羅俊波

(廣州體育職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東廣州 510650)

預(yù)警時(shí)間對(duì)視覺(jué)反應(yīng)的影響機(jī)制①
——來(lái)自ERP的證據(jù)

羅俊波

(廣州體育職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東廣州 510650)

該研究采用“開(kāi)始-準(zhǔn)備-目標(biāo)探測(cè)”范式,利用事件相關(guān)電位技術(shù)初步探討了不同預(yù)警時(shí)間下目標(biāo)刺激出現(xiàn)后的腦內(nèi)時(shí)程動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn):首先,在目標(biāo)刺激出現(xiàn)后的200ms左右,短ISI(400ms)和長(zhǎng)ISI(1000ms)在大腦的頂枕部?jī)蓚?cè)均誘發(fā)了明顯的識(shí)別電位,并且長(zhǎng)ISI(1000ms)下RP的潛伏期顯著的快于短ISI(400ms)下RP的潛伏期,可能反應(yīng)了ISI為1000ms下對(duì)目標(biāo)刺激的快速識(shí)別;隨后,300～500ms內(nèi),在頭皮的大部分區(qū)域,長(zhǎng)ISI(1000ms)比短ISI(400ms)誘發(fā)了一個(gè)更正的P3成分,可能表明長(zhǎng)ISI下被試需要付出更多的認(rèn)知資源用于接下來(lái)的快速反應(yīng)。

體育比賽 預(yù)警時(shí)間 反應(yīng)時(shí) 事件相關(guān)電位(ERP)

反應(yīng)時(shí)，是指刺激作用于有機(jī)體后到明顯反應(yīng)開(kāi)始所需要的時(shí)間。這包括了一系列的階段：刺激使感受器產(chǎn)生興奮，其沖動(dòng)傳到感覺(jué)神經(jīng)元，然后經(jīng)感覺(jué)神經(jīng)傳至大腦皮質(zhì)的感覺(jué)中樞和運(yùn)動(dòng)中樞，經(jīng)運(yùn)動(dòng)中樞直至效應(yīng)器，最后效應(yīng)器接受沖動(dòng)開(kāi)始效應(yīng)活動(dòng)[1]。反應(yīng)時(shí)在體育競(jìng)技比賽中也會(huì)經(jīng)常的被用到。例如起跑的反應(yīng)時(shí)就是指發(fā)令槍響到運(yùn)動(dòng)員手開(kāi)始離地這段時(shí)間。

體育比賽事中，在‘各就位’和‘預(yù)備’口令之后，參賽者應(yīng)馬上完成有關(guān)動(dòng)作，任何參賽者不能在合理時(shí)間內(nèi)完成有關(guān)動(dòng)作，則屬起跑犯規(guī)。聽(tīng)到槍響應(yīng)立即起跑。如果運(yùn)動(dòng)員在沒(méi)有聽(tīng)到槍響而做出起跑動(dòng)作，則屬于搶跑。但如果運(yùn)動(dòng)員在聽(tīng)到槍響而沒(méi)有做出起跑動(dòng)作時(shí)，則屬于起跑反應(yīng)滯后。一般水平的賽事中，可能起跑速度不是決定比賽勝負(fù)的關(guān)鍵，但涉及到高水平的體育競(jìng)技中，反應(yīng)速度有可能是決定勝負(fù)的一個(gè)關(guān)鍵要素。以北京奧運(yùn)會(huì)為例：女子400米自由泳項(xiàng)目中英國(guó)的麗貝卡·阿德林頓以4分3秒22獲得金牌，美國(guó)的凱蒂·霍夫以4分3秒29獲得銀牌，金牌與銀牌相差僅0.07 s。男子100m蝶泳項(xiàng)目金牌與銀牌相差0.01 s，女子50m自由泳這個(gè)項(xiàng)目金牌與銀牌相差0.01 s。不難看出，如果運(yùn)動(dòng)員在起跑線上的反應(yīng)速度慢下幾十毫秒甚至幾毫秒，直接決定了冠亞軍的角逐。

