球路預期自動加工的初步研究：來自ERPs的證據

摘 要：以有預期能力的專業羽毛球運動員為對象，采用啟動范式，以目標項誘發的事件相關電位中的P300為指標探討了球路預期的自動化假設。實驗先向被試者呈現一段羽毛球運動錄像（啟動項），被試者可從錄像中提取有效的線索預測球的落點；隨后屏幕中隨機出現白色正方形（目標項）或是白色三角形，要求被試者在看到目標項時盡快作出按鍵反應。結果發現，當目標項出現的位置與啟動項中可預期的羽毛球落點位置不一致時，被試者產生的P300顯著大于一致時，表明啟動項對目標項的識別存在啟動效應，結果提示球路預期過程可能屬于自動加工過程。

關 鍵 詞：運動心理學；球路預期；事件相關電位；羽毛球；自動加工

中圖分類號：G804.8 文獻標志碼：A 文章編號：1006-7116（2013）03-0103-05

球路預期能力是球類項目高水平運動員致勝的關鍵因素。自1978年Jones等[1]應用電影模擬的時間定格技術探討了網球運動員的球路預期能力以來，動作預期能力的特征研究引起了學者們的高度重視，研究項目幾乎涵蓋了所有的球類項目（足球、排球、籃球、乒乓球、網球、羽毛球、冰球、曲棍球、棒球、手球、臺球），同時還擴展到了其他的對抗性項目（如擊劍、體操、拳擊、柔道以及棋類項目等）。研究焦點也從最初的運動員是否存在動作預期優勢的表層問題[2-8]轉移到了更深層次的內容上，如提高預期能力的訓練模型研究[9-12]、這一預期優勢潛在的認知[13-14]和神經機制[15-19]等。

然而，關于這一類動作預期的加工性質，即動作預期過程是否是自動化進行的問題極少得到關注。真實運動情境下，運動員必須盡可能快速地從復雜情景中提取有效線索對球的落點作出較為準確的推理，并作好回擊前的準備。理論上，在這樣一種極短時間壓力下提取復雜動態情景中的動態信息，來完成結果推理的過程很難通過意識完成。相關的實證研究也為這一思辨的結論提供了間接的證據。如程勇民[20]研究發現，羽毛球運動員的選擇反應時為486.4（99.95） ms，而雙打比賽中球離拍后在場內飛行時間不超過413.33（50.74） ms。這一問題在直覺思維或是直覺決策研究中有所涉及[21-22]，但尚缺乏更有效的實驗數據的支持。

為此，本研究采用啟動范式和事件相關電位中的P300成分為指標，考察沒有外顯預期任務要求下，球路預期是否會自動產生。實驗首先呈現錄像片段（啟動項），錄像消失后會出現一個正方形（目標項）或是三角形（無關項），要求被試者見到正方形出現時盡快作出按鍵反應。正方形有時出現在與錄像為球落點提供的運動線索相近的位置（一致條件），有時出現在較遠的位置（不一致條件）。假設實驗沒有明確要求被試者對啟動項中球的落點作出預期判斷，但如果優秀運動員專業領域內的動作預期是自動進行的，那么錄像的觀看即能誘發運動員自動進行球落點的推理，并對后繼出現的目標項的識別產生啟動效應。表現在行為學上，如果目標項出現位置與啟動項中球落點位置一致時，反應時較短；而如果目標項出現位置與啟動項中球落點位置不一致時，反應時較長。表現在神經活動上，事件相關電位中的P300波幅反映了資源的分配，當被試者對任務付出更多的努力時，P300波幅也會增大[23]。結合本實驗，目標項出現位置與啟動項中球落點位置不一致時，被試者需要付出較二者位置一致時更大的認知資源才能檢測到目標項的出現，P300波幅也就較目標項與啟動項中球落點位置一致時要大。

1 研究對象與方法

1.1 被試者

18名專業羽毛球運動員（9名女性）參加了本實驗，平均年齡21.3歲。所有被試者均為右利手，視力正常或矯正后正常，無色盲以及精神病或者神經病史。全部被試者均簽署了實驗知情同意書。

在采集EEG數據前，被試者先完成有關個體運動經歷的問卷調查。入選被試者符合以下條件：為省隊、市隊或高校的現役羽毛球運動員，至少有5年的羽毛球訓練史，近5年來每周訓練3次以上，每次訓練時間超過2 h。

