徐立彬 李安民 劉玉

摘 要：近期國外采用無創(chuàng)傷、非侵入的神經(jīng)生理學(xué)（EEG、MEG、TMS）和神經(jīng)影像學(xué)（fMRI）的方法，研究視覺、聽覺、軀體感覺（觸覺）刺激的認知加工過程及運動準(zhǔn)備、執(zhí)行和表象的運動認知加工過程。結(jié)果表明，運動員之所以比非運動員反應(yīng)更精確、更有效率、更加自動化，是由于在長期的運動訓(xùn)練和比賽中，運動員大腦發(fā)生了可塑性、適應(yīng)性的變化導(dǎo)致大腦神經(jīng)加工效率提高。然而，這種現(xiàn)象的神經(jīng)機制目前尚不清楚，研究不同項目運動之間的差異及大腦結(jié)構(gòu)、功能與訓(xùn)練強度、時間之間的相關(guān)性可能是未來的研究方向。

關(guān)鍵詞： 運動員大腦；EEG；TMS；fMRI；神經(jīng)效率及可塑性

中圖分類號： G 804.2 文章編號：1009-783X（2013）06-0566-07 文獻標(biāo)志碼： A

Efficiency and Plasticity of the Brain Nerve of Elite Athletes

XU Libin1，2，LI Anmin1，LIU Yu2

Abstract：This thesis will review the researches on the brain of athletes based on data obtained using non-invasive neurophysiological （EEG，MEG，TMS） and neuroimaging （fMRI） methods.These data were applied to the research of cognitive processing of visual，auditory，and somatosensory （tactile） stimulation as well as to motor processing，including preparation，execution and imagery.The results show that athletes are more accurate，more efficient and more automatic in their sports performances than non-athletes.The mechanisms are underlying the plastic adaptive changes of the brains of athletes during extensive daily physical training and competitions.The neural efficiency has been improved increasingly.However，the neural mechanisms about this phenomenon are not clear.In the future，the discrepancy of different sport events and the relevance between athletes brain structure，function and intensity，time of training should be studied continuously.

Key words：brain of the athletes；EEG；TMS；fMRI；neural efficiency and plasticity

收稿日期：2013-01-08

基金項目：2012年上海體育學(xué)院研究生創(chuàng)新培育基金項目

（yjscx2012009）；2009年教育部人文社會科學(xué)研究項目（09YJCZH017）；2009-2010年度安徽省哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃項目（AHSK09-10D123）；2013年度阜陽師范學(xué)院科研項目及省級科研機構(gòu)校級委托專項課題（2013WSZX03）。

作者簡介：徐立彬（1980-），男，吉林樺甸人，在讀博士研究生，講師，研究方向為體育運動心理學(xué)；李安民（1964-），男，湖南雙峰人，教授，研究方向為運動認知與信息加工；劉玉（1973-），男，安徽渦陽人，碩士，教授，研究方向為體育社會學(xué)。

運動員怎樣控制自己的動作？運動員和非運動員相比其大腦功能有什么不同？非運動員的大腦經(jīng)過多長時間能夠變成像運動員那樣的大腦？無論對于運動員、教練員還是運動學(xué)家，這些問題都倍受關(guān)注。人們普遍認為運動員在專項運動操作過程中表現(xiàn)得更加快速、有力、更加準(zhǔn)確、更有效率、更有堅持性、更加自動化。實際上，運動員的這些優(yōu)異表現(xiàn)均依賴于神經(jīng)系統(tǒng)的功能活動，使正確的肌肉在正確的時間、以正確的順序被激活[1]。神經(jīng)效率假說（neural efficiency hypothesis）認為，長期系統(tǒng)的運動訓(xùn)練使運動員大腦在結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生可塑性變化，導(dǎo)致神經(jīng)效率提高[2]。神經(jīng)效率是指個體更為高效的皮層功能，通常表現(xiàn)為更好的操作績效和更低的皮層激活程度；神經(jīng)可塑性是指通過專業(yè)領(lǐng)域長時間的訓(xùn)練促使大腦發(fā)生的結(jié)構(gòu)和功能上的改變[3]。但是運動員大腦神經(jīng)環(huán)路的可塑性與適應(yīng)性的變化機制還不是很清楚，因此，運動學(xué)家有必要提供更多的證據(jù)來支持這一假設(shè)。近年來，隨著認知神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，研究者開始運用神經(jīng)生理學(xué)（EEG、MEG、TMS）和神經(jīng)影像學(xué)（fMRI）等先進技術(shù)探測運動員強大認知功能神經(jīng)機制，試圖揭開運動員大腦的奧秘。這些技術(shù)用來研究視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺刺激的認知加工過程及關(guān)于人類運動準(zhǔn)備、執(zhí)行和表象的認知加工過程。典型的研究是采用專家-新手范式比較他們之間大腦加工活動的不同，這些研究是基于這樣的假設(shè)：運動活動和許多神經(jīng)生理特點相聯(lián)系。例如靈活的行為適應(yīng)性是通過在多變的環(huán)境中的運動操作獲得的[4]。這些適應(yīng)性包括復(fù)雜的、同步的神經(jīng)活動，例如知覺、刺激辨別、決策、多模式的整合，運動準(zhǔn)備和執(zhí)行。另外，注意狀態(tài)也對行為在時間和空間上的精確性起著重要作用，選擇性注意的快速轉(zhuǎn)移和成功的操作存在密切的相關(guān)性[5]。

