視覺預期和注意指向對姿勢和動作肌肉預期和補償姿勢調節的影響*

2017-02-01 02:28:16袁立偉王詩忠

心理學報 2017年7期

關鍵詞：動作

王健袁立偉張芷王詩忠

(1浙江大學心理與行為科學系,杭州 310028)(2浙江大學體育與科學技術研究所, 杭州 310028)(3浙江警察學院偵查系,杭州 310000)(4福建中醫藥大學,福州 350122)

1 引言

大腦具有適應不同身體活動的需要,依據預知或者感知的各種突發性內部或外部姿勢干擾(Postural perturbation),通過中樞神經系統(central nervous system,CNS)主導的前饋控制(feed-forward control,FFC)、反饋控制(feed-back control,FBC)和隨意運動控制(voluntary control,VC)機制,激活姿勢肌肉活動、發動動作肌肉活動以及協調姿勢肌肉與動作肌肉之間的活動,快速有效地應對各種突發姿勢干擾對身體姿勢的破壞和動作任務績效的影響(Massion,1994,1998;Morasso,Baratto,Capra,&Spada,1999)。其中,FFC和FBC分別是CNS“自上而下”和“自下而上”的無意識性運動控制過程,前者是指 CNS通過預先激活姿勢肌肉活動而產生的一種開環控制(Open chain control),發生于突發姿勢干擾之前,相應的中樞姿勢控制活動被稱為預期姿勢調節(anticipatory postural adjustments,APAs)。FBC則是CNS依據外周肌肉本體感受、位覺、聽覺等感覺傳入信息產生的一種閉環控制(Close chain control),發生于突發姿勢干擾之后,相應的姿勢控制活動被稱為補償姿勢調節(compensatory postural adjustments,CPAs);而 VC則是由大腦通過隨意運動控制指令驅動的運動控制過程(Eriksson&Thorstensson,2009)。

APAs和CPAs受突發姿勢干擾方向、干擾強度等物理因素以及心理預期(Visual Anticipation,VA)、注意指向(focus of attention,FOA)、任務目標等心理因素的影響,通常情況下心理預期和注意關注是影響APAs和CPAs最基本和最重要的心理因素(Shumway-Cook &Woollacott,2009)。視覺預期是姿勢控制心理預期效應研究的經典范式。Leinonen等采用此研究范式發現,睜眼條件下的突發身體加載時,被試背部豎脊肌和腰部多裂肌姿勢預期調節起始時間顯著縮短且強度減小,表現出明顯的前饋控制效應(Leinonen,Kankaanp??,H?nninen,Airaksinen,&Taimela,2002)。Santos等采用重物擺干擾研究了視覺預期對姿勢肌肉APAs和CPAs的影響,發現大部分姿勢肌肉在有預期條件下回出現預期姿勢激活,而無預期條件下則不產生預期姿勢激活,但有較大幅度的補償姿勢激活,提示視覺預期對突發干擾條件下APAs和CPAs的調節作用(Santos,Kanekar,&Aruin,2010 )。以上相關研究表明了視覺預期對姿勢調節中被試姿勢肌肉的重要影響,而對于姿勢調節系統中動作肌肉缺乏相關探索。因此本研究的第一個目標就是同步觀察外界姿勢干擾下,視覺預期對動作肌肉姿勢調節的影響。本研究的第一個假設為：人體受到外界干擾時,視覺預期對動作肌肉也會產生相應的姿勢調節,且此調節策略可能與姿勢肌肉存在差異。

