HRV與EEG生物反饋訓練對中樞疲勞運動員的影響

李秦隴，車開萱，施明強，韓艷麗，遲立忠，周越

長期大強度的運動訓練和密集的賽程安排會使高水平運動員的神經機能狀態下降，嚴重者甚至表現為中樞疲勞（Giandolini et al.， 2016； Paris et al.， 2021），進而導致其身體機能水平下降，情緒、認知、學習、記憶甚至免疫系統異常以及出現一系列類似疲勞的生理反應（Davis et al.，1997）。當神經機能狀態不佳時，運動員的訓練動機和訓練質量會隨之下降（李欣鑫 等， 2015），同時對運動表現和運動成績產生負面影響（Encarnación-Martínez et al.， 2021），如果不進行及時干預，其競技水平瓶頸期可能會過早出現，甚至還會影響身體健康。

近年來，運動相關的神經機能狀態的變化機制和評定方式研究已逐漸明確（Froyd et al.， 2016； Ghorbani et al.，2021； Manzi et al.， 2009； Place， 2021），對神經機能狀態的改善和干預手段有營養補充（Hormoznejad et al.， 2019；Laurent et al.， 2018）、預熱水療（Vadopalas et al.， 2019）、中醫藥（Han et al.， 2018； Liang et al.， 2019）等，而生物反饋技術作為歐美國家改善精神類疾病的醫療體系中的成熟部分，涵蓋了傳感器、計算機、醫學、心理學和生理等學科技術（胡斌 等， 2020），是能夠改善運動員神經機能狀態、提高睡眠質量（Li et al.， 2022）及預防運動損傷（宋小波 等， 2019），進而提高運動員競技狀態的潛在方式。

生物反饋訓練的目的是提高運動員放松能力，與心理訓練相比，它掌握起來難度更大，一旦熟練掌握則效果十分顯著（石巖， 1991）。生物反饋訓練的形式包括心率變異性、腦電、肌電和皮溫等，其中心率變異性生物反饋（heart rate variability biofeedback，HRV-BF）和腦電生物反饋（electroencephalogram-biofeedback，EEG-BF）訓練在醫學領域中常用于提高神經機能狀態和改善情緒（James et al.，1996； Lehrer et al.， 2020）。HRV-BF訓練主要作用于外周神經系統，其機制是使血壓、呼吸及心率產生共振，通過增強壓力感受器的穩態，使身體及心理加快恢復從而改善生理機能（Lehrer et al.， 2014）；而EEG-BF訓練更多作用于中樞神經系統，通過誘導α波和θ波成分序化，并抑制β波增加，使身心恢復速度加快，甚至產生神經重塑的效果，從而達到治療神經類疾病和提高神經機能狀態的作用（Farina et al.， 2012）。可見，2種生物反饋訓練產生作用的生理學基礎存在差異，但先前研究中鮮見嚴格的實驗對照證明2種生物反饋訓練對不同神經機能狀態和情緒狀態影響的異同。此外，生物反饋訓練在競技體育領域的應用仍停留于提高放松能力（陳丹萍 等， 1997）、監控運動性疲勞（遲淑勛 等， 2016）和改善睡眠質量（Li et al.， 2022）等方面。因此，HRV-BF和EEG-BF訓練在改善中樞疲勞運動員神經機能狀態和心境狀態中的應用方法、作用效果和應用場景仍需實驗驗證。

綜上所述，本研究旨在使用HRV-BF和EEG-BF訓練對中樞疲勞運動員進行干預，分析和對比2種生物反饋訓練對運動員神經機能狀態和心境狀態的具體效果和差異。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

招募70名北京體育大學男性運動員參與篩選。篩選條件：1）右利手，EEG誘導試驗時中樞疲勞程度為警戒、先兆疲勞或疲勞；2）運動員技術等級為國家二級及以上，長期參與專項訓練，3～5次/周；3）年齡為18～25歲；4）運動員專項為非可促進機體恢復的項目（如太極拳）；5）近期無嚴重精神刺激，未服用精神類藥物，且研究期間不可參與其他心理相關實驗測試。本實驗已通過北京體育大學運動科學實驗倫理委員會審查（批準號：2020132H）。

