dǎo)致處理分類(lèi)刺激的速度減慢，認(rèn)知功能下降。

2腦電理論

腦電信號(hào)是一種生物電信號(hào)，由腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生，反映了人腦活動(dòng)狀態(tài)的變化。腦電信號(hào)包括自發(fā)腦電與誘發(fā)腦電兩種類(lèi)型，自發(fā)腦電是在無(wú)特殊刺激條件下大腦自發(fā)產(chǎn)生的穩(wěn)定電位變化，誘發(fā)腦電是指大腦對(duì)外界環(huán)境變化做出相應(yīng)刺激反應(yīng)的電位變化。自發(fā)腦電根據(jù)信號(hào)頻率一般分為四類(lèi)：δ波常出現(xiàn)于睡眠、深度麻醉等狀態(tài)下，清醒時(shí)不明顯;θ波是成年人在困倦疲勞狀態(tài)下可能較多，清醒時(shí)會(huì)大量減少;α波在人處于安靜、閉眼放松狀態(tài)時(shí)最明顯，當(dāng)大腦處于集中思考或接受其他刺激時(shí)信號(hào)消失;β波是一種快波，其信號(hào)強(qiáng)度一般代表大腦的興奮程度，是正常人清醒狀態(tài)下腦電信號(hào)中的主要成分（云明靜，2019）。

腦電信號(hào)的特征提取是信號(hào)處理的關(guān)鍵步驟，有時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析，以及近似熵、樣本熵、模糊熵等方法。腦電信號(hào)特征在復(fù)雜度、抗干擾性、表征能力上有各自的特點(diǎn)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)選擇，或者選擇多個(gè)特征優(yōu)劣互補(bǔ)（王永祥，2019）。

在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，最常見(jiàn)的還是腦電超慢漲落分析技術(shù)，采用大樣本、長(zhǎng)時(shí)程、寬頻帶的方法，從腦電信號(hào)中分離出一個(gè)隱藏在腦波漲落過(guò)程中的、具有大量信息的新層次。這個(gè)新層次的頻率特征在毫赫茲級(jí)范圍內(nèi)，屬于一種超慢振蕩（稱(chēng)為S系統(tǒng)），常規(guī)測(cè)試中可得256個(gè)頻率，每個(gè)頻率具有不同的生理意義（李稚，2016）。

3運(yùn)動(dòng)疲勞的腦電指標(biāo)相關(guān)研究

腦電圖診斷要點(diǎn)有α指數(shù)、能量比值、功率譜分布特征、大腦各個(gè)區(qū)域相對(duì)與絕對(duì)功率譜前后左右的對(duì)稱(chēng)情況。國(guó)內(nèi)外大量研究已證實(shí)，當(dāng)大腦由清醒進(jìn)入疲勞狀態(tài)時(shí)，前額葉皮層α波和θ波能量會(huì)上升，枕部α波會(huì)減少（張寧寧等，2013），而β波能量會(huì)下降，特別是α/β指數(shù)也會(huì)增加，腦血流減少約18-20%，同時(shí)腦電信號(hào)的復(fù)雜度也會(huì)逐漸降低（云明靜，2019）。針對(duì)運(yùn)動(dòng)疲勞的腦電指標(biāo)，目前有三種研究思路，分別是腦電波能量變化、腦電信號(hào)復(fù)雜度改變、事件相關(guān)電位指標(biāo)。

3.1腦電波能量

Highα/Highβ、Lowα/Highβ、α均值/β均值，這三個(gè)指標(biāo)預(yù)警運(yùn)動(dòng)疲勞為最佳。張俐等人（2020）采集腦電波的相對(duì)能量，發(fā)現(xiàn)5千米負(fù)重跑之后δ波相對(duì)能量、（δ+θ）/Lowγ、δ/Lowγ、δ/γ均值顯著增加，Lowγ和Middleγ相對(duì)能量、（α+β）/δ顯著降低。疲勞狀態(tài)時(shí)人腦活躍度降低，α波增多，β波減少，但當(dāng)疲勞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗郀顟B(tài)時(shí)，腦電的主要頻率會(huì)降至θ波，δ波是個(gè)體極度疲勞和昏睡狀態(tài)的波段，另外γ波與知覺(jué)處理有關(guān)，而疲勞會(huì)影響知覺(jué)水平?；钴S運(yùn)動(dòng)的學(xué)生在額中央和頂葉區(qū)域的Stroop實(shí)驗(yàn)中，θ活動(dòng)的相對(duì)功率顯著增加，α波激活狀態(tài)從枕葉遷移到左頂葉和中央前區(qū)域，功率的最大增加出現(xiàn)在頂葉區(qū)域，前后測(cè)的β峰頻率顯著降低（Fiona， 2012）。

