运动员空间知觉脑神经活动特点研究

1、1周成林,冯琰上海体育学院运动科学学院,上海(200438E-mail: chenglin_600摘要:采用反应时研究范式和事件相关电位(ERP技术,通过比较运动员与普通大学生对 不同视野刺激进行知觉选择反应的反应时间、 反应准确率及所诱发的 ERP 成分的潜伏期和波 幅的差异, 来揭示对抗性项目运动员空间知觉的脑神经活动变化特点。 结果显示, 运动员与 普通大学生在 P1、N1和 P300的波幅以及 P300的潜伏期上均存在显著或非常显著差异;运 动员对上视野刺激进行选择反应时诱发出明显的 P2和 N2成分, 而普通大学生对下视野刺激 进行选择反应时诱发出明显的 P2和 N2成分。 结果表明

2、, 运动员与普通大学生对不同视野刺 激进行识别的心理过程在时间进程上没有差异, 但在空间知觉速度以及知觉策略的运用上存 在显著差异,这与对抗性项目运动员长期从事专项运动训练有关。关键词 :运动员;空间知觉;反应时;事件相关电位中图分类号:G804.861.引言运动员在运动过程中,所涉及的认知过程一般包括知觉、注意、记忆、思维与决策等。 由于知觉是后续的认知过程的前提和基础, 其重要意义决定了这一领域的研究备受关注。 目 前, 国内外运动心理学家对知觉的研究主要集中在运动员知觉能力和知觉预测等方面。 由于 运动员在运动情境中进行知觉预测和思维决策都是以空间知觉、 时间知觉、 动作知觉等知觉 能力

3、为基础, 所以对于运动员专项知觉能力的评价可以为运动员的心理诊断和心理选材提供 科学的理论依据。近年来, 随着认知神经科学的迅猛发展, 无创性脑功能成像技术越来越受到研究者的青 睐。所以,本研究采用反应时研究范式和事件相关脑电位(ERP技术,通过比较运动员与 非运动员对不同空间位置刺激进行知觉选择反应的反应时间、准确率及所诱发的 ERP 成分 (ERPs 的差异, 来揭示运动员空间知觉过程中的脑神经活动变化特点, 为准确评价运动员 的空间知觉能力提供理论参考。2.实验对象与方法2.1 实验对象选取 12名男性大学生为实验对象,分为运动员组和普通大学生组,每组各 6人。运动 员组由刚进入大学的退

4、役运动员组成,包括击剑 4人、拳击 1人、散打 1人;平均年龄为1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金项目(20060277003的资助。12.2 实验方法主要采用 ERP 实验记录分析法。2.2.1 刺激图片刺激图片为黑色屏幕背景中的红色圆圈, 根据圆圈在黑色背景中所处位置的不同, 可以 分为四类:左上红色圆圈、右上红色圆圈、左下红色圆圈、右下红色圆圈。刺激图片中的红 色圆圈视角均为 6.4o 。2.2.2 实验步骤让被试舒适地端坐于显示屏前的实验座椅上,被试双眼与屏幕距离 90cm,并将双手舒 适地放于反应盒按键上。 主试向被试进行讲解和说明, 使其了解实验的整体进程和要求, 然 后让

5、被试进行三次练习,以熟悉按键的使用和整个实验程序。刺激程序采用 E-Prime 软件编制。 具体如下:被试按键开始实验, 首先在黑色屏幕中间 出现一白色注视点“+” ,呈现时间为 5OOms;然后呈现一幅刺激图片,呈现时间为 50ms;随 后出现黑屏并保持 1000ms;要求被试根据刺激图片中红色圆圈所处位置进行按键反应。反 应结束到下一幅刺激图片的时间间隔是随机的,范围为 1500ms-2300ms,如此循环往复。每 组刺激图片 20幅,共 5组。如果被试在给定的 1000ms 内没做出任何按键反应或按键过轻, 均视为反应错误。在整个实验过程中,对被试反应的正确性和反应速度做同等强调。 2.

