不同刺激呈现条件下乒乓球运动员运动激活水平的研究

不同刺激呈现条件下乒乓球运动员运动激活水平的研究

德国神经科学家汉斯韦瑞在1924年发现了脑电站，并对其进行了详细的解释。经过几十年的发展,对脑电的分析已经积累了大量的经验。目前,有多种电生理测量方法可从网络水平来监测大脑神经元之间的活动,脑电图(electroencephalogram,EEG)是其中常用的一种方法。脑电图记录四种简单周期波,即α,β,δ,和θ波,并用频率(Hz)和振幅来标定这些波,其频率和振幅分别为δ(l-3Hz)、θ(4-7Hz)、α(8-13Hz)、β(14-30Hz)。20世纪50年代初期,EEG技术开始应用于运动实践中。由于EEG良好的时间分辨率以及设备轻便性等优势而成为了显示认知及运动操作前、过程中和操作后的脑活动情况的方法性工具。近些年来,随着人类对于脑神经科学知识的增加和计算机技术的发展,从EEG信号中提取与心理任务相关的模式成为可能。脑电活动与脑区域、脑状态有着密切的关系,是了解人脑信息处理过程的一种极为重要的形式。运动对大脑皮质活性的研究为运动影响认知状态提供了客观的、生物学的依据。大部分研究运动对大脑皮质活性的作用都使用了EEG指标,目前,运动领域中对EEG的研究主要集中在其影响因素上。除了研究神经心理状态、疲劳或过度训练、运动负荷、运动项目、表象等因素对EEG的影响外,研究者们对不同训练水平运动员的EEG特点也进行了广泛的研究。随着训练水平的提高,运动员的脑功能是否会产生相应的变化?研究者们采用了不同状态下(如安静状态、表象或运动状态)的专家-新手研究范式对此问题进行了探讨。Haufler等人的研究表明,与高水平的射击运动员相比,新手左半球的α频段的功率值降低,β和γ频段的活动增加,而右半球没有表现这种差异。新手射击时右脑α频段的功率值变化与完成空间任务时相似。更有趣的是,高水平运动员各脑区的α频段的功率值都比新手高,尤其是左颞(T3)。但当需要在动作任务和另一个需要同时完成的绩效任务进行注意分配时,α波的同步性降低。有研究发现专家与新手之间在安静状态下大脑的神经活跃程度相似,在运动表象过程中大脑左右半球并没有出现大脑侧性优势。专家与新手的差异出现在大脑左额极区(FP1)、左中央区(C)、左顶区(P)。Kerick等人进行了手枪射击大脑皮层纵向的追踪研究,发现被试在训练后,整个大脑皮层的兴奋性呈下降趋势,其中左颞表现的最明显。Cremades的高尔夫推杆研究表明专家和新手在操作一样任务时需要不同的?活动,与新手组相比,专家在枕部位置上产生的低波段(8-l0HZ)功率更高。此外,何洋等人的研究发现,在表象竞赛时,运动员的α波指数都有显著下降,且随训练水平的提高,α波指数被抑制的程度也更高。但同样以高、低水平射击运动员为被试的Janelle等人的研究结果却没有支持以上结果。低水平运动员的左、右脑半球的α频段功率值均增加。此外,鲍迈斯特等人的研究发现,与新手相比,专家表现出较高的前额区α功率值和较高的顶叶α功率值。而JamesV.Hardt博士记录了不同级别的禅修者打坐时EEGα波的变化情况,也发现随着修炼年限的增加,其α波波幅提高而频率减慢。也有研究得出了不同水平运动员之间脑α波类型无显著性差异的结论。一项对射击运动员的研究发现,高水平运动员只是表现出了较高的协同趋势和稳定度。另一项对自行车运动员的研究也表明,二级和健将级运动员之间的α指数在安静和表象状态下均无差异,只是二者的脑电活力比值(β/α,%)在表象时存在差异。以上运动领域中关于EEG的研究,绝大多数是在实验室条件下进行的,但实验室条件下测得的EEG与实际运动情境中的EEG是否一致?有研究比较了实验室条件与现场条件下的高尔夫推杆时的EEG。研究结果表明实验条件下获得的脑活动模式与现场条件下获得的脑活动模式是相似的,但并不完全相同。此外,也表明可以将EEG分析作为分析现场条件下高尔夫运动时脑活动的可靠方法。但是,考虑到EEG测量中仍然存在一些疑难问题,现场条件下进行EEG测量仅限于相对静态的运动项目。此类实验研究有待进一步加强。刺激呈现方式无疑会对大脑活动产生影响,但目前关于刺激呈现方式对大脑活动影响的研究并不多见,已有的少数研究主要集中在刺激呈现方式对注意、记忆等方面的影响上。一项对认知任务和刺激呈现方式调节表情面孔加工的ERP研究发现,在非注意状态下,人们不能对没有进入注意范围的刺激进行加工,对视野中心呈现的进入注意范围但认知任务不要求反应的刺激,人们会根据注意资源的占用情况来分配处理。