乒乓球運動員在經(jīng)驗相關(guān)罔形識別中的神經(jīng)效率：一項EEG研究

郭志平+李安民+陸青+顧楠

摘要：為了探討乒乓球運動員在經(jīng)驗相關(guān)圖形識別過程中的大腦皮層激活變化，以抽象的經(jīng)驗相關(guān)圖形為刺激材料，運用64導(dǎo)腦電測試系統(tǒng)記錄了14名乒乓球運動員和14名非運動員在簡單反應(yīng)和辨別反應(yīng)任務(wù)中的腦電數(shù)據(jù)，分析低頻α（8～10 Hz）和高頻α（10～12 Hz）事件相關(guān)去同步化/同步化（ERD/ERS）指標。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在簡單反應(yīng)任務(wù)中，運動員與非運動員的αERD/ERS無差異；在辨別反應(yīng)任務(wù)中，運動員額區(qū)（P=0.006）和中央?yún)^(qū)（P=0.004）的低頻αERD及額區(qū)（P=0.007）和中央?yún)^(qū)（P=0.026）的高頻αERD高于非運動員，頂區(qū)（P=0.014）和枕區(qū)（P=0.035）的高頻αERD低于非運動員。研究結(jié)果表明，運動員在經(jīng)驗相關(guān)圖形識別中的神經(jīng)效率受到任務(wù)要求和腦區(qū)的調(diào)節(jié)，其大腦皮層激活并非嚴格遵循“神經(jīng)效率”策略，而是具有專家大腦皮層加工的選擇性激活特性。

關(guān)鍵詞：乒乓球運動員；圖形識別；神經(jīng)效率

中圖分類號：G 804.8 文章編號：1009—783X（2017）01-0078-07 文獻標志碼：A

源自心理測量傳統(tǒng)的神經(jīng)效率假說認為，在認知功能測試中表現(xiàn)良好的個體具有更有效的大腦皮層功能。該假說最初用于解釋認知過程中的大腦功能組織情況，高神經(jīng)效率反映了更有效的大腦皮層功能，具體表現(xiàn)為在具有相同任務(wù)成績時消耗的大腦資源更少或者是在消耗相同大腦資源條件下具有更好的任務(wù)表現(xiàn)。神經(jīng)效率假說自提出以來，得到了眾多神經(jīng)影像研究的支持，在智力、詞匯、空間技能及工作記憶等認知任務(wù)中表現(xiàn)較好個體的額-頂葉激活水平更低；但是，也有少數(shù)研究不支持神經(jīng)效率假說，發(fā)現(xiàn)認知任務(wù)中表現(xiàn)好的個體具有更高的額-頂葉皮層激活。鑒于認知與目標動作之間在一定程度上有著共同的神經(jīng)生理機制，神經(jīng)效率假說被擴展到感覺運動加工中，用于解釋大腦皮層激活與任務(wù)成績之間的關(guān)系問題，運動專家的神經(jīng)效率表現(xiàn)在完成與其專業(yè)相關(guān)的任務(wù)時，比非專家具有更低幅度的大腦皮層激活。