1.2 實驗材料

實驗材料分啟動項和目標項2類。啟動項為錄像片段。為了保證實驗具有較好的生態效度，實驗以世界高水平羽毛球單打競賽的錄像為原材料，從中截取比賽情景單一動作的錄像片段（wmv格式）。啟動項按其長度為分“信息貧乏”和“信息豐富”2類條件，信息貧乏條件下，錄像的定格時間為屏幕上方隊員的球拍擊球瞬間，球尚未飛出，錄像播放時間為480 ms。信息豐富條件下，錄像定格時間為屏幕上方隊員擊球以后，球已飛過球網，錄像播放時間為1 240 ms。2類條件各40個片段，隨機重復4次；總計320個錄像片段（啟動項）。在2個條件下，球在4個位置（左前，右前，左后，右后）的真實落點是平衡的。目標項為出現在羽毛球場背景中的正方形或是三角形。目標項按其出現的位置與啟動項中球落點位置的一致性分為一致和不一致2個水平。

1.3 實驗設計

2因素被試內設計。因素1是啟動項的信息量（貧乏和豐富），因素2是目標項出現位置與啟動項中球落點的一致性（一致和不一致）。因變量是被試目標項反應的反應時、正確率以及目標項誘發的事件相關電位的晚成分P300的波幅和潛伏期。

1.4 實驗程序

被試者坐在隔音室一張舒適的椅子上，兩眼注視屏幕中心，眼睛距離電腦屏幕95 cm，水平視角14.5°，垂直視角10.8°。電腦刷新頻率是50 Hz，分辨率1 024×768。實驗開始時首先在屏幕中央呈現白色“+”號，持續1 000 ms，接著隨機呈現2類錄像片段，要求被試者認真觀看視頻，視頻結束后間隔200 ms，在屏幕中隨機出現白色正方形或是白色三角形，呈現時間為50 ms，要求被試者在看到白色正方形（或者白色三角形）的時候盡可能又快又準地按“B”鍵，被試者對三角形和正方形的按鍵反應在被試者間平衡，被試者按鍵反應后，有1 000-1 500 ms的空屏作為隨機間隔。圖1為實驗流程圖。

被試者左右手按鍵在被試間平衡。實驗中有4次休息，休息時間由被試者自己控制。正式實驗之前被試者先進行16個片段的練習以熟悉實驗程序和了解實驗要求。

1.5 腦電記錄和ERP數據分析

實驗儀器為NeuroScan ERP工作站。記錄電極固定于32導電極帽。將A1電極置于左耳乳突為參考電極點，同時A2電極置于右耳乳突，形成單極導聯。垂直眼電（VEOG）置于左眼上下眼眶。DC采樣，頻帶寬度0.1～100 Hz，采樣率500 Hz，32-Bit采樣，在線陷波（50 Hz）。頭皮電阻小于5 kΩ。

離線分析時以置于右乳突的有效電極進行再參考，即從各導聯信號中減去1/2該參考電極所記錄的信號。分析時程為1 000 ms，刺激前200 ms到刺激后800 ms，基線為刺激前200 ms。分別對反應狀態下一致和不一致條件下目標項誘發的事件相關電位進行平均疊加。自動矯正眨眼偽跡，偽跡使腦電電壓超過100 μV的腦電事件在平均疊加前被剔除，20 Hz低通濾波。

2 結果與分析

實驗刪除反應時間在3個標準差以外以及準確率低于97%的數據，最終進入行為和腦電分析的被試者有16人。

2.1 行為結果

圖2和圖3為不同條件下被試者對目標項的反應時和反應準確率。對反應時和準確率進行兩因素重復測量方差分析，結果沒有發現任何的主效應或是交互作用。反應時信息量主效應不顯著（F（1，15）=2.902，P>0.1），一致性主效應不顯著（F（1，15）=0.052，P>0.1），兩者交互作用也不顯著（F（1，15）=0.768，P=0.395）。準確率信息量主效應不顯著（F（1，15）=1.000，P>0.1），一致性主效應不顯著（F（1，15）=1.000，P>0.1），兩者交互作用也不顯著（F（1，15）=1.000，P>0.1）。

2.2 ERP結果

圖4為目標項在Pz誘發的總平均波形圖。從圖4可見一清晰的P300，峰值潛伏期約為350 ms。結合經典P300成分的頭皮分布特點，我們選擇頂部的6個電極（P3、Pz、P4、CP3、CPz、CP4）對P300的峰值和潛伏期進行分析。采用Greenhouse-Geisser法矯正。

對P300在這6個電極點的平均潛伏期和波幅分別方差分析。結果發現，信息量和一致性的交互作用（F（1，15） =0.06，P>0.05，η2<0.01）以及信息量的主效應（F（1，15）=0.08，P>0.05，η2<0.01）不顯著。一致性主效應差異不顯著（F（1，15）=3.87，P>0.05，η2=0.21）。

