于亮 王禎 趙麗

北京體育大學(xué)運(yùn)動人體科學(xué)學(xué)院（北京100084）

冰壺是一項集體能、智能于一體的冰上運(yùn)動項目。投壺是冰壺運(yùn)動中的關(guān)鍵技術(shù)[1，2]，投壺目標(biāo)的完成除需要身體各部位肌肉的協(xié)調(diào)配合外，大腦對信息的整合及發(fā)放的神經(jīng)支配也同樣影響著投壺成功與否，因此，了解冰壺運(yùn)動員投壺時中樞對信息的處理情況至關(guān)重要。腦電圖（electroencephalograph，EEG）作為評價人體大腦皮層神經(jīng)元活動規(guī)律的生理指標(biāo)，其在客觀反映中樞神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能狀態(tài)方面具有一定優(yōu)勢，近些年來已廣泛應(yīng)用于運(yùn)動員神經(jīng)系統(tǒng)功能方面的評定。目前對冰壺的研究多集中在技戰(zhàn)術(shù)[3，4]、動作分析[5-7]及心理學(xué)[8]方面，尚未見冰壺運(yùn)動員運(yùn)動過程中的神經(jīng)調(diào)控研究。本研究利用腦電圖記錄不同水平冰壺運(yùn)動員在閉眼安靜狀態(tài)和閉眼表象投壺狀態(tài)時的腦電變化情況，觀察不同水平運(yùn)動員在不同狀態(tài)下的腦電特征及差異，并分析在閉眼表象投壺時的腦功能特點(diǎn)，為提高冰壺運(yùn)動員運(yùn)動專項技能訓(xùn)練的中樞機(jī)制研究提供參考。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

本研究選取高水平女性冰壺運(yùn)動員（運(yùn)動技術(shù)等級為健將級）與北京市某機(jī)構(gòu)一般水平運(yùn)動員（運(yùn)動技術(shù)等級為二級或以下）各8 名，均為右利手，基本信息見表1。

表1 受試者基本信息

1.2 主要研究器材

Nation9128W 數(shù)字化腦電圖儀（上海諾誠公司生產(chǎn)）。

1.3 實(shí)驗流程

通知受試者→設(shè)置腦電儀→佩戴電極帽→記錄不同狀態(tài)腦電→分析腦電特征。

1.4 測試方法

在采集腦電前，保證受試者精神狀態(tài)良好，并確保受試者頭皮清潔。在實(shí)驗開始前告知受試者本次實(shí)驗?zāi)康募傲鞒?，簡要介紹腦電測試的基本原理及注意事項，以消除其緊張焦慮情緒。

正式測試時提前將電極浸泡在生理鹽水中，并根據(jù)受試者頭型大小調(diào)節(jié)電極帽，使其松緊適合。使用酒精在放置電極的頭皮部位進(jìn)行脫脂清潔，按國際10/20 系統(tǒng)放置電極，即接地電極（前額正中），參考電極（雙耳垂），左右前額極（Fp1、Fp2）、左右額極（F3、F4）、左右中央極（C3、C4）、左右頂極（P3、P4）、左右枕極（O1、O2）、左右顳前極（F7、F8）、左右顳中極（T3、T4）、左右顳后極（T5、T6），共19個電極。戴好電極帽后，采集閉眼安靜放松狀態(tài)時的腦電，隨后直接測量表象競賽狀態(tài)時的腦電，具體方法如下：

閉眼安靜放松狀態(tài)：受試者取舒適坐位，身體自然倚靠在椅子上，兩手放松置于大腿處，全身放松，閉目安靜，在測試過程中要求受試者盡量不眨眼，不轉(zhuǎn)動眼球，由腦電儀記錄自發(fā)腦電30 秒。表象投壺狀態(tài)：在閉眼安靜狀態(tài)腦電記錄完成后，實(shí)驗人員發(fā)出口令示意運(yùn)動員閉眼表象投壺技術(shù)中的“投進(jìn)”動作，即投進(jìn)大本營的有效投壺，從投壺前準(zhǔn)備、投壺開始，直到最后投壺結(jié)束，測試時間約30秒，表象結(jié)束時睜眼示意，測試結(jié)束。

