六周虛擬現(xiàn)實運動對大學(xué)生認(rèn)知能力影響的事件相關(guān)電位測評

趙敬國，崔晴晴

（山東師范大學(xué)體育學(xué)院運動人體科學(xué)實驗室，濟南250014）

1 引 言

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)是采用電腦及其外圍設(shè)備模擬產(chǎn)生一種三維虛擬環(huán)境，可讓使用者產(chǎn)生身臨其境的感覺。VR技術(shù)作為20世紀(jì)末興起的一門綜合信息技術(shù)已在許多領(lǐng)域得以應(yīng)用［1］，深圳泰山體育科技股份有限公司基于該項技術(shù)研究開發(fā)了一套虛擬體感運動機－－愛動運動王，此類產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用大大促進了虛擬運動的開展。隨著約翰·瑞迪教授《運動改造大腦》一書的出版發(fā)行，人們認(rèn)識到運動可以健身更可以健腦［2］。虛擬現(xiàn)實運動作為一種新興的運動方式，與真實的現(xiàn)實運動既有共性又有特殊性。二者的身體運動都消耗一定的能量，或許消耗的能量有所差異；但二者的運動方式顯著不同，一個是真實的運動，一個則是虛擬的運動。真實的現(xiàn)實運動對人體健康的促進作用以及對認(rèn)知功能的影響，前人已做了大量的研究報道［3－9］，虛擬現(xiàn)實運動理應(yīng)也與真實現(xiàn)實運動那樣對認(rèn)知功能產(chǎn)生影響，但影響特點如何呢？事件相關(guān)電位（event－related potential，ERP）技術(shù)因其具有高時間分辨率以及無創(chuàng)、可重復(fù)且測試成本低廉的特點，近年來廣泛應(yīng)用于運動神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域尤其是運動與腦認(rèn)知功能的研究中。本研究采用縱向跟蹤隨機對照實驗設(shè)計，測量了大學(xué)生六周虛擬現(xiàn)實運動前后ERP P300指標(biāo)的變化，以評價虛擬現(xiàn)實運動方式對認(rèn)知功能的影響。

2 對象與方法

2.1 實驗對象

隨機招募山東師范大學(xué)長清湖校區(qū)在校女大學(xué)生志愿者，納入標(biāo)準(zhǔn)為：身體健康、精神狀況良好、愿意參與、PARQ＆you問卷測評能勝任相應(yīng)運動、ERP檢測信號清晰穩(wěn)定。篩選出合格受試者30名，將其隨機分至實驗組和對照組，受試者基本情況見表1。所有受試者均知情同意，并書面簽訂知情同意書。

2.2 實驗方法

采用縱向追蹤隨機對照研究設(shè)計，觀察6周虛擬現(xiàn)實運動前后實驗組和對照組認(rèn)知電位P300指標(biāo)的變化，自變量為六周虛擬現(xiàn)實運動，因變量為事件相關(guān)電位P300指標(biāo)，嚴(yán)格控制無關(guān)變量的影響。

表1 受試者人口統(tǒng)計學(xué)特征（±SD）Table 1 Demographic characteristics of subjects（±SD）

表1 受試者人口統(tǒng)計學(xué)特征（±SD）Table 1 Demographic characteristics of subjects（±SD）

注：組間比較，P＞0.05

組別 n 年齡（歲） 身高（cm） 體重 （kg ）對照組10 19.5±0.55164.0±5.73 54.8±6.32實驗組20 20.5±2.14161.9±3.61 57.6±4.12

2.2.1 六周虛擬現(xiàn)實運動的實施 實驗組采用深圳泰山在線科技有限公司提供的idong——愛動運動王Ⅱ設(shè)備，根據(jù)實驗室條件選擇了三種虛擬現(xiàn)實運動方式：射箭運動、伸展運動、平衡大挑戰(zhàn)運動。射箭運動、伸展運動每次進行兩輪，平衡運動進行到每次實驗結(jié)束，一次運動持續(xù)時間約為30 min，每周三次，訓(xùn)練周期為六周。