對波幅值的統計檢驗發現，信息量和一致性的交互作用不顯著（F（1，15）=0.23，P>0.05，η2=0.02）。信息量的主效應非常顯著（F（1，15）=12.04，P<0.01，η2=0.45），信息量豐富的波幅（（18.88±3.18） μV）顯著大于信息量貧乏的波幅（（16.42±3.21） μV）；一致性的主效應顯著（F（1，15）=9.98，P<0.01，η2=0.40），不一致的波幅（（18.36±3.49） μV）顯著大于一致的波幅（（16.94±3.20） μV）。

3 討論

本研究采用啟動范式和事件相關電位中的P300為指標來驗證球路預期的自動化加工。行為學上沒有觀察到一致性效應，被試者一致和不一致條件下的反應時沒有顯著性差異，行為學數據似乎不支持球路預期自動化的假設。然而，對心理變化更為敏感的事件相關電位的數據似乎又支持球路預期自動化的假設，對目標項產生的P300的分析得到了顯著的一致性效應。目標項出現的位置與基于錄像線索預期的羽毛球落點位置不一致時，被試者產生的P300應顯著大于一致時。

P300的波幅反映了目標分辨過程中與注意和記憶有關的腦活動[24-25]，受注意和記憶二個因素的交互影響。如果任務所需的注意資源較少，則P300的波幅較小[26-27]；相反，記憶再認較好時P300波幅增強[28-29]。本實驗觀察到的P300波幅的一致性效應可用注意資源的分配來解釋。在本實驗范式下，啟動項的出現誘發了專業運動員對球路的自動預期或是推測，球的落點雖然沒有被真實地呈現，但被試者知覺到的球的空間位置已沿著球隱含運動方向向前偏移到了落點處；此時，如果目標項出現位置與球落點一致，被試者只需付出較少的注意資源就可以識別目標物并作出按鍵反應，因此產生較小的P300波幅。而如果目標項出現位置與球落點不一致，被試者需付出較多的注意資源才能識別目標物體并作出行為反應，因此產生較大的P300波幅。相反，如果啟動項沒有誘發專業運動員對球路的自動預期；那么，對于目標項的識別來說，它僅是一個無關刺激，不影響被試者對目標項的識別。如此，鑒于本實驗中目標項的出現位置是隨機平衡的，所以被試者識別目標項的行為能力和神經活動不可能因為它的出現位置不同而出現差異。可以認為，本實驗觀察到的P300波幅的一致性效應提示著動作預期的自動產生。

此外，本實驗還觀察到了啟動項的信息量對目標項識別的影響，當啟動項包含豐富的預期信息時，目標項識別過程產生更大的P300波幅。P300的這種信息量效應可能與信息豐富條件下被試者可以更好地再認運動場景有關。Yarrow等[30]認為運動預期信息的提取與高度發展的領域特異性的記憶結構有關。長期的專業經歷使得運動員可能在長時記憶里貯存有大量比賽相關的場景，基于這些記憶，運動員能快速地對某一真實的場景進行識別和歸類，從而快速有效地對當前場景中的動作作出結果預期。本實驗在信息豐富條件下，錄像截停前球已完成約2/3的飛行軌跡，被試者可以利用的預期線索顯著多于信息貧乏條件下，能更好地將知覺到的場景信息和長時記憶中的信息進行匹配從而作出更準確的判斷，我們前期實驗也證明了這種可能，被試者在信息豐富條件下的預測準確率顯著高于信息貧乏條件下的[31]。

本研究采用啟動范式、以事件相關電位中的P300為指標驗證了“球路預期自動進行”的假設。行為學指標沒有發現顯著的啟動效應，但對心理變化更為敏感的腦電指標發現了顯著的啟動效應，當目標項出現的位置與啟動項中可預期的羽毛球落點位置不一致時，被試者產生的P300應顯著大于一致時，結果符合球路預期自動化的假設。

參考文獻：

[1] Jones C M，Miles T R. Use of advance cues in pre-dicting the flight of a lawn tennis ball[J]. Journal of Hu-man Movement Studies，1978，4：231-235.

[2] Abernethy B. Anticipation in squash： differences in advance cue utilization between expert and novice play-ers [J]. Journal of Sports Sciences，1990，8：17-34.

[3] Laurent E.，Ward P，Williams A M，et al. Expertise in basketball modifies perceptual discrimination ab-ilities，underlying cognitive processes，and visual be-haviours[J]. Visual Cognition，2006，13：247-271.

[4] Shim J，Carlton L G，Kwon Y H. Perception of ki-nematic characteristics of tennis strokes for anticipating stroke type and direction[J]. Research Quarterly for Ex-ercise and Sport，2006，77：326-339.

