預警時間對視覺反應的影響機制①
——來自ERP的證據

羅俊波

(廣州體育職業技術學院 廣東廣州 510650)

預警時間對視覺反應的影響機制①
——來自ERP的證據

羅俊波

(廣州體育職業技術學院 廣東廣州 510650)

該研究采用“開始-準備-目標探測”范式,利用事件相關電位技術初步探討了不同預警時間下目標刺激出現后的腦內時程動態變化。結果發現:首先,在目標刺激出現后的200ms左右,短ISI(400ms)和長ISI(1000ms)在大腦的頂枕部兩側均誘發了明顯的識別電位,并且長ISI(1000ms)下RP的潛伏期顯著的快于短ISI(400ms)下RP的潛伏期,可能反應了ISI為1000ms下對目標刺激的快速識別;隨后,300～500ms內,在頭皮的大部分區域,長ISI(1000ms)比短ISI(400ms)誘發了一個更正的P3成分,可能表明長ISI下被試需要付出更多的認知資源用于接下來的快速反應。

體育比賽 預警時間 反應時 事件相關電位(ERP)

反應時，是指刺激作用于有機體后到明顯反應開始所需要的時間。這包括了一系列的階段：刺激使感受器產生興奮，其沖動傳到感覺神經元，然后經感覺神經傳至大腦皮質的感覺中樞和運動中樞，經運動中樞直至效應器，最后效應器接受沖動開始效應活動[1]。反應時在體育競技比賽中也會經常的被用到。例如起跑的反應時就是指發令槍響到運動員手開始離地這段時間。

體育比賽事中，在‘各就位’和‘預備’口令之后，參賽者應馬上完成有關動作，任何參賽者不能在合理時間內完成有關動作，則屬起跑犯規。聽到槍響應立即起跑。如果運動員在沒有聽到槍響而做出起跑動作，則屬于搶跑。但如果運動員在聽到槍響而沒有做出起跑動作時，則屬于起跑反應滯后。一般水平的賽事中，可能起跑速度不是決定比賽勝負的關鍵，但涉及到高水平的體育競技中，反應速度有可能是決定勝負的一個關鍵要素。以北京奧運會為例：女子400米自由泳項目中英國的麗貝卡·阿德林頓以4分3秒22獲得金牌，美國的凱蒂·霍夫以4分3秒29獲得銀牌，金牌與銀牌相差僅0.07 s。男子100m蝶泳項目金牌與銀牌相差0.01 s，女子50m自由泳這個項目金牌與銀牌相差0.01 s。不難看出，如果運動員在起跑線上的反應速度慢下幾十毫秒甚至幾毫秒，直接決定了冠亞軍的角逐。

當然決定反應速度的因素可能有多個，首先是來自刺激物本身(刺激類型、強度、呈現方式等)的影響，其次是來自個體本身(個體差異、練習水平、定勢、準備狀態以及心理素質等)的影響，再者外界環境等一些因素也會產生影響。本研究將就機體的準備狀態(預警時間)對反應時的影響及其內在機制進行初步探討。具體而言，本研究欲在“各就位——預備——發槍令”這一體育活動的范式基礎上，在視覺通道上設置了“開始-準備-目標探測”實驗范式，采用事件相關電位(ERP)技術初步探討不同預警時間(準備到目標刺激的時間間隔)下目標刺激出現后的腦內時程動態變化。

ERP技術主要通過辨別大腦活動時激發的腦電波變化來判斷大腦結構和被激活區域，它能提供達到毫秒級的時間分辨率，能有效地評估某些認知活動的時間特點，其成分是多維度的，包括波幅、潛伏期、極性(P/N)和頭皮分布等，波幅反映的是大腦的興奮程度，潛伏期反映的是神經活動與加工過程的時間和速度，而極性指的是正波還是負波[2]。該實驗范式下，被試欲對目標刺激做出快速反應，就需首先對其進行識別。識別電位是ERP早成分中比較重要的一個成員，是當被試看到可識別視覺刺激(如詞或圖片)時，在約200～250ms內達到峰值的腦電反應[3-6]，它由美國紐約州立大學布魯克林醫學中心的Rudell教授于1991年首次描述。此外，與任務加工過程中資源分配有關的P3成分，我們預期在個體進行快速反應過程中也會被誘發。因此，通過對不同預警時間下出現的目標刺激所誘發的RP以及P3進行考察，可以為我們較好的了解預警時間對個體快速反應的影響機制提供較為直接的電生理證據，以期為體育比賽中有關反應速度的訓練在某種程度上提供參考。

