乒乓球运动经验对视觉注意、认知控制和识别过程影响的ERP研究

赵 思，李安民，张大为

乒乓球运动经验对视觉注意、认知控制和识别过程影响的ERP研究

赵 思，李安民，张大为

利用ERP（Event Related Potential）技术考察乒乓球运动员和大学生在一般认知加工过程中的差别。研究假设：运动员由于长期训练的原因，他们在早期的视觉注意、认知控制和识别过程中将与普通大学生存在差异。研究选取10名国家二级乒乓球运动员和12名普通大学生，考察他们在视觉空间旋转判断任务中的表现。结果显示，运动员和大学生在辨别反应任务和选择反应任务的反应时上不存在显著差异，但两者在ERP结果上存在显著差异。在辨别反应中，运动员在O1和OZ点P1波的振幅显著小于大学生，在FZ点N2波的振幅显著大于大学生（P＜0.05）；在选择反应中，运动员在OZ点的振幅显著小于大学生（P＜0.05），在F3和FZ点的N2振幅显著大于大学生（P＜0.05），在CZ和C3点P3波的振幅显著小于大学生（P＜0.05）。在刺激呈现后400～500 ms期间，除了顶叶的激活外，乒乓球运动员显示出额叶的激活，而大学生则显示出双侧颞叶激活。结果表明，受长期训练的影响，运动员具有较高的视觉注意和认知控制能力，在反应选择和动作准备上，运动员倾向于采取自上而下的加工，而大学生倾向于采取自下而上的加工。

乒乓球运动经验；认知控制；一般认知加工

长期从事特定的运动将提高参与者在特定项目中的表现，如足球运动员能在足球和球接触以前对球的运动方向做出判断[1]；在持拍类运动中，与非运动员相比，运动员能更早地利用线索（线索的来源包括球拍和手）[2]；专家优秀的预判能力已在足球和曲棍球中得到证实[3]。在足球中，运动员对比赛情景的识别能力高于非运动员[4]，但是，这些优秀的表现是否能在非专项情景中体现还存在争议。围棋专家是否具有更好的工作记忆能力？足球和篮球专家是否具有更高的注意觉察能力？

在体育领域中，运动员和普通人在基本认知功能上是否存在差异？这一问题吸引了众多研究者的注意，他们就这一问题展开了许多研究。在关于注意的研究上，MCAULIFFE[5]研究显示，排球运动员的外周线索提示效应大于运动员；LUM等[6]研究显示，从事开放性运动的运动员在主动注意转移上存在优势；ENNS等[7]认为，曲棍球运动水平和持续注意能力、主动注意转移能力存在显著的关系。在记忆的研究上，SCHNEIDER等[8-9]研究显示，国际象棋选手在回忆随意摆放的棋子位置的任务中具有优势；ALLARD等[4，10-11]研究显示，篮球、足球运动员和桥牌选手在回忆不熟悉情景中信息的任务中均具有更好的表现。对于较高级的认知过程（如认知控制）目前还没有关于这方面的研究。

在过去的研究中，研究者使用行为指标来对记忆和注意等进行研究，但由于反应时（reaction time）中包含认知加工时间和动作时间（movement time），因此只能在一定程度上反映认知加工。因此，本实验采用Event Related potential（ERP）技术来考察运动员和普通人在认知加工上的差异，由于ERP各成分的出现不受动作时间的影响，因此它能在更高的精确度上反映认知加工过程；ERP不同的成分代表不同的认知过程的出现，如P1和N2分别代表早期视觉注意和认知控制[12-15]，因此能考察运动员和普通人在不同认知加工过程中的差异。此外，关于认知控制的研究目前还较缺乏，本研究利用N2成分来反应运动员和普通人在认知控制上的差异，有助于理解运动员和大学生在高级认知加工上的差异。

在任务的选取上，本研究选择快速视觉空间旋转任务。在乒乓球运动中，准确识别发球的旋转方式对于选择正确的回应策略至关重要。本研究模拟乒乓球发球中球的旋转方式，同时弱化任务的专项特异性，以考察乒乓球运动员在快速视觉空间旋转任务上与普通人是否存在差异。

本研究目的是，通过ERP来考察乒乓球运动员和普通大学生在一般认知加工过程上的差异，考察具体认知加工能力，包括视觉注意能力、认知控制能力和工作记忆刷新速度。本研究假设，乒乓球运动员受自我选择和后天训练的影响，他们在以上3种一般认知能力上优于普通大学生。