6、2.3 ERP记录实验设备为德国 Brain Products 公司生产的 64道 ERP 记录与采集系统和 Ag/AgCI电 极帽。电极点采用国际 1020标准电极系统定位。参考电极置于鼻尖处,前额接地。在双 眼外侧安置电极记录水平眼电, 在左眼上下安置电极记录垂直眼电。 滤波带通为 DC100Hz, 采样频率为 500Hz/导,头皮电阻小于 15k。2.2.4 行为数据统计与分析Brain Products的 ERP 记录与采集系统可以同步记录反应时、反应准确率等行为学指 标。使用 SPSS 13.0对行为数据进行方差分析。2.2.5 ERP数据统计与分析对采集的 ERP 脑电数据进行离线

7、分析。分析时程为 1200ms(含基线 200 ms ,自动矫正 眨眼等伪迹,波幅大于100uV者在叠加中被自动剔除。实验所得 ERPs 经 0.0116Hz的 无相移数字滤波,以刺激前的均值校正基线。根据 ERP 的总平均图,选择 Fz、Cz、CPz、Pz、 POz、Oz、PO3、PO4和 P5共 9个电极记录点对不同刺激进行正确反应所诱发的 ERPs 进行叠 加 和 处 理 。 对 不 同 ERPs 成 分 的 潜 伏 期 和 波 幅 进 行 多 元 方 差 分 析 , p 值 采 用 Greenhouse-Geisser 法校正。23.实验结果3.1 行为结果对行为结果进行的方差分析表明

8、,反应时具有显著的视野主效应(F3,44=15.543, P0.001和组别主效应(F3,44=27.857,P0.001 。对视野主效应的进一步多重比较显示, 无论是运动员还是普通大学生, 对右上和左下视野刺激的知觉选择反应速度都明显快于左上 和右下视野(P0.01,P0.05 。 另外, 反应准确率只具有显著的视野主效应 (F3,44=9.963, P0.001 ; 进一步多重比较显示, 无论是运动员还是普通大学生, 对左下视野刺激进行选择 反应的准确率明显低于其它视野(P0.01 ;左上视野的准确率又高于右上视野(P0.05 。 结果表明, 运动员进行空间知觉选择反应的速度明显快于普通大

9、学生, 但两者在反应 准确率上没有显著差异。3.2 ERPs结果运动员和普通大学生进行空间知觉选择反应时, 所诱发的 ERP 基本波形在特征上既具有 一定的相似性也具有一定的异同性(见图 1 。在中央顶枕区(Pz记录的 ERPs 显示,在 70 ms 左右诱发出 C1,上视野(左上和右上视野刺激产生的是负电位 C1成分,下视野(左下 和右下视野刺激产生的是正电位 C1成分;在 90-140 ms左右诱发出 P1,在 150-200 ms左右出现 N1;在 200-250ms 左右诱发出 P2,在 250-300ms 左右出现 N2;在 300ms 左右以后 出现 P300。本研究主要对 P1、

10、N1、P2、N2和 P300进行分析。3.2.1 P1成分在整个头皮不同脑区均诱发出 P1, 本研究选取额中央区的 Fz、 中央区的 Cz 以及顶枕中 央区的 CPz、Pz、Oz 五个电极记录点进行叠加处理。以P1潜伏期为因变量的多元方差分析结果显示,Fz、Cz、CPz、Pz和Oz上均不存在视野 和组别主效应, 仅在Oz显示出空间位置与组别间存在显著的交互作用 (F3, 44=3.010, P0.05 。 以P1波幅为因变量的多元方差分析结果显示, 只有Cz (F3,44=4.184, P0.05 和CPz (F3,44=4.471,P0.05上存在显著的组别主效应;其它电极记录点上既不存在视

