安燕，鄭樊慧

上海女子氣手槍運動員擊發(fā)和收槍時腦電相干性分析

安燕，鄭樊慧*

通過腦電相干性分析，探討運動員射擊中擊發(fā)和收槍兩種不同運動表現(xiàn)時各腦區(qū)間的溝通差異。采用64導(dǎo)腦電測試系統(tǒng)記錄12名女子氣手槍運動員擊發(fā)與收槍時的腦電，將兩種不同表現(xiàn)擊發(fā)前的腦電分為4個時間段（每段1 000 ms），分別計算低-alpha頻段（8～10 Hz）、高-alpha頻段（11～13 Hz）、低-beta頻段（14～22 Hz）中前額區(qū)（Fz）與其他腦區(qū)間(額區(qū)、中央?yún)^(qū)、頂區(qū)、枕區(qū)和顳區(qū))的相干性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低-alpha頻段，與收槍時相比，運動員擊發(fā)時大腦信息溝通較少，表明擊發(fā)時運動員只需要較低的皮層喚醒和注意努力。左腦腦波相干性顯著低于右腦，表明大腦半球不同功能體現(xiàn)在了運動員射擊過程中，運動員射擊時右半球交流多，注意力轉(zhuǎn)移以視覺空間為主。不同表現(xiàn)過程中不同時間點顯示了不同高低的腦波相干性，故推斷穩(wěn)定的大腦皮質(zhì)活動與較好的運動表現(xiàn)有關(guān)。

氣手槍；運動員；腦電相干性

運動員都想在比賽中發(fā)揮出最佳的運動水平，獲取比賽的勝利。而隨著競技水平的不斷發(fā)展，尤其是對封閉性運動項目（如射擊、射箭等）來說，要想在比賽中獲勝，除了高水平的技能外，心理方面的差異也會影響最后的運動表現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)，好的運動表現(xiàn)時運動員心理狀態(tài)是專注的、時間靜止的、無雜念的、完全投入其中的[1]。而對射擊運動員而言，他們需要在射擊過程中保持身體和心理的穩(wěn)定性，尤其是在擊發(fā)前的準(zhǔn)備期，運動員需要集中注意力并減少所有外部運動以保持瞄準(zhǔn)期間的穩(wěn)定。射擊比賽的資格賽規(guī)則中，10 m氣手槍項目要求女子射手在50 m in內(nèi)射擊40發(fā)子彈，男子射手在75 m in內(nèi)射擊60發(fā)子彈。但在射擊的過程中我們會發(fā)現(xiàn)，即便是優(yōu)秀的射擊選手也不是每次在瞄準(zhǔn)后會扣動扳機(jī)。有時候他們會在瞄準(zhǔn)后放棄扣扳機(jī)，即放下手槍不射擊（即收槍）。射手放棄擊發(fā)可能表明執(zhí)行動作時自身感覺不在最佳狀態(tài)。事后當(dāng)被問及為什么不扣扳機(jī)時，他們通常認(rèn)為感覺不對，定不下心來或動作不好，這種體驗通常與扣動扳機(jī)時的描述相反，并認(rèn)為主要是心理因素所致，而不是身體因素。因此，有觀點認(rèn)為對競賽者準(zhǔn)備期心理狀態(tài)進(jìn)行測量可能對表現(xiàn)結(jié)果有預(yù)測性[2]。