當(dāng)然決定反應(yīng)速度的因素可能有多個(gè)，首先是來(lái)自刺激物本身(刺激類型、強(qiáng)度、呈現(xiàn)方式等)的影響，其次是來(lái)自個(gè)體本身(個(gè)體差異、練習(xí)水平、定勢(shì)、準(zhǔn)備狀態(tài)以及心理素質(zhì)等)的影響，再者外界環(huán)境等一些因素也會(huì)產(chǎn)生影響。本研究將就機(jī)體的準(zhǔn)備狀態(tài)(預(yù)警時(shí)間)對(duì)反應(yīng)時(shí)的影響及其內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行初步探討。具體而言，本研究欲在“各就位——預(yù)備——發(fā)槍令”這一體育活動(dòng)的范式基礎(chǔ)上，在視覺(jué)通道上設(shè)置了“開(kāi)始-準(zhǔn)備-目標(biāo)探測(cè)”實(shí)驗(yàn)范式，采用事件相關(guān)電位(ERP)技術(shù)初步探討不同預(yù)警時(shí)間(準(zhǔn)備到目標(biāo)刺激的時(shí)間間隔)下目標(biāo)刺激出現(xiàn)后的腦內(nèi)時(shí)程動(dòng)態(tài)變化。

ERP技術(shù)主要通過(guò)辨別大腦活動(dòng)時(shí)激發(fā)的腦電波變化來(lái)判斷大腦結(jié)構(gòu)和被激活區(qū)域，它能提供達(dá)到毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率，能有效地評(píng)估某些認(rèn)知活動(dòng)的時(shí)間特點(diǎn)，其成分是多維度的，包括波幅、潛伏期、極性(P/N)和頭皮分布等，波幅反映的是大腦的興奮程度，潛伏期反映的是神經(jīng)活動(dòng)與加工過(guò)程的時(shí)間和速度，而極性指的是正波還是負(fù)波[2]。該實(shí)驗(yàn)范式下，被試欲對(duì)目標(biāo)刺激做出快速反應(yīng)，就需首先對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。識(shí)別電位是ERP早成分中比較重要的一個(gè)成員，是當(dāng)被試看到可識(shí)別視覺(jué)刺激(如詞或圖片)時(shí)，在約200～250ms內(nèi)達(dá)到峰值的腦電反應(yīng)[3-6]，它由美國(guó)紐約州立大學(xué)布魯克林醫(yī)學(xué)中心的Rudell教授于1991年首次描述。此外，與任務(wù)加工過(guò)程中資源分配有關(guān)的P3成分，我們預(yù)期在個(gè)體進(jìn)行快速反應(yīng)過(guò)程中也會(huì)被誘發(fā)。因此，通過(guò)對(duì)不同預(yù)警時(shí)間下出現(xiàn)的目標(biāo)刺激所誘發(fā)的RP以及P3進(jìn)行考察，可以為我們較好的了解預(yù)警時(shí)間對(duì)個(gè)體快速反應(yīng)的影響機(jī)制提供較為直接的電生理證據(jù)，以期為體育比賽中有關(guān)反應(yīng)速度的訓(xùn)練在某種程度上提供參考。

圖2 兩個(gè)條件下目標(biāo)刺激在P07和P08兩個(gè)電極點(diǎn)誘發(fā)的ERP總平均圖

1 研究方法

1.1 被試

隨機(jī)選取國(guó)內(nèi)某大學(xué)學(xué)生17人(8男9女)，年齡20～24歲(平均22.3歲)。被試經(jīng)問(wèn)卷測(cè)試皆為右利手，無(wú)疾病，視力或者矯正視力正常，做完實(shí)驗(yàn)后被試均獲取適量報(bào)酬。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

單因素(2個(gè)水平)被試內(nèi)設(shè)計(jì)，自變量為預(yù)備刺激到目標(biāo)刺激出現(xiàn)中間的時(shí)間間隔(ISI：400ms和1000ms)。自變量水平的選取是根據(jù)先前的預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在我們的預(yù)實(shí)驗(yàn)中，我們選取了9個(gè)水平：400ms、600ms、800ms、1000ms、1200ms、1400ms、1600ms、1800ms和2000ms。結(jié)果表明，ISI在400～1000ms之間時(shí)，被試對(duì)目標(biāo)刺激的探測(cè)速度會(huì)隨著ISI的逐步增大而加快，1000ms之后，隨著間隔時(shí)間增大，目標(biāo)刺激的探測(cè)速度開(kāi)始變慢。因此我們選取兩個(gè)比較有代表的ISI(400ms和1000ms)。因變量為被試正確按鍵的反應(yīng)時(shí)以及目標(biāo)刺激誘發(fā)的ERP成分。

1.3 程序與任務(wù)