傳統的姿勢控制理論認為,FFC和FBC通常情況下發生于突發姿勢干擾起始點T的?200ms～+200ms 之間,且不伴隨明晰的運動知覺與控制意圖,屬無意識運動控制,因而較少或者不受具有明確意識屬性的“注意指向”(focus of attention,FOA)的影響;而VC通常情況下發生于T點+200ms 之后,且運動的組織、發動和控制均需意識活動的參與,因此易受 FOA 的影響(張芷,王健,馮金升,2013)。然而,近年來有研究發現,FOA不僅可以明顯影響VC的績效,而且也可在一定程度上影響無意識運動控制活動FFC和FBC,從而對傳統的注意運動控制理論提出質疑。Olivier等以身體壓力中心移動速度考察注意對姿勢控制的影響,發現注意條件下身體壓力中心移動速度明顯加快(Olivier,Palluel,&Nougier,2008)。Uemura和 Yamada等以 APAs考察注意對姿勢肌肉FFC的影響,發現擔心跌倒的老年人由于消耗更多的注意資源用以動作控制,從而較不擔心跌倒的老年人具有更早發動的 APAs(Uemura et al.,2012)。McNevin和Wulf采用經典FOA研究范式,以身體晃動頻率考證內部和外部注意指向對姿勢控制的影響,發現內部FOA較外部FOA更容易造成身體晃動(McNevin &Wulf,2002)。而Cluff等人另一項研究探索了內、外FOA對直立姿勢控制的影響,發現兩者沒有顯著差異(Cluff,Gharib,&Balasubramainiam,2010)。以上研究結果的差異提示注意關注對姿勢調節的影響可能受多種因素的影響。此外,現有大多數研究的實驗都是在睜眼條件下進行的,并未考慮注意關注作用時視覺預期的影響。本研究的第二個假設為：同步控制心理預期和注意指向,外界干擾下的姿勢調節策略可能與以往研究存在差異。為此,本研究在以往研究的基礎上,采用經典的落球試驗研究范式(Ball hitting paradigm,BHP)和注意關注操作方法,同步考察視覺預期和注意指向對腰部多裂肌和肱二頭肌 APAs和 CPAs各項時間和強度參數的影響,深入探討視覺預期和注意指向影響姿勢控制的腦機制。

2 方法

2.1 實驗被試

本研究共征集 29名青年志愿者參與實驗,實驗中5人的sEMG信號采集無效,最終有效被試為24名(10名男性,14名女性)。被試基本信息如下：平均年齡 22.71±2.70 歲,平均身高 169.50±7.09cm,平均體重58.20±10.42 kg。被試入選標準為：身體健康,矯正視力良好,聽力正常,沒有運動相關神經肌肉系統疾病。本實驗進行前已征求所有被試的知情同意。

2.2 實驗設計

本研究實驗設計為2(視覺預期：有視覺預期、無視覺預期)×2(注意指向：注意維持托盤的穩定、注意維持身體重心的穩定)的被試內設計。對被試優勢側的肱二頭肌(BIC)和腰部多裂肌(LMF)進行sEMG信號采集。計算并分析不同條件下sEMG信號的APAs啟動時間、APAs強度和CPAs啟動時間和強度的差異,從而探索視覺預期和注意指向對動作肌肉和姿勢肌肉的影響。

實驗時,被試需在不同條件下執行落球試驗：要求其在站立姿勢下雙手持托盤,接住從托盤上方視線水平高度掉落下來的負荷,過程中要盡量維持上肢的空間位置和身體重心穩定。視覺預期條件分為睜眼和閉眼兩種：在睜眼條件下,被試可以看到重物從開始釋放到掉落在托盤的整體過程;在閉眼條件下,被試帶上耳罩和眼罩,無法看到或聽到主試釋放重物掉落過程。在以上睜眼、閉眼條件下,分別要求被試完成兩種不同的“注意關注”。一種是要求注意“托盤穩定”,另外一種是要求注意“保持身體重心穩定”。通過視頻記錄被試接沙袋過程中肘關節的角度和身體擾動度變化。不同注意指向的操作通過主試的指導語和評分量表來進行評估。

2.3 實驗程序

被試在實驗中需要保持軀干直立,兩腳自然分開一定距離。雙手握持一個約0.9 kg的金屬托盤(上直徑32cm、底直徑為21cm),要求被試左右手分別抓握托盤兩側的手柄,上臂垂直于地平面,兩個肘關節保持 90度。重物下落接觸到托盤的時間通過固定在底部的振動傳感器來記錄,該時間即反映人體軀干受到干擾產生振動的時間。傳感器的結構由蜂鳴片和觸點彈簧共同構成組成,經檢測能夠比較準確和及時地反映出肢體干擾引發的托盤振動情況。加載的負荷為1.5 kg的沙袋,開始時候被放置于與被試視線相平行位置,然后由主試來控制并釋放。主試與被試面對面的站立,雙手托舉沙袋,使其落于托盤中心位置。