以往大多數(shù)心理狀態(tài)的測量為自陳式報告，可能存在填寫者的主觀性。腦電（EEG）可以對射手在準(zhǔn)備期這一動態(tài)的心理過程進(jìn)行實時的監(jiān)測，而幾乎不會對射手造成干擾，因此可以用于推斷所涉及的心理過程。許多的研究者已經(jīng)運用EEG對運動員的心理狀態(tài)進(jìn)行檢測，并得出了一些研究成果，他們發(fā)現(xiàn)好的運動表現(xiàn)時左側(cè)顳區(qū)alpha功率逐漸增加[3]Hatfield,Landers,Ray,1984；枕區(qū)中線(Oz)alpha功率逐漸上升[4]（Loze,Collins&Holmes,2001），中線前額區(qū)（Fm）theta波功率增加[5]（Doppelmayr,Finkenzeller& Sauseng,2008），但他們的研究都是運動員在完成擊發(fā)狀態(tài)下完成的。2000年Hillman等研究了擊發(fā)和收槍兩種狀態(tài)下的腦電變化，他們比較了7名步槍運動員在擊發(fā)和收槍前4 s alpha和beta頻段功率的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與擊發(fā)時相比，收槍時alpha功率和beta功率增加，此外，不同的腦區(qū)在擊發(fā)和收槍時，與右半球相比，左側(cè)半球的頻譜能量增加，因此，作者認(rèn)為收槍是由于與任務(wù)執(zhí)行相關(guān)的神經(jīng)資源分配不合理而產(chǎn)生的[2]。以上的這些研究多運用腦電頻譜分析和事件相關(guān)電位分析，是對大腦區(qū)域性活化狀態(tài)的分析，但不能檢測不同大腦區(qū)域之間的溝通。而腦電相干性分析（coherence）可以用于分析皮層區(qū)域間的溝通，它是一種記錄同時間內(nèi)兩種不同電極位置之間腦電相關(guān)程度的測量方法。高相干性表示不同大腦皮質(zhì)間相互連接溝通，低相干性代表大腦各區(qū)域獨立自主[6]。

洪聰敏等對腦波在心理學(xué)的應(yīng)用研究中指出，腦電相干性在運動表現(xiàn)上的研究很少，目前有的研究發(fā)現(xiàn)腦波相干性與技能高低有關(guān)，而且焦慮會提高左顳區(qū)與額區(qū)的相干性，技能學(xué)習(xí)可以降低腦波相干性[7]。Denny,Hillman,Janelle和Hatfield對不同技能水平的步槍射擊運動員瞄準(zhǔn)期間的相干性分析顯示，與中等程度的射手相比，優(yōu)秀射手擊發(fā)前在低頻alpha和低頻beta左側(cè)顳葉與中央額區(qū)之間顯示了較低的相干性，在高頻alpha所有左側(cè)半球電極點與中央額區(qū)之間相干性低，在低頻beta左側(cè)顳葉與所有中線電極點之間的相干性低，研究者認(rèn)為，這表明優(yōu)秀射手在運動過程中認(rèn)知參與減少[8]。Denny等又采用專家—新手范式進(jìn)一步做了研究，發(fā)現(xiàn)與新手相比，專家展現(xiàn)了較低的相干性，其結(jié)果支持專家皮層網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)分化，表明專家與新手在與運動計劃相關(guān)的記憶過程和時間空間線索執(zhí)行上的不同[9]。我國學(xué)者王麗巖等也采用專家—新手范式對乒乓球運動員的研究顯示，與運動新手相比，運動專家顯示了更低的腦電相干性[10]。

以往對射擊或其它項目的研究多以不同技能水平的運動員為被試，或采用專家—新手范式進(jìn)行相干性研究，而對射擊時放棄擊發(fā)前的心理狀態(tài)進(jìn)行的研究則較少。因此，本研究主要探討射擊運動員擊發(fā)和收槍時與大腦皮質(zhì)溝通的關(guān)系，看其兩種狀態(tài)時大腦皮層溝通是否存在差異。

1 研究方法

1.1 研究對象

12名上海女子手槍運動員，平均年齡（17±1.60）歲，訓(xùn)練年限（3.95±1.31）年。均為右利手，視力正常或矯正視力正常，聽力正常，無其他神經(jīng)精神疾患。