共17人符合正式實驗條件，并自愿簽署知情同意書。實驗期間運動員訓練和生活狀態保持規律和穩定，其中3人中途脫落，最終共14人納入統計：夏季項目10人（拳擊、羽毛球、網球、足球、短跑），冬季項目4人（冰球、短道速滑）；年齡（20.86±1.29）歲，身高（179.29±5.34）cm，體質量（71.50±9.01）kg，訓練年限（6.50±2.21）年。

1.2 實驗方案

1.2.1 實驗流程

采用隨機交叉實驗設計，分為A、B組進行兩階段交叉訓練。第一階段A組進行每2天1次，15天共8次的HRV-BF訓練，同時B組進行相同頻次的EEG-BF訓練。第二階段訓練方式交換，生物反饋訓練時間和頻次和第一階段相同。兩階段之間洗脫期為15天。各階段前后均進行所有指標測試，測試指標及步驟為：1）填寫心境狀態（profile of mood states，POMS）量表；2）進行反應時測試；3）進行中樞疲勞測試（EEG誘導試驗）；4）第3步結束后休息10 min以上，機體恢復安靜狀態后，同步進行腦內神經遞質和自主神經狀態測試。為避免運動訓練因素影響測試指標，所有的測試均在休息日進行。

1.2.2 訓練方案

1.2.2.1 HRV-BF訓練方案

選用生理相干自主平衡系統（Heart Math Association，美國）內“菩提樹”反饋形式，此形式以HRV代表的自主神經平衡性為反饋信息，訓練時電腦屏幕上菩提樹生長和枯萎的過程能夠反映自主神經協調功能。此訓練有助于釋放壓力和紓解消極情緒，培養主體自主平衡的調節及穩定情緒和呼吸節奏等能力。訓練方案參考Lehrer等（2000）的訓練安排。運動員到達實驗室后，先靜坐3～5 min恢復至安靜狀態，訓練時睜眼、靜坐于電腦屏幕前，按照主試人員的指導，調整呼吸節奏（0.1 Hz），外放系統配套音樂，按照步驟進行訓練。訓練時間為晚上7∶00—9∶00，單次訓練時長25 min。訓練地點為北京體育大學體育科學樓實驗室，房間溫度保持在22～25 ℃，無噪音等其他干擾。

1.2.2.2 EEG-BF訓練方案

使用TGAM模塊（NeuroSky，美國）識別和處理腦電信號，使用Sichiray（嘜丁科技，中國）軟件中“瑜伽球”及“呼吸球”2種反饋形式進行EEG-BF訓練。根據全腦腦電波中α、β、θ和δ的占比判斷放松度和專注度，其中α波的占比越大，代表放松度越高。“瑜伽球”訓練時，系統根據放松度的高低，生成瑜伽球的漂浮高低和時間，受試者根據反饋信息不斷調整放松度?！昂粑颉庇柧毜暮粑澴酁?.1 Hz ，通過觀察放松度數值變化，調整身體狀態、提高放松度。其余要求與HRV-BF訓練相同。

1.3 測試方法

1.3.1 EEG誘導試驗

通過EEG誘導試驗進行中樞疲勞測試，使用Nation 9128W便攜式腦電儀（諾誠電氣，中國）記錄腦電信號，采用國際標準的10-20導聯方式佩戴腦電電極。測試時運動員靜坐于有靠背和扶手的椅子上，閉目保持清醒。測試環境昏暗、安靜，正常室溫，無噪音等干擾。誘導測試中同步記錄腦電信號，其流程為：1）安靜狀態記錄60 s以上；2）表象競賽60 s以上；3）過度換氣120～180 s。

表象競賽時運動員腦電α波抑制的程度可反映注意集中能力，可以作為評價大腦疲勞程度的客觀指標。α波抑制率（以下簡稱“α抑制%”）計算方法為α抑制%=（|表象競賽時α%-安靜狀態α%|/安靜狀態α%）×100%。神經元代謝能量比值（θ/β）為過度換氣狀態下的腦電波占比，可評價神經機能狀態。運動員中樞疲勞等級依據α抑制%變化幅度評定為正常（17%～37%）、最佳（38%～43%）、警戒狀態（43%～49%）及先兆疲勞和疲勞（＞50%或＜17%）5類（張振民 等， 2002），用5級評分（0～4分）代表中樞神經疲勞等級。