運動員的大腦為研究神經(jīng)可塑性提供了良好的素材；因為運動員在很小就開始了長期的訓(xùn)練，并且一直貫穿整個運動生涯。運動技能學(xué)習(xí)及相關(guān)的運動能力是在長期的、重復(fù)性的運動訓(xùn)練過程中獲得的。對動物大腦的研究表明：長期的、重復(fù)性的運動訓(xùn)練會導(dǎo)致主要初級運動皮層（primary motor cortex，MI）[6]、突觸的神經(jīng)元動員比率發(fā)生適應(yīng)性的改變[7]，而其還會導(dǎo)致大腦皮層地形發(fā)生變化[8]，類似的結(jié)果在感覺皮層區(qū)也被發(fā)現(xiàn)。例如，訓(xùn)練猴腦辨別不同頻率的聽覺刺激的研究發(fā)現(xiàn)，對訓(xùn)練過的頻率反應(yīng)的聽覺皮層區(qū)擴大，而沒有被訓(xùn)練的頻率的聽覺皮層區(qū)面積減小。學(xué)習(xí)依賴型的變化（learning-dependent）在動物大腦的研究中得到了大量的證據(jù)，但是，運動員大腦的神經(jīng)科學(xué)研究仍舊是必需的。因為運動技能代表了人類高難度的技能，反映了人腦高級的認知加工過程，所以，研究運動技能的獲得、計劃與完成過程的腦神經(jīng)機制勢必成為當(dāng)前的熱點。

因此，本文將主要從運動相關(guān)的神經(jīng)活動、感知覺相關(guān)的認知加工過程、EEG光譜功率分析和高度功能整合的ERPs和fMRI數(shù)據(jù)，來評述近年來對優(yōu)秀運動員和非運動員大腦活動非侵入性研究現(xiàn)狀，并在這些研究進展的基礎(chǔ)上，指出運動科學(xué)在該領(lǐng)域研究面臨的一系列問題以及未來的研究方向。

1 運動相關(guān)皮層區(qū)電位

1.1 運動相關(guān)皮層電位

運動相關(guān)皮層電位（motor-related cortical potentials，MRCPs）是用EEG記錄到的在隨意運動之前的峰值信號，它反映了運動準(zhǔn)備加工過程。這些電位開始于一個緩慢升高的負波，稱為準(zhǔn)備電位（bereitschafts potential，BP）和隨后變負的陡波，大約在運動開始前500 ms左右稱為負斜坡電位（negativity slope，NS）。MRCPs的信燥比隨著平均時間進程而提高，并且已經(jīng)在手指、腳和舌頭、下巴的隨意運動中被記錄到。MRCPs主要產(chǎn)生在運動相關(guān)的區(qū)域，也就是說BP 和 NS′主要產(chǎn)生于輔助運動區(qū)（SMA） 、前輔助運動區(qū)（pre-SMA）、背側(cè)運動前區(qū)（dorsal premotor area，PM）、對側(cè)MI、主要軀體感覺區(qū)（SI）、前扣帶皮層（ACC），以及包括基底神經(jīng)節(jié)和丘腦的皮層下結(jié)構(gòu)。

Kita等[9]首先記錄到運動員的MRCPs。他對4名日本劍道、2名體操運動員和9名非運動員的研究發(fā)現(xiàn)，在手腕伸出之前，運動員MRCPs 潛伏期比非運動員短，波幅比非運動員小。運動員的MRCPs產(chǎn)生于手腕肌電反應(yīng)之前的400 ms，并且快速增加，而對于非運動員，MRCPs開始于肌電反應(yīng)之前的1 500～2 000 ms。這說明，運動員的大腦皮層功能活動效率較高，功率消耗少，同時也表明通過長期的運動訓(xùn)練運動員大腦的神經(jīng)環(huán)路變得更加特殊。

Di Russo等[10]在此項研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，右利手優(yōu)秀射擊運動員的右手操作活動的MRCPs波幅比非運動員小，但是左手沒有發(fā)現(xiàn)這一差異，這進一步表明了是運動訓(xùn)練導(dǎo)致了神經(jīng)效率的提高。Del等[11]記錄了11名擊劍運動員、11名空手道運動員和11名非運動員的MRCPs。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，非運動員比運動員的MRCPs波幅更高，但是空手道運動員同側(cè)半球的波幅比擊劍運動員和非運動員高。這就是說，空手道運動員兩側(cè)半球都得到了發(fā)展，而擊劍運動員和非運動員卻沒有。這些結(jié)果同樣表明優(yōu)秀運動員的神經(jīng)效率與運動訓(xùn)練息息相關(guān)。