1.2 實驗工具

Neuroscan EEG/ERP（Synamps 2）測試系統(tǒng)用于采集和分析腦電數(shù)據(jù)。

1.3 實驗過程

在正式實驗開始前，主試告知被試實驗的基本目的和實驗的基本程序。在實驗前的準(zhǔn)備中，被試電極帽的佩戴松緊適度，以國際10-20系統(tǒng)擴(kuò)展的64導(dǎo)電極帽記錄EEG。

在實驗過程中運動員進(jìn)行10m氣手槍的射擊。在正式開始之前，運動員進(jìn)行射擊準(zhǔn)備，在準(zhǔn)備好后告知主試。隨后要求射擊40發(fā)子彈，每10發(fā)1組，組間休息3 m in。在正式射擊過程中不進(jìn)行任何的干預(yù)，收集運動員每一次射擊過程的腦電波，其中完成最后的扣扳機(jī)動作為擊發(fā)，最后放棄扣扳機(jī)為收槍。

1.4 EEG記錄與數(shù)據(jù)處理

EEG記錄以頭頂為參考電極，前額接地，同時在雙眼外眥和眼眶上下緣分別記錄水平眼電（HEOG）和垂直眼電(VEOG)。濾波帶通：0.05～100 Hz，采樣頻率：500 Hz，電極和皮膚的接觸阻抗小于5 kΩ。正式開始后，收集運動員每一次射擊過程中的腦電。

利用Scan 4.3軟件對腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析。用相關(guān)法去除眼電偽跡，接著轉(zhuǎn)換為雙側(cè)乳突為參考。分析時程為運動員動作前4 000 ms。每1 000 ms為一個時間段，經(jīng)基線校正、去除偽跡后，分別將擊發(fā)和收槍時每個時間段的腦電進(jìn)行疊加平均，經(jīng)過快速傅里葉轉(zhuǎn)換得到各腦區(qū)低-al pha波（8～10 Hz）高-alpha（11～13 Hz）、低-beta波（14～22Hz）功率值，并計算Fz與F3、F4、T3、T4、C3、C4、P3、P4、O1、O2之間的相干系數(shù)，然后經(jīng)過Fisher-Z轉(zhuǎn)換以確保數(shù)據(jù)正態(tài)分布。采用2×5×2×4（類型×電極×半球×?xí)r間段）的重復(fù)測量方差分析。大腦相干性分析相關(guān)圖見圖1。

圖1 左右半球各電極點與中央額區(qū)FZ配對連接圖Figure 1 Matching Connection Diagram of the Different Electric Contacts and the Central Frontal Area FZ of the Left and Right Hemispheres

2 研究結(jié)果

2.1 低-alpha（8～10 Hz）各腦區(qū)間相干性分析結(jié)果

重復(fù)測量的方差分析顯示：類型主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（1,8）=6.758，P=0.032。大腦相干性在運動員擊發(fā)時（0.813）顯著低于收槍時（0.945），見圖2。半球主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（1,8）=9.772，P=0.014。左半球相干性(0.843)顯著低于右半球（0.915），見圖3。電極位置主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（4,32）=166.749，P=0.000。而且越靠近Fz的電極位置其相干越高，見圖4。

圖2 低-alpha頻段擊發(fā)與手槍腦電相干性Figure 2 EEG Coherence in the Periods of Firing and Pistol Withdrawal at the Frequency Range of Low-alpha

圖3 低-alpha頻段大腦半球腦波相干性Figure 3 Brain Wave Coherence of the Hemispheres at Low-alpha

圖4 低-alpha頻段電極位置腦波相干性Figure 4 Brain Wave Coherence of the Electrode at Low-alpha

2.2 高-alpha（11～13 Hz）各腦區(qū)間相干性分析結(jié)果

重復(fù)測量的方差分析顯示：類型主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)（1,8）=1.315，P=0.285，擊發(fā)（1.257）與收槍（1.322）的相干性之間沒有差異性存在。半球主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（1,8）=9.659，P=0.014。左半球（1.353）相干性高于右半球（1.226），見圖5。位置主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（4,32）=244.718，P=0.000，而且越靠近Fz的電極位置其相干越高，見圖6。電極位置×半球交互相應(yīng)顯著，F(xiàn)（4,32）=3.943，P=0.031。進(jìn)一步的多重比較發(fā)現(xiàn)，C3-Fz（1.623）與C4-Fz（1.328）之間的相干性具有顯著性差異，左側(cè)相干性顯著高于右側(cè)，見圖7。