1.3.2 神經遞質

超慢波漲落潮技術（supra-slow encephalofluctuogram technology，SET）是國內首創且常用的腦內無創測試神經遞質的方式（吳梅婷 等， 2016）。SET腦電（太陽科技，中國）佩戴方式及測試環境與EEG誘導試驗相同，共需測試安靜狀態腦電信號18 min。SET分析系統（以下簡稱“S系統”）可將腦電波數據中具有漲落的周期性優勢超慢成分分離出來。S系統包含不同的頻率成分，稱為S頻率（/mHz），分析頻率范圍在0.93～238.00 mHz。不同頻率對應譜線稱為S1～S255的S譜，其中4 mHz 超慢譜的S4系與5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）的活動有關，5 mHz超慢譜的S5系與乙酰膽堿（acetylcholine，ACh）的活動有關，7 mHz超慢譜的S7系與去甲腎上腺素（norepinephrine，NE）的活動有關，11 mHz超慢譜的S11系與多巴胺（dopamine，DA）活動有關（梅磊， 1996）。神經遞質測試結果是相對值，代表與此遞質相關頻率的腦電波的占比。

1.3.3 自主神經狀態

HRV是評價自主神經活動的重要手段，是用來評估心臟交感神經與副交感神經張力平衡性的較好指標（Oskooei et al.， 2021）。使用Polar H10心率胸帶（Polar Electro，芬蘭）記錄R-R間期（2個QRS波中R波之間的時間）數據，然后通過Kubios Hrv-standard 3.4.3軟件截取5 min數據計算HRV。

1.3.4 反應時

使用GMCS-FYS反應時測試儀（鑫東華騰，中國）進行測量，運動員采用站立位，集中注意力，在測試儀燈光亮起時，快速拍滅指示燈。每人進行3次完整測試，取平均值。反應時的快慢可代表神經反應速度。

1.3.5 心境狀態

POMS量表（Grove et al.， 1992）用于評價1周內的心境狀態。量表包括5個消極情緒分量表（憤怒值、慌亂值、緊張值、抑郁值和疲勞值），2個積極情緒分量表（精力值和自尊值），共40個條目，采用5級評分（0～4分）。情緒紛亂值是心境狀態的綜合評價，計算公式：情緒紛亂值=（消極情緒分量表總分-積極情緒分量表總分）＋100。

1.4 數據統計與分析

實驗結果均保留2位小數，結果使用平均值±標準差（M±SD）表示。使用Shapiro-Wilk 檢驗數據正態性。組內實驗前后對比及洗脫效果檢驗：正態分布數據使用配對t檢驗，偏態分布數據使用非參數Wilcoxon秩和檢驗。組間對比：使用單因素方差分析（二階段交叉）檢驗2種訓練方式之間的差異。對2種生物反饋訓練后有顯著改善效果的指標進行事后重復測量相關分析。P＜0.05表示數據有統計學意義。

2 研究結果

2.1 HRV-BF和EEG-BF訓練對中樞神經狀態的影響

與訓練前相比，HRV-BF訓練后EEG誘導試驗的腦電信號中θ/β（P＜0.01）、中樞疲勞等級（P＜0.01）顯著降低；EEG-BF訓練后θ/β（P＜0.01）、中樞疲勞等級（P＜0.01）顯著降低（圖1）。

圖1 HRV-BF和EEG-BF訓練對腦電θ/β及中樞疲勞等級的影響Figure 1. Effect of HRV-BF and EEG-BF Training on θ/β and Central Fatigue Level of EEG

從2種訓練后中樞疲勞等級人數分布變化來看，HRVBF訓練后先兆疲勞和疲勞比例分別從42.86%和50.00%降低為21.43%和28.57%；EEG-BF訓練后分別從57.14%和42.86%降低為0.00%和21.42%。2種訓練后中樞疲勞等級較低的比例均增多，中樞疲勞等級較高的比例均減小，二者對中樞神經狀態的影響無顯著差異。以上數據表明，2種訓練對中樞神經機能狀態均有明顯的改善作用。