采集閉眼安靜狀態(tài)與表象投壺狀態(tài)的腦電，對兩種狀態(tài)下各腦區(qū)α、θ、β、δ頻段腦電功率百分比進(jìn)行分析。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用x±s表示，使用Spss19.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，組間腦電功率百分比對比采用非參數(shù)Mann-Whitney U秩和檢驗，組內(nèi)腦電功率百分比對比采用配對樣本的非參數(shù)檢驗（Wilcoxon 符號秩檢驗），P<0.05時認(rèn)為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 研究結(jié)果

2.1 閉眼安靜狀態(tài)時各腦區(qū)腦電功率百分比特征

對不同水平冰壺運(yùn)動員閉眼安靜時各腦區(qū)各頻段腦電功率百分比進(jìn)行Mann-Whitney U秩和檢驗，結(jié)果顯示高水平運(yùn)動員左側(cè)大腦半球中央?yún)^(qū)（C3）、頂葉區(qū)（P3）、顳葉區(qū)（T3、T5）的α頻段功率百分比較一般水平運(yùn)動員明顯增加，而左側(cè)大腦半球中央?yún)^(qū)（C3）、頂葉區(qū)（P3）和顳葉區(qū)（T3、T5）的θ和δ頻段功率百分比較一般水平運(yùn)動員明顯降低（P<0.05）。高水平運(yùn)動員右側(cè)大腦半球顳葉區(qū)（T6）的α頻段功率百分比明顯高于一般水平運(yùn)動員（P<0.05），額葉區(qū)（Fp2）、顳葉區(qū)（T6）的θ頻段功率百分比和枕葉區(qū)（O2）、顳葉區(qū)（T6）的δ頻段功率百分比明顯低于一般水平冰壺運(yùn)動員（P<0.05）。詳見表2。因此，在對比不同水平冰壺運(yùn)動員表象投壺動作各腦區(qū)各頻段功率百分比差異時，需將腦電功率百分比作為協(xié)變量進(jìn)行分析。兩水平運(yùn)動員各腦區(qū)β頻段功率百分比無差異。

表2 不同水平冰壺運(yùn)動員閉眼安靜時左右腦區(qū)各頻段腦電功率百分比比較（%）

2.2 表象狀態(tài)時各腦區(qū)各頻段腦電功率百分比特征

觀察不同水平冰壺運(yùn)動員閉眼表象狀態(tài)下各腦區(qū)各頻段功率百分比發(fā)現(xiàn)，兩水平運(yùn)動員左側(cè)大腦半球額葉區(qū)（Fp1）及雙側(cè)大腦半球顳葉區(qū)（F7、T4）均以δ頻段占比多，右側(cè)大腦半球額葉區(qū)（F4）、顳葉區(qū)（T6）及雙側(cè)大腦半球頂葉區(qū)（P3、P4）、枕葉區(qū)（O1、O2）均以α頻段占比多；二者在雙側(cè)大腦半球額葉區(qū)（Fp2、F3）、中央?yún)^(qū)（C3、C4）和顳葉區(qū)（T3、T5、F8）上的優(yōu)勢頻段具有差異，高水平運(yùn)動員以α頻段為主，一般水平運(yùn)動員以δ頻段為主。對不同水平冰壺運(yùn)動員在進(jìn)行投壺表象時各腦區(qū)各頻段腦電功率百分比進(jìn)行Mann-Whitney U 秩和檢驗及協(xié)方差分析，結(jié)果顯示左側(cè)大腦半球各腦區(qū)未見顯著性差異，而右側(cè)大腦半球高水平冰壺運(yùn)動員與一般水平運(yùn)動員有明顯差異，表現(xiàn)為右側(cè)大腦半球額葉區(qū)（Fp2、F4）α頻段功率百分比高水平運(yùn)動員顯著高于一般水平運(yùn)動員（P<0.05），顳葉區(qū)（T4、T6）θ頻段功率百分比顯著低于一般水平冰壺運(yùn)動員（P<0.05）。詳見表3～5。