近年來，不少研究者對運動員的神經(jīng)效率現(xiàn)象進行了探索。在研究方法上，大多運用專家-新手范式，采用腦電（EEG）技術(shù)，以EEG α節(jié)律（約8～13 Hz）的事件相關(guān)能量降低/升高（ERD/ERS）作為皮層激活變化指標，對運動員在安靜狀態(tài)、一般認知任務(wù)、運動表象、動作準備及簡單動作任務(wù)完成過程中的神經(jīng)效率進行研究。腦電的事件相關(guān)去同步化（ERD）是指與基線水平相比，譜能量的降低，而事件相關(guān)同步化（ERS）則描述了譜能量相對于基線水平的上升。從功能上看，αERD反映了皮層激活，低αERD表明較低的大腦皮層激活，而αERS則反映了皮層的抑制。采用腦電ERD/ERS對運動員神經(jīng)效率進行研究時，實驗對象既有閉鎖性運動項目（例如射擊、射箭、高爾夫等）運動員，也有開放性運動項目（例如空手道、擊劍、乒乓球等）的運動員。盡管大多數(shù)研究都發(fā)現(xiàn)了支持神經(jīng)效率假設(shè)的結(jié)果（運動員具有較低的αERD），也有少數(shù)研究得出了與之相反的結(jié)論（運動員的αERD更高）。例如，對射擊或射箭運動員在動作準備期間的研究表明，運動員比非運動員顯示出更低的αERD。體操運動員和空手道運動員在動作判斷過程中比非運動員具有更低的αERD。高水平空手道和擊劍運動員在簡單自主運動、站立任務(wù)及安靜睜眼狀態(tài)中比非運動員表現(xiàn)出更低的αERD。乒乓球運動員在乒乓球動作視頻識別中比新手具有更低的αERD；但是對健將級短距離場地自行車運動員的研究發(fā)現(xiàn)，在表象過程中有較高的ERS，而二級運動員則產(chǎn)生較高的ERD。此外，對高爾夫選手的研究表明，成功推桿比不成功推桿時額中央及運動皮層顯示出更高的αERD。

回顧已有研究發(fā)現(xiàn)，與認知領(lǐng)域的研究相似，關(guān)于運動員在各種任務(wù)完成過程中的神經(jīng)效率，研究結(jié)果不盡一致，而且以αERD/ERS為大腦皮層激活變化指標來探討開放性運動項目運動員在一般認知過程中的神經(jīng)效率的研究較少。此外，我們的研究團隊在以往研究中探討了乒乓球運動員對真實乒乓球動作視頻識別、模擬的3D乒乓球發(fā)球旋轉(zhuǎn)圖片判斷、抽象的乒乓球擊球點圖片辨別過程中的大腦功能特征，但是并未對運動員在抽象乒乓球擊球點圖片辨別中的神經(jīng)效率進行研究；因此，本研究運用EEG技術(shù)，以αERD/ERS作為評價神經(jīng)效率的指標，采用經(jīng)驗相關(guān)圖形為刺激材料，探討乒乓球運動員在經(jīng)驗相關(guān)圖形識別過程中的神經(jīng)效率。研究假設(shè)為：與非運動員相比，乒乓球運動員在經(jīng)驗相關(guān)圖形識別過程中顯示出更低的αERD。

1方法

1.1被試

28名男性右利手被試參加本實驗，其中運動員組是來自上海體育學(xué)院乒乓球訓(xùn)練專業(yè)的乒乓球運動員，共14名，運動等級為二級，平均年齡（19.64±1.50）歲，平均訓(xùn)練年限（11.00±2.50）年；其余14名為非運動員，是上海體育學(xué)院運動科學(xué)學(xué)院、經(jīng)濟管理學(xué)院和體育新聞傳播與外語學(xué)院的普通大學(xué)生，平均年齡（21.50±1.83）歲，沒有乒乓球訓(xùn)練經(jīng)歷。在實驗前，被試都熟悉了本研究的目的、實驗要求、方法及流程，自愿參加實驗并簽署知情同意書，實驗完成后給予一定的報酬。

1.2實驗設(shè)備

編制和播放實驗程序的E-Prime 2.0心理實驗編程軟件。德國Brain Products公司生產(chǎn)的64導(dǎo)事件相關(guān)電位測試系統(tǒng)，運行實驗程序、記錄和采集行為、腦電數(shù)據(jù)的2臺DELL計算機，分辨率為1024×768，刷新率為100 Hz。

1.3實驗材料

本研究依據(jù)“Type Token”模型和乒乓球項目特點設(shè)計了運動經(jīng)驗相關(guān)刺激材料——帶缺口的圓。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(yīng)45°（右上方），其余缺口的正中位置依次對應(yīng)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(jīng)驗相關(guān)的刺激物，可以用來啟動經(jīng)驗相關(guān)認知加工過程。

