乒乓球運動員的大腦功能非對稱性及功能耦合性研究

郭志平，李安民，王積福

大腦半球特化是人類大腦組織的主要特征之一，左半球主要負責言語功能，右半球主要負責空間信息加工[1]，這種大腦組織特征是否會受到經驗的影響及其機制問題受到研究者的廣泛關注，運動員群體為了解經驗對大腦功能組織特性的影響提供了良好的契機。

在體育運動，特別是對抗性的運動項目中，運動員通常需要對瞬息萬變的運動情景進行快速處理，繼而迅速地做出恰當的反應，因此視覺空間信息的處理能力對運動員而言至關重要。早期的生理研究表明，經過長期的運動訓練，運動員右半球視覺-空間能力提高，他們的大腦功能非對稱性變得越發顯著[2]。隨著科學技術的進步和研究方法的革新，腦電技術被應用于運動員大腦功能特性的研究中，其中不少是以腦電特定頻段能量變化或相干性為指標的。通常，alpha頻段（8～13 Hz）能量的增加反映了皮層激活水平的降低[3]。在認知或注意任務中，alpha頻段能量的增加往往在任務無關皮層區域出現，與半球內抑制相聯系[4-6]，而左半球顳葉alpha頻段能量的上升可能表明左半球言語認知加工的抑制。theta頻段（4～7 Hz）反映了通過遠距離皮層交流進行的神經環路整合，以及自上而下的注意加工過程[7]。

對射擊、射箭以及高爾夫選手的研究表明，運動員在自主運動動作的準備期間，與大腦右半球相比，左半球（主要是顳葉區域）顯示出alpha頻段能量的上升[8-12]。與低水平運動員相比，高水平運動員在動作準備、動作識別和動作表象過程中顯示出更高的左半球alpha頻段能量[9，13-14]。但是，這種運動員左側大腦alpha頻段能量更高的結論與另一些研究結果相矛盾。如有研究發現，運動成績與雙側或主要是與右側alpha頻段的高能量相聯系[15-17]。此外，對運動動作的識別判斷以及手部自主運動的腦電研究表明，運動員比非運動員的alpha頻段事件相關去同步化幅值更低，即能量更高[18-19]。

除了比較alpha頻段的能量變化，研究者也運用腦電相干性分析方法對運動員的大腦功能組織特性進行探索。研究發現，與低水平選手相比，高水平選手在動作準備[20]、動作表象[13]和動作識別[21]時表現出左側大腦的低相干性，特別是左側顳葉（T3）和運動前區（FZ）之間。但是，并非所有研究都支持運動員左側大腦具有低相干性的結論。如C.DEL PERCIO等[22]采用腦電相干性分析方法對氣手槍選手的研究表明，在準備射擊期間，高水平選手的雙側頂顳葉、頂枕葉腦區低頻alpha、高頻alpha頻段的相干性高于非運動員。此外，C.BABILONI等[23]對高爾夫專家選手的相干分析發現，與失敗推桿相比，成功推桿時在雙側頂額葉以及頂中央腦區的半球內低頻alpha相干性更高。

總之，已有研究豐富了對運動經驗之于大腦功能特性影響的認識，然而回顧前人的研究發現，關于運動員在任務完成過程中特定腦電頻段能量變化或是腦電相干性高低，結論并不一致。此外，現有研究均是針對運動員在動作準備、動作識別或動作表象時的大腦功能特性，鮮有研究探討運動員在運動經驗相關以及經驗無關的一般認知過程中的大腦功能特性，正如M.W.VOSS等[24]有關運動與認知關系的元分析所指出的那樣，未來研究應該使用高水平的認知任務和不同的視覺注意測試。因此，本研究運用腦電技術，以經驗相關和經驗無關圖形作為刺激材料，對乒乓球運動員在圖形識別過程中的大腦功能非對稱性及耦合性進行研究，以探討下面2個問題：（1）運動經驗與腦功能非對稱性之間的關系；（2）乒乓球運動員在經驗相關和無關圖形識別過程中不同腦區之間的功能耦合，研究假設如下。（1）與非運動員相比，乒乓球運動員在經驗相關圖形識別過程中顯示出更高的右側顳葉激活，更少的左側顳葉激活；在經驗無關圖形識別過程中無差異。差異通過左右顳葉8～13 Hz alpha能量差值（T8減去T7 alpha能量）反映，差值為正則表示左側顳葉激活高于右側，差值為負責表示右側顳葉激活高于左側，這也作為運動員在經驗相關圖形識別過程中言語分析多少的反映指標。（2）與非運動員相比，乒乓球運動員在經驗相關圖形識別過程中顯示出更高的T8FZtheta（4～7 Hz）相干，更低的T7FZtheta相干；在經驗無關圖形識別過程中無差異。暗示乒乓球運動員更多地依賴于視覺-空間動作加工，而非言語分析加工，并且這種特性僅限于對運動經驗相關圖形的識別。