2.2 HRV-BF和EEG-BF訓練對腦內神經遞質的影響

如圖2所示，與訓練前相比，HRV-BF訓練后5-HT（P＜0.01）和5-HT/DA（P＜0.01）水平顯著降低，DA水平顯著提高（P＜0.01）。EEG-BF訓練后5-HT（P＜0.01）和5-HT/DA（P＜0.05）水平顯著降低。2組受試者訓練前各指標無顯著差異；訓練后對比發現，HRV-BF訓練對5-HT（P＜0.05）、DA（P＜0.01）和5-HT/DA（P＜0.05）水平的影響效果顯著大于EEG-BF訓練。

圖2 HRV-BF和EEG-BF訓練對神經遞質的影響Figure 2. Effects of HRV-BF and EEG-BF Training on Neurotransmitters

2.3 HRV-BF和EEG-BF訓練對自主神經狀態的影響

與訓練前相比，HRV-BF訓練后副交感神經系統指數（parasympathetic nervous system index，PNS Index；P＜0.05）、平均R-R間隔（MRR；P＜0.01）、pNN50（P＜0.01）顯著降低，交感神經系統指數（sympathetic nerve system index，SNS Index；P＜0.05）和LF/HF（P＜0.05）顯著升高，表明HRVBF訓練后，運動員的交感神經作用增強，副交感神經作用減弱，向自主神經平衡狀態靠近。EEG-BF訓練后只有應激指數（stress index，SI）顯著升高（P＜0.01），說明EEGBF訓練對自主神經狀態影響有限。訓練后，交感和副交感神經的組間差異不顯著（表1）。

表1 HRV-BF和EEG-BF訓練對HRV的影響Table 1 Effects of HRV-BF and EEG-BF Training on HRV

2.4 HRV-BF和EEG-BF訓練對反應速度的影響

與訓練前相比，HRV-BF和EEG-BF訓練后反應速度顯著提高（P＜0.05），2種訓練方法對反應速度的影響無顯著差異（圖3）。事后重復測量相關分析結果顯示，反應時與中樞疲勞等級呈正相關（r=0.338，P＜0.05），與其他神經機能狀態無顯著相關。

圖3 HRV-BF和EEG-BF訓練對反應時的影響Figure 3. Effect of HRV-BF and EEG-BF Training on Reaction Time

2.5 HRV-BF和EEG-BF訓練對心境狀態的影響

與訓練前相比，HRV-BF訓練后疲勞（P＜0.01）、抑郁（P＜0.05）、慌亂（P＜0.05）和情緒紛亂（P＜0.01）顯著降低，自尊（P＜0.05）和精力（P＜0.01）顯著升高；EEG-BF訓練后，憤怒（P＜0.01）、抑郁（P＜0.01）和情緒紛亂（P＜0.01）顯著降低，自尊（P＜0.05）和精力（P＜0.05）顯著升高（圖4）。2種訓練方法對心境狀態的影響無顯著差異，但從訓練效果來看，HRV-BF（疲勞、慌亂、抑郁）和EEG-BF（憤怒、抑郁）訓練能夠緩解不同的消極情緒和情緒紛亂。

圖4 HRV-BF和EEG-BF訓練對心境狀態的影響Figure 4. Effect of HRV-BF and EEG-BF Training on Mood State

事后重復測量相關分析結果顯示，抑郁與5-HT（r=0.351，P＜0.05）和5-HT/DA（r=0.329，P＜0.05）呈正相關；自尊（r=-0.391，P＜0.01）、精力（r=-0.378，P＜0.01）與中樞疲勞等級呈負相關；情緒紛亂與中樞疲勞等級（r=0.416，P＜0.01）、5-HT（r=0.322，P＜0.05）和5-HT/DA（r=0.290，P＜0.05）呈正相關；各心境狀態與其他神經機能狀態無顯著相關。