運動員MRCPs的研究結(jié)果，已經(jīng)證明了運動相關(guān)皮層區(qū)（SMA、pre-SMA、PM、 MI、 SI和ACC及皮層下結(jié)構(gòu)）的神經(jīng)加工效率的存在，但是，這些結(jié)果可能受到諸如利手、運動項目和運動員經(jīng)驗的影響。建議未來的研究應(yīng)該通過比較運動員和音樂家的fMRI數(shù)據(jù)來證實這種神經(jīng)效率，目前這樣的研究設(shè)計未見報道。另外，先前的EMG研究也發(fā)現(xiàn)專家比新手的MRCPs開始時間早，暗示了真實的運動特點；所以，運動學(xué)家應(yīng)該通過觀察專家和新手在操作具有相同肌電活動的動作時的表現(xiàn)，來證實這種神經(jīng)效率是否真的是基于運動經(jīng)驗。

1.2 關(guān)聯(lián)性負變化

關(guān)聯(lián)性負變化（contingent negative variation，CNV）是一種事件相關(guān)電位，是指發(fā)生在警告刺激（S1）和目標(biāo)刺激（S2）之間的時間間隔之內(nèi)的波幅增長。CNV與運動準(zhǔn)備和與期望、動機、注意及喚醒的認知加工過程有關(guān)[12-14]。CNV至少由2個成分組成，一個是前額中央?yún)^(qū)主導(dǎo)成分（早期CNV），另一個是中央頂骨區(qū)主導(dǎo)成分（晚期CNV）。如前所述，MRCPs是在自發(fā)式隨意運動之前記錄到的，但不涉及與命令式刺激相關(guān)的認知加工過程。

迄今為止，只有1篇論文報告了運動員和非運動員之間的CNV差異。Hung等[15]記錄了15名男性乒乓球運動員和非運動員的CNVs。結(jié)果顯示，運動員的CNV波幅顯著大于非運動員。這一來自CNV的研究顯示，盡管在運動準(zhǔn)備期CNVs 和 MRCPs具有相似的波形，但是卻顯示出與MRCPs相反的神經(jīng)效益模式。CNVs 和 MRCPs出現(xiàn)這種差異的原因可能有2種解釋：一是CNVs和MRCPs的發(fā)生器（generators）不同。先前的研究表明，前額皮層、眼窩前額皮層、SMA、PM、 MI、 SI、扣帶回、顳葉、頂枕區(qū)、腦島和皮層下結(jié)構(gòu)（基底神經(jīng)節(jié)和丘腦）[16-19]和CNVs的產(chǎn)生相關(guān)。這也就是說，CNVs和MRCPs的差異主要是因為CNV發(fā)生器不僅包括運動相關(guān)皮層，而且還包括和高級認知加工過程相聯(lián)系的幾個區(qū)域。例如，前額皮層、顳葉和頂枕區(qū)，而MRCPs的發(fā)生器只包括運動相關(guān)皮層。第2個可能的原因是CNVs 和 MRCPs研究使用的是不同的運動員群體。這些研究對象既有運動員群體差異，又有運動項目、經(jīng)驗水平、年齡、性別和國籍之間的差異。因此，未來的研究應(yīng)該記錄同一群體運動員的CNVs 和 MRCPs來進一步證明這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

1.3 慢電位

使用大腦慢電位（slow potentials，SPs）的研究已經(jīng)證實了步槍射擊和打高爾夫球的運動準(zhǔn)備期，運動員認知心理、生理加工過程和大腦活動之間的關(guān)系。步槍運動員在射擊中采取站立的姿勢，使用時間鎖時（time-locked）EEG記錄SPs。SPs 和MRCPs在記錄時段和任務(wù)要求上存在差異。在扣動扳機前6～10 s分析SPs，而MRCPS是在肌電產(chǎn)生前的2～3 s記錄的。記錄SPs的優(yōu)勢在于它們比MRCPS有更長的持續(xù)時間，并且它們是與運動輸出和感覺輸入即刻的加工過程相關(guān)的ERPs。在基線出現(xiàn)之前持續(xù)增加的SPs負電位是運動準(zhǔn)備的反應(yīng)，而不斷增加的正電位則反映了神經(jīng)肌肉活動的抑制過程。

芬蘭Konttinen等[20]的研究證實了優(yōu)秀射擊選手和一般選手SPs的差異。優(yōu)秀射擊選手在步槍射擊的運動準(zhǔn)備期身體搖擺幅度較小，在前額電極（Fz）正電位更大，而一般選手在中央電極（C3和 C4）存在單側(cè)性負電位變化。這些研究結(jié)果暗示了優(yōu)秀射擊選手和一般選手運動認知加工過程的差異。

