優秀氣手槍運動員負荷狀態下特定腦區腦電復雜度變化特征的研究

王霆，李建英

優秀氣手槍運動員負荷狀態下特定腦區腦電復雜度變化特征的研究

王霆，李建英

以24名氣手槍運動員無負荷安靜狀態與有負荷實彈射擊狀態之間特定腦區腦電復雜度參數為研究對象，將2種狀態下以及優劣成績環值下運動員頂、枕區大腦生理狀態出現的差異進行對比研究，探討優秀氣手槍運動員負荷狀態下作為軀體感覺中樞與視覺中樞的大腦頂、枕區機能變化特點。研究表明：（1）氣手槍運動員特定腦區腦電復雜度在不同狀態下并不存在性別差異，而長期的專項訓練使得高水平運動員大腦中樞神經已產生一定的適應性，對視覺的依賴性少于普通運動員；（2）不同運動等級運動員在射擊過程中的瞄準擊發階段與兩彈間歇階段頂枕區腦電復雜度變化趨勢是不同的，這有可能與運動員的訓練水平以及對外界刺激的抗干擾能力相關；（3）在實彈射擊環境下，氣手槍運動員高環值與遠彈之間特定腦區腦電復雜度存在顯著差異，這種差異的存在一方面是由于視覺信息加工參與產生的負向作用，另一方面也說明，運動員大腦頂區（手指在大腦皮層的投射區）的腦電復雜度在擊發階段顯著降低與射擊成績的好壞具有一定程度的關聯。

氣手槍運動員；特定腦區；腦電復雜度；負荷狀態

氣手槍運動是我國在奧運會上的優勢運動項目，其運動特點要求運動員做到人、槍、靶的一致與穩定。經過多年的發展，氣手槍運動規則也在不斷變化，2012年倫敦奧運會后，國際射聯開始在射擊比賽中施行新的比賽規則，資格賽成績不再帶入決賽，決賽中執行淘汰制。因此，資格賽中取得的優勢無法對決賽成績產生影響，而決賽中每一發子彈的成績都有可能使金牌的歸屬發生逆轉，這就要求運動員具有熟練的槍感、穩定持久的神經肌肉控制能力、高度集中的注意力和穩定性，簡而言之就是，要具有更強的決賽能力。可見，比賽過程中運動員所承受的壓力遠遠大于以往，運動員中樞神經系統將在相對較長的時間內處于高強度的刺激之中。

由于規則的變化，運動訓練手段與方法也隨之發生變化，氣手槍訓練中開始強調決賽能力的訓練，大幅度提升了決賽訓練在整個技戰術訓練中的比重。新規則下的氣手槍訓練和比賽活動要求運動員具有高度集中的注意力、更加靈敏而準確的本體感覺、神經對小肌群的肌肉做到精確支配。在如此高壓力情境下，運動員還要做到正常完成瞄準擊發動作不受內外環境刺激的干擾，這些能力都是基于運動員中樞神經系統機能的狀況以及大腦高級功能的水平。