11、野和组别主效 应,也不存在视野与组别的交互作用。结果表明,运动员与普通大学生进行空间知觉选择反应所诱发的 P1成分的差异仅表现 在波幅上。3.2.2 N1成分在头皮后部脑区诱发出明显的 N1,本研究选取左右枕叶区的 PO3和 PO4,左颞叶区的 P5和中部枕叶区的 POz,以及前后枕叶区的 Pz 和 Oz 六个电极记录点进行叠加处理。 以N1潜伏期为因变量的多元方差分析结果显示,PO3(F3,44=5.191,P0.01和P5(F3,44=8.572,P0.001上存在显著的视野主效应;进一步多重比较结果表明:无论是运动员还 是普通大学生,对右视野(右上和右下视野刺激进行选择反应时出现N1成分

12、的时间要明显早于左视野(左上和左下视野 。但没有发现组别主效应,视野与组别之间也不存在显著 以N1波幅为因变量的多元方差分析结果显示,POz(F3,44=3.529,P0.05 、PO3(F3,44=3.802,P0.05 、PO4(F3,44=3.903,P0.05和P5(F3,44=5.726,P0.01上存在显著 或非常显著的视野主效应; 进一步的多重比较结果表明:无论是运动员还是普通大学生, 对右视野刺激进行选择反应时,在左顶区(P5诱发的N1波幅要高于左视野;对下视野刺激 进行选择反应时,在顶枕区(PO3、POz、PO4诱发的N1波幅高于上视野。多元方差分析结 果还显示,POz(F3

13、,44=6.596,P0.05 、PO3(F3,44=17.930,P0.001 、Oz(F3,44=7.014, P0.05和P5(F3,44=5.925,P0.05上存在显著或非常显著的组别主效应;但在六个电极 记录点上没发现视野与组别之间存在显著的交互作用。结果表明,运动员与普通大学生进行空间知觉选择反应所诱发的 N1成分的差异仅表现 在波幅上。3.2.3 P2和 N2成分普通大学生和运动员进行空间知觉选择反应时,在 Pz 电极记录点上所诱发的 P2和 N2的总平均图显示(如图 1所示 。对上视野刺激进行选择反应时,运动员头皮的枕区、顶区、 中央区诱发了明显的 P2和 N2成分; 普通大

14、学生只诱发了 P1、 N1和 P300成分, 未见明显的 P2和 N2成分。与此相反,对下视野刺激进行选择反应时,普通大学生头皮的枕区、顶区、 中央区诱发了明显的 P2和 N2成分,而运动员只见 P1、N1和 P300成分,未见明显的 P2和 N2成分。 图 1 Pz电极记录点不同视野空间知觉选择反应的 ERP 总平均图3.2.4 P300成分在头皮后部脑区诱发出明显的 P300,本研究选取顶枕区的 PO3、POz 和 PO4,枕区的 Pz 4以P300潜伏期为因变量的多元方差分析结果显示:Pz(F3,44=4.990,P0.05 、POz(F3,44=8.134, P0.01 、 Oz (F

15、3,44=5.698, P0.05 、 PO3(F3,44=4.616, P0.05 和PO4(F3, 44=8.999, P0.01诱发的P300潜伏期存在显著或非常显著的组别主效应;但没有发现视野主效应,视野与组别之间也不存在显著的交互作用。以P300的波幅为因变量的多元方差分析结果显示, 除Pz外, POz (F3,44=5.418, P0.05 、 Oz(F3,44=8.175,P0.01 、PO3(F3,44=9.782,P0.01和PO4(F3,44=5.716,P0.05诱发 的P300波幅上均存在显著或非常显著的组别主效应;但也没有发现视野主效应,视野与组 别之间也不存在显著的

16、交互作用。结果表明,运动员与普通大学生进行空间知觉选择反应所诱发的 P300成分的差异既表 现在潜伏期上也表现在波幅上。4.分析与讨论4.1 运动员的刺激识别特征Vogel&Luck(2000 研究认为, N1反映了注意焦点内的识别过程 1。 罗跃嘉等人 (2001 在评估注意空间等级效应及其脑活动机制的研究中发现,P1波幅的增加可能反映了在促进 靶识别时,适当注意范围的空间等级变化需要额外的运算资源;而N1波幅的减少可能反映 了较大提示范围对注意焦点分散的结果 2。可见,P1和 N1成分反映了对靶刺激特征的识别过程。研究发现,运动员和普通大学生 的 P1、N1峰潜伏期是没有差异的,说明两者对