[5] Singer R N，Cauraugh J H，Chen D，et al. Visual search，anticipation，and reactive comparisons between highly skilled and beginning tennis players[J]. Journal of Applied Sport Psychology，1996，8：9-26.

[6] Ward P，Williams A M，Bennett S J. Visual search and biological motion perception in tennis[J]. Research Quarterly for Exercise and Sport，2002，73：107-112.

[7] Williams A M，Davids K. Visual search strategy，selective attention，and expertise in soccer[J]. Research Quarterly for Exercise and Sport，1998，69：111-128.

[8] Williams A M，Huys R，Ca?al-Bruland R，et al. The dynamical information underpinning anticipation skill[J]. Human Movement Science，2009，28：362–370.

[9] McMorris T，Hauxwell B. Improving anticipation of soccer goalkeepers using video observation[G]//Reilly T，Bangsbo J，Hughes M. Science and football III. London：E. F.N.Spon，1997：290-294.

[10] Williams A M，Burwitz L. Advance cue utilization in soccer[G]//Reilly T，Clarys J， Stibbe A. Science and football III . London：E. F.N.Spon，1993：239-244.

[11] Starkes J L，Lindley S. Can we hasten expertise by video simulations？[J]. Quest，1994，46：211-222.

[12] Raab M，Masters R S W，Maxwel l J P. Improving the how and what decisions of elite table tennis play-ers[J]. Human Movement Science，2005，24：326-334.

[13] Goulet C，Bard C，Fleury M. Expertise differences in preparing to return a tennis serve：a visual infor-mation processing approach[J]. Journal of Sport and Ex-ercise Psychology，1989，11：382-398.

[14] Shank M D，Haywood K M. Eye movements while viewing a baseball pitch[J]. Perceptual and Motory Skills，1987，64：1191-1197.

[15] Radlo S J，Janelle C M，Barba D A，et al. Per-ceptual decision making for baseball pitch recognition：using P300 latency and amplitude to index attentional processing[J]. Research Quarterly for Exercise and Sport，2001，72：22-31.

[16] Taliep M S，Gibson A，St C，et al. Event-related potentials，reaction time，and response selection of skilled and less-skilled cricket batsmen[J]. Perception，2008，37：96-105.

[17] Wright M J，Jackson R C. Brain regions concerned with perceptual skills in tennis：an fMRI study[J]. In-ternational Journal of Psychophysiology，2007，63：214-220.

[18] Wright M J，Bishop D T，Jackson R C，et al. Functional MRI reveals expert-novice differences during sport-related anticipation[J]. Neuro Report，2010，21：94-98.

[19] Jin H，Xu G，Zhang J X，et al. Event-related po-tential effects of superior action anticipation in profes-sional badminton players[J]. Neuroscience Letters，2011，492：139-144.

[20] 程勇民. 羽毛球男子雙打多球訓練規律的研究[J]. 中國體育科技，2006，42（1）：102-106.

[21] 王斌. 運動直覺研究述評[J]. 成都體育學院學報2002，28（6）：87-89.

[22] 王顯忠. 對籃球運動員直覺思維的研究[J]. 黑龍江科技信息，2011（24）：199.

[23] 事件相關電位基礎[M]. 范思陸，丁玉瓏，曲折，傅世敏，譯. 上海：華東師范大學出版社，2009.

[24] Kok A. Event-related-potential （ERP） reflections of mental resources： a review and synthesis[J]. Biological Psychology，1997，45：19-56.

[25] Kramer A F，Strayer D L. Assessing the develop-ment of automatic processing： an application of dual-task and event-related brain potential methodologies [J]. Biological Psychology，1988，26：231-267.

[26] Kutas M，McCarthy G，Donchin E. Augmenting mental chronometry： the P300 as a measure of stimulus evaluation time [J]. Science，1977，197：792-795.

[27] Duncan-Johnson C C，Donchin E. The P300 com-ponent of the event-related brain potential as an index of information processing[J]. Biological Psychology，1982，14：1-52.

[28] Mecklinger A，Kramer A F，Strayer D L，Event related potentials and EEG components in a semantic memory search task[J]. Psychophysiology，1992，29：104-119.

[29] Shucard J L，Tekok-Kilic A，Shiels K，et al. Stage and load effects on ERP topography during verbal and spatial working memory[J]. Brain Research，2009，1254：49-62.

[30] Yarrow K，Brown P，Krakauer J W. Inside the brain of an elite athlete： the neural processes that support high achievement in sports[J]. Nature Reviews Neuroscience，2009，10：585-596.

[31] Jin H，Xu G.，Zhang J X，et al. Athletic training in badminton players modulates the early C1 component of visual evoked potentials：a preliminary investiga-tion[J]. International Journal of Psychophysiology，2010，78：308-314.