表3 不同水平冰壺運(yùn)動員表象時各腦區(qū)各頻段腦電功率百分比比較（%）

表4 高水平運(yùn)動員表象狀態(tài)腦電功率百分比（n=8，%）

表5 一般水平運(yùn)動員表象狀態(tài)腦電功率百分比（n=8，%）

2.3 閉眼安靜與表象狀態(tài)下各腦區(qū)α頻段功率百分比特征

對不同水平冰壺運(yùn)動員不同狀態(tài)下各腦區(qū)α頻段功率百分比進(jìn)行配對樣本的非參數(shù)檢驗（Wilcoxon 符號秩檢驗）發(fā)現(xiàn)，各運(yùn)動水平冰壺運(yùn)動員在進(jìn)行投壺表象時，左右大腦半球各腦區(qū)的腦電α頻段功率百分比較閉眼安靜狀態(tài)均呈現(xiàn)下降趨勢，即在表象投壺過程中，腦電α波形所占比例下降。其中高水平冰壺運(yùn)動員左側(cè)大腦半球顳葉區(qū)（T3），一般水平冰壺運(yùn)動員右側(cè)大腦半球額葉區(qū)（Fp2）及雙側(cè)大腦半球顳葉區(qū)（T3、T4）的α 頻段功率百分比在表象時出現(xiàn)了顯著下降（P<0.05）。見表6和7。

表6 高水平運(yùn)動員閉眼安靜與表象狀態(tài)下各腦區(qū)α頻段功率百分比比較（n=8，%）

表7 一般水平運(yùn)動員閉眼安靜與表象狀態(tài)下各腦區(qū)α頻段功率百分比比較（n=8，%）

3 討論

3.1 不同水平冰壺運(yùn)動員閉眼安靜時大腦狀態(tài)分析

腦電活動是偏態(tài)分布的非平穩(wěn)隨機(jī)信號，其節(jié)律隨著人體生理及精神狀態(tài)的變化而不斷變化。腦電的基本節(jié)律包括α、β、δ、θ四個主要頻段，其中α和β頻段又稱快波頻段，δ和θ頻段又稱慢波頻帶。α節(jié)律是頭皮腦電圖中最早發(fā)現(xiàn)的最主要節(jié)律，曾被認(rèn)為與“放空”（idling）的精神狀態(tài)有關(guān)，但新近研究顯示α節(jié)律在工作記憶中主要抑制無關(guān)刺激干擾而發(fā)揮重要功能[9]。同時，隨著工作記憶項目數(shù)量增加，皮層α節(jié)律也隨之增大，從而保護(hù)工作記憶目標(biāo)信息免受無關(guān)刺激的干擾[10，11]。本研究結(jié)果顯示，高水平冰壺運(yùn)動員在閉眼安靜狀態(tài)下其左側(cè)大腦半球中央?yún)^(qū)（C3）、頂葉區(qū)（P3）和雙側(cè)大腦半球顳葉區(qū)（T3、T5、T6）α頻段功率百分比明顯高于一般水平冰壺運(yùn)動員，可能高水平冰壺運(yùn)動員與工作記憶容量存儲的關(guān)鍵腦區(qū)相關(guān)的頂葉在安靜狀態(tài)下α節(jié)律功率增大。