1.4實驗程序endprint

在某高校運動心理研究中心腦電實驗室完成實驗，實驗室舒適、隔音、光線柔和。實驗前被試洗好頭發(fā)并吹干，熟悉實驗室環(huán)境并填寫被試基本情況調(diào)查表，關(guān)閉通信設(shè)備。

實驗在只有主試和被試的獨立環(huán)境中進行。首先向被試介紹實驗要求：選舒服的坐姿坐好并在實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(wěn)定，U型托離顯示器95cm，雙眼與顯示器屏幕中心處于同一水平線上，實驗正式開始后，盡量保持頭部和身體不動。雙手舒服地放在小鍵盤的數(shù)字鍵上。告知被試屏幕上將呈現(xiàn)的實驗指導(dǎo)語及需要進行的按鍵操作。

實驗程序分為練習(xí)階段和正式測試階段。為了消除操作熟練性因素對實驗結(jié)果的影響，在正式開始實驗前，讓被試進行一定次數(shù)的練習(xí)，當(dāng)被試的按鍵反應(yīng)時趨于穩(wěn)定后進入正式實驗。實驗分為簡單反應(yīng)任務(wù)（SRT）和辨別反應(yīng)任務(wù)（DRT）2個部分。在SRT中，被試需要使用右手食指又快又準地對呈現(xiàn)出的所有刺激按“1”鍵進行反應(yīng)，刺激呈現(xiàn)72次，所有刺激均隨機呈現(xiàn)，實驗任務(wù)流程如圖1所示。實驗時間大約為3 min。在DRT中，被試需要又快又準地辨別所呈現(xiàn)的圖片中是否包含靶刺激，即缺口正中位置對應(yīng)135°（右下方）的圓，其他位置缺口的圓為非靶刺激，若包含靶刺激，則使用右手食指按“1”鍵進行反應(yīng)，不包含靶刺激則不作反應(yīng)。包含靶刺激的圖片和不包含靶刺激的圖片分別呈現(xiàn)72次，所有圖片均隨機呈現(xiàn)，實驗任務(wù)流程如圖2所示。實驗時間大約為7min。

1.5腦電記錄和預(yù)處理

使用德國Brain Product的事件相關(guān)電位記錄系統(tǒng)記錄腦電數(shù)據(jù)（帶寬0.01～100 Hz，采樣率500 Hz），采用國際標準10-20擴展系統(tǒng)64導(dǎo)電極帽。電極參考點在AFz和Fz電極之間，接地參考點在Pz和Oz之間。水平眼電（HEOG）和垂直眼電（VEOG）安放在右眼外側(cè)和左眼下方。電極阻抗在5 kΩ以下。

腦電數(shù)據(jù)的預(yù)處理采用腦電數(shù)據(jù)分析軟件Analyzer 2.O完成。預(yù)處理過程包括使用雙耳乳突的平均電位作為參考，去除眨眼偽跡，充分排除噪聲干擾和其他偽跡，濾波范圍為0.01～35 Hz，去除50 Hz市電干擾，波幅大于+100μV的視為偽跡自動去除。對去除偽跡后的腦電數(shù)據(jù)進行基線校正并分段，對靶刺激反應(yīng)正確的trial分成事件前期和事件期2段，事件前期為（-800 ms，0ms），事件期為（O ms，800 ms），將刺激呈現(xiàn)時間點標記為0 ms。分段后進行低頻a（8～10 Hz）和高頻α（10～12 Hz）2個頻段的濾波，并進行傅里葉轉(zhuǎn)換（FFT）。

1.6 ERD/ERS的計算

Pfurtscheller等的研究認為，ERD/ERS反映的是事件與事件前的能量密度變化百分比，計算公式如下：

公式中的event是指事件期的能量密度，pre是指事件前期的能量密度。本研究中采用上述公式計算低頻和高頻α ERD/ERS時，event的時間范圍為（0 ms，800 ms），pre的時間范圍為（-800 ms，0 ms）。計算出的結(jié)果為負值（即事件期能量密度小于事件前）代表ERD，能量下降；結(jié)果為正值（即事件期能量密度大于事件前）代表ERS，能量升高。