圖5 高-alpha頻段大腦半球腦波相干性Figure 5 Brain Wave Coherence of the Hemispheres at High-alpha

圖6 高-alpha頻段電極位置腦波相干性Figure 6 Brain Wave Coherence of the Electrode at High-alpha

圖7 高-alpha頻段電極位置×半球交互效應(yīng)腦波相干性Figure 7 Brain Wave Coherence of the Electrode×Hemisphere Interaction Effect at High-alpha

2.3 低-beta（14～22 Hz）各腦區(qū)間相干性分析結(jié)果

重復(fù)測量的方差分析顯示：類型的主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)（1,8）=0.458，P=0.517，擊發(fā)（1.325）與收槍（1.306）的相干性不存在差異性。半球的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（1,8）=11.899，P=0.009。左半球（1.355）相干性顯著高于右半球（1.275），見圖8。位置的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（4,32）=218.62，P=0.000，而且越靠近Fz的電極位置其相干越高，見圖9。位置×半球的交互效應(yīng)顯著，F(xiàn)（4,32）=4.348，P=0.006。進(jìn)一步多重比較發(fā)現(xiàn)，C3-Fz（1.639）與C4-Fz（1.521）、T3-Fz（1.012）與T4-Fz（0.790）之間相干性具有顯著性差異，且左側(cè)半球相干性顯著高于右側(cè)，見圖10。類型×?xí)r間段的交互效應(yīng)顯著，F(xiàn)（3,24）=12.478，P=0.000。進(jìn)一步多重比較發(fā)現(xiàn)，在動作結(jié)束前1 s的P=0.014和前3 s的P=0.033擊發(fā)和收槍存在顯著性差異，見圖11。

圖8 低-Beta頻段大腦半球腦波相干性Figure 8 Brain Hemisphere Wave Coherence at Low-beta

圖9 低-Beta頻段電極位置腦波相干性Figure 9 Electrode Brain Wave Coherence at Low-beta

圖10 低-Beta頻段電極位置×大腦半球交互效應(yīng)腦波相干性Figure 10 Brain Wave Coherence of the Electrode×Hemisphere Interaction Effect at Low-beta

圖11 低-Beta頻段類型×?xí)r間段交互效應(yīng)腦波相干性Figure 11 Brain Wave Coherence of the Type×Time Period at Low-beta

3 結(jié)果與討論

EEG相干性可用于評估運動表現(xiàn)過程中大腦不同功能區(qū)的信息溝通情況，較高的相干性表示各區(qū)域間的溝通相互連結(jié)，低的相干性則表示各區(qū)域各自獨立。根據(jù)動作技能三階段理論（Fitts&Posner，1967），隨著動作技能的學(xué)習(xí)，最終動作技能進(jìn)入自動化階段，此階段所涉及到的認(rèn)知分析逐步減少，運動員可以把注意力放在與運動相關(guān)的信息上，以更加有效的自動化模式來獲得最佳的運動表現(xiàn)。當(dāng)運動員動作純熟時，他們的大腦相干性相對而言是較低的，即大腦各皮質(zhì)各司其職，能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用并投入適當(dāng)?shù)馁Y源，大腦能更有效地處理其動作技能。本研究的目的是比較運動員在擊發(fā)和收槍兩種不同表現(xiàn)過程中的腦波相干性，我們假設(shè)運動員在擊發(fā)時其動作執(zhí)行過程較好，大腦動用資源少，而在收槍時其動作執(zhí)行不佳，大腦動用資源多。