1 研究对象与方法

1.1 试验对象

被试分为专家组和新手组，专家组来自上海体育学院运动训练专业乒乓球专项和上海体育学院附属竞技体育学校的乒乓球专项的运动员，共10名，均为女性，运动等级均为国家二级，平均年龄为18.67岁，平均训练年限为9.43年。新手组的被试来自上海体育学院无乒乓球训练经验的的学生，共12名，均为女性，平均年龄19.00岁，对乒乓球运动有所了解，无运动等级。

所有被试经矫正后视力正常，为了避免优势手不同带来的干扰，本试验所有被试均为右利手。

1.2 试验材料

试验材料为带有缺口并旋转的圆，缺口的起始位置有8种，分别为0°（正上方）、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°（见图1），呈现时间80 ms，接着呈现经过逆时针或顺时针旋转45°之后的图形（见图2），呈现时间为80 ms。8种不同的缺口位置和2种不同的旋转方式结合为16种不同的刺激，靶刺激为起始位置为正上的顺时针旋转的圆，只有在起始位置、终止位置与旋转方向都与靶刺激相吻合的情况下，刺激才可以被辨认为靶刺激，非靶刺激为其他刺激。刺激在被试视网膜上的成像大小为9°，缺口在视网膜上的成像大小为1.5°。

图1 旋转图形起始位置示意图Figure1 Beginning image of the rotating circle

图2 靶刺激示意图Figure2 Target stimulus

1.3 试验程序

试验在隔音、恒温和光线恒定的环境中进行，试验前要求被试填写被试基本情况调查表。向被试介绍有关试验的要求：试验过程中尽量放松全身，尤其是放松头部和面部肌肉，选舒服的坐姿坐好，试验正式开始后，头和身体尽量保持不动，被试头部距离屏幕1.1 m。

试验程序（见图3）采用E-prime2.0软件编制，程序分为练习阶段和正式测试阶段。为了消除操作熟练性因素对试验结果的影响，在正式开始试验前，每名被试进行20次的按键反应练习，预备性试验结果表明，经过20次熟悉键位的练习后，被试按键反应时趋于稳定，此阶段所收集的反应时与反应正确率的数据不作为最后分析数据。试验分为以下2个不同的部分。

1.3.1 辨别反应任务（discriminating reaction task，简称DRT）试验中，被试需又快又准地辨别呈现的刺激是否为靶刺激，并做出按键或不按键的反应，如果为靶刺激则用右手按“Enter”键，非靶刺激则不做反应。试验中，靶刺激和非靶刺激分别呈现62次，所有刺激均随机呈现。

1.3.2 选择反应任务（choice reaction task，简称CRT） 试验中，被试需在刺激呈现时辨认刺激是否为靶刺激，并做出相应的反应。为了避免优势手带来的干扰，采取平衡设计，一半被试在出现靶刺激时左手按“1”，出现非靶激时右手按“3”，另一半被试在出现靶刺激时右手按“3”，出现非靶刺激时左手按“1”。试验中，靶刺激呈现65次，非靶刺激呈现93次，所有刺激均随机呈现。

图3 E-prime呈现程序示意图Figure3 E-prime procedure of experimental task

1.4 试验设备

德国Brain Products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，采样频率为1 000 Hz，带通滤波为1.15～100 Hz，另以AFz为接地点，所有电极的电阻保持在5 KΩ以下。

1.5 数据采集与处理

1.5.1 行为数据 采用E-prime2.0软件包中E-Run运行程序并记录被试的反应时和反应正确率，采用E-DataAid对数据进行初步筛选和处理，对异常数据进行筛选，剔除超过3个标准差以外的数据，最后采用SPSS17.0对所有数据进行分析处理。