1.4 解剖學(xué)研究

神經(jīng)生理學(xué)和神經(jīng)影像學(xué)研究已經(jīng)表明，人類在通過短期的運動技能訓(xùn)練，就會產(chǎn)生大腦運動相關(guān)皮層區(qū)域的神經(jīng)激活。另外，研究運動員和非運動員大腦結(jié)構(gòu)的差異對于檢測神經(jīng)可塑性和長期訓(xùn)練的效應(yīng)是較為常用的。

Park等[21]研究19名男性籃球運動員和20名非運動員的全腦容量和全部及相關(guān)的皮層容量，沒有發(fā)現(xiàn)任何組間差異，但是，隨后對同一被試進行了額外的分析發(fā)現(xiàn)，籃球運動員比非運動員有更發(fā)達的小腦蚓部小葉（vermian lobules）VI-VII（小坡、葉片、結(jié)節(jié)）。這些研究結(jié)果表明，長期的運動訓(xùn)練和運動技能操作可能調(diào)節(jié)人類小腦蚓部小葉的結(jié)構(gòu)可塑性。

運動員大腦的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的推斷很多都是由對音樂家的大腦研究得來的。有研究表明，音樂家和非音樂家的胼胝體結(jié)構(gòu)、腦回、額下回（IFG）、顳平面（PT）、 布羅卡區(qū)和小腦存在結(jié)構(gòu)差異。另外，Amunts等[22]報告右利手鍵盤手有一個MI的左右半球?qū)ΨQ，在中央溝邊緣、中央前回的后囟壁比非音樂家長。

實際上，通過比較大量的關(guān)于音樂家大腦特點的解剖學(xué)研究就會發(fā)現(xiàn)，能證明運動員大腦特點的研究結(jié)果很少，所以，未來的研究應(yīng)該進一步弄清楚運動員由于長期訓(xùn)練造成的大腦結(jié)構(gòu)的變化。例如，和足球運動員的腳有關(guān)的MI 和 SI的大腦結(jié)構(gòu)是怎樣的？類似這樣的問題應(yīng)該研究。

2 運動員大腦對外部刺激的反應(yīng)電位

在該部分我們將比較運動員和非運動員對外部的視覺，軀體感覺、聽覺刺激等的大腦反應(yīng)。目前多數(shù)的研究已經(jīng)使用EEG獲得了刺激開始后的感覺誘發(fā)電位（sensory evoked potentials，EPs）。一般來說，人們很容易假設(shè)運動員和非運動員的波幅和潛伏期的差異，然而，這種差異卻并不總能被觀察到。

2.1 視覺誘發(fā)電位

視覺誘發(fā)電位（visual evoked potentials，VEPs）可以用來研究中樞視覺通路的視覺認知加工過程。一些論文已經(jīng)報告了運動員和非運動員VEPs的波幅和潛伏期的差異。Delpont等[23]記錄了24名網(wǎng)球運動員、24名皮劃艇選手和24名非運動員（控制組）的VEPs。結(jié)果表明，網(wǎng)球運動員比控制組和皮劃艇選手的P100潛伏期短，并且對24名壁球運動員的實驗研究也得到了類似的結(jié)果。這些結(jié)果表明，球類運動的長期身體訓(xùn)練調(diào)節(jié)著視覺認知加工過程。另外，對擊劍運動員的研究也得出了類似的結(jié)果[24]，而Magnié等[25]的研究卻發(fā)現(xiàn)自行車運動員和非運動員之間的VEPs沒有顯著性差異。

zmerdivenli等[26]比較了9名女性和7名男性排球運動員及9名女性和7名男性非運動員的VEPs。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，女性運動員和非運動員的N145成分的峰潛伏期和P100成分的峰波幅存在顯著性差異。Del等[27]研究了17名專業(yè)空手道運動員、14名業(yè)余運動員和15名非運動員在觀看籃球圖片和空手道攻擊圖片時的VEPs。結(jié)果顯示，非運動員在觀看2種圖片之后（刺激后300～800 ms）的晚VEPs成分沒有顯著性差異。業(yè)余空手道運動員在空手道攻擊圖片刺激后的300～450 ms的VEPs波幅顯著低于籃球圖片刺激后的波幅。專業(yè)空手道運動員在觀看空手道攻擊圖片刺激后的300～450 ms的VEPs的波幅比觀看籃球圖片刺激后的波幅出現(xiàn)了更為顯著的降低，但是在刺激呈現(xiàn)后的800 ms卻出現(xiàn)了更大的升高。以擊劍和空手道攻擊圖片為刺激材料的10名擊劍運動員的研究結(jié)果也與此類似。

這些研究結(jié)果表明，優(yōu)秀運動員（球類、擊劍、空手道）視覺認知加工的神經(jīng)活動受視覺通路的調(diào)節(jié)，這種神經(jīng)調(diào)節(jié)機制或許是因為某些運動項目的特殊要求。皮劃艇和自行車項目并不要求對視覺刺激的快速反應(yīng)，所以，在研究中并沒有發(fā)現(xiàn)這種調(diào)節(jié)機制。