目前，對射擊運動員大腦機能的研究主要以腦電圖、腦血流圖、核磁共振等測量為主，同時配合某些操作性心理測量手段以及問卷調查等綜合評價與監控手段[1-6]。多年來，國內外神經科學領域的突破性試驗及理論已經將人腦的混沌態系統作為基本概念引入到各個腦科學研究領域[7-11]。作為生物電信號的一個種類，腦電信號的非平穩性和隨機性是很明顯的，因此在對其研究前必須有效地去除其背景噪聲[12]。復雜度分析方法的特點是，計算量較小，對數據的序列長度沒有特殊要求，是一種理想的分析腦電數據時間序列的算法。腦電時間序列的復雜性研究能夠揭示腦電信號所包含的信息量的大小，在繁瑣的電信號數據中探究大腦中樞神經系統在思維、意識、認知、睡眠等狀態下的激活規律[13-19]。同時，這種分析方法目前也在基礎醫學、癲癇病診治以及大腦高級認知功能等研究領域大規模應用[24-25]，普遍認同的觀點是，腦電序列越復雜，這段腦電序列所攜帶的信息量就越大[26-28]，腦電信號序列的復雜度可以反映出在測試階段大腦神經元對外界信息處理的有序程度。在眾多復雜度算法中，Lempel-Ziv復雜度是一種常用的腦電非線性參數，它反映的是腦電信號的時間序列隨其數據長度的增長而出現新的組成模式的速率[29-30]。在以往對射箭運動員中樞疲勞的研究[31]中發現，射箭運動員的腦電最大李雅普諾夫指數、近似熵和Lempel-Ziv復雜度3個腦電非線性特征參數與其中樞神經疲勞程度之間具有一定相關關系，存在統計學意義，對于評估與診斷高水平射箭運動員中樞神經系統疲勞程度是一種有效的方法，3個參數也可作為評估其大腦功能的定性指標。而在對系統進行倒立訓練后的優秀射箭運動員中樞機能變化的研究中也發現，腦電復雜度有顯著改善[32]。

本研究的主要目的是以非線性動力學與混沌理論為基礎，對優秀氣手槍運動員腦電α波時間序列進行提取計算，得出不同階段Lempel-Ziv腦電復雜度參數，結合大腦功能分區理論對運動員大腦特定功能區（頂枕區）非負荷狀態與負荷狀態下腦電復雜度參數的變化特點進行分析，來探討氣手槍決賽訓練對大腦中樞機能主要是腦電活動的影響，以期為氣手槍運動員的科學選材、訓練監測與效果評估尋求試驗數據的支持以及參考依據。

1 研究對象與方法

1.1 被試

被試運動員主要由國家射擊集訓隊部分運動員與山西省射擊隊手槍班備戰全運會的一線隊員組成（見表1），測試期間無任何疾病與服藥記錄，所有被試運動員均為右利手。為了使試驗所受干擾程度最低，在試驗進行之前，對所有參與測試的氣手槍射擊運動員進行前期的血壓與心電等方面的醫學檢測。結果顯示，24名被試運動員身體狀況良好，均未發現有異常狀況出現。

表1 被試一般情況表Table1The athletes’general information

1.2 試驗儀器

本試驗所采用的腦電信號采集設備為國產NDC-2000腦電地形圖儀及其前置放大器（北京太陽電子科技有限公司），前置放大器的采樣頻率帶寬為0.02～50 Hz，測試設備數據采集頻率為128 Hz。腦電采樣使用鞍狀電極，安裝采用國際腦電圖學會標準安裝法，電極通過專用頭套分別固定在被試運動員大腦的左右額區、頂區、枕區、顳區8個位置，由于額區（F3、F4）、中顳區（T3、T4）、頂區（P3、P4）、枕區（O1、O2）基本涵蓋了全腦腦電信號的范圍，同時這8個位置的腦電波分布具有典型性，因此本試驗將對頂枕區4個特定位置的腦電信號進行數據采集與復雜度分析。

1.3 試驗實施過程

測試前24 h內未出現失眠、感冒等不適癥狀，沒有飲用酒類、茶、咖啡等刺激性飲料，測試前宣讀注意事項與測試指導書，并簽字。第1階段測試：將采集10 min閉目坐姿安靜狀態下腦電原始數據；第2階段測試：與教練員溝通后在6個訓練日內進行24次決賽訓練，每次測試其中1名運動員，并記錄成績，實彈測試環境為室內10 m訓練館。

1.4 數理統計法

通過對標記后各階段腦電數據進行拼接得出每名運動員不同狀態下的腦電原始數據，使用本項目課題組自行編制腦電非線性分析系統對原始數據進行Lempel-Ziv復雜度運算，得出每名運動員安靜狀態、全程射擊狀態、瞄準擊發階段、兩彈間歇階段、10.5環以上成績與9環以下成績等6個不同狀態下運動員大腦腦電復雜度參數（由教練員統一確定）。采用SPSS12.0軟件統計包對試驗結果進行統計與分析處理，數據格式以平均數±標準差（M±SD）表示，進行F檢驗。