本實驗共有4種試驗條件,分別為睜眼—注意維持托盤穩定,睜眼—注意維持身體重心穩定,閉眼—注意維持托盤穩定,閉眼—注意維持身體重心穩定,每種試驗條件重復3次。注意托盤穩定時,指導語為“在落球試驗中,注意保持托盤穩定”;注意身體重心穩定時,指導語為“在落球實驗中,注意保持將身體重心穩定”。其中一半被試先在睜眼條件下按順序完成注意托盤穩定和注意身體重心的試驗,另一半被試則先在閉眼條件下完成以上試驗。在正式試驗開始前主試從被試眼睛高度釋放沙袋兩次使被試熟悉沙袋重量。睜眼條件下兩次試驗之間間隔約15秒;閉眼條件下兩次試驗間隔在15～30秒之間,以防止被試對于釋放時間的猜測。每次試驗完成后,要求被試在數字1～7中進行選擇以便對“目標關注度”進行反饋,其中數字越小表示越將注意力集中于“維持托盤穩定”,數字越大表示越將注意力集中于“維系身體重心穩定”,數字4表示注意力在肘關節和身體重心之間平均分配。該步驟的目的是檢查被試對實驗指導語的完成度,確保被試按照實驗要求完成目標關注。

2.4 實驗設備和信號處理

實驗使用表面肌電(Surface electromyography,sEMG)設備進行信號采集。研究目標為優勢側的動作肌和姿勢肌。動作肌選取上肢肱二頭肌(BIC),姿勢肌選取軀干的多裂肌(LMF)。表面肌電的兩個差分探測電極放置于被檢肌肉的肌腹位置,兩電極中心點連線與肌纖維方向一致。每個電極直徑約為0.5cm,電極間距離為2cm,參考電極貼于探測電極旁側3cm處。放置電極之前用75%酒精棉球對相應部位的皮膚預先進行清潔擦拭,從而減小阻抗及噪聲干擾。表面肌電儀采用ME6000(Mega Electronics Ltd,Finland),信號采樣頻率為1000 Hz,輸入阻抗<10 G?,通帶濾波10～500 Hz,噪聲水平小于3.5 μV。

托盤底部安裝有振動傳感器以記錄刺激重物掉落托盤底部并引起身體姿勢改變的時間。傳感器采用蜂鳴片及觸點彈簧組成,靈敏度為0～105 dB,響應時間約1ms,能夠較準確及時地反映托盤的振動情況。

依據相關研究文獻(Santos et al.,2010 ),本研究設定的各項姿勢控制觀察變量及其操作定義如下：以托盤底部的振動傳感器產生振動信號(T)作為姿勢干擾的起始點,取 T前 500～350ms時段的sEMG振幅平均值作為參考基線,被檢肌肉開啟活動的時間為sEMG平均振幅開始大于參考基線3個標準差并持續15ms所對應的時間(ms)。被檢肌肉開始活動時間若出現在T的?200ms～+50ms之間,被定義為APAs;若出現在+50ms～+200ms之內則稱為CPAs。被檢肌肉在APAs階段從“開始活動”到T后+50ms內肌電振幅的平均值與參考基線的比值為 APAs強度;被檢肌肉在 CPAs階段從啟動時刻到T后200ms內肌電振幅的平均值與基線的比值為CPAs強度。

2.5 統計分析

所有數據的統計分析在SPSS 19.0上執行。采用相關樣本t檢驗分別對不同“目標關注度”執行情況進行顯著性檢驗。以視覺(有、無)和注意關注(托盤穩定、身體重心穩定)為被試內變量,對被試多裂肌和肱二頭肌的肌電信號指標(APA啟動時間、APAs強度、CPAs啟動時間和CPAs強度)采用重復測量的方差分析。不符合球形標準的方差分析自由度采用 Greenhouse-Geisser方法進行校正,選擇顯著性水平為

=0.05。

3 結果

3.1 注意指向對“目標關注度”的影響

不同注意指向條件下被試“目標關注度”見圖1。不同“目標關注度”的得分為：指向托盤穩定2.33±1.12分,指向身體重心穩定5.42±1.13分。統計結果表明,要求被試將注意力指向托盤穩定或指向身體重心穩定的“目標關注度”均與平均分配注意力 4有顯著差異(

<0.001),表明被試認為自己按照實驗要求完成對目標的主觀關注。

圖1 不同注意指向實驗效度研究結果(*表示p<0.05)