鑒于前人的研究和本研究目的，選取額區(qū)（F3、Fz、F4）、中央?yún)^(qū)（C3、Cz、C4）、頂區(qū)（P3、Pz、P4）和枕區(qū)（O1、Oz、O2）4個腦區(qū)，對各腦區(qū)中的電極點數(shù)據(jù)進行平均以計算相應(yīng)腦區(qū)的ERD/ERS。

1.7數(shù)據(jù)的處理與分析

行為數(shù)據(jù)（反應(yīng)時和反應(yīng)正確率）由E-prime 2.0軟件記錄并進行初步的篩選和處理，而后采用SPSS16.0剔除超過3個標準差的數(shù)據(jù)，對納入數(shù)據(jù)進行獨立樣本t檢驗。

腦電數(shù)據(jù)的篩選和處理，剔除掉7名腦電偽跡較多的被試，最終納入統(tǒng)計分析的運動員組和非運動員組各14名。為了檢驗我們的假設(shè)，即在圖形識別過程中，運動員比非運動員具有更低的α ERD，采用重復(fù)測量方差分析方法對不同頻段（低頻α、高頻α）的ERD/ERS進行了分析。分析時，組間變量為組別（運動員、非運動員），組內(nèi)變量為腦區(qū)（額區(qū)、中央?yún)^(qū)、頂區(qū)和枕區(qū)），進行2（組別）×4（腦區(qū)）的重復(fù)測量方差分析。使用Mauchlcy球型檢驗評估數(shù)據(jù)的方差齊性，對不滿足球型檢驗的統(tǒng)計量采用Greenhouse-Geisser法進行自由度矯正，事后比較采用LSD法（P<0.05）。

2結(jié)果

2.1行為數(shù)據(jù)

運動員和非運動員在簡單反應(yīng)任務(wù)（SRT）和辨別反應(yīng)任務(wù)（DRT）中對靶刺激的反應(yīng)正確率、反應(yīng)時均值及標準差見表1。可以看出，在SRT中，運動員和非運動員的反應(yīng)正確率及反應(yīng)時基本相等，獨立樣本t檢驗結(jié)果表明，二者差異不顯著（P>0.7）。在DRT中，運動員和非運動員的反應(yīng)正確率差異不顯著（P>0.6）；此外，盡管運動員在反應(yīng)時上要比普通大學(xué)生快53 ms，但差異并未達到統(tǒng)計顯著水平（P>0.2）。

2.2腦電數(shù)據(jù)

2.2.1運動員與非運動員不同腦區(qū)的α譜能量

運動員與非運動在簡單反應(yīng)任務(wù)和辨別反應(yīng)任務(wù)中不同腦區(qū)電極位置（F3，F(xiàn)z，F(xiàn)4，C3，Cz，C4，P3，Pz，P4，O1，Oz，O2）的α頻段及其鄰近頻段的能量譜密度如圖3和圖4所示。

比較圖3和圖4中可以發(fā)現(xiàn)：運動員與非運動員在簡單反應(yīng)任務(wù)中的α頻段能量譜密度差異沒有二者在辨別反應(yīng)任務(wù)中的差異明顯。運動員在辨別反應(yīng)任務(wù)中的額區(qū)和中央?yún)^(qū)α頻段能量譜密度比非運動員低（即更高幅度的α ERD），而頂區(qū)和枕區(qū)的α頻段能量譜密度比非運動員高（即更低幅度的α ERD）。αERD顯著高于非運動員，而頂區(qū)（P=0.014：）和枕區(qū)（P=0.035）的高頻αERD低于非運動員，如圖6所示。