對照組在6周實驗期間不進行任何有關(guān)虛擬現(xiàn)實運動和其他額外的運動訓(xùn)練，按原作息規(guī)律學(xué)習(xí)生活。

2.2.2 事件相關(guān)電位（ERP）的測試 采用德國Brain Products公司生產(chǎn)的32導(dǎo)Brain Vision Analyzer分別測量受試者實驗前（前測）和六周實驗結(jié)束后（后測）安靜狀態(tài)下的ERP。采用改良版的Flanker刺激范式，分別為“＞＞＞＞＞”（S1）、“＜＜＜＜＜”（S2）、“＜＜＞＜＜”（S3）、“＞＞＜＞＞”（S4）四種刺激，其中S1、S2為一致性刺激，S3、S4為不一致性刺激。四種刺激以相同的概率共出現(xiàn)80次，每種刺激是隨機呈現(xiàn)，呈現(xiàn)時間180 ms，ITI設(shè)置為800～1200 ms隨機，受試者反應(yīng)界面為500 ms，若在500 ms內(nèi)未做出反應(yīng)則自動進行下一個刺激，實驗分為兩個block，在每個block中四種刺激類型各出現(xiàn)40次，中間休息5 min，整個實驗持續(xù)15 min。

受試者首先進入實驗準(zhǔn)備室，使受試者心情放松，消除恐懼，同時將手機靜音放在指定位置。引領(lǐng)受試者進入ERP測試室，安排其坐在指定的測試電腦前，按照國際腦電學(xué)會10～20電極系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)進行電極安放，采用雙耳乳突（M1、M2）作為參考電極，前額（Fpz）為接地電極。給受試者佩帶電極帽，注入導(dǎo)電膏，使電極與皮膚接觸良好，電極阻抗測定均小于5 kΩ，測試過程中盡量減少眼動并保持身體姿勢。

2.2.3 ERP P300指標(biāo)的分析 用Brain Vision Analyzer 2.1軟件對所有受試者的原始數(shù)據(jù)進行分析。經(jīng)過濾波、去眼電、去偽跡、分段、基線校正、疊加平均、波幅檢測、視圖映射、數(shù)據(jù)輸出等步驟完成對ERP P300指標(biāo)的分析［10］。

2.3 統(tǒng)計學(xué)處理

將收集到的實驗數(shù)據(jù)整理核對無誤后，建立SPSS15.0 for windows數(shù)據(jù)庫，分別進行了描述性統(tǒng)計和推斷性統(tǒng)計分析。組內(nèi)差異顯著性檢驗采用配對t檢驗，組間差異顯著性檢驗采用獨立樣本t檢驗。差異顯著性標(biāo)準(zhǔn)采用P＜0.05，結(jié)果均以±SD表示。

整個實驗過程均在山東師范大學(xué)運動人體科學(xué)實驗室完成。

3 結(jié)果

分別對兩組受試者實驗前后四個區(qū)域［額葉區(qū)（F3、Fz、F4）、中央?yún)^(qū)（C3、Cz、C4）、頂區(qū)（P3、Pz、P4）和枕區(qū)（O1、Oz、O2）］12個電極點在四種刺激方式（S1、S2、S3、S4）下獲得的 ERP P300指標(biāo)進行了比較分析，前后兩次測量間比較有顯著性差異的數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 實驗組和對照組六周前后兩次測量之間P300潛伏期的比較（ms）Table 2 Comparison of P300 latency between the two measurements before and after six weeks in the experimental group and control group（ms）

表3 實驗組和對照組六周前后兩次測量之間P300波幅的比較（mv）Table 3 Com parison of P300 am plitude between the two measurements before and after six weeks in the experimental group and control group（mv）

4 討論

虛擬環(huán)境技術(shù)（虛擬現(xiàn)實技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)）在康復(fù)醫(yī)療、教育、體育等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用［1，11－12］。有關(guān)現(xiàn)實運動對人體認(rèn)知功能的影響已有文獻報道［4－10］，然而虛擬現(xiàn)實運動作為一種特殊的新興的運動方式，其對人體認(rèn)知能力的影響效果尚不十分清晰。本研究利用事件相關(guān)電位測量技術(shù)，采用認(rèn)知電位P300指標(biāo)，評價了六周虛擬現(xiàn)實運動前后受試者認(rèn)知能力的電生理學(xué)指標(biāo)改變。

P300是出現(xiàn)在刺激后300～800 ms的一個正向波，是與注意、辨認(rèn)、決策以及記憶等認(rèn)知功能有關(guān)的事件相關(guān)電位的內(nèi)源性成分，P300波幅反映了注意資源分配的數(shù)量，P300潛伏期反映了腦對刺激的檢測、模式識別、評估和記憶等認(rèn)知過程的時間變量［13－14］。測評P300的方式有多種，本研究采用改良版的Flanker沖突任務(wù)范式，該刺激范式不僅可以測量認(rèn)知電位的變化，更可以反映受試者的執(zhí)行控制能力。