而在注意状态下,人们对视野中心呈现的进入注意范围但认知任务不要求反应的刺激进行反应时会根据注意资源的占用情况来分配处理。关于刺激呈现方式对记忆的影响,有研究发现被试在按列进行报告时,全部报告法和部分报告法的成绩都低于按行进行报告的成绩。关于屏幕大小对视觉搜索、目标觉察及决策的影响,有研究指出大屏幕优于小屏幕,如Tan等研究发现在空间定向任务中被试在大屏幕上的绩效优于在小屏幕上的。一项视觉搜索的研究认为与小屏幕相比,从大屏幕上能获得更多的对决策有用的空间或关系信息且被试在大屏幕上的注视点更少但注视时间更长。然而有研究认为屏幕大小对视觉搜索、决策并无差异。由前人的研究我们可以看出,运动领域中对神经心理状态、疲劳或过度训练、脑损伤、运动负荷、运动项目、表象、训练水平等因素对EEG的影响进行了广泛的研究并取得了丰硕的研究成果,这为我们更好地理解运动活动的脑机制奠定了基础。EEG反映的是大脑皮层神经元的活动规律,而刺激呈现方式能影响大脑的活动情况,但目前运动领域中还没有关于刺激呈现方式对运动员EEG影响的研究。本研究拟采用视频播放形式,通过直接呈现不同尺寸的真实比赛视觉刺激来研究普通大学生和运动员脑电α,β,θ波的变化情况,分析不同刺激呈现方式下普通大学生和运动员EEG的活动特点,挖掘在不同刺激呈现方式下EEG所蕴藏的信息,以丰富运动领域中EEG的研究,为深入理解运动活动中的脑机制提供参考。1方法1.1体育等级的性别差异共有19人参加本实验,分为专家组和新手组。专家组为9名乒乓球专业运动员,运动等级为国家二级;新手组为10名上海体育学院普通大学生。所有被试均为男性。经由初步的讯号检查及频谱分析发现,有2名运动员和1名普通大学生的原始脑波资料含有太多的伪迹,将其抛弃,因此本研究分析剩下的16人的资料。1.2实验参数设置德国BrainProducts公司生产的64导脑电测试系统记录EEG信号。本研究使用国际10-20系统安放电极。参考点为FCz,另以AFz为接地点。所有电极的电阻保持在10KΩ以下。两台实验控制的计算机,一台用于执行控制命令,一台用于呈现刺激材料。显示器为17英寸(1024×768分辨率,刷新频率为100Hz)的DELL液晶显示器。一个1.7m×1.7m的幕布。1.3实验刺激材料选取2008年广州乒乓球世界锦标赛女子团体半决赛中郭跃对姜华这场比赛,剪辑制作实验刺激材料。分为发球、接发球、第三拍、第四拍、相持球5个片段,共4分21秒。1.4u3000条件采用2运动水平(专家组、新手组)×2刺激条件(1.7寸显示器、1.7m×1.7m的幕布)。实验因变量为经过FFT转换过的α、β、θ三个频率带的各自的积分(Hz×μV)。1.5实验2.设计参数3:按照规定的学习参数,按照任意键和作业前的使用，被试和继续实验让被试坐在屏蔽的实验室内进行实验。被试下颌放在眼动仪U型托上,保持头部不动,此位置被试距离小屏幕70cm左右,距离幕布3m左右。实验参与者经过实验者介绍研究目的后进行电极放置。本研究的脑波电极使用电极帽佩戴。每次正式实验前,有一小段指导语“你下面将看到国家女乒队员郭跃的比赛视频,在视频播放过程中,你不需要做出任何反应,身体尽量保持不动”,被试看完指导语后按任意键即开始正式实验。正式实验中,有音响设备播放轻快音乐。1.6analyze脑电分析将64个点按照大脑的额叶、顶叶、颞叶和枕叶几个区域分成额区、顶区、颞区和枕区分别进行分析。对原始EEG数据采用VisionAnalyzer脑电分析软件去除眼点和50Hz以上的市电,然后经过快速傅里叶转换(FFT),把原始数据切割成几个独立的频率带。本研究分析α、β、θ三个频率带(即8-13Hz、14-30Hz、4-7Hz)在额区、顶区、颞区和枕区以Hz为横轴,μV为纵轴坐标上的积分。采用SPSS17.0和MicrosoftOffice2003对所有实验数据进行处理。2结果2.1实验结果和分析2.经检验,专业运动员和普通大学生在两种刺激呈现条件下额区β波方差不齐,故仅研究额区的α波和θ波。如表1所示,额区α波、θ波在屏幕大小、运动水平及交互作用主效应皆不显著。将额区所在的电极点分为左右两个半球,然后进行统计,如表2所示,额区左脑α波激活水平(=0.087)高于右脑激活水平(=0.064),并表现出显著性(P<0.05);额区左脑θ波激活水平(=0.091)高于右脑激活水平(=0.064),并表现出显著性(P<0.05)。