實(shí)驗(yàn)程序采用E-prime軟件編寫(xiě)，顯示器為19英寸液晶顯示器。被試眼睛與顯示器齊平，距離屏幕57 cm。刺激流程如圖1所示，在黑色的背景中央首先呈現(xiàn)“+”(呈現(xiàn)100ms)，間隔1000ms出現(xiàn)“預(yù)備”(呈現(xiàn)100ms)，然后不同的ISI后出現(xiàn)目標(biāo)刺激(呈現(xiàn)1000ms)。目標(biāo)刺激為直徑視角為1°的白色小圓圈。被試的任務(wù)是在目標(biāo)刺激出現(xiàn)后，立即做出按鍵反應(yīng)。提前或目前消失之后的按鍵視為無(wú)效。實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)刺激總是出現(xiàn)在固定位置(中心點(diǎn))。為了提高被試的投入度，我們?cè)O(shè)置了兩類刺激。具體而言，出現(xiàn)“”(目標(biāo)刺激)按“1”鍵；出現(xiàn)“”則不需按鍵。整個(gè)實(shí)驗(yàn)分3個(gè)block，每個(gè)block里有60次任務(wù)(其中每種ISI下出現(xiàn)20次“”10次“”)，各任務(wù)均隨機(jī)出現(xiàn)。正式實(shí)驗(yàn)之前，被試有一定的練習(xí)時(shí)間。在確保被試明白實(shí)驗(yàn)任務(wù)后才開(kāi)始記錄。實(shí)驗(yàn)時(shí)被試靜坐于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，兩眼注視屏幕中央，要求被試盡量少動(dòng)，目標(biāo)刺激呈現(xiàn)時(shí)盡量不眨眼，盡可能快而準(zhǔn)地做出按鍵反應(yīng)。

1.4 數(shù)據(jù)記錄和分析

使用德國(guó)Brain Products公司的ERP記錄與分析系統(tǒng)，按國(guó)際10-20系統(tǒng)擴(kuò)展的64導(dǎo)電極帽記錄EEG，以雙耳乳突的連線作為參考電極，雙眼外側(cè)安置電極記錄水平眼電(HEOG)，左眼上下安置電極記錄垂直眼電(VEOG)。每個(gè)電極處的頭皮電阻保持在5 kΩ以下。濾波帶通為0.05～80 Hz，采樣頻率為500 Hz/導(dǎo)。完成連續(xù)記錄EEG后離線(off line)處理數(shù)據(jù)，自動(dòng)校正VEOG和HEOG，并充分排除其他偽跡。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的目的，主要分析目標(biāo)刺激出現(xiàn)后所誘發(fā)的ERP，分析時(shí)程(epoch)為字謎出現(xiàn)后500ms，基線為刺激出現(xiàn)前100ms。按照被試的按鍵反應(yīng)結(jié)果，分別對(duì)ISI為“400ms”下與“1000ms”下按對(duì)的EEG進(jìn)行疊加。波幅大于±80(V者被視為偽跡自動(dòng)剔除。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得到的兩類反應(yīng)任務(wù)的ERP總平均圖(圖2)。在100～300ms內(nèi)，兩條件下在頭皮的頂枕部均誘發(fā)的明顯的RP成分。該成分別在左半球的PO7點(diǎn)和右半球的PO8點(diǎn)達(dá)到頂峰。采用峰值法對(duì)RP成分進(jìn)行檢測(cè)。以P08為例，RP的峰值以及潛伏期在400ms和1000ms下分別為：-6.17 μV和199.53ms，-5.29 μV和191.18ms。根據(jù)已有研究，選取2個(gè)電極位置對(duì)RP成分進(jìn)行二因素重復(fù)測(cè)量的方差分析，二個(gè)因素分別為條件類型“(400ms”和“1000ms”)和記錄點(diǎn)(PO7和PO8)。在300～500ms內(nèi)，兩條件下的目標(biāo)刺激在頭皮大部分區(qū)域均誘發(fā)了一個(gè)明顯的P3成分。采用平均振幅法對(duì)P3在300～500ms的時(shí)間窗口進(jìn)行二因素重復(fù)測(cè)量的方差分析，二個(gè)因素分別為條件類型(“400ms”和“1000ms”)和記錄點(diǎn)(Fz，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)Cz，F(xiàn)C1，F(xiàn)C2，F(xiàn)C3，F(xiàn)C4，Cz，C1，C2，C3，C4，CPz，CP1，CP2，CP3，CP4，Pz，P1，P2，P3，P4，POz，PO3和PO4)。方差分析的P值采用Greenhouse Geisser法校正，腦電地形圖由64導(dǎo)數(shù)據(jù)得出。