3討論

本研究采用腦電αERD/ERS指標，以經(jīng)驗相關(guān)圖形為刺激材料，檢驗了乒乓球運動員在簡單反應(yīng)和辨別反應(yīng)任務(wù)中的神經(jīng)效率。結(jié)果表明：在簡單反應(yīng)任務(wù)中，運動員與非運動員在行為和腦電指標上均無差異；在辨別反應(yīng)任務(wù)中，運動員與非運動員在行為指標上沒有差異，但是在腦電指標上存在差異。運動員額區(qū)和中央?yún)^(qū)的低頻α（8～10 Hz）、高頻α（10～12Hz）ERD顯著高于非運動員，而頂區(qū)和枕區(qū)的高頻αERD低于非運動員，部分支持了前面的假設(shè)。運動員在經(jīng)驗相關(guān)圖形識別過程中頂-枕區(qū)激活更低的結(jié)果與有關(guān)乒乓球運動員在模擬及抽象的乒乓球圖形識別中的ERP研究結(jié)果相一致。endprint

運動員在經(jīng)驗相關(guān)圖形識別過程中頂區(qū)和枕區(qū)αERD顯著低于非運動員，該結(jié)果支持了前面的假設(shè)，即與非運動員相比，運動員在經(jīng)驗相關(guān)圖形識別過程中顯示出更低的αERD。頂-枕腦區(qū)主要負責(zé)感覺和視覺-空間信息的處理，頂-枕區(qū)能量在視覺刺激或其他類型事件的預(yù)期和編碼中下降；后頂葉皮層是背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)的一部分，通過視覺皮層α節(jié)律的調(diào)節(jié)起著自上而下的控制作用。αERD是對額葉和頂-枕葉功能狀態(tài)變化極為敏感的神經(jīng)電生理變量，高頻αERD與這些腦區(qū)的激活相聯(lián)系。源自動作執(zhí)行和觀察的α節(jié)律振蕩不同程度地受到個體經(jīng)驗的影響。對舞蹈者、體操運動員、乒乓球運動員的研究發(fā)現(xiàn)，在專項運動動作的識別判斷過程中，運動員頂葉、枕葉顯示出更低的高頻αERD。本研究中運動員頂區(qū)和枕區(qū)αERD顯著低于非運動員，表明在經(jīng)驗相關(guān)圖形識別過程中，運動員的大腦頂區(qū)和枕區(qū)激活低于非運動員。該結(jié)果可能源于乒乓球運動員長時間接觸乒乓球，將形狀（圓形）和方向（缺口方向）這2個水平的視覺一空間信息進行了簡化保存，形成了捆綁式的特殊表征，在圖形識別過程中，啟動了基于經(jīng)驗的自上而下的加工方式，通過對簡化保存信息的提取，能耗費相對較少的資源就完成相關(guān)任務(wù)，從而表現(xiàn)出頂-枕區(qū)相對較低的激活。相較于運動員，非運動員沒有相關(guān)經(jīng)驗，無法形成缺口圓相對簡單的捆綁式表征，對缺口圓的識別可能需要進行形狀和方向2個水平信息的處理，啟動的是自下而上的加工方式，進而耗費了相對較多的大腦資源，表現(xiàn)出頂-枕區(qū)的較高激活。

除了與預(yù)期相一致的結(jié)果，本研究還有一部分結(jié)果與假設(shè)不一致，即與非運動員相比，運動員額區(qū)和中央?yún)^(qū)的低頻α、高頻αERD更高，表明運動員在額區(qū)和中央?yún)^(qū)的激活更高。該結(jié)果與以往研究相一致。神經(jīng)生理和神經(jīng)影像研究表明，額葉在“計劃”中起著重要作用，“計劃”包括策略形成、大腦皮層激活的順序、各腦區(qū)的協(xié)調(diào)及信息的“在線”保持，額葉可以通過自上而下的方式調(diào)節(jié)各腦區(qū)以完成特定任務(wù)。中央?yún)^(qū)在動作計劃、控制和抑制加工過程中具有重要作用。對射擊運動員在射擊準備期間的研究表明，運動員額葉的更大激活可能源于控制類型的差異，運動員采取了自上而下的注意控制方式。運動相關(guān)區(qū)域，特別是中央運動區(qū)，在運動員進行運動表象或是僅僅是聽到、看到與運動相關(guān)的刺激時也會被激活。綜合額區(qū)與中央?yún)^(qū)的功能及相關(guān)研究結(jié)果，本研究中運動員額區(qū)和中央?yún)^(qū)的更高激活表明，在圖形識別過程中，運動員對運動相關(guān)刺激十分敏感，激活了運動系統(tǒng)，并且采取了與非運動員不同的加工策略，即運動員基于其長期運動訓(xùn)練經(jīng)驗進行自上而下的加工。