3 分析討論

3.1 HRV-BF和EEG-BF訓練對神經機能狀態的影響

關于HRV-BF和EEG-BF訓練影響中樞神經機能狀態的可能機制，Vaschillo等（2019）發現HRV-BF訓練時邊緣系統以及扣帶回和前額葉皮質有明顯變化，而連續進行HRV-BF訓練幾周后，邊緣和前額葉結構之間的連通性更強，這些連通性通路中的腦組織同時增加，這可能是HRVBF訓練調節腦神經的一種機制（Mather et al.， 2018）。EEG-BF訓練時，主要通過機體的身體和情緒放松狀態控制腦電波中不同波形占比，具體為誘導α波和θ波成分序化，并抑制β波增加，而α腦電波反映了人的平靜程度和放松狀態，這些相關指標的改變體現了EEG-BF訓練對神經機能狀態的改善過程和作用（Koelstra et al.， 2011）。此外，有學者指出，HRV-BF和EEG-BF訓練能夠通過對部分神經（壓力反射等）進行重塑達到改善神經機能狀態的目的（Lehrer et al.， 2013）。

生物反饋訓練能夠幫助運動員在訓練過程中或隨后一段時間內調整神經機能水平，獲得更佳的狀態（Lehrer et al.， 2014）。本研究發現，在中樞神經機能狀態中，15天8次的HRV-BF和EEG-BF訓練均可以降低θ/β和中樞疲勞等級（α抑制%）。HRV-BF訓練后中樞疲勞發生率從100%下降為50%，EEG-BF訓練后從100%下降為35.71%。在腦內神經遞質中，HRV-BF和EEG-BF訓練均降低了5-HT和5-HT/DA水平，HRV-BF訓練還可提高DA水平。腦內神經遞質中5-HT為抑制性遞質，DA為興奮性遞質，而5-HT/DA的比值被認為是評價中樞疲勞的敏感指標（Kavanagh et al.， 2019），提示，HRV-BF訓練可通過降低抑制性遞質（5-HT）和提高興奮性神經遞質（DA）的共同作用改善中樞神經狀態，而EEG-BF訓練可能只能通過降低抑制性神經遞質來改善中樞神經狀態；同時，在對神經遞質（DA和5-HT）的影響方面，HRV-BF比EEG-BF訓練的影響效果更大（圖2）。有研究指出，DA的增加還能進一步抑制5-HT的合成與代謝（Bailey et al.， 1993），這可能是HRV-BF訓練效果較EEG-BF更好的原因。本研究中2種生物反饋訓練均能顯著改善運動員中樞機能疲勞狀態，有效調節腦內神經遞質；且相關分析結果提示，中樞疲勞程度越大，反應速度可能越慢，積極情緒水平可能越低，而情緒紛亂值則可能越高；腦內抑制性神經遞質（5-HT）越多，5-HT/DA水平越大時，抑郁情緒和情緒紛亂值可能越高。這在一定程度上說明，2種生物反饋訓練后心境狀態的改善及反應速度的提高可能與中樞疲勞的改善有關。關于中樞神經機能狀態與運動員訓練和運動表現的關系，有研究指出中樞神經疲勞程度與運動員的訓練欲望、訓練質量呈負相關（李欣鑫 等， 2015），與運動能力和運動表現呈正相關（Encarnación-Martínez et al.， 2021），因此，HRV-BF和EEG-BF訓練可能是幫助運動員提高訓練欲望、訓練效率和運動成績的潛在方式。