通過對兩組受試者實驗前后四個區(qū)域［額葉區(qū)（F3、Fz、F4）、中央?yún)^(qū)（C3、Cz、C4）、頂區(qū)（P3、Pz、P4）和枕區(qū)（O1、Oz、O2）］12個電極點在四種刺激方式（S1、S2、S3、S4）下獲得的 ERP P300指標(biāo)的比較，發(fā)現(xiàn)六周后實驗組（即虛擬現(xiàn)實運動組）額葉區(qū)（F3、F4）和中央?yún)^(qū)（C3）電極點在一致性刺激時（S1和S2）ERP P300潛伏期較實驗前顯著延長（P＜0.05），尤其是額葉區(qū)表現(xiàn)更為顯著。而對照組和實驗組其他電極點和其他刺激方式下ERP P300潛伏期未見有顯著性改變（P＞0.05）。六周前后組內(nèi)配對t檢驗顯示，只有實驗組中頂區(qū)（P3）S1刺激下ERP P300波幅較實驗前顯著增加（P＜0.05），對照組和實驗組其他電極點和其他刺激方式下ERP P300波幅未見顯著性改變（P＞0.05）。

上述結(jié)果顯示，經(jīng)過六周愛動運動王Ⅱ設(shè)備提供的三種（射箭運動、伸展運動、平衡大挑戰(zhàn)運動）虛擬現(xiàn)實運動方式對認(rèn)知電位P300指標(biāo)有一定的影響，且表現(xiàn)出一定的腦區(qū)和刺激方式的選擇性特點。

P300潛伏期只表現(xiàn)于額葉區(qū)（F3、F4）和中央?yún)^(qū)（C3）電極點顯著延長，且額葉區(qū)表現(xiàn)更為顯著。額葉區(qū)主要負責(zé)計劃、監(jiān)控、注意、情緒、抽象、意志、工作記憶及運動控制等功能，中央?yún)^(qū)主要負責(zé)腦部通訊和運動執(zhí)行等功能。額葉區(qū)和中央?yún)^(qū)P300潛伏期時間延長說明對刺激的檢測、模式識別、評估和運動控制與執(zhí)行的速度減慢，這究竟是良性還是劣性改變尚有待探索。由于愛動運動王Ⅱ提供的這三種虛擬現(xiàn)實運動方式速度相對較慢，且每一運動開始前總有一定時間的等待延時，因此認(rèn)為額葉區(qū)和中央?yún)^(qū)P300潛伏期的延長應(yīng)該是對該運動特征的適應(yīng)性改變。

P300波幅只在頂區(qū)（P3）顯著性增加，P300波幅反映了注意資源分配的數(shù)量。頂區(qū)主要負責(zé)軀體感覺功能，由于虛擬現(xiàn)實運動中受試者要始終感知軀體姿勢和肢體位置以及運動路線，需投入更多的注意力資源。因此，頂區(qū)P300波幅增加理應(yīng)是對該項運動特征的積極性適應(yīng)。

在本研究選用的四種刺激方式中，S1和S2為一致性刺激，S3和S4為不一致性刺激。結(jié)果顯示，六周虛擬現(xiàn)實運動前后相比，無論是P300潛伏期還是P300波幅改變僅發(fā)生一致性刺激時（S1或S2）。究其原因可能是這三種虛擬現(xiàn)實運動方式中，主要是跟隨和肢體匹配，少有選擇制動的運動，因此，這種刺激方式特征也應(yīng)理解為該運動特征的適應(yīng)性改變。

5 結(jié)論

六周的虛擬現(xiàn)實運動（伸展運動、射箭運動與平衡運動）對大學(xué)生認(rèn)知能力有一定的選擇性影響，體現(xiàn)于ERP P300潛伏期和波幅指標(biāo)顯著性改變僅出現(xiàn)在特定的腦區(qū)和刺激方式。P300潛伏期改變只出現(xiàn)于額葉區(qū)和中央?yún)^(qū)，P300波幅改變只出現(xiàn)在頂區(qū)，且上述改變僅發(fā)生在一致性刺激的條件下。認(rèn)為這些選擇性改變應(yīng)是對該運動方式的適應(yīng)性改變。