綜合分析本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，關(guān)于乒乓球運動員在經(jīng)驗相關(guān)圖形識別過程中是否比非運動員表現(xiàn)出更高的神經(jīng)效率問題，目前還無法得出確切的結(jié)論。在評估神經(jīng)效率時，不僅僅需要考慮大腦皮層整體激活情況，還需要考慮任務(wù)成績，只有在成績相等或更好而大腦皮層整體激活更低的情況下，或者是在大腦皮層整體激活相同而成績更好的情況下，才能認為具有更高的神經(jīng)效率。本研究結(jié)果顯示：乒乓球運動員與非運動員在行為指標上不存在差異，雖然在大腦皮層激活上二者存在差異；但是運動員顯示出在頂區(qū)和枕區(qū)激活更低，在額區(qū)和中央?yún)^(qū)激活更高的混合模式，因此，無法判斷運動員與非運動員在大腦皮層整體激活上的差異。這種部分腦區(qū)顯示出更高激活而另一些腦區(qū)顯示出更低激活的混合模式結(jié)果得到了以往研究的支持，即神經(jīng)效率只是表現(xiàn)在特定條件下，受到任務(wù)要求及腦區(qū)等變量的調(diào)節(jié)。運動員的大腦皮層激活情況靈活地依賴于外部要求和目標，并非是嚴格的“神經(jīng)效率”策略（即一貫的更低皮層激活），體現(xiàn)出專家大腦皮層加工的選擇性激活特性。

此外，本研究結(jié)果表明，無論是皮層激活更低還是更高，運動員與非運動員的差異只是出現(xiàn)在辨別反應(yīng)任務(wù)中，在簡單反應(yīng)任務(wù)中無差異。研究表明，神經(jīng)效率受到任務(wù)難度因素的調(diào)節(jié)，任務(wù)難度太低或太高都會影響神經(jīng)效率現(xiàn)象。本研究中皮層激活差異只出現(xiàn)在辨別反應(yīng)任務(wù)中的結(jié)果可能源于任務(wù)難度的不同。簡單反應(yīng)任務(wù)過于簡單，以至于無法區(qū)分出運動員與非運動員在大腦皮層激活上的差異。相對于簡單反應(yīng)任務(wù)，辨別反應(yīng)任務(wù)的難度增加，對個體在任務(wù)完成過程中的大腦資源利用要求提高，需要更加合理地分配大腦資源以對靶刺激和非靶刺激進行辨別并作出反應(yīng)，進而反映出運動員與非運動員在大腦皮層激活方面的差異。

4結(jié)論

在簡單反應(yīng)任務(wù)中，運動員與非運動員在行為和腦電指標上均無差異；在辨別反應(yīng)任務(wù)中，運動員與非運動員在行為指標上沒有差異，但是在腦電指標上存在差異，運動員顯示出大腦額區(qū)和中央?yún)^(qū)的更高激活，頂-枕區(qū)的更低激活。表明運動員在經(jīng)驗相關(guān)圖形識別過程中的神經(jīng)效率受到任務(wù)要求和腦區(qū)的調(diào)節(jié)，其大腦皮層激活情況并不是嚴格遵循著“神經(jīng)效率”的策略，而是具有專家大腦皮層加工的選擇性激活特性。endprint