2.2 軀體感覺誘發(fā)電位

時間鎖時EEGs對軀體感覺刺激的評價，是研究人類軀體感覺系統(tǒng)的有效方法之一。例如，軀體感覺誘發(fā)電位（somatosensory-evoked potentials，SEPs）是電刺激之后的末梢神經(jīng)電位。當(dāng)正中神經(jīng)在手腕被刺激時，短潛伏期的電位就能夠在大腦的皮質(zhì)下區(qū)域產(chǎn)生，這些電位是潛伏期20 ms左右出現(xiàn)的負波N20[28]。

Murakami等[29]分析了7名足球運動員、手球式墻球和非運動員的SEPs、脊髓SEPs和高頻振動（HFOs）。HFOs是在500～800 Hz帶通濾波器（bandpass filter）的條件下記錄的，HFOs起源于SI的布羅德曼氏區(qū)3b（Brodmanns area3b），是由丘腦投射纖維的突觸前活動和3b區(qū)的中間神經(jīng)元抑制活動構(gòu)成的[30]。對足球運動員后囟脛骨神經(jīng)刺激誘發(fā)P37-N45成分的波幅顯著大于非運動員，而手球式墻球運動員由正中神經(jīng)刺激誘發(fā)的N20-P25成分的波幅也顯著大于非運動員。足球運動員起源于囟脛骨神經(jīng)的HFOs的負峰數(shù)量和手球式墻球運動員起源于正中神經(jīng)的HFOs的波幅顯著大于非運動員，而脊髓SEPs在3組間沒有顯著性差異。

這些研究表明長期的運動訓(xùn)練所導(dǎo)致的軀體感覺皮層的可塑性變化與運動項目有關(guān)，而且運動員的這些變化主要集中在初級軀體感覺皮層（SI）的3b區(qū)，在脊髓水平并沒有出現(xiàn)這些變化。另外，還有3個針對音樂家的軀體感覺加工過程的研究，這些研究使用EEG技術(shù)和MEG（腦磁圖）技術(shù)記錄了SEPs。

上述研究表明，長期的運動訓(xùn)練導(dǎo)致手部SI特定代表區(qū)發(fā)生神經(jīng)可塑性變化。未來的研究應(yīng)該著眼于解決運動員軀體感覺加工過程的爭議問題。首先，目前大量的研究僅集中產(chǎn)生于SI 3b區(qū)的SEPs的N20成分上，并沒有分析P25、N35、P45、N60和前額N30這些成分，未來研究應(yīng)該進一步分析運動員與非運動員在這些成分上是否存在差異。第二，未來的研究應(yīng)該探尋二級軀體感覺皮層（SII）的特點，因為SII與注意、決策、痛覺和非痛覺信息的整合輸入等更高級的認知功能有關(guān)。第三，雖然前面的一些研究已經(jīng)使用MEG探尋了音樂家的手指SI特定代表區(qū)，但是沒有任何研究對運動員的這種大腦皮層代表區(qū)進行功能定位，這有待于今后進一步研究。

2.3 腦干聽覺誘發(fā)電位

腦干聽覺誘發(fā)電位（brain-stem auditory evoked potentials ，BAEPs）被用來評價腦干的聽覺和臨床狀態(tài)，特別是對有聽力損耗危險的嬰兒。這些電位變化可以在聽覺刺激開始后10ms左右被記錄到，它們是由5個波構(gòu)成的。BAEPs的發(fā)生器包括耳蝸神經(jīng)起始端的I波，耳蝸神經(jīng)和耳蝸核的顱內(nèi)部分的II波，梯形體III波及橫向圓角的IV 波和V波。經(jīng)文獻檢索可知，目前僅有2個研究比較了運動員和非運動員的BAEPs。

Martin等[31]首次報告了運動員的BAEPs，他們以24名網(wǎng)球運動員、24名皮劃艇選手和24名非運動員為研究對象，測量了潛伏期、峰間潛伏期（IPLs）和波I-V的波幅。結(jié)果表明，網(wǎng)球運動員和劃艇運動員的波III-V的潛伏期比非運動員短，潛伏期變短表明上級橄欖復(fù)合體的突觸傳導(dǎo)時間變短，說明BAEPs和運動訓(xùn)練有關(guān)。

我們建議未來的研究要想探尋運動員和非運動員的可能的神經(jīng)加工機制，必須將BAEPs的中、長潛伏期，特別是N100 （N1）成分和腦干結(jié)合起來進行分析。N1成分出現(xiàn)在聽覺刺激呈現(xiàn)后的100 ms，分布在頭皮前額中央，與更高級的聽覺加工過程的神經(jīng)活動有關(guān)。今后應(yīng)當(dāng)加強對運動員和非運動員的聽覺皮層反應(yīng)的研究，因為聽覺信息加工在感知運動技能操作中扮演著重要的角色，特別對于諸如跳舞及球類運動等運動項目更是如此。