圖2 兩個條件下目標刺激在P07和P08兩個電極點誘發的ERP總平均圖

1 研究方法

1.1 被試

隨機選取國內某大學學生17人(8男9女)，年齡20～24歲(平均22.3歲)。被試經問卷測試皆為右利手，無疾病，視力或者矯正視力正常，做完實驗后被試均獲取適量報酬。

1.2 實驗設計

單因素(2個水平)被試內設計，自變量為預備刺激到目標刺激出現中間的時間間隔(ISI：400ms和1000ms)。自變量水平的選取是根據先前的預實驗結果。在我們的預實驗中，我們選取了9個水平：400ms、600ms、800ms、1000ms、1200ms、1400ms、1600ms、1800ms和2000ms。結果表明，ISI在400～1000ms之間時，被試對目標刺激的探測速度會隨著ISI的逐步增大而加快，1000ms之后，隨著間隔時間增大，目標刺激的探測速度開始變慢。因此我們選取兩個比較有代表的ISI(400ms和1000ms)。因變量為被試正確按鍵的反應時以及目標刺激誘發的ERP成分。

1.3 程序與任務

實驗程序采用E-prime軟件編寫，顯示器為19英寸液晶顯示器。被試眼睛與顯示器齊平，距離屏幕57 cm。刺激流程如圖1所示，在黑色的背景中央首先呈現“+”(呈現100ms)，間隔1000ms出現“預備”(呈現100ms)，然后不同的ISI后出現目標刺激(呈現1000ms)。目標刺激為直徑視角為1°的白色小圓圈。被試的任務是在目標刺激出現后，立即做出按鍵反應。提前或目前消失之后的按鍵視為無效。實驗中，目標刺激總是出現在固定位置(中心點)。為了提高被試的投入度，我們設置了兩類刺激。具體而言，出現“”(目標刺激)按“1”鍵；出現“”則不需按鍵。整個實驗分3個block，每個block里有60次任務(其中每種ISI下出現20次“”10次“”)，各任務均隨機出現。正式實驗之前，被試有一定的練習時間。在確保被試明白實驗任務后才開始記錄。實驗時被試靜坐于實驗室內，兩眼注視屏幕中央，要求被試盡量少動，目標刺激呈現時盡量不眨眼，盡可能快而準地做出按鍵反應。