1 研究對象與方法

1.1 被試

共有28名男性右利手被試參加本試驗，其中來自上海體育學院乒乓球訓練專業的乒乓球運動員14名，運動等級為二級及以上，平均年齡為（19.64±1.50）歲，平均訓練年限為（11.00±2.50）年；其余14名為上海體育學院運動科學學院、經濟管理學院和體育新聞傳播與外語學院的普通大學生，平均年齡為（21.50±1.83）歲，均沒有乒乓球運動的訓練經歷。在試驗前，被試熟悉本研究的目的、試驗要求、方法及流程，自愿參加試驗并簽署知情同意書，試驗完成后給予一定的報酬。

1.2 試驗設備

用的E-Prime2.0心理試驗編程軟件編制和播放試驗程序。德國Brain Products公司生產的64導事件相關電位測試系統，以及用于運行試驗程序，記錄和采集行為、腦電數據的2臺DELL計算機，計算機的分辨率為1 024×768，刷新率為100 Hz。

1.3 試驗材料

“Type Token”模型[25]認為，對于熟悉的物體，個體會形成特殊的表征形式，包括“Type”和“Token”2種分離的表征水平。“Type”提供物體的原型信息，主要包括輪廓（outline）和三維（three-dimension）信息。“Token”儲存物體的朝向（orientation）和顏色（color）信息，并且可以與“Type”進行捆綁（bind）儲存。如果長時間接觸某物體，個體就能將“Type”和“Token”信息簡化保存，形成捆綁式的特殊表征形式。對于乒乓球運動員來說，迅速判斷出擊球點位置并立即做出恰當的反應是極其關鍵的。本研究依據“Type Token”模型和乒乓球項目特點設計了2類刺激材料。（1）運動經驗相關刺激材料——帶缺口的圓，圓形提供乒乓球的輪廓信息，而缺口朝向則提供擊球點方向的信息。圓的缺口角度為15°，缺口位置有4種，按順時針方向計算，第1個缺口的正中位置對應45°（右上方），其余缺口的正中位置依次對應135°、225°和315°。該刺激的輪廓與朝向組合對運動員來說是一種運動經驗相關的刺激物，可以用來啟動經驗相關認知加工過程[26]。（2）運動經驗無關刺激材料——帶缺口的十字星，該刺激材料雖然在朝向和輪廓捆綁方式上與經驗相關刺激物相同，但在輪廓上與乒乓球運動專項情境無關，以此破壞已建立好的“Type Token”捆綁模式，對乒乓球運動員來說是一種經驗無關的一般性刺激物。

1.4 試驗程序

在某高校運動心理研究中心腦電實驗室完成試驗，實驗室環境舒適、隔音，且光線柔和。試驗前，被試需要洗干凈頭發并吹干，熟悉實驗室的環境，填寫被試基本情況調查表，關閉手機及其他便攜式通訊設備。

試驗是在只有主試和被試的獨立環境中進行的。開始前，向被試介紹試驗要求：選舒服的坐姿坐好并在試驗過程中盡量使全身放松；將頭放在面前的U型托上以保持頭部穩定，U型托離顯示器95 cm，雙眼與顯示器屏幕的中心處在同一條水平線上，在正式開始試驗后，需要盡量保持頭部和身體穩定；將雙手舒服地擱置在小鍵盤的數字鍵上，并告知被試屏幕上將呈現的試驗指導語以及需要進行的簡單按鍵操作反應。

試驗程序設置了練習和正式測試2個階段。為了消除操作熟練性因素對試驗結果的影響，在正式開始試驗前，讓被試進行一定次數的練習，當被試的按鍵反應時趨于穩定后進入正式試驗。