3 采用高時間、空間分辨率技術(shù)研究運動員的大腦

3.1 EEG光譜功率

對于氣手槍、步槍、射箭、飛鏢等運動項目而言，在應(yīng)激情境下如何在“預(yù)射”期將注意集中在靶子上對于獲得最佳運動成績至關(guān)重要。EEG采集到的光譜功率（EEG spectral power）可以用來研究射擊、射箭等活動預(yù)射期的神經(jīng)活動。一般來說，在運動準(zhǔn)備期和隨意的自定節(jié)奏的運動執(zhí)行期alpha （大約8～12 Hz）和beta（大約14～30 Hz）頻段在感覺運動皮層區(qū)的振幅減小。這一現(xiàn)象與事件相關(guān)去同步化作用（event-related desynchronization，ERD）有關(guān)。特別是alpha節(jié)律（alpha rhythms）已經(jīng)被認為是運動員認知加工過程的重要指標(biāo)。預(yù)射期枕葉的alpha功率反應(yīng)為我們提供了射擊操作要求的視覺信息加工數(shù)量的重要指標(biāo)。

一些EEG光譜功率的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)運動員和非運動員之間的差異。Del等[32]研究了18名氣手槍和10名非運動員的氣手槍射擊操作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在整個頭皮區(qū)域，運動員比非運動員的低頻和高頻alpha 事件相關(guān)去同步化波幅小，運動員高分射擊的高頻alpha 事件相關(guān)同步化（event-related synchronization，ERS）波幅比得低分射擊的波幅大。這些差異在其他任務(wù)中也得到了證實，例如步槍射擊、表象高爾夫推桿入洞過程，睜眼或閉眼安靜站立及觀看錄像等。

建議今后的研究應(yīng)該使用生物反饋技術(shù)來提高新手（非運動員）的運動信息加工能力。例如，Babiloni等[33]對專業(yè)高爾夫運動員在推桿入洞時的EEG光譜功率進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)成功的推桿動作在右手和手臂初級感覺運動區(qū)的前額中線位置的高頻alpha功率（10～12 Hz）比不成功的推桿動作的更小，而且alpha功率下降的幅度越大，不成功的推球動作錯誤就越少。這一研究結(jié)果說明，對于新手而言也能夠使用alpha功率來評價他們的操作績效。因此，使用EEG光譜功率的生物反饋幫助提高訓(xùn)練期間新手的操作績效是今后比較有意義的研究方向。

3.2 事件相關(guān)電位

事件相關(guān)電位（event-related potentials ERPs，ERPs）是測量具體信息加工過程大腦神經(jīng)元活動的直接方法。ERPs的波幅和潛伏期在頭皮部位的變化反映了個體在實驗條件下的神經(jīng)元功能，而且多數(shù)個體的ERPs是相當(dāng)穩(wěn)定的。ERP技術(shù)最大的優(yōu)勢是具有較高的時間分辨率，可精確至毫秒級，能夠準(zhǔn)確地在線顯示認知活動在不同時間進程中的腦功能活動狀態(tài)。

在ERP的研究中，頭皮頂區(qū)分布的P300或 P3b成分是最重要的，因為它們和上下文更新和終止及事件分類的認知加工過程相關(guān)。在“oddball”范式中，P300產(chǎn)生于靶刺激呈現(xiàn)之后的300～600 ms（“oddball”范式是指靶刺激按照一定的比例在隨機的標(biāo)準(zhǔn)刺激序列中出現(xiàn)），在標(biāo)準(zhǔn)的“oddball”范式中，通常靶刺激和非靶刺激出現(xiàn)的比率分別是20% 和80%，P300波幅相當(dāng)于注意資源對給定任務(wù)分配的數(shù)量，而潛伏期被認為是對刺激分類速度或刺激評價時間的測量，一般與選擇反應(yīng)加工過程無關(guān)。對于腦損傷病人及顱內(nèi)記錄和非侵入式記錄的研究已經(jīng)證明，產(chǎn)生P300的腦區(qū)分布甚廣，例如PFC、丘腦、顳頂結(jié)合處、海馬、ACC及顳葉等。

其中有一些研究比較了運動員和非運動員之間P300的特點。Iwadate 等[34]比較了7名足球運動員和7名非運動員的軀體感覺ERPs，結(jié)果表明：在完成下肢“oddball”任務(wù)時，運動員和非運動員相比P300波幅較大，潛伏期較短，而在完成上肢“oddball”任務(wù)時，沒有組間差異，這說明長期的運動訓(xùn)練導(dǎo)致了運動員軀體感覺認知加工過程的可塑性變化。Nakamoto等[35]使用“go/no-go”任務(wù)范式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)棒球運動員在“no-go”試驗中的P300波幅在前額電極（Fz）（被認為反映了抑制反應(yīng)的程度）比控制組大?！癵o/no-go” 范式廣泛用于研究運動反應(yīng)執(zhí)行和抑制過程的神經(jīng)機制。在這個范式中，被試產(chǎn)生了對靶刺激的反應(yīng)同時抑制了對非靶刺激的反應(yīng)。研究者認為，棒球運動員的大腦具有更強大的抑制功能，能夠盡快地終止與任務(wù)無關(guān)運動。