一般精神活動如情緒緊張、覺醒水平增高等均可使枕區(qū)α波抑制，β波活動及θ波活動增多，本研究慢波θ和δ頻段的結(jié)果顯示，高水平冰壺運(yùn)動員閉眼安靜狀態(tài)下左側(cè)大腦半球中央?yún)^(qū)（C3）、頂葉區(qū)（P3）、顳葉區(qū)（T3、T5）的θ和δ頻段功率百分比，以及右側(cè)大腦半球額葉區(qū)（Fp2）、顳葉區(qū)（T6）的θ頻段和枕葉區(qū)（O2）、顳葉區(qū)（T6）的δ頻段功率百分比明顯低于一般水平冰壺運(yùn)動員，推測一般水平運(yùn)動員在開始表象投壺動作前即表現(xiàn)出情緒緊張等較活躍的心理活動。

3.2 不同水平冰壺運(yùn)動員閉眼表象時大腦喚醒水平分析

運(yùn)動表象是在運(yùn)動感知覺的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的、在頭腦中重現(xiàn)的動作形象或運(yùn)動情境[12]。運(yùn)動表象可以反映動作在一定時間、空間和力量等方面的特點(diǎn)，如動作速度、方向、位置和肌肉用力等特點(diǎn)。神經(jīng)肌肉調(diào)控理論認(rèn)為人們在想象動作時，運(yùn)動中樞會興奮，表象的運(yùn)動模式與實(shí)際動作執(zhí)行時的神經(jīng)–肌肉運(yùn)動模式相似。表象時應(yīng)用知覺所用的某些認(rèn)知過程，只不過沒有知覺的刺激輸入，運(yùn)動表象、運(yùn)動知覺和運(yùn)動執(zhí)行功能是等價的。因而運(yùn)動表象、運(yùn)動知覺和運(yùn)動執(zhí)行的神經(jīng)過程相似，三者參與的腦區(qū)相同[13]。有研究對運(yùn)動表象和真實(shí)運(yùn)動的腦功能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，除了初級感覺運(yùn)動皮層以外，參與到運(yùn)動表象和真實(shí)運(yùn)動中的腦功能區(qū)域是相同的，在程度上并沒有區(qū)別[14]。故運(yùn)動表象訓(xùn)練可以強(qiáng)化運(yùn)動的神經(jīng)調(diào)控過程，使動作更加熟悉并最終達(dá)到自動化。

冰壺比賽局面與投壺技術(shù)水平關(guān)系密切，較高的投壺成功率是比賽獲勝的重要條件?！巴哆M(jìn)”作為冰壺運(yùn)動員投壺技術(shù)中的最基本的動作，是“粘貼”“擊打”“清空”等其他技術(shù)動作的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性代表了運(yùn)動員投壺的穩(wěn)定程度。研究冰壺運(yùn)動的投壺表象腦電特征對于強(qiáng)化運(yùn)動表象訓(xùn)練過程具有一定的應(yīng)用價值，“投進(jìn)”的動作表象可以作為反映運(yùn)動員完整投壺過程的有效選擇。目前較少有研究報道冰壺運(yùn)動表象時其腦電變化特征。已有的其他相關(guān)研究提示運(yùn)動表象活動時兩側(cè)大腦半球額葉、頂葉、顳葉、枕葉等區(qū)域均有激活，且大腦右半球的激活更明顯[15]。本研究結(jié)果顯示，在冰壺投壺的閉眼表象活動中高水平運(yùn)動員與一般水平運(yùn)動員左側(cè)大腦半球各腦區(qū)的激活無顯著性差異，但右側(cè)大腦半球激活特點(diǎn)高水平冰壺運(yùn)動員與一般水平運(yùn)動員差異明顯，高水平冰壺運(yùn)動員右側(cè)大腦半球額葉區(qū)（Fp2、F4）α頻段功率百分比顯著高于一般水平運(yùn)動員，顳葉區(qū)（T4、T6）θ頻段功率百分比顯著低于一般水平冰壺運(yùn)動員。提示高水平冰壺運(yùn)動員投壺表象時α波比率高，說明投壺表象能力與α波相關(guān)，該結(jié)果與前人研究發(fā)現(xiàn)的表象能力好的被試α波比率高一致[16]。