3.2 視覺預期和注意指向對姿勢肌肉和動作肌肉APAs啟動時間的影響

姿勢肌肉和動作肌肉APAs啟動時間的描述性統計信息詳見表1。

視覺預期對腰部多裂肌的APAs啟動時間主效應顯著(圖 2A,

(1,23)=9.68,

=0.005,η=0.30),表現為睜眼條件下的啟動時間明顯早于閉眼;注意指向對腰部裂肌的主效應不顯著,

(1,23)=0.15,

=0.699;視覺預期和注意指向對腰部多裂肌的 APAs啟動時間交互作用不顯著,

(1,23)=0.14,

=0.711。

表1 不同視覺預期和注意指向條件下腰部多裂肌和肱二頭肌APAs啟動時間(ms)

視覺預期對肱二頭肌的APAs啟動時間主效應顯著(圖 2B,

(1,23)=80.10,

<0.001,η=0.77),表現為睜眼條件下的啟動時間明顯早于閉眼;注意指向對肱二頭肌APAs啟動時間主效應顯著(

(1,23)=10.02,

=0.004,η=0.30),表現為關注托盤穩定的啟動時間顯著早于關注身體重心穩定;視覺預期和注意指向對肱二頭肌APAs啟動時間交互作用顯著,

(1,23)=5.64,

=0.026,η=0.20。簡單效應分析表明,注意關注托盤穩定條件下,睜眼 APAs啟動時間顯著早于閉眼,

(1,23)=18.60,

0.001,η=0.45。注意關注重心穩定條件下,睜眼APAs啟動時間也顯著早于閉眼(

(1,23)=92.74,

0.001,η=0.80),關注托盤時有無視覺的時間差值(128.55ms)大于關注托盤(68ms)(見圖3)。

圖2 視覺預期和注意指向對APAs啟動時間的影響(++、**表示p<0.01)

圖3 肱二頭肌視覺預期和注意指向的交互作用

3.3 視覺預期和注意指向對姿勢肌肉和動作肌肉APAs強度的影響

視覺預期和注意指向對姿勢肌肉和動作肌肉APAs強度的影響詳見表2。

表2 不同視覺預期和注意指向條件下的腰部多裂肌和肱二頭肌的APAs強度(倍)

視覺預期對腰部多裂肌APAs強度的主效應不顯著(圖3A),

(1,23)=0.53,

=0.475;注意指向對多裂肌APAs強度的主效應不顯著,

(1,23)=0.21,

=0.649。視覺預期和注意指向對腰部多裂肌APAs強度的交互作用不顯著,

(1,23)=0.13,

=0.727。視覺預期對肱二頭肌的APAs強度的主效應不顯著(圖3B),

(1,23)=0.50,

=487;注意指向對動作肌肉APAs強度的主效應不顯著,

(1,23)=1.86,

=0.186。視覺預期和注意指向對肱二頭肌APAs強度的交互作用不顯著,

(1,23)=9.27,

=0.005,η=0.30。簡單效應分析表明,在注意關注于托盤穩定時,有、無視覺預期的 APAs強度差異顯著,

(1,23)=91.80,

<0.001,η=0.80;在注意關注于重心穩定時,有、無視覺預期的 APAs強度差異顯著(

(1,23)=26.47,

<0.001,η=0.54),關注托盤穩定條件下睜、閉眼的差異(6.87)大于關注重心穩定的差異(4.72)(見圖4)。

圖4 視覺預期和注意指向對APAs強度的影響(**表示p<0.01)

3.4 視覺預期和注意指向對姿勢肌肉和動作肌肉CPAs時間的影響

視覺預期和注意指向對腰部多裂肌和肱二頭肌CPAs時間的影響描述信息見表3。

重復測量方差分析表明,注意指向對腰部多裂肌CPAs時間的主效應顯著(圖5A)(

(1,23)=26.43,

<0.001,η=0.54);其余均無顯著差異(LMF:視覺預期：

(1,23)=2.55,

=0.124;視覺預期×注意指向：

(1,23)=1.33,

=0.260),(BIC:視覺預期：

(1,23)=0.20,

=0.660,注意指向：

(1,23)=0.001,

=0.991;視覺×注意指向：

(1,23)=2.65,

=0.117)。

表3 不同視覺預期和注意指向條件下腰部多裂肌和肱二頭肌CPAs時間(ms)