2 試驗結果

2.1 2種狀態下頂枕區腦電復雜度參數的性別差異性比較

不論是安靜狀態還是決賽訓練的射擊狀態下，男女運動員大腦頂枕區P3、P4、O1、O2位置的腦電復雜度參數差異無統計學意義（P>0.05）（見表2）。

表2 不同性別氣手槍運動員2種狀態下頂枕區腦電復雜度參數Table2EEG complexity parameters about parietal-occipital region of different genders air pistol athletes at different state

2.2 不同訓練等級運動員腦電復雜度參數的測試狀態差異性比較

一級以上運動等級的運動員2種狀態下腦電復雜度參數差異無統計學意義（P>0.05），而二級運動員在全程射擊狀態下腦電復雜度參數明顯高于安靜狀態（P<0.05）（見表3）。

表3 不同訓練等級氣手槍運動員不同測試狀態下頂枕區腦電復雜度參數Table3 EEG complexity parameters about parietal-occipital regionof excellent air pistol athletes at different test status

2.3 不同訓練等級運動員腦電復雜度參數的技術階段差異性比較

一級以上運動等級運動員在訓練過程中2種技術階段左側頂枕區（P3、O1）腦電復雜度參數差異有統計學意義（P<0.05），而二級運動員差異無統計學意義（P>0.05）（見表4）。

表4 不同訓練等級運動員不同技術階段頂枕區腦電復雜度參數Table4 EEG complexity parameters about parietal-occipital regionof excellent air pistol athletes at different shooting stages

2.4 優劣成績環值腦電復雜度參數差異性比較

出現遠彈時，運動員頂枕區腦電復雜度參數均出現顯著上升（P<0.05）（見表5）。

表5 氣手槍運動員決賽訓練中不同環值腦電復雜度參數Table5 EEG complexity parameters about air pistol athletesbetween different score during final training

3 討論

國內外眾多對大腦認知功能的研究表明，在神經電生理層面的研究中，人腦具有混沌態系統的典型特征。近年來，國內腦電復雜度研究范圍也逐漸從理論算法向臨床應用方向轉變。目前，對病理腦電信號的非線性數據處理、認知狀態下腦電信號復雜度特征以及對腦發育階段腦電信號復雜度特征的研究呈逐年增多的趨勢，但非線性分析方法在運動員腦電特征的研究中還不多見，尤其是在射擊項目的研究中還未見報道。本研究中所運用的Lempel-Ziv復雜度算法在以往對射箭運動員中樞疲勞診斷及對運動員中樞機能改善效果評估方面的研究中都具有敏感性。

3.1 不同運動水平氣手槍運動員2種狀態下腦電復雜度變化規律

心理學理論對精細運動技能已有明確定論，即個體主要憑借手及手指等部位的小肌肉或小肌群的運動，在感知覺、注意等多方面心理活動配合下完成特定任務的能力[33]，而精細運動技能恰恰是氣手槍擊發動作技能的物質基礎。本研究結果顯示，長期進行專項訓練的氣手槍運動員不論是在安靜狀態下或是在特定實彈決賽訓練中，特定腦區（頂枕功能區）腦電復雜度并不存在性別差異，這也與多數此類研究一致，即運動員大腦中樞神經機能之間不存在性別差異。然而，不同運動訓練水平的運動員其安靜狀態與實彈決賽訓練之間腦電復雜度差異是不同的，一級和健將級運動員2種狀態頂枕區腦電復雜度之間不存在顯著差異，而二級運動員2種狀態下右側枕區的復雜度有顯著上升。KONDAKOR等[34]曾發現，大量神經元電活動興奮性增強表現為腦電信號獨立性增強，神經元放電頻率一致性降低，從而表現為相應EEG復雜度增強，這說明腦電復雜度的上升與腦電頻率構成成分的增加是有因果關系的。在本研究中，作為視覺中樞的枕葉出現激活變化，而且由于復雜度上升，表明腦電序列數據中的周期成分降低，α頻率成分增加，大腦信息處理趨于無序隨機狀態。這一現象提示，控制左側視覺的中樞神經過多地參與了實彈射擊過程，而在與專業射擊教練的訪談中也明確得到了教練員對右利手運動員左眼參與實射操作所持的否定態度。作為訓練水平較高的一級、健將級運動員，由于能夠在射擊過程中較少地依賴視覺參與，因此決賽訓練實彈射擊狀態下大腦頂枕區并沒有出現α頻率成分增加的現象，腦神經并沒有出現明顯的激活變化，說明此等級運動員已經適應專項訓練所帶來的對特定腦區中樞神經的刺激。