腦波的不同頻段節(jié)律是由神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)及軸突傳導(dǎo)和突觸延遲所致的神經(jīng)元通信速度差異引起的。節(jié)律周期受到參與神經(jīng)元集群及神經(jīng)環(huán)路大小的限制，一般來說，較高頻率的節(jié)律反映局部空間的信息，而低頻節(jié)律招募較大空間的神經(jīng)元集群，反映不同腦區(qū)間協(xié)調(diào)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)θ節(jié)律與一些特定行為有關(guān)，比如θ節(jié)律在運(yùn)動時產(chǎn)生，且主動運(yùn)動時的能量要大于被動運(yùn)動能量[17]。本研究還發(fā)現(xiàn)在閉眼投壺表象時高水平運(yùn)動員顳葉區(qū)θ頻段功率百分比較一般水平運(yùn)動員低，提示高水平運(yùn)動員可能由于運(yùn)動自動化水平較高，其表象活動時局部腦區(qū)激活存在能量的節(jié)省化。此外，已有的研究還發(fā)現(xiàn)θ頻率和眼動頻率相同，即θ節(jié)律選擇性地與外界刺激的頻率相關(guān)[18]，同時θ節(jié)律在多個類型的學(xué)習(xí)和記憶過程起到關(guān)鍵作用，對于突觸可塑性的調(diào)節(jié)作用也至關(guān)重要[19]。鑒于此，后續(xù)本課題組擬將自由眼動、限制眼動和閉眼表象三種方式相結(jié)合進(jìn)一步深入研究投壺表象的腦電特征。

在進(jìn)行表象時，大腦神經(jīng)元可能會出現(xiàn)興奮性升高與降低的不同趨勢，α頻段功率百分比的變化通常可作為評價大腦神經(jīng)元激活程度的指標(biāo)。一般認(rèn)為與安靜狀態(tài)相比，α頻段功率百分比降低程度越大，大腦神經(jīng)元激活水平越高[20]。對于表象時α頻段功率百分比的變化，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為表象使大腦神經(jīng)興奮性升高，進(jìn)而導(dǎo)致α頻段功率百分比降低。本研究結(jié)果顯示高水平及一般水平冰壺運(yùn)動員在表象投壺動作時，其α頻段功率百分比均較閉眼安靜狀態(tài)呈下降趨勢，提示兩水平冰壺運(yùn)動員在進(jìn)行投壺表象時大腦神經(jīng)元激活水平均出現(xiàn)提高。此外，觀察同一水平運(yùn)動員在安靜和表象時的α頻段功率百分比可見，高水平冰壺運(yùn)動員在進(jìn)行表象時，僅左中顳（T3）顯著降低（P<0.05），而一般水平冰壺運(yùn)動員右前額（Fp2）及左右顳葉（T3、T4）均顯著降低（P<0.05），可能與一般水平冰壺運(yùn)動員投壺動作自動化程度低，表象時精神活動高度緊張有關(guān)。

4 小結(jié)

本研究結(jié)果顯示，閉眼安靜狀態(tài)下高水平冰壺運(yùn)動員左側(cè)大腦半球中央?yún)^(qū)（C3）、頂葉區(qū)（P3）和雙側(cè)大腦半球顳葉區(qū)（T3、T5、T6）α頻段功率百分比增大，左側(cè)大腦半球中央?yún)^(qū)（C3）、頂葉區(qū)（P3）、顳葉區(qū)（T3、T5）的θ和δ頻段功率百分比與右側(cè)大腦半球額葉區(qū)（Fp2）和顳葉區(qū)（T6）θ頻段功率百分比、枕葉區(qū)（O2）和顳葉區(qū)（T6）δ頻段功率百分比較低。閉眼表象投壺動作時，高水平與一般水平冰壺運(yùn)動員各腦區(qū)α頻段功率百分比均呈下降趨勢，同時高水平冰壺運(yùn)動員右側(cè)大腦半球激活明顯，額葉區(qū)（Fp2、F4）α頻段功率百分比較高，顳葉區(qū)（T4、T6）θ頻段功率百分比較低。