試驗任務為選擇反應任務，刺激呈現時會出現包含輪廓類型相同，但缺口方向不同的4個圖形的圖片，靶刺激為缺口正中位置對應135°（右下方）的圓或十字星，靶刺激只會是4個圖形中的一個，不會同時出現2個、3個或4個靶刺激，其他位置缺口的圓或十字星為非靶刺激。在試驗中，被試需要又快又準地辨別所呈現出來的刺激中是否包含靶刺激，如果出現了包含圓靶刺激的圖片，便使用右手食指按“1”鍵進行反應，如果出現的是包含十字星靶刺激的圖片，則用右手中指按“3”鍵進行反應，非靶刺激不作反應。圓、十字星靶刺激，以及圓、十字星非靶刺激各呈現72次，共288次，呈現方式是隨機的，試驗時間大約為 15 min（見圖 1）。

圖1 試驗任務流程圖

1.5 腦電的記錄

使用德國Brain Product的事件相關電位記錄系統記錄腦電數據（帶寬0.01～100 Hz，采樣率500 Hz），采用國際標準10-20擴展系統64導電極帽。在AFz和Fz電極點之間安放電極參考點，在Pz和Oz之間安放接地參考點，在右眼外側和左眼下方分別安放水平眼電（HEOG）和垂直眼電（VEOG）電極點，電極阻抗保持在5 kΩ以下。

1.6 數據的處理與分析

試驗獲得的行為數據（反應時、反應正確率）采用E-prime 2.0軟件記錄并進行初步的篩選和處理，而后運用spss16.0剔除超過3個標準差的數據，再對不同組別被試的反應時、正確率進行重復測量方差分析。

腦電數據的處理采用的是腦電數據分析軟件Analyzer 2.0，使用雙耳乳突的平均電位作為參考，去除眨眼偽跡，排除噪音干擾以及其他偽跡，濾波范圍設置為0.01～35 Hz，去除50 Hz市電干擾，將波幅大于的當作偽跡自動去除。用于提取alpha頻段能量和計算theta頻段相干性的時間窗口為0～900 ms，刺激呈現時間點為0 ms。剔除7名腦電偽跡較多的被試，最終納入統計分析的運動員組和非運動員組各14名被試。

為了檢驗前面的假設（在經驗相關圖形識別過程中，與非運動員相比，乒乓球運動員顯示出更高的右側顳葉激活，更少的左側顳葉激活，T8-FZtheta相干性高，T7-FZtheta相干性低，但二者在經驗無關圖形識別過程中無上述差異），采用重復測量方差分析對alpha頻段能量、theta頻段相干性數據進行分析。在分析過程中，數據的方差齊性評估采用Mauchlcy球型檢驗，對于不滿足球型檢驗的統計量運用Greenhouse-Geisser法進行自由度的矯正。

在評估左右半球8～13 Hzalpha頻段能量差異時，以T8-T7 alpha能量差值為因變量，以組別（運動員、非運動員）為組間變量，刺激類型（圓、十字星）為組內變量，對alpha頻段能量的差異進行2（組別）×2（刺激類型）的重復測量方差分析。在評估左右半球的功能耦合情況時，以組別（運動員、非運動員）為組間變量，以腦區（T7-FZ、T8-FZ）為組內變量，分別對圓和十字星識別過程中的腦電相干性進行2（組別）×2（腦區）的重復測量方差分析。

2 結 果

2.1 行為數據結果

對正確率的方差分析結果顯示，組別和刺激類型的交互效應、組別的主效應均不顯著（P＞0.09），刺激類型的主效應顯著（P＜0.01），圓的正確率顯著高于十字星。對反應時的方差分析結果則表明，組別與刺激類型的交互效應顯著（F（1，26）=4.917，P=0.036，η2=0.159）。隨后進行的簡單效應分析發現，在對圓的反應中，運動員的反應時要顯著小于非運動員（P=0.039），此外，運動員對圓的反應顯著快于十字星（P=0.001）（見表1）。表明，運動員在經驗相關圖形識別過程中具有速度優勢，但是這種優勢并未遷移到經驗無關的圖形識別中。