3.5 視覺預期和注意指向對姿勢肌肉和動作肌肉CPAs強度的影響

視覺預期和注意指向對姿勢肌肉和動作肌肉CPAs強度的影響詳見表4。

表4 不同視覺預期和注意指向條件下腰部多裂肌和肱二頭肌CPAs強度(倍)

重復測量方差分析表明,視覺預期對肱二頭肌CPAs強度的主效應顯著(圖5B)(

(1,23)=10.85,

=0.003,η=0.32);其余均無顯著差異(LMF:視覺預期：

(1,23)=0.10,

=0.758;注意指向：

(1,23)=0.51,

=0.481;視覺預期×注意指向：

(1,23)=0.77,

=0.338),(BIC:注意指向：

(1,23)=3.27,

=0.084;視覺預期×注意指向：

(1,23)=0.04,

=0.839)。

圖5 視覺預期和注意指向對CPAs的影響(++,**表示p<0.01)

4 討論

視覺預期和注意指向是影響干擾條件下人體姿勢控制策略的關鍵因素。日常生活中,人體很多時候是同時接受這兩個因素的刺激,因此同步控制這兩個因素來探索人體相應肌肉活動可以為姿勢調節策略提供重要依據。本研究采用姿勢控制經典研究范式“落球試驗”以及注意指向的常規操作方法“外部指向與內部指向”,同步考察視覺預期和主觀注意指向對軀干姿勢肌肉 LMF和上肢動作肌肉BIC的APAs和CPAs的影響。研究發現,視覺預期能夠明顯提早多裂肌和肱二頭肌 APAs啟動時間,弱化肱二頭肌 APAs強度,增強肱二頭肌的 CPAs強度;注意指向影響多裂肌的 CPAs啟動時間和肱二頭肌 APAs啟動時間,表現為注意指向重心穩定時相對于關注托盤穩定APAs和CPAs啟動時間延遲;視覺預期和注意指向有顯著的交互作用,但交互作用僅存在于調節肱二頭肌的APAs啟動時間和強度。以上研究結果一方面驗證了視覺預期對肌肉姿勢調節策略的影響;另一方面也明確指出注意指向調節姿勢肌肉的 CPAs啟動時間和動作肌肉的APAs啟動時間,同時對動作肌肉APAs參數的調節作用和視覺預期具有交互。

姿勢控制是人體維持重心穩定、維護平衡和進行軀干空間定位的基本身體能力,是運動控制的基礎。視覺預期對姿勢調節中姿勢肌肉的影響已有很多研究,本研究的結果與多數研究是一致的：睜眼條件下,腰部多裂肌主要通過前饋姿勢控制來進行相關姿勢調節,表明視覺線索在姿勢控制中具有重要作用(Leinonen et al.,2002;Santos et al.,2010;張芷,王健,2014;謝琳,王健,張芷,袁立偉,王楚婕,2014)。本實驗同時觀察了肱二頭肌的sEMG表現,發現其視覺預期效應與姿勢肌肉具有一定差異。具體表現為視覺預期僅對腰部多裂肌APAs啟動時間有影響,對肱二頭肌APAs啟動時間和強度,CPAs強度均有影響。提示CNS對外界干擾下姿勢肌肉和動作肌肉的調節可能是由不同中樞指令來控制的。在各種姿勢干擾因素的作用下,機體一方面可以通過 CNS主導的無意識的前饋控制和反饋控制,快速而有效地應對各種突發姿勢干擾對身體重心穩定性和肢體空間定位的干擾和破壞。另一方面,還可以通過具有意識屬性的心理預期、注意指向、行為意圖等心理因素的作用,對姿勢控制過程進行優化,從而使得無意識和有意識的姿勢控制機制協同一致,實現對身體姿勢的最優控制。人體的運動控制系統包括姿勢控制和動作控制兩部分,兩個控制系統協調合作完成人體的日常運動并維持身體的穩定,CNS指令對姿勢和動作的控制過程構成了姿勢控制的“內部模型”(Kawato,1999)。本研究結果中,一方面觀察到視覺預期對姿勢肌肉腰部多裂肌 APAs啟動時間的提早作用,從而驗證了CNS對姿勢肌肉“預激活現象”的客觀存在;另一方面,進一步觀察到視覺預期對動作肌肉肱二頭肌的姿勢調節策略,即提早APAs啟動時間,增強APAs和CPAs強度。以上研究結果為姿勢控制的“內部模型”提供了重要的實驗證據。