本研究的結(jié)果顯示，在低-alpha頻段，運動員在擊發(fā)時腦波的相干性顯著低于收槍時腦波的相干性，在高-alpha和低-beta頻段并未發(fā)現(xiàn)兩者的差異。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，低-alpha（8～10 Hz）和高-alpha（11～13 Hz）具有不同的功能意義，低-alpha頻段不僅與認(rèn)知過程有關(guān)而且與全腦的喚醒、被試的注意準(zhǔn)備和努力過程有關(guān)[11]，而高-alpha頻段則反映了與特定任務(wù)相關(guān)的感覺運動或語義信息的神經(jīng)系統(tǒng)的波動[12]?？梢姡诓煌Y(jié)果的兩種射擊過程中，射手整體的大腦喚醒水平或本身的注意程度是不同的。與收槍時相比，在完成了擊發(fā)動作的射擊過程中，射手的相干性水平更低，表明射手此時大腦喚醒水平較低，擊發(fā)時大腦的皮質(zhì)溝通少于收槍時，動作更加自動化，相關(guān)腦區(qū)不必要的聯(lián)結(jié)降低。

通過對裂腦病人的研究[13]，發(fā)現(xiàn)左半球在語言、言語、書寫、計算、時間和節(jié)奏感知以及需要分析的各種思維中起特殊作用；右半球在與知覺有關(guān)的更加整體（廣泛）的加工、形象化、空間知覺、形狀識別、情緒、旋律和情緒的表達(dá)中起特殊作用。本研究結(jié)果顯示，在低-alpha頻段，左半球的腦波相干性顯著低于右半球。在射擊過程中右半球各腦區(qū)大腦皮質(zhì)間的溝通高于左半球各腦區(qū)，表明此時射手右半球的視覺空間過程增加，語言分析過程降低。但是在高-alpha和低-beta頻段卻發(fā)現(xiàn)左半球的腦波相干性高于右半球，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在高-alpha頻段C3-Fz的腦波相干性高于C4-Fz，在低-beta頻段C3-Fz腦波相干性高于C4-Fz。在具體執(zhí)行動作的過程中，相比較與右腦，左腦在運動區(qū)、顳葉表現(xiàn)出較高的腦波相干性。左側(cè)顳葉皮層與語言有關(guān)[13]，這表明運動員在計劃任務(wù)的過程中，過于關(guān)注對動作的控制以及涉及了認(rèn)知分析的過程。這與Deeny等對射擊運動員的研究發(fā)現(xiàn)不同，他們的研究指出，優(yōu)秀運動員的左腦腦波相干性低于右腦，代表優(yōu)秀運動員因動作技能自動化而減少了認(rèn)知信息的處理[8]。此外，以往對于不同技能水平的射擊被試進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)高技能水平的被試皮層交流顯著低于低技能水平被試，特別是在左側(cè)顳區(qū)與Fz之間。分析其原因可能與參與研究的射擊運動員的技能水平有關(guān)，王麗巖等指出，低水平階段運動員皮層活動在認(rèn)知任務(wù)中相關(guān)和不相關(guān)的腦區(qū)均會產(chǎn)生激活，反映了相對不穩(wěn)定的神經(jīng)過程，隨著技能水平的提高，動作變得更加精細(xì)、穩(wěn)定和自動化，相關(guān)任務(wù)腦區(qū)不必要功能連接降低[10]。本研究射擊運動員的訓(xùn)練年限在4年左右，而Deey等研究的專家級射擊運動員其運動經(jīng)歷達(dá)到18年左右，對技能的掌握更加純熟?？赡苡捎谶\動員對技能的不同掌握程度導(dǎo)致了結(jié)果的差異。