2 結(jié)果與分析

2.1 行為數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)采用的是簡(jiǎn)單檢測(cè)任務(wù)，總體檢測(cè)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)錯(cuò)誤率低于1％，因此，本研究不對(duì)錯(cuò)誤率進(jìn)行分析。個(gè)別被試由于失誤導(dǎo)致的按錯(cuò)鍵已在數(shù)據(jù)提起中自動(dòng)剔除。另外對(duì)于反應(yīng)時(shí)小于100ms的數(shù)據(jù)也進(jìn)行了刪除。行為記錄表明，被試在ISI為“400ms”和“1000ms”下對(duì)目標(biāo)刺激的正確反應(yīng)的速度分別為：503ms和468ms。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，條件的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)(1，16)=15.658，p=0.001。

2.2 腦電數(shù)據(jù)

2(電極點(diǎn)：PO7和 PO8)×2(條件：400ms和1000ms)重復(fù)測(cè)量分析顯示，在RP的波幅上，條件的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)(1，16)=6.671，P＜0.05，表現(xiàn)為400ms下的波幅(-7.02V)顯著的高于1000ms下的波幅(-5.54 μV)。電極點(diǎn)的主效應(yīng)以及電極點(diǎn)和條件的交互作用均不顯著。在RP的潛伏期上，條件的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)(1，16)=5.207，P＜0. 05，表現(xiàn)為1000ms下的潛伏期(198.41ms)顯著的快于400ms下潛伏期(191.24ms)。電極點(diǎn)的主效應(yīng)以及電極點(diǎn)和條件的交互作用均不顯著。

28(電極點(diǎn)：Fz，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)Cz，F(xiàn)C1，F(xiàn)C2，F(xiàn)C3，F(xiàn)C4，Cz，C1，C2，C3，C4，CPz，CP1，CP2，CP3，CP4，Pz，P1，P2，P3，P4，POz，PO3和PO4)×2(條件：400ms和1000ms)重復(fù)測(cè)量分析顯示，在300～500ms內(nèi)，條件類型的主效應(yīng)均顯著，F(xiàn)(1，16)=12.179，P＜0.01，表現(xiàn)為1000ms下誘發(fā)的P3成分更正。另外，電極位置的主效應(yīng)均顯著，F(xiàn)(27，432))=8.466，p＜0.001，但任務(wù)類型與電極位置的交互作用均不顯著。

3 討論

在很多體育競(jìng)技項(xiàng)目中，運(yùn)動(dòng)員需要對(duì)特定的目標(biāo)刺激做出快速反應(yīng)。這些刺激有聽(tīng)覺(jué)的、有視覺(jué)的。以聽(tīng)覺(jué)為例，田徑運(yùn)動(dòng)員需要在聽(tīng)到哨響后做出起跑動(dòng)作。在視覺(jué)層面上，籃球運(yùn)動(dòng)員在爭(zhēng)搶籃板時(shí)，需對(duì)即將出現(xiàn)在特定區(qū)域的籃球做出快速的反應(yīng)。這些項(xiàng)目中，如何能對(duì)即將出現(xiàn)的目標(biāo)刺激做出快速反應(yīng)，一直是人們比較關(guān)注的熱點(diǎn)。

該研究在“各就位——預(yù)備——發(fā)槍令”這一體育活動(dòng)的范式基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)了“開(kāi)始-準(zhǔn)備-目標(biāo)探測(cè)”實(shí)驗(yàn)范式，采用事件相關(guān)電位(ERP)技術(shù)初步探討了預(yù)警時(shí)間對(duì)特定目標(biāo)刺激的快速反應(yīng)的影響。在一項(xiàng)預(yù)備性實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ISI在400～1000ms之間時(shí)，被試對(duì)目標(biāo)刺激的探測(cè)速度會(huì)隨著ISI的逐步增大而加快，1000ms之后，隨著間隔時(shí)間增大，目標(biāo)刺激的探測(cè)速度開(kāi)始變慢。據(jù)此，我們選取兩個(gè)比較具有代表性的ISI(400ms和1000ms)作為腦電實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)考察水平。行為結(jié)果驗(yàn)證了ISI為1000ms時(shí)被試對(duì)特定目標(biāo)的刺激反應(yīng)速度(468ms)顯著的快于ISI為400ms下的反應(yīng)速度(503ms)。由此可見(jiàn)，不同預(yù)警時(shí)間可以直接導(dǎo)致反應(yīng)速度達(dá)到幾十毫秒的差異。那么是什么導(dǎo)致這種差異的呢？ERP以其有效地反應(yīng)認(rèn)知活動(dòng)的時(shí)間特點(diǎn)為我們了解被試在不同ISI下對(duì)特定目標(biāo)識(shí)別判斷做出反應(yīng)這一過(guò)程提供了有效參考。