1.4 數據記錄和分析

使用德國Brain Products公司的ERP記錄與分析系統，按國際10-20系統擴展的64導電極帽記錄EEG，以雙耳乳突的連線作為參考電極，雙眼外側安置電極記錄水平眼電(HEOG)，左眼上下安置電極記錄垂直眼電(VEOG)。每個電極處的頭皮電阻保持在5 kΩ以下。濾波帶通為0.05～80 Hz，采樣頻率為500 Hz/導。完成連續記錄EEG后離線(off line)處理數據，自動校正VEOG和HEOG，并充分排除其他偽跡。根據本實驗的目的，主要分析目標刺激出現后所誘發的ERP，分析時程(epoch)為字謎出現后500ms，基線為刺激出現前100ms。按照被試的按鍵反應結果，分別對ISI為“400ms”下與“1000ms”下按對的EEG進行疊加。波幅大于±80(V者被視為偽跡自動剔除。根據實驗所得到的兩類反應任務的ERP總平均圖(圖2)。在100～300ms內，兩條件下在頭皮的頂枕部均誘發的明顯的RP成分。該成分別在左半球的PO7點和右半球的PO8點達到頂峰。采用峰值法對RP成分進行檢測。以P08為例，RP的峰值以及潛伏期在400ms和1000ms下分別為：-6.17 μV和199.53ms，-5.29 μV和191.18ms。根據已有研究，選取2個電極位置對RP成分進行二因素重復測量的方差分析，二個因素分別為條件類型“(400ms”和“1000ms”)和記錄點(PO7和PO8)。在300～500ms內，兩條件下的目標刺激在頭皮大部分區域均誘發了一個明顯的P3成分。采用平均振幅法對P3在300～500ms的時間窗口進行二因素重復測量的方差分析，二個因素分別為條件類型(“400ms”和“1000ms”)和記錄點(Fz，F1，F2，F3，F4，FCz，FC1，FC2，FC3，FC4，Cz，C1，C2，C3，C4，CPz，CP1，CP2，CP3，CP4，Pz，P1，P2，P3，P4，POz，PO3和PO4)。方差分析的P值采用Greenhouse Geisser法校正，腦電地形圖由64導數據得出。

2 結果與分析

2.1 行為數據

實驗采用的是簡單檢測任務，總體檢測發現反應錯誤率低于1％，因此，本研究不對錯誤率進行分析。個別被試由于失誤導致的按錯鍵已在數據提起中自動剔除。另外對于反應時小于100ms的數據也進行了刪除。行為記錄表明，被試在ISI為“400ms”和“1000ms”下對目標刺激的正確反應的速度分別為：503ms和468ms。統計結果表明，條件的主效應顯著，F(1，16)=15.658，p=0.001。

2.2 腦電數據

2(電極點：PO7和 PO8)×2(條件：400ms和1000ms)重復測量分析顯示，在RP的波幅上，條件的主效應顯著，F(1，16)=6.671，P＜0.05，表現為400ms下的波幅(-7.02V)顯著的高于1000ms下的波幅(-5.54 μV)。電極點的主效應以及電極點和條件的交互作用均不顯著。在RP的潛伏期上，條件的主效應顯著，F(1，16)=5.207，P＜0. 05，表現為1000ms下的潛伏期(198.41ms)顯著的快于400ms下潛伏期(191.24ms)。電極點的主效應以及電極點和條件的交互作用均不顯著。

28(電極點：Fz，F1，F2，F3，F4，FCz，FC1，FC2，FC3，FC4，Cz，C1，C2，C3，C4，CPz，CP1，CP2，CP3，CP4，Pz，P1，P2，P3，P4，POz，PO3和PO4)×2(條件：400ms和1000ms)重復測量分析顯示，在300～500ms內，條件類型的主效應均顯著，F(1，16)=12.179，P＜0.01，表現為1000ms下誘發的P3成分更正。另外，電極位置的主效應均顯著，F(27，432))=8.466，p＜0.001，但任務類型與電極位置的交互作用均不顯著。

3 討論

在很多體育競技項目中，運動員需要對特定的目標刺激做出快速反應。這些刺激有聽覺的、有視覺的。以聽覺為例，田徑運動員需要在聽到哨響后做出起跑動作。在視覺層面上，籃球運動員在爭搶籃板時，需對即將出現在特定區域的籃球做出快速的反應。這些項目中，如何能對即將出現的目標刺激做出快速反應，一直是人們比較關注的熱點。

該研究在“各就位——預備——發槍令”這一體育活動的范式基礎上，創設了“開始-準備-目標探測”實驗范式，采用事件相關電位(ERP)技術初步探討了預警時間對特定目標刺激的快速反應的影響。在一項預備性實驗中，結果發現ISI在400～1000ms之間時，被試對目標刺激的探測速度會隨著ISI的逐步增大而加快，1000ms之后，隨著間隔時間增大，目標刺激的探測速度開始變慢。據此，我們選取兩個比較具有代表性的ISI(400ms和1000ms)作為腦電實驗的兩個考察水平。行為結果驗證了ISI為1000ms時被試對特定目標的刺激反應速度(468ms)顯著的快于ISI為400ms下的反應速度(503ms)。由此可見，不同預警時間可以直接導致反應速度達到幾十毫秒的差異。那么是什么導致這種差異的呢？ERP以其有效地反應認知活動的時間特點為我們了解被試在不同ISI下對特定目標識別判斷做出反應這一過程提供了有效參考。