此外，低-beta頻段，我們發(fā)現(xiàn)不同表現(xiàn)中出現(xiàn)時間點的差異，動作前1 s和動作前3 s擊發(fā)和收槍存在顯著性差異。動作前3 s、擊發(fā)時相干性低于收槍時相干性，但在動作前1 s，收槍相干性發(fā)生明顯變化，而擊發(fā)時整個動作執(zhí)行過程中相干性比較平穩(wěn)。Bird的研究發(fā)現(xiàn)，個人表現(xiàn)較好時左側(cè)顳葉（T3）腦波頻率比起低分時呈現(xiàn)較穩(wěn)定狀態(tài)[14]。這與Bird的研究一致，因此可以認(rèn)為表現(xiàn)好壞與大腦皮質(zhì)活動穩(wěn)定程度有關(guān)系。

本研究對運動員擊發(fā)和收槍兩種情形下的腦波相干性進(jìn)行比較，并沒有在不同頻段出現(xiàn)相似的研究結(jié)果，其原因筆者認(rèn)為一是與運動員的技能水平有關(guān)系，二是運動員在射擊過程中可能雖不是最佳動作但最后進(jìn)行了擊發(fā)，且由于被試運動技能水平參差不齊，導(dǎo)致在動作前的神經(jīng)認(rèn)知處理過程不一致或缺乏穩(wěn)定性，因此很難從腦電變化中發(fā)現(xiàn)一致性的規(guī)律。

4 結(jié)論

4.1 在低-alpha頻段，與收槍時相比，運動員擊發(fā)時大腦信息溝通較少，表明扣扳機(jī)擊發(fā)時運動員只需要較低的皮層喚醒和注意努力。

4.2 在低-alpha頻段，左腦腦波相干性顯著低于右腦，表明大腦半球不同功能體現(xiàn)在了運動員射擊過程中，運動員射擊時右半球交流多，注意力轉(zhuǎn)移到以視覺空間為主。

4.3 不同表現(xiàn)過程中不同時間點顯示了不同高低的腦波相干性，推斷穩(wěn)定的大腦皮質(zhì)活動與較好的運動表現(xiàn)有關(guān)。

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（責(zé)任編輯：何聰）

Analysis of Electroencephalographic Coherence during the Periods of Firing and Pistol Withdrawal of Shanghai Women Air-pistol Athletes

AN Yan,ZHENG Fanhui
(Shanghai Research Institute of Sports Science,Shanghai200030,China)

The aim of this study is to examine electroencephalographic(EEG)coherence to determine the communication difference between the different encephalic regions of pistol athletes during the periods of firing and pistol withdrawal.EEG testing system(64 channels)was used to record the electroencephalogram of 12 women pistol athletes during the processes of firing and pistol withdrawal.The electroencephalogram was divided into 4 periods(each period 1000ms).The coherence between the prefrontal area and other brain areas (forehead area,central area,occipital area and temporal area)at the frequency range of low-alpha(8-10 Hz), high-alpha(11-13Hz)and low-beta(14-22Hz)was calculated.The result shows that at the low-alpha,the athlete has less brain information communication when firing,compared to that at the period of pistol withdrawal. This means that athlete only needs lower cortex awakening and attention effort at the period of firing.The left brain waves coherence is apparently lower than that of the right hemisphere,which shows that the different functions of the brain hemispheres can be seen in the process of athlete's firing.In the course of shooting,athlete's right brain hemisphere has more communication and attention shift gives priority to visual space.Different brain wave coherence can be detected in the different movement process at the different time point.So we can deduce that stable cerebral cortex activity correlates with better performance.

air-pistol;athlete;EEG coherence

G804.8

A

1006-1207（2016）06-0083-05

2016-09-16

上海市科委資助項目（14232302100）。

安燕，女，助理研究員。主要研究方向：運動心理學(xué)。E-mail：anyan198320@163.com。

*通訊作者簡介：鄭樊慧，女，研究員。主要研究方向：運動心理學(xué)。E-mail：zhengfanhui@hotmail.com。

上海體育科學(xué)研究所，上海200030。