楊愛華等[36]采用線索提示任務(wù)范式，比較了一般大學(xué)生和二級乒乓球運動員的ERP特征。結(jié)果表明，乒乓球運動員比一般大學(xué)生大腦視覺信息加工速度快，對左右兩側(cè)的視覺刺激保持了同樣的敏感性，對側(cè)腦區(qū)P1、N1波幅更大，潛伏期更短。

趙洪朋等[37]以國家散打一、二級運動員（專家組）與選修散打課的大學(xué)生 （新手組）為被試，記錄被試完成不同難度特征搜索任務(wù)的反應(yīng)時和ERP。結(jié)果顯示，專家組特征搜索速度明顯快于新手組，特定腦區(qū)誘發(fā)的P1潛伏期比新手組短，N1波幅顯著大于新手組，不同任務(wù)難度間N1波幅具有顯著性差異，難度越大N1波幅越大。筆者認為，專家組在特征搜索時具有速度快的特點，主要與其大腦皮層頂區(qū)、枕區(qū)激活時程較短、付出的心理能量較多有關(guān)，并且采用了以追求速度為主的反應(yīng)策略。

張玉慧等[38]記錄了國家乒乓球女隊（6名國際健將組）和上海體育學(xué)院乒乓球隊（12名二級運動員）在乒乓球發(fā)球旋轉(zhuǎn)決策判斷過程中的ERP特征。結(jié)果表明：二級運動員激活程度高、范圍大、持續(xù)時間更長，在發(fā)球判斷過程中，國際健將組完成認知活動是一種節(jié)省模式，表現(xiàn)為動用大腦枕區(qū)和頂區(qū)資源較少，效率更高。這一結(jié)果與前面趙洪朋等人的研究不一致，其原因可能是由于運動項目、任務(wù)難度、認知加工過程及被試的運動水平等方面的差異導(dǎo)致的。

這些ERP研究表明，通過長期的運動訓(xùn)練加強了要求快速決策和特殊注意項目運動員神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系并產(chǎn)生神經(jīng)元的可塑性變化。所以，神經(jīng)元調(diào)節(jié)機制或許依賴于運動項目類型。

3.3 功能磁共振

大多數(shù)的功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）實驗是基于血氧水平依賴（blood oxygenation level dependent，BLOD）的對比原理，是研究腦功能成像的強有力工具，與ERP技術(shù)相比，具有較高的空間分辨率。目前，fMRI已經(jīng)被廣泛用于各種神經(jīng)加工過程的研究，研究范圍涉及初級感覺和運動皮層的活動，以及包括注意、學(xué)習(xí)、記憶在內(nèi)的認知功能的研究。使用fMRI的一些研究已經(jīng)證明了運動員大腦的特點，下面進行簡要的評述。

當(dāng)要求完成一個動作時人們經(jīng)常觀察和模仿別人的動作，這個現(xiàn)象表明觀察一個動作對操作有利。對猴子使用單一神經(jīng)元記錄的研究和對人類使用fMRI和MEG的研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)觀察和模仿學(xué)習(xí)的神經(jīng)機制與鏡像神經(jīng)系統(tǒng)（mirror neuron system，MNS）有關(guān)。最近的fMRI研究已經(jīng)報道了運動員MNS的特征。Calvo-Merino等[39]在其實驗中，研究了10名專業(yè)芭蕾舞者、10名卡波衛(wèi)勒舞者和10名非運動員觀看芭蕾或卡波衛(wèi)勒舞視頻時的fMRI。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，芭蕾舞者在觀看芭蕾視頻比在觀看卡波衛(wèi)勒舞視頻時的MNS的激活程度更大，而卡波衛(wèi)勒舞者則出現(xiàn)了相反的結(jié)果。這說明個體的運動項目影響了MNS。

Kim等[40]研究了8名世界級射箭運動員和8名非運動員在射箭前準(zhǔn)備階段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)差異。fMRI數(shù)據(jù)結(jié)果表明，運動員瞄準(zhǔn)時枕葉和顳葉腦回被激活，而新手主要在額葉被激活。而且運動員和非運動員在ACC和后囟扣帶回都被激活。這2個關(guān)于運動預(yù)期（motor planning）的研究表明，長期的運動訓(xùn)練可導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效組織，并過濾掉不相關(guān)的信息，而沒有運動經(jīng)驗的非運動員則很難排除這些不相關(guān)的信息。

梁東梅等[41]使用空白棋盤、隨機棋盤和殘局3種任務(wù)刺激，研究了6名大師級中國象棋運動員和7名一級棋士在邏輯推理、空間工作記憶和運動控制等方面的差異。fMRI數(shù)據(jù)顯示，大師級運動員在右側(cè)中央前、后回和左側(cè)額葉上、中回有范圍更廣、程度更高的腦區(qū)激活，而一級棋士在右側(cè)枕葉上回激活程度更高。這一結(jié)果顯示了高水平運動員在激活腦區(qū)和激活程度上不同于一般選手的特征。

fMRI技術(shù)能夠幫助我們更好地理解運動員和非運動員大腦的重要差異。從方法學(xué)上支持了運動員動作觀察和運動程序制定的神經(jīng)機制。未來需要進一步研究包括運動員認知和運動加工活動的各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