首先，兩條件下在目標刺激出現后約200ms均誘發了明顯的RP成分。如前所述，RP是被試看到可識別視覺刺激(如詞或圖片)時，在約200～250ms內達到峰值的腦電反應，反應的是對刺激物的識別。該研究下，1000ms下對目標刺激識別的RP的潛伏期顯著的快于400ms下潛伏期，這表明1000ms下被試能較早(提前約7ms)的對目標刺激進行識別。這提前幾毫秒的識別可能是導致快速做出反應(提早約35ms)的一個很重要的原因。而導致提前的識別原因可能是由于預警時間為1000ms下，被試對即將到來的目標刺激識別已經做好了充足的準備，是目標刺激識別的最佳期。換句話說，如果預警時間過短(例如400ms)，被試就沒有足夠的時間進行注意資源的“調集”，當目標刺激出現后，人類的大腦可能還需要繼續“調集”注意資源，因此延長了對目標刺激識別的時間。此外，400ms下的波幅顯著的高于1000ms下的波幅。波幅作為大腦興奮程度的一個反應指標，可能表明400ms下被試對目標刺激的識別需要付出更多的認知資源。400ms下的預警時間，被試由于還繼續“調集”注意資源應對即將到來的目標刺激。因此，當目標刺激出現之時被試需要花費更多的心理資源用于識別。對目標進行了識別并不等于就可以做出快速反應。這只是為快速反應提供了一個好的鋪墊。

隨后，在300～500ms內，兩條件下的目標刺激在頭皮大部分區域均誘發了一個明顯的P3成分。關于P3的認知功能有很多，其中它的一個比較典型的認知功能是認為它與選擇性注意和資源分配等認知活動有關，在一定程度上其波幅反映了對給定任務的心理資源投入量。該研究下1000ms下目標刺激誘發的P3成分更正，這可能表明該條件下被試付出了更多的認知資源用于接下來的按鍵反應。這可能也是導致被試在預警期為1000ms下對目標刺激能快速做出反應的一個最直接的原因。該條件下被試之所以能付出更多的認知資源應對接下來的按鍵反應也是源于前一階段較早的對目標刺激的識別。

4 結論

該研究在視覺通道上就預警期對反應時的影響機制進行了初步探討。結果表明，預警時間對目標刺激的反應時間是存在影響的。這種影響機制反映在ERP指標上首先是RP波幅和潛伏期上有差異，其次，與心理資源投入量有關的P3在波幅上也存在差異。這一結果，相信能為體育比賽中有關反應速度的訓練在一定程度上提供參考，例如，預警時間為1 s可能是個體在視覺層面上比較合適的準備期。今后有必要對聽覺以及其他通道展開研究。

[1]郭秀艷.實驗心理學[M].北京：人民教育出版社，2004：175.

[2]邱江.頓悟問題解決中原型激活的認知神經機制[D].西南大學，2007.

[3]Rudell A P.The Recognition Potential Contrasted with the P300[J].International Journal of Neuroscience，1991，60(1)：85-111.

[4]Rudell A P. Rapid Stream Stimulation and the Recognition Potential[J].Electroencephalography and Clinical Neurophysiology，1992，83(1)：77-82.

[5]Rudell A P， Hu B. Does a warning signal accelerate the processing of sensory information？ Evidence from recognition potential responses to high and low frequency words[J]. International Journal of Psychophysiology，2001，41(1)：31-42.

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G80-35

A

2095-2813(2014)12(b)-0009-03

羅俊波，男，中級，碩士研究生，研究方向：體育教學與訓練。