从表3的数据可以看出,在实验处理期间,顶区α波在运动水平上的主效应显著(F=10.585,P<0.01),θ波在运动水平上的主效应显著(F=5.203,P<0.01)。β波在屏幕大小与运动水平的交互作用主效应显著(F=8.770,P<0.01)。进一步对交互作用检验发现,普通大学生和运动员在观看大小两个屏幕时β波激活水平有明显差异,大学生在观看大屏幕时顶区β波较小屏幕时的激活水平明显上升,而运动员则呈下降趋势(图1)。从表4的数据可以看出,在实验处理期间,颞区α波在运动水平上的主效应显著(F=8.409,P<0.01),θ波在运动水平上的主效应显著(F=4.868,P<0.05)。β波在屏幕大小与运动水平的交互作用主效应显著(F=19.082,P<0.01)。进一步对交互作用检验发现,普通大学生和运动员在观看大小两个屏幕时的β波激活水平有明显差异,大学生在观看大屏幕时顶区β波较小屏幕时的激活水平明显上升,而运动员则明显下降(图2)。从表5的数据可以看出,在实验处理期间,枕区α波在运动水平上的主效应显著(F=13.277,P<0.01),θ波在运动水平上的主效应显著(F=9.343,P<0.01)。β波在屏幕大小与运动水平的交互作用主效应显著(F=9.293,P<0.01)。进一步对交互作用检验发现,普通大学生和运动员在观看大小两个屏幕时β波激活水平有明显差异,大学生在观看大屏幕时顶区β波较小屏幕时的激活明显上升,而运动员则呈下降趋势(图3)。2.2大学生波与波运动水平的主效应分析从结果中可以看出,三个脑区的α波和θ波只在运动水平的主效应上有显著差异。进一步对三个脑区的α波和θ波的运动水平主效应分别进行t检验分析。从表6的数据可以看出,运动员在顶区、颞区和枕区的α波的激活量的均值均比大学生的要高,并且两者表现出显著性差异。从表7的数据可以看出,运动员在顶区、颞区和枕区的θ波的激活量的均值均比大学生的要高,并且两者表现出显著性差异。3大学生对波的激活本研究分析大脑各部位所对应电极位置的α、β和θ经快速傅里叶转换之后的数值,旨在分析不同视觉刺激下大脑各部位、各频率活动的关系。在数据处理之前将所有电极点按照其在头皮上的分布分为了额区、顶区、颞区和枕区,经过频谱分析和数据统计之后,额区α波和θ波在运动水平和屏幕大小两个水平上都没有表现出差异。大脑额叶的α功率和情感有密切关系,左侧额叶的活性与积极的情感有关,而右侧额叶的活性与回避状态和消极情感有关。此外,Kerick,Douglass和Hatfield等人的研究表明,在视觉-空间任务前α波功率的增加会使绩效更好。对射击、击剑等项目新手的研究表明,大脑左右两个半球的α波不同的功率与任务成绩提高有关。因此,我们又将额区的所有电极点分为了左右两个部分,结果显示,大脑额区左半球的激活水平显著高于右半球。这可能与我们选择的是赢球视频有关,被试在观看视频时处于一种积极的情绪状态,因而额区左半球脑波被明显激活。一般认为,睁眼、收到声音刺激或进行思考时,会出现β波,尤其是在额区、颞区、顶区表现最为明显。β波的出现一般表示大脑皮层处于兴奋状态。在测试过程中,两组被试的β波在顶区、颞区和枕区均出现了大小屏幕与运动水平的显著交互作用。大学生在观看大屏幕时的β波激活水平显著高于观看小屏幕时β波激活水平,而运动员在观看大屏幕时β波激活水平却比小屏幕时低。心理扫描研究揭示了表象完全具有类似于方位知觉的特点,它不仅可以反映外部世界的全貌,而且能反映事物的细节。它显示个体可以运用表象对周围世界的大小、方位、深度等进行细致有效的扫描,进而帮助学习者在头脑中对运动场地、距离、大小等进行心理预测。运动员在观看大屏幕时β波的激活水平不如小屏幕时的高,可能由于运动员对于大屏幕呈现的视觉刺激的视觉搜索比小屏幕呈现时的更加容易,也说明了运动员更加简单高效的视觉搜索方式在大屏幕呈现条件下表现的更为明显。而普通大学生的视觉搜索是杂乱的,没有什么规律的,当被试在观看大屏幕呈现的视觉刺激时,可能是由于对于增加的资源量,被试也要相应地增加认知资源进行加工,导致了这三个脑区β波激活水平在观看大屏幕时要比观看小屏幕时高。但在额区,β波在统计分析上出现方差不齐的现象,产生的原因可能由于额区与人的情感和思维有密切关系,在视频播放过程中被试的情绪变化可能会引起大脑皮层活动的变化,但这种变化不一定是由β波表现出来的。无论观看大屏幕呈现的刺激还是小屏幕呈现的刺激,运动员α波的激活量都要比普通大学生的要高,并且差异显著。α波活性的增加可能是因为皮层下神经元的活动抑制了大脑