表1 運動員與非運動員在圖形識別過程中的正確率和反應時（n=14）

2.2 腦電結果

2.2.1 運動員與非運動員在圖形識別過程中的alpha頻段能量對T8-T7alpha頻段的能量差異進行的方差分析結果表明，組別和刺激類型的交互效應顯著（F（1，26）=4.524，P=0.043，η2=0.148）（見圖2）。簡單效應分析發現，運動員在對圓（-0.12±0.65）進行反應時的左右側顳葉alpha頻段的能量差值顯著大于十字星（-0.91±0.98）（P=0.031），非運動員則無上述差異（-0.93±1.23圓，-0.68±1.39十字星，P＞0.05）；在對圓進行識別時，運動員（-0.12±0.65）的左右顳葉alpha頻段能量差值顯著大于非運動員（-0.93±1.23）（P=0.039），在對十字星的反應中，alpha頻段能量沒有顯示出組間差異（-0.91±0.98運動員，-0.68±1.39非運動員，P＞0.05）。此外，鑒于T8-T7的差值為負，表明運動員與非運動員在圖形識別過程中均為右側顳葉激活比左側高，在大腦半球的非對稱性程度上，運動員要低于非運動員。

圖2 運動員與非運動員左右顳葉alpha頻段能量差

2.2.2 運動員與非運動員在圖形識別過程中的腦電相干性 運動員與非運動員在圓形識別過程中腦電相干性重復測量方差分析顯示，組別與腦區的交互效應顯著（F（1，26）=11.247，P=0.002，η2=0.302）（見圖3）。簡單效應分析發現，運動員的右半球（0.23±0.19）相干性顯著高于左半球（0.04±0.06）（P＜0.000），非運動員左右半球相干性無差異（0.07±0.11右，0.10±0.10左，P＞0.05）；在右半球相干性上，運動員（0.23±0.19）顯著高于非運動員（0.07±0.11）（P=0.019），而左半球相干性無組間差異（0.04±0.06運動員，0.10±0.10非運動員，P＞0.05）。對十字星形識別過程中的腦電相干性不存在組間及半球差異（0.05±0.10運動員右，0.07±0.12非運動員右，0.10±0.22運動員左，0.12±0.25非運動員左，P＞0.05）。

圖3 運動員和非運動員左右顳葉與運動前區的theta頻段相干性

3 討 論

運動前區與運動區、顳葉與頂葉皮層之間有著廣泛的生理連接[27]，在心理運動任務以及動作技能學習中，這些連接可能反映了動作計劃和軀體感覺以及視覺運動整合[28-29]。大腦顳葉功能非對稱性以及顳葉與運動前區之間的信息交流可能與運動員的動作效率有關[13]。

alpha頻段（8～13 Hz）反映了與高水平運動員熟練認知-運動表現相聯系的皮層神經同步化機制，是了解專家大腦功能組織特征的窗口[9，19，22]。alpha頻段能量的增加被認為是皮層激活降低的指標[3]，反映了加工抑制、選擇性皮層信息加工或皮層空閑[30]，而alpha頻段能量的降低是皮層激活上升的反映，表示皮層信息加工。

在alpha頻段能量的變化上，與非運動員相比，假設運動員在經驗相關圖形識別中顯示出更高的右側顳葉激活，更少的左側顳葉激活；在經驗無關圖形的識別過程中無差異。研究結果與假設相反，運動員在對圓的反應中，左右顳葉alpha頻段能量差顯著大于非運動員，而且運動員在對圓進行反應時的左右顳葉alpha頻段能量差顯著大于十字星；在對十字星的識別過程中，無組間及半球差異，與假設一致。即與非運動員相比，運動員的皮層激活以及左右半球的非對稱程度均較低，而且這種差異只出現在經驗相關圖形識別中。該結果得到了相關研究[15-17]的支持，運動成績與雙側或主要是與右側alpha頻段的高能量相聯系。此外，對體操動作的識別研究表明，體操運動員的右側顳葉和枕葉區域高頻alpha頻段能量在體操動作識別中更高[18]，研究者認為，這種alpha頻段高能量（低激活）是專家大腦神經效率加工的體現，即在完成相同任務過程中，專家大腦的皮層激活可能具有空間集中特性[31]，只需耗費相對較少的皮層資源。乒乓球運動員通過常年的運動訓練，對乒乓球及其擊球點位置的判斷已經達到非常熟練的程度，可能形成捆綁式的表征方式，在面對相似情景（缺口圓的判斷）的時候，是基于感覺信息與長時記憶中的信息進行比較，并與記憶中的模式進行匹配，從而做出判斷。該過程的完成對于運動員而言幾乎是自動化的，速度快，而且耗費的皮層資源相對較少。因此，乒乓球運動員對圓的識別反應速度相對更快，皮層激活水平以及左右大腦半球的非對稱程度均較低，右側激活高于左側，而且這種差異只出現在經驗相關圖形識別中，可能源于運動員具有良好的視覺-空間注意技巧[12]。在經驗相關圖形識別過程中，只需相對較少的皮層資源，主要是右半球的視覺空間資源，支持了專家大腦的神經效率假說[32]。此外，較低的半球非對稱性可能反映了運動員具有更好的認知功能，具體表現在操作思維、認知和信息加工方面[33]。