首先，兩條件下在目標(biāo)刺激出現(xiàn)后約200ms均誘發(fā)了明顯的RP成分。如前所述，RP是被試看到可識(shí)別視覺(jué)刺激(如詞或圖片)時(shí)，在約200～250ms內(nèi)達(dá)到峰值的腦電反應(yīng)，反應(yīng)的是對(duì)刺激物的識(shí)別。該研究下，1000ms下對(duì)目標(biāo)刺激識(shí)別的RP的潛伏期顯著的快于400ms下潛伏期，這表明1000ms下被試能較早(提前約7ms)的對(duì)目標(biāo)刺激進(jìn)行識(shí)別。這提前幾毫秒的識(shí)別可能是導(dǎo)致快速做出反應(yīng)(提早約35ms)的一個(gè)很重要的原因。而導(dǎo)致提前的識(shí)別原因可能是由于預(yù)警時(shí)間為1000ms下，被試對(duì)即將到來(lái)的目標(biāo)刺激識(shí)別已經(jīng)做好了充足的準(zhǔn)備，是目標(biāo)刺激識(shí)別的最佳期。換句話說(shuō)，如果預(yù)警時(shí)間過(guò)短(例如400ms)，被試就沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行注意資源的“調(diào)集”，當(dāng)目標(biāo)刺激出現(xiàn)后，人類的大腦可能還需要繼續(xù)“調(diào)集”注意資源，因此延長(zhǎng)了對(duì)目標(biāo)刺激識(shí)別的時(shí)間。此外，400ms下的波幅顯著的高于1000ms下的波幅。波幅作為大腦興奮程度的一個(gè)反應(yīng)指標(biāo)，可能表明400ms下被試對(duì)目標(biāo)刺激的識(shí)別需要付出更多的認(rèn)知資源。400ms下的預(yù)警時(shí)間，被試由于還繼續(xù)“調(diào)集”注意資源應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的目標(biāo)刺激。因此，當(dāng)目標(biāo)刺激出現(xiàn)之時(shí)被試需要花費(fèi)更多的心理資源用于識(shí)別。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行了識(shí)別并不等于就可以做出快速反應(yīng)。這只是為快速反應(yīng)提供了一個(gè)好的鋪墊。

隨后，在300～500ms內(nèi)，兩條件下的目標(biāo)刺激在頭皮大部分區(qū)域均誘發(fā)了一個(gè)明顯的P3成分。關(guān)于P3的認(rèn)知功能有很多，其中它的一個(gè)比較典型的認(rèn)知功能是認(rèn)為它與選擇性注意和資源分配等認(rèn)知活動(dòng)有關(guān)，在一定程度上其波幅反映了對(duì)給定任務(wù)的心理資源投入量。該研究下1000ms下目標(biāo)刺激誘發(fā)的P3成分更正，這可能表明該條件下被試付出了更多的認(rèn)知資源用于接下來(lái)的按鍵反應(yīng)。這可能也是導(dǎo)致被試在預(yù)警期為1000ms下對(duì)目標(biāo)刺激能快速做出反應(yīng)的一個(gè)最直接的原因。該條件下被試之所以能付出更多的認(rèn)知資源應(yīng)對(duì)接下來(lái)的按鍵反應(yīng)也是源于前一階段較早的對(duì)目標(biāo)刺激的識(shí)別。

4 結(jié)論

該研究在視覺(jué)通道上就預(yù)警期對(duì)反應(yīng)時(shí)的影響機(jī)制進(jìn)行了初步探討。結(jié)果表明，預(yù)警時(shí)間對(duì)目標(biāo)刺激的反應(yīng)時(shí)間是存在影響的。這種影響機(jī)制反映在ERP指標(biāo)上首先是RP波幅和潛伏期上有差異，其次，與心理資源投入量有關(guān)的P3在波幅上也存在差異。這一結(jié)果，相信能為體育比賽中有關(guān)反應(yīng)速度的訓(xùn)練在一定程度上提供參考，例如，預(yù)警時(shí)間為1 s可能是個(gè)體在視覺(jué)層面上比較合適的準(zhǔn)備期。今后有必要對(duì)聽(tīng)覺(jué)以及其他通道展開(kāi)研究。

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G80-35

A

2095-2813(2014)12(b)-0009-03

羅俊波，男，中級(jí)，碩士研究生，研究方向：體育教學(xué)與訓(xùn)練。