17、靶刺激特征进行识别的心理过程在时间上的 变化具有一致性。 由于本研究中的靶刺激特征是不变的, 仅仅是刺激出现的空间位置发生变 化,所以运动员和普通大学生在对靶刺激进行识别的心理过程上没有差异。但运动员的 P1、 N1波幅峰值却明显小于普通大学生,说明两者对靶刺激特征进行识别所动用的心理能量是 不同的, 普通大学生要占用较多的心理运算资源。 产生这一差异的原因可能与运动员长期从 事运动专项训练有关。对于对抗性项目而言, 运动员无时无刻不处在复杂多变的运动情境中, 并对可能有用的 运动信息(对手动作、场地情况等进行搜索和知觉(预测 ,以做出有效的判断和决策。 相对于复杂的运动情境而言, 运动员进行

18、本研究中的简单空间知觉选择反应时自然要比普通 大学生需要的心理运算资源要少得多。 因此, 运动员和普通大学生进行靶刺激的识别仅存在 心理能量消耗上的差异。本研究结果还表明,无论是运动员还是普通大学生,下视野和右视野刺激所诱发的 N1波幅明显高于上视野和左视野。这一结果提示,N1的波幅与刺激属性存在密切关系,即下 视野和右视野产生的 N1波幅大于上视野和左视野。4.2 运动员的空间知觉特征关于 P300反映何种具体认知过程,目前还存在不同意见。一种观点认为,P300代表知 觉任务的结束,也就是说,P300代表对某种刺激加工的抑制。另一种观点认为,P300的潜5 伏期与认知加工过程中评估与分类的完

19、成有关， 即反映的是对刺激物的评价或分类所需要的 时间，而 P300 的波幅则与工作记忆中表征的背景更新有关。笔者认为，在本研究的空间知 觉选择反应中，主要涉及的心理过程有刺激的识别、空间位置知觉及选择反应等，并未有记 忆、思维决策等复杂心理过程的参与，所以，P300 的潜伏期代表着对刺激空间位置知觉的 结束以及动作选择反应的开始。 本研究结果表明，运动员进行空间知觉选择反应的反应时明显快于普通大学生；P300 峰潜伏期明显短于普通大学生。综合行为数据和 ERPs 结果可以看出，运动员知觉刺激空间 位置的速度显著快于普通大学生； 加上运动员在长期专项训练中使神经肌肉系统形成了快速 的动作时，所

20、以，运动员进行空间知觉选择反应的反应时间明显短于普通大学生。 另外，解恒革等人（2002）的听觉P300 研究表明，P300 波幅与注意水平密切相关，它 反映了注意资源对靶刺激的分配强度 。 本研究显示， 运动员的P300 波幅峰值显著低于普通 大学生。 可见， 运动员知觉刺激空间位置并进行选择反应过程中所占用的注意资源和动用的 心理能力明显少于普通大学生。 这可能与运动员长期从事专项训练有关。 相对于日常以学业 任务为主的普通大学生而言， 运动员完成的空间知觉位选择反应模式与其在实际运动情境中 完成运动任务时所发动的知觉选择模式相类似， 所以其在完成空间位置知觉选择反应时所需 要的动作记忆中

21、的表征更新程度要明显小于普通大学生， 因此其完成空间知觉选择反应时所 占用的注意资源较少，消耗的心理能量也就不多。 3 4.3 运动员的知觉策略特征 P2 和N2 作为视觉认知加工的早期ERPs成分，可能与视觉加工的早期阶段注意、特 征觉察和冲突知觉等有关。高文斌等人（2002，2004）在注意范围对视觉空间注意影响的脑 神经机制研究中指出，注意范围对视觉信息加工的影响主要反映在P2 成分，P2、N2 成分与 视觉注意范围加工有关；P2 波幅反映了视觉注意集中的程度，N2 则明显受注意范围的调节 4,5 。 本研究发现，运动员对上视野刺激进行空间知觉选择反应时诱发了明显的 P2 和 N2，而