3.2 不同運動水平氣手槍運動員射擊過程中腦電復雜度變化規律

氣手槍比賽賽制分為資格賽與決賽，決賽中運動員所承受的比賽壓力與資格賽相比要更重，而且由于新規則的執行，資格賽成績對決賽成績并沒有任何影響，因此運動員在決賽中的比賽能力才是其能否取得獎牌的關鍵。氣手槍比賽規則規定，每發子彈射擊完成后裁判員要進行報靶，對成績的關注會對運動員認知過程造成影響。因此，本研究將運動員決賽訓練實彈射擊過程中瞄準擊發階段與兩彈間歇階段的腦電信號分別提取處理，對2部分腦電序列進行復雜度運算。試驗結果顯示，一級及健將級運動員2個階段左側頂枕區（P3、O1）腦電復雜度有顯著差異，兩彈間歇階段顯著高于瞄準擊發階段；二級運動員在實彈射擊的2個階段則沒有顯著差異。這個結果在某種程度上印證了KIM等[35]對8名韓國頂級射箭運動員射箭前準備階段腦功能的研究，其研究顯示，頂級射箭運動員在瞄準時枕葉腦回fMRI數據出現激活。本研究中，優秀氣手槍運動員經過訓練后技術動作已實現自動化，在瞄準擊發階段不需要頂枕區激活更多神經元參與瞄準擊發動作的信息處理；而在兩彈間隙這段時間，外界刺激明顯增多，除了對上一發彈環值的預期與結果是否相符進行評估外，運動員還要對下一發彈的擊發過程進行表象預演。所以，運動員腦電復雜度出現顯著增加。二級運動員的結果與優秀運動員不同，由于技術動作的準確性、穩定性和自動化水平不高，對外界或自身不相關的信息刺激反應過多，導致中樞神經無法在瞄準擊發階段出現低復雜度的有序狀態。因此，長期的專項訓練可使氣手槍運動員中樞神經網絡得到有效組織，同時過濾掉不相關的信息，而運動經驗及訓練水平較低的運動員則很難排除這些不相關的信息。