3.4 經(jīng)顱磁刺激

運動皮層的經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS） 是通過直接刺激皮質(zhì)脊髓的神經(jīng)元產(chǎn)生短潛伏期的興奮反應(yīng)，對上肢和下肢施以閾上強度刺激并使用肌電圖記錄反應(yīng)可以得到運動誘發(fā)電位（motor evoked potentials，MEPs），最早是由Barker等[42]1985年使用的。使用TMS引起的運動誘發(fā)電位可以得到大量關(guān)于大腦皮層功能的信息，并且TMS脈沖磁場可以暫時地引起特定腦區(qū)的興奮或抑制；因此，這種技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于認知神經(jīng)科學(xué)的多個領(lǐng)域，比如，知覺、注意、學(xué)習(xí)、可塑性、語言和意識。

Fourkas等[43]使用TMS研究了8名網(wǎng)球運動員和非運動員在表象網(wǎng)球正手擊球、乒乓球正手擊球和高爾夫推球動作時的心理過程。結(jié)果表明，專家在對訓(xùn)練過的動作（如網(wǎng)球正手擊球）的表象期間，皮質(zhì)脊髓易化（facilitation）過程增加，而對沒有訓(xùn)練過的動作（如乒乓球正手擊球和高爾夫揮桿擊球）就沒有這種現(xiàn)象，并且非運動員沒有這種跨運動項目的差異。

Aglioti等[44]報告了10名籃球運動員、10名專家觀察者（包括5名教練員和5名體育記者）、10名非運動員在觀察投籃過程中的MEPs波幅。結(jié)果表明，運動員和專業(yè)觀察者的皮質(zhì)脊髓興奮性增加，但是在觀察踢球和靜態(tài)圖像過程中卻沒有出現(xiàn)這種變化。他們認為，運動員和專業(yè)觀察者在觀看與他們的專業(yè)運動或視覺經(jīng)驗相關(guān)的運動動作時，他們的運動系統(tǒng)才被激活。而專業(yè)運動員在觀察沒有投進的動作時，比投進的動作產(chǎn)生更大的MEPs波幅，這說明運動員的運動易化是基于投籃手肌肉的。

目前，rTMS（重復(fù)經(jīng)顱磁刺激）已經(jīng)表現(xiàn)出對人類行為的各種各樣的作用，例如對治療帕金森疾病、抑郁癥、肌張力障礙的治療和疼痛控制等。認知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域也開始使用rTMS來研究是否特定的腦區(qū)對任務(wù)操作起作用，因為它能夠逆向地干涉正常大腦活動。

例如劉運洲等[45]在二級以上運動員大腦左側(cè)初級運動皮層（M1區(qū)）施加不同刺激數(shù)量（500次、1000次、1500次）的rTMS（頻率為1 Hz，強度為80%RMT），分別測試刺激前、刺激結(jié)束后即刻、刺激結(jié)束后30、60、120 min時的MEPs振幅。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1 Hz、80%RMT、1 500次的rTMS能較好地降低運動皮層興奮性，其后效應(yīng)持續(xù)的時間大于60 min小于120 min，可作為使用rTMS降低運動員賽前焦慮的刺激參數(shù)。

羅光霞等[46]在運動年限為6～9年體校學(xué)生左側(cè)前額葉背外側(cè)施加20 Hz、90%RMT、3000次rTMS（持續(xù)5 s，間隔55 s），分別測試刺激前、后的自評興奮度和腦電（EEG）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在被試左側(cè)前額葉背外側(cè)施加20 Hz、90%RMT、3 000次rTMS（持續(xù)5 s、間隔55 s）能夠提高被試的興奮性，rTMS刺激后額部α波、β波和中央部β波的活動增強，頂部θ波和枕部δ波、θ波的活動減弱。

在未來的研究中，運動學(xué)家應(yīng)該在學(xué)習(xí)和控制運動技能方面拓寬TMS的應(yīng)用范圍，rTMS可能會為研究運動員大腦靈活的神經(jīng)適應(yīng)性提供有價值的信息。

4 小結(jié)與展望

運動員大腦的研究表明，運動相關(guān)活動和高級認知加工過程是受到長期感知和運動訓(xùn)練靈活調(diào)節(jié)的。這些研究結(jié)果表明，人類大腦的神經(jīng)活動具有可塑性，而且不同的運動項目要求不同的運動認知活動；因此，研究不同項目運動之間的差異及大腦結(jié)構(gòu)、功能與訓(xùn)練強度、時間之間的相關(guān)性可能是未來的研究方向。要證實這種現(xiàn)象的神經(jīng)機制，勢必要借助神經(jīng)生理學(xué)和神經(jīng)影像學(xué)的發(fā)展。

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