22、普通大学生则对下视野刺激进行空间知觉选择反应时诱发了明显的 P2 和 N2。这可能与他们 在日常训练和学习生活中所形成的知觉策略是不同的有关。 对抗性项目运动员在训练和比赛 中，要求注意范围适当宽广，对已经发生的和正在发生的有用的运动信息进行选择和注意， 利用主要处于上视野中的有效运动信息（对手的身体姿势、器械的运动方向和速度、球的运 动轨迹等） ，预先做出动作选择和判断决策，以有效应对对手的进攻。所以，运动员只在上 视野出现靶刺激时诱发了明显的 P2 和 N2，说明对抗性项目运动员在进行空间知觉时更多采 用的是注意指向上视野的知觉策略， 因而上视野刺激占用了较多的注意资源。 而普通大学生 日

23、常完成的多是学科作业和考试任务，注意更多集中于当前任务（数字或文字）处理上，注 意范围比较狭窄，其注意的移动和转换方向通常是至上而下、从左至右的。因此，普通大学 生只在下视野出现刺激时诱发了明显的 P2 和 N2，说明普通大学生在进行空间知觉时更多采 用的是注意指向下视野的知觉策略，因而下视野刺激占用了其较多的注意资源。 另外， 本研究结果也提示我们， 一个人在特定情境中形成的知觉策略是可以迁移的其他 6 情境中的， 也可以说， 人在不同情境中对可能出现的刺激物的注意指向的脑神经活动机制是 具有一致性的，不过这还需做进一步的研究以获取更多的有力证据。 5结论 综上所述，在进行空间知觉选择反应任

24、务中，运动员诱发的 P1、N1 和 P300 的波幅峰值 明显小于普通大学生，P300 的峰潜伏期也明显短于普通大学生。说明运动员与普通大学生 对不同空间位置刺激进行识别的心理过程在时间进程上没有差异， 两者动作反应时的差异主 要是由空间知觉速度、知觉策略的应用和肌肉的动作时的不同造成的。而且，运动员在对不 同空间位置刺激进行识别、知觉和选择反应的过程中，都表现出了心理能量“节省化”的趋 势，这些特点对于竞赛强度相当大的对抗性项目来讲尤为重要。 另外，在对运动员知觉能力评价和诊断的过程中，除采用相应的外显行为测量数据外， 还应借鉴用于评价内隐认知过程的 ERPs（P1、N1、P2、N2 和 P

25、300）等电生理指标的测量结 果，以从行为和机能两个层面上得出科学结论。 参考文献 1 Vogel E K， Luck S J visual N1 component as an index of a discrimination process J The Psychophysiology， 2000，37：190-203 2 罗跃嘉，Parasuraman R早期 ERP 效应揭示视觉注意空间等级的脑调节机制J心理学报，2001，33 （5） ：385-389 3 解恒革，王晓红，王鲁宁注意状态对事件相关电位的影响研究J中国心理卫生杂志，2002，16（2） ： 94-95，111 4 高

26、文斌，魏景汉，彭小虎，等位置提示与汉字提示视觉注意范围的脑机制差异J航天医学与医学 工程，2003，16（1） ：14-18 5 高文斌，魏景汉，彭小虎，等位置提示下视觉注意范围的调控机制J心理学报，2004，36（2） ： 139-144 Study on the Characteristics of Brain Nerve Activity of Spatial Perception of Athletes Zhou Chenglin，Feng Yan College of Exercise and Sport Science，Shanghai University of Sport, S

27、hanghai, China（200438 Abstract Adopted with the study mode of Reaction Times and the technique of Event-related Potentials(ERP, the paper compared the difference of the reaction times, accuracy rate，latency，amplitude of ERP components of athletes and undergraduate students during the process of choice reaction to stimuli which were presented at different field of vision, in order to explore the variety characteristics of brain nerve activity of spatial per