3.3 腦電復雜度變化對氣手槍決賽訓練成績的影響

氣手槍資格賽階段采用整數環值記分，決賽階段競爭更加激烈，采用的是小數點環值記分，運動員在決賽中往往因為很小的差距導致被淘汰，因此射擊決賽可以用失之毫厘，謬以千里來形容[36]。因此在日常的決賽訓練中，教練會要求運動員盡量避免遠彈的出現。何謂遠彈？遠彈與高環值之間的區別在哪里？目前的研究往往集中在技術方面，通過高速攝影與肌電圖測試，對運動員擊發動作進行分析。技術動作要由肌肉來執行，而肌肉則要由中樞神經來控制，本研究正是要探究這種毫厘之差在大腦中的區別。有研究[37]表明，射擊運動員在預射期，大腦枕葉α頻段功率譜有明顯反應，這反映出視覺信息加工很大程度參與了射擊操作，但這種參與對運動成績的提高是否有正向作用還不得而知。本研究中，在決賽訓練中射出10.5環以上成績運動員的頂、枕區腦電復雜度均顯著低于射出9環以下成績，這提示運動員在射出10.5環以上高成績時，動作自動化導致了中樞神經放電趨于有序，頂、枕區神經元放電周期與α頻率成分趨于一致。一方面，這表明視覺過多參與射擊過程的信息加工并不能夠提高射擊的精度，在一定程度上有可能會干擾動作自動化過程。另一方面，由于氣手槍運動員手指擊發動作的好壞決定了成績的高低，而手的各部分在大腦皮層都有相應固定的投射區[38]，手指進行精細運動時，大腦頂葉等多部位會活化，且活化程度與運動技能明顯相關。這也在另一個層面印證了國外研究者所觀察到的氣手槍運動員在實射狀態下整個大腦皮層在高環值的射擊過程中，高頻α事件相關同步化波幅比低環值波幅要大的現象[39]。

4 小結

本研究對24名優秀氣手槍運動員的測試發現，實彈射擊的高負荷強度訓練狀態下確實存在運動員腦電復雜度在特定腦區有顯著變化的現象。（1）氣手槍運動員特定腦區腦電復雜度在不同狀態下并不存在性別差異，而長期的專項訓練使得高水平運動員大腦中樞神經已產生一定的適應性，對視覺的依賴性少于普通運動員；（2）不同運動等級的運動員在射擊過程中的瞄準擊發階段與兩彈間歇階段頂枕區腦電復雜度變化趨勢是不同的，這有可能與運動員的訓練水平以及對外界刺激的抗干擾能力相關；（3）在實彈射擊環境下，氣手槍運動員高環值與遠彈之間特定腦區腦電復雜度存在顯著差異，這種差異的存在一方面是由于視覺信息加工參與產生的負向作用，另一方面也說明，運動員大腦頂區（手指在大腦皮層的投射區）的腦電復雜度在擊發階段顯著降低與射擊成績的好壞具有一定程度的關聯。

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Characteristics of the EEG Complexity in Particular Brain Areas of Excellent Air Pistol Athletes with Training Load

WANG Ting，LI Jianying
（School of PE，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

The EEG complexity in certain brain areas of 24 excellent air pistol athletes under two states，unloaded and static state vs.loaded and actual shoot?ing state，were collected and compared the difference in the physiological state of the brain at the top and cerebral occipital areas of the athletes in these two states and with high or low shooting scores.The purpose is to explore the change of functional characteristics of the parietal lobe and occipital lobe，the senso?ry and visual center of the body，of these athletes in loaded state.The results showed that there is no sex-related difference in EGG complexity in certain brain areas of the air pistol athletes；long-term training has led to the growth of a certain adaptability of the central nervous system of a high-level athlete，with less reliance on vision than ordinary athletes.Athletes with different levels showed different trends of variation of EGG complexity in the parietal lobe and the occip?ital lobe during the period of aiming and the intervals between two shoots，this may be attributable to the difference of athletes’training level and ability to re?sist external disturbance.There exists remarkable difference of EGG complexity in certain brain areas of air pistol athletes having hit a high value scoring ring or having missed the target.On the one hand，this difference is partly due to the negative role played by the participation of visual information processing；on the other one hand，it also shows that the noted decrease of the EGG complexity in the athlete’s parietal lobe（the projection area of fingers in the cerebral ar?ea）has some link to the scores.

air pistol athletes；particular brain areas；EEG complexity；training load

G 804.8

A

1005-0000（2014）05-389-05

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2014.05.004

2014-03-30；

2014-08-02；錄用日期：2014-08-03

國家體育總局奧運攻關項目（項目編號：2013A014）

王霆（1980-），男，山西晉中人，助理研究員，在讀博士研究生，研究方向為體育教育訓練學。作者單位：山西大學體育學院，山西太原030006。