腦電相干性被認為是對腦功能連接所必須的網絡構成和整合的測量[34]，低腦電相干性與腦血流量降低有關[35]，高相干性與信息交換[36]以及腦區之間的功能耦合、功能協調性[37-38]有關。在腦電相干性上，與非運動員相比，假設乒乓球運動員在經驗相關圖形識別過程中顯示出更高的T8FZtheta相干，更低的T7FZtheta相干；在經驗無關圖形的識別過程中，無上述差異。研究結果與假設一致，在對圓進行識別時，運動員的右半球相干性顯著高于左半球，非運動員左右半球相干性無差異；在右半球相干性上，運動員顯著高于非運動員，而左半球相干性無組間差異；對十字星進行識別時，腦電相干性不存在組間及半球差異。該結果得到有關射擊、高爾夫研究[22-23]的支持，研究者認為，運動員在任務完成過程中的高相干性反映了其良好的大腦功能耦合和更有效的大腦皮質功能。鑒于乒乓球運動員長時間接觸乒乓球，可能將形狀（圓形）和方向（缺口方向）這2個水平的信息進行了簡化保存，形成了捆綁式的特殊表征，結合theta頻段的功能含義，即它反映了通過遠距離皮層交流進行的神經環路整合以及自上而下的注意加工過程[4，7]。運動員在圓的識別過程中，右側顳葉與運動前區之間顯示出高相干性，可能表明了乒乓球運動員是依賴于已建立好的內部模式來調節信息的匹配和執行，相關腦區具有良好的功能耦合，各腦區能更加協同一致地活動，啟動了自上而下的加工，具有更加有效的大腦皮質功能。而非運動員顳葉與運動前區之間的低相干性可能源于他們對形狀方向信息沒有形成捆綁式的內部記憶表征，相關腦區的活動還不夠協調一致，需要更多地依賴環境中的信息線索，啟動了自下而上的加工，而不是啟動記憶來應對當前的任務。此外，運動員的高相干性只是顯示在右側腦區而非左側腦區、經驗相關而非經驗無關圖形識別過程中，結合大腦功能組織特征，即左半球主要負責言語功能而右半球主要負責空間信息加工[1]，左側顳葉主要與言語分析和語言功能相聯系，而右側顳葉與視覺-空間和整合加工相聯系[39]。此研究結果可能表明，在圖形識別過程中，乒乓球運動員比非運動員更多地依賴于視覺-空間動作加工，而非言語分析加工，并且上述特性并未遷移到經驗無關圖形的識別過程中。

總體上看，無論是行為還是腦電指標都表明，運動員的優勢反應僅限于對運動經驗相關圖形的識別，該結果與“狹窄遷移假說”（narrow transfer hypothesis）的觀點一致，即特定領域的專家在其專長領域內具有優異的認知加工能力，但在其專長領域外則不盡然[40]。

4 結 論

運動員的反應速度快于非運動員，運動員右側顳葉激活以及顳葉-運動前區之間的相干性顯著高于左側，與非運動員相比，運動員在圖形識別過程中顯示出較低的右側顳葉激活，較高的T8FZtheta相干，并且上述差異只出現在經驗相關圖形識別中。該結果可能表明，運動員的反應更快，他們擁有良好的視覺-空間注意技巧，在經驗相關圖形識別過程中更多地依賴于視覺-空間加工，而非言語分析加工，需要的皮層資源相對較少，具有信息加工的神經高效性，而且上述特性不具有遷移性。

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