除了固定運(yùn)動(dòng)量的疲勞研究，還有學(xué)者進(jìn)行階段性分析，運(yùn)動(dòng)疲勞后20分鐘，腦電功率值百分比與10分鐘相比，δ波變化不大，到30分鐘反而比安靜水平低，θ波在各個(gè)運(yùn)動(dòng)恢復(fù)階段均比安靜時(shí)低，α2指數(shù)在第10分鐘時(shí)比安靜時(shí)低，到第20分鐘有上升趨勢(shì)，之后繼續(xù)增加（鮑九枝等，2007）。針對(duì)射箭項(xiàng)目不同訓(xùn)練強(qiáng)度，比較α、β頻段這兩項(xiàng)常規(guī)腦電指標(biāo)，結(jié)果顯示，高負(fù)荷量低強(qiáng)度訓(xùn)練中頂枕區(qū)α頻段功率值呈顯著下降趨勢(shì)，意味著神經(jīng)細(xì)胞放電的強(qiáng)度降低，興奮性下降。低負(fù)荷量高強(qiáng)度訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)員額區(qū)β頻段功率值有明顯變化，反映神經(jīng)細(xì)胞快頻率放電的強(qiáng)度，快速放電的強(qiáng)度增加會(huì)導(dǎo)致能量消耗加大，中樞神經(jīng)雖然興奮性提高，卻更容易出現(xiàn)疲勞（李欣鑫， 2016）。這再一次說(shuō)明，運(yùn)動(dòng)疲勞可以分為身體疲勞和心理疲勞，身體疲勞更多體現(xiàn)在α波段能量的升高，心理疲勞是β波的變化。

心理疲勞時(shí)腦生物電變化特征還有腦電波出現(xiàn)15-18周波/秒的快節(jié)律和6-7周波/秒的慢活動(dòng)，顯示緊張并伴有焦慮現(xiàn)象;大腦神經(jīng)元代謝的速度下降，反應(yīng)遲鈍;α波抑制55.69%，能量比值降低，興奮度下降;情緒控制腦區(qū)出現(xiàn)慢頻段高功率，技術(shù)動(dòng)作不協(xié)調(diào)、注意力渙散（張振民等，2004）。

3.2腦電信號(hào)復(fù)雜度

腦電復(fù)雜度就是一個(gè)隨時(shí)間發(fā)展的數(shù)據(jù)序列隨著數(shù)據(jù)的增加，其出現(xiàn)新模式變化的速率。同時(shí)，也反映出大腦神經(jīng)元處理信息活動(dòng)的有序程度。A. Lempel和J. Ziv（1976）提出復(fù)雜度算法，王霆等（2010）的研究顯示，Lempel-Ziv復(fù)雜度可敏感地反映出射箭運(yùn)動(dòng)員是否處于中樞疲勞狀態(tài)。不論高負(fù)荷量低強(qiáng)度訓(xùn)練，還是低負(fù)荷量高強(qiáng)度階段，運(yùn)動(dòng)員腦電復(fù)雜度均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，都明顯低于低負(fù)荷量低強(qiáng)度訓(xùn)練。Lempel-Ziv復(fù)雜度是一個(gè)可以對(duì)訓(xùn)練負(fù)荷進(jìn)行評(píng)估的敏感性指標(biāo)。