注意指向在姿勢控制研究領域泛指認知與控制資源對特定任務目標的指向與集中,在本研究中特指對“重心穩定”和“托盤穩定”的注意關注。以往研究指出,不同注意指向策略對運動技能學習具有明顯不同影響,主要表現為外部注意指向有利于提高和改善動作控制和技能學習的績效,而內部注意指向則無此作用甚至有一定的負面干擾作用(Wulf,Lewthwaite &T?llner,2009;Newell,1985;Peh,Chow,&Davids,2011)。現有實驗設計多是在睜眼條件下進行,沒有考慮視覺預期可能對注意指向產生的影響。本研究同時控制視覺預期和注意指向因素,主要結果和以上觀點一致,即關注“托盤穩定”的姿勢調節效率好于關注“重心穩定”,但此作用對于肱二頭肌的 APAs調節具有交互影響,關注重心穩定時相對于關注托盤穩定,睜閉眼之間的差異減小。說明作為內部注意指向,關注重心穩定的負面干擾作用可能同時降低了神經中樞對視覺預期的關注,以致視覺有、無對人體姿勢調節影響的差異減小。此外,注意指向影響多裂肌 CPAs啟動時間和肱二頭肌APAs啟動時間。這一注意指向策略在不同功能性質的肌肉動員上表現出來的差異性,具有非常重要的意義。說明屬于意識活動范疇的“注意指向”不僅對受意識控制的動作肌肉有影響,同時也可以一定程度上影響無意識控制的姿勢肌肉。

姿勢控制系統是一個相對獨立的運動控制系統,該系統可以自動地接受來自視覺、聽覺、位覺和本體感覺等器官的感覺輸入信息以及大腦運動控制區的運動控制指令,然后根據 CNS業已形成的“身體圖式(scheme)”,發動姿勢肌肉和動作肌肉的活動,協同不同姿勢肌肉和動作肌肉之間的活動,維持身體重心穩定和肢體空間定位。姿勢控制系統具有自組織和自動控制的基本特點(Lestienne,Soechting,&Berthoz,1977),具有較強的魯棒性和適應性、易受隨意運動控制的干擾(Wing &Lederman,1998)。目前研究認為,姿勢控制的預期效應主要源自于大腦基于視覺輸入和任務目標的姿勢肌肉前饋控制作用(Shumway-Cook &Woollacott,2009),而外部注意指向優勢效應則主要是因為該注意指向弱化了意識活動對自動化姿勢控制的阻礙作用(Maki&McIlroy,1996)。本研究關于外部姿勢干擾條件下CNS對姿勢肌肉和動作肌肉APAs啟動時間和活動強度影響的研究結果,一方面同步控制視覺預期和注意指向兩因素,認為視覺預期和注意指向具有交互作用,且此交互作用僅針對于動作肌肉的前饋控制;另一方面,本研究中的目標肌肉包括了動作肌肉,發現姿勢肌肉和動作肌肉在外界干擾下的姿勢調節策略具有差異：姿勢肌肉僅從時間參數上進行調節,而動作肌肉則強度和時間參數都進行了調節。以上兩點發現對中樞神經肌肉姿勢控制研究進行的驗證和拓展;第三,屬于意識活動范圍的“注意指向”可以對無意識控制的姿勢肌肉產生一定程度的調節,該發現對于無意識和意識的相互關系領域研究提供了新的依據。

5 結論

(1)突發外部姿勢干擾條件下,大腦可以在?200ms～+200ms的無意識加工時限內完成對姿勢和動作肌肉活動的早期啟動,并依此實現其對后續反射性神經肌肉活動和身體姿勢的精準控制。

(2)突發外部姿勢干擾條件下,視覺預期通過姿勢肌肉的 APAs啟動時間和動作肌肉 APAs和CPAs時間和強度參數來進行相關姿勢調節。

(3)突發外部姿勢干擾條件下,注意指向影響姿勢肌肉反饋控制的啟動時間和動作肌肉前饋控制的啟動時間;在視覺預期同時存在時,對動作肌肉APAs的調節具有交互作用。

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