在以往的研究中，使用自主神經狀態評價運動員體能水平、訓練狀態時經常與副交感神經相聯系。一般認為，體能儲備或運動水平與副交感神經活性呈正相關（Buchheit et al.， 2013； Machhada et al.， 2017）。但在高水平運動員相關研究中，此觀點不能完全適用，尤其是長期堅持運動或運動量較大的運動員會出現不同的結果，結果的個體差異可能較大（Buchheit et al.， 2010）。在過度訓練或具有運動疲勞的運動員中，副交感神經作用活性過強可能代表運動員處于疲勞狀態（Manzi et al.， 2009；Pichot et al.， 2000）。有學者指出，在運動訓練中副交感神經活性的增加與急性大強度力量訓練（Kingsley et al.，2019）、運動疲勞的發生（Bellenger et al.， 2016）和認知表現下降（Van Cutsem et al.， 2022）等有密切聯系。在本研究中，中樞疲勞運動員生物反饋訓練前安靜狀態下自主神經狀態失衡，其中交感神經作用較弱，副交感神經占主導作用，與前人研究結果一致，HRV-BF訓練后運動員自主神經狀態向交感神經方向增加，平衡性提高，同時中樞神經機能狀態、反應速度和心境狀態均有顯著改善。此外，睡前的自主神經平衡性與睡眠質量存在密切聯系（李秦隴 等， 2022），睡前進行HRV-BF訓練可以通過提高自主神經平衡性和改善心境狀態，進而提高睡眠質量，能夠加快運動員機能恢復（Li et al.， 2022）。本研究中，與干預前中樞疲勞嚴重的運動員相比，HRV-BF訓練后中樞疲勞狀態改善的同時，自主神經平衡性顯著提高，運動員的神經反應速度也顯著變快，但EEG-BF訓練后沒有發現對自主神經的明顯改善作用。

3.2 HRV-BF和EEG-BF訓練對心境狀態的影響

雖然運動是治療非精神類疾病（如糖尿病等）的較好選擇，也是改善抑郁、焦慮等消極情緒癥狀的良好方案，但運動強度過大時，可能會對心理健康造成負面影響，甚至產生心理疾?。═eychenne et al.， 2008）。本研究結果顯示，2種生物反饋對消極情緒影響存在一定的差異。同樣，以往研究結果也發現HRV-BF可以降低慌張值，減輕壓力，改善心理健康問題（Lagos et al.， 2008， 2011；Van Der Zwan et al.， 2015），而EEG-BF訓練有降低焦慮情緒的潛力（Pop-Jordanova et al.， 2010）。在本研究中，HRV-BF對慌亂、疲勞和抑郁等消極情緒的改善效果更好，EEG-BF對憤怒和抑郁等消極情緒的改善效果更好。事后相關分析結果提示，2種生物反饋訓練后消極情緒的減少可能與其對腦內神經遞質的作用差異有關，具體來看，HRV-BF降低5-HT水平的同時，提高了DA水平，而EEG-BF只對5-HT水平有顯著改善；也可能與二者對神經機能狀態的不同作用方式及影響差異有關。其中，HRV-BF訓練是通過控制呼吸、血壓對中樞神經、神經遞質及自主神經產生積極效果，進而影響情緒；而EEG-BF訓練則是通過放松，控制大腦皮層產生的腦電波形占比進而對中樞神經及神經遞質產生作用，從而影響情緒。綜上，2種生物反饋訓練對積極情緒都有顯著的提高作用，但在選擇改善消極情緒的方式時需要進一步研究或進行更綜合的考慮。

3.3 局限性與展望

本研究還存在一定的局限性。首先，由于篩選后各運動項目的中樞疲勞受試者人數有限，無法分運動項目對受試者的神經機能狀態變化情況進行討論；其次，未能在研究過程中進行運動表現和運動成績測試。因此，建議在后續使用生物反饋訓練提高中樞疲勞運動員機能狀態的研究中，針對某一項目增加受試者人數，并同時測試其運動表現和運動成績的變化，進一步探索提高中樞神經機能狀態對運動表現或運動成績的影響，從而提高對特定運動項目的指導意義。

4 結論

1）HRV-BF和EEG-BF訓練均能對中樞疲勞運動員的中樞神經機能狀態、抑制性神經遞質（5-HT）、反應速度和積極情緒產生顯著改善作用，其中HRV-BF訓練對腦內神經遞質（5-HT和DA）和交感神經興奮性的提高作用更為明顯。

2）HRV-BF和EEG-BF訓練都能從抑郁和情緒紛亂方面改善運動員心境狀態，這可能與腦內抑制性神經遞質減少有關，而HRV-BF訓練還能夠緩解疲勞和慌亂感，EEG-BF訓練則能夠緩解憤怒情緒。

3）選擇適宜的生物反饋訓練不僅能夠改善運動員不同情況的神經疲勞狀態，還能加快反應速度，提高心理健康狀況以及訓練積極性。