近似熵、樣本熵及模糊熵算法也可以計(jì)算腦電信號(hào)復(fù)雜度，唐興亮（2020）通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析運(yùn)動(dòng)四個(gè)階段參與者前額部位的靜息態(tài)腦電，得出結(jié)論，在運(yùn)動(dòng)前、中、后初期、后末期這四個(gè)狀態(tài)下，近似熵有“降低、增加、增加”的變化趨勢(shì)。以往關(guān)于腦力疲勞的文獻(xiàn)顯示，當(dāng)疲勞發(fā)生時(shí)，近似熵有下降趨勢(shì)是產(chǎn)生腦力疲勞的重要標(biāo)志。在運(yùn)動(dòng)后初期靜息態(tài)近似熵上升是因?yàn)楸辉噺耐Ｖ惯\(yùn)動(dòng)到開(kāi)始靜息態(tài)腦電采集這段時(shí)間內(nèi)疲勞迅速減輕;末期參與者進(jìn)一步休息恢復(fù)使得近似熵值相對(duì)初期又有了較明顯的上升。

3.3事件相關(guān)電位指標(biāo)

關(guān)注運(yùn)動(dòng)疲勞中心理疲勞部分的研究更傾向使用事件相關(guān)電位，通過(guò)觀察大腦的喚醒水平，P300潛伏期延長(zhǎng)、振幅減弱，P300a和P300b比值來(lái)評(píng)估心理疲勞（Murata， 2005）。運(yùn)動(dòng)性心理疲勞具有一般心理疲勞的特點(diǎn)，也具有自身的特點(diǎn)，表現(xiàn)為身體和情緒上的精疲力竭、人格解體、成就感和運(yùn)動(dòng)貶值的改變。通過(guò)信號(hào)檢測(cè)作業(yè)分辨運(yùn)動(dòng)性心理疲勞，腦電N2波和LPC平均幅值方面，運(yùn)動(dòng)員和非運(yùn)動(dòng)員在沒(méi)有情緒色彩的刺激分類(lèi)過(guò)程中有區(qū)別。結(jié)果暗示了心理疲勞狀態(tài)很可能影響的不是普通的刺激分類(lèi)過(guò)程而是情緒刺激分類(lèi)的過(guò)程（孫錦繡，2010）。也就是說(shuō)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)疲勞產(chǎn)生時(shí)，運(yùn)動(dòng)員的情緒狀態(tài)不佳，負(fù)性情緒占主導(dǎo)地位，認(rèn)知功能受到影響。

然而，也有研究表明大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后工作記憶功能會(huì)改善，事件相關(guān)電位P2潛伏期縮短、波幅增加。運(yùn)動(dòng)后P2波幅增大表明注意資源的分配增加，投入了更多的注意力，運(yùn)動(dòng)后P2潛伏期縮短表明神經(jīng)傳導(dǎo)速度加快。因此運(yùn)動(dòng)至力竭后注意資源的分配增加，大腦應(yīng)對(duì)刺激時(shí)神經(jīng)傳導(dǎo)速度加快，認(rèn)知功能提高。經(jīng)過(guò)水療恢復(fù)后即刻，事件相關(guān)電位P2潛伏期延長(zhǎng)、波幅減小，認(rèn)知功能趨向于運(yùn)動(dòng)前水平（任緒艷，2020）。出現(xiàn)不同結(jié)果的原因可能是研究側(cè)重的腦電波成分不同、認(rèn)知功能具體范式也不一樣，未來(lái)需要有更多的研究深入到各類(lèi)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目和不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度上，全面考察認(rèn)知、情緒、特質(zhì)等個(gè)人心理因素的變化。

4總結(jié)與展望

運(yùn)動(dòng)疲勞研究仍缺乏足夠的理論支撐，往往停留在對(duì)現(xiàn)象的印證和描述上，因此從生物—心理—社會(huì)—行為習(xí)慣—醫(yī)學(xué)模式方面尋求指導(dǎo)，是今后研究的重要思路。同時(shí)還應(yīng)該進(jìn)一步從神經(jīng)生理機(jī)制上探索運(yùn)動(dòng)疲勞的原因，找到預(yù)警運(yùn)動(dòng)疲勞的檢測(cè)要點(diǎn)，為預(yù)防和對(duì)抗運(yùn)動(dòng)疲勞提供新路徑。解決這些問(wèn)題需要研究人員繼續(xù)從橫向和縱向拓寬內(nèi)容，積極發(fā)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目人員腦電指標(biāo)的區(qū)別，跟蹤運(yùn)動(dòng)疲勞的即時(shí)效應(yīng)和長(zhǎng)期影響，形成系統(tǒng)的判別方法和理論。

（作者單位：北京體育大學(xué)）