1.5.2 ERP数据 采用Brain Products脑电记录仪，64导电极帽，Brain Vision Recorder Version 1.03采集EEG数据。采用Brain Vision Recorder Version 2.0对EEG数据进行处理，并从中提取和叠加有效的ERP成分进行分析处理。ERP成分提取方法如下：以FCz为参考电极，进行眼电伪迹校正，校正由身体运动和头、面部动作所引起的EEG伪迹，去除100 ms之内峰值大于100 μV和小于0.5 μV的片段；以所选电极点为参考电极对EEG片段进行滤波，剔除波幅大于50 μV的片段，分析时采用刺激锁时方式，以带缺口的圆的起始位置开始呈现为事件原点，进行EEG片段切分，事件前取200 ms，事件后取1 000 ms，片段共长1 200 ms；以事件前200 ms的脑电波形为基线，对各EEG片段进行基线校正，叠加各被试的有效EEG片段，得到该被试的ERP波；平均叠加同组被试的ERP波形，并再次进行基线校正，得到不同试验组别被试的ERP波形。选取FZ、CZ、PZ、POZ、OZ、F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2作为分析点，分析波包括P1、N2和P3。

2 结 果

2.1 反应时

使用独立样本T检验对不同组被试在不同任务下的反应时做统计检验，运动员和大学生在辨别反应任务和选择反应任务中差异不显著（见表1）

表1 运动员和大学生在辨别反应任务和选择反应任务中反应时的T检验/msTable1 T test of reaction time in DRT and CRT between athletes and students/ms

2.2 事件相关联电位

2.2.1 辨别反应靶刺激P1波 使用独立样本T检验对运动员和大学生在O1、O2、OZ和POZ点的P1波波幅进行检验。结果显示：P1峰值位于起始图片开始呈现后70～80 ms；在O1点，运动员的振幅显著小于大学生（T=-3.185，P=0.005）；在OZ点，运动员的振幅显著小于大学生（T=-1.910，P=0.043）；在O2和POZ点，运动员和大学生的P1振幅差异不显著（见图4）。

2.2.2 辨别反应靶刺激N2波 对运动员和大学生在F3、F4、CZ和FZ的N2波幅进行独立样本T检验。结果显示：N2波峰出现于290～300 ms；在FZ点，运动员和大学生在N2波幅上差异显著（T=-3.876，P=0.037），运动员的振幅大于大学生；在所选的其他电极点上，运动员和大学生之间差异不显著（见图5）。

2.2.3 辨别反应靶刺激的P3波 P3波起始于300 ms左右，在500 ms左右达到最大值。使用独立样本T检验对运动员和大学生在C3、C4、CZ、P3、P4和PZ点的P3波波幅进行检验。结果显示，在所有选择的点上，运动员和大学生之间差异不显著（见图6）。

2.2.4 选择反应靶刺激P1波 使用独立样本T检验对运动员和大学生在O1、O2、OZ和POZ点的P1波波幅进行检验。结果显示：在OZ点，运动员的振幅显著小于大学生（T=-3.113，P=0.008）；在O1、O2和POZ，运动员和大学生之间差异不显著。

2.2.5 选择反应靶刺激N2波 对运动员和大学生在F3、F4、CZ和FZ的N2波幅进行独立样本T检验。结果显示：在FZ点，运动员和大学生在N2波幅上差异显著（T=-2.145，P=0.028），运动员的振幅大于大学生；在F3点上，运动员的N2振幅也显著大于大学生（T=-2.093，P=0.05）；在F4和CZ点上，运动员和大学生之间差异不显著。

2.2.6 选择反应靶刺激的P3波 使用独立样本T检验对运动员和大学生在C3、C4、CZ、P3、P4和PZ点的P3波波幅进行检验。结果显示：在CZ点上，运动员的振幅显著小于大学生（T=-2.602，P=0.022）；在C3点上，运动员的振幅显著小于大学生（T=-2.359，P=0.035）；在所选的其他点上，运动员和大学生之间差异不显著。

图4 运动员和大学生在OZ点辨别反应中P1波的比较Figure4 Comparison of grand averaged waveforms of P1 at OZ between athlete and students

图5 运动员和大学生在辨别反应任务中在FZ点N2波的比较Figure 5 Comparison of grand averaged waveforms of N2 at FZ between athlete and students

图6 运动员和大学生在CZ点选择反应任务中P3波的比较Figure 6 Comparison of grand averaged waveforms of P3 at CZ between athlete and students

2.2.7 刺激呈现后400～500 ms的脑地形图 辨别反应任务中，运动员主要的激活部位为顶叶，大学生除了顶叶的激活外，还出现了双侧颞叶较低程度的激活。在选择反应任务中，运动员与大学生的激活都主要集中于顶叶，在后期运动员出现额叶的激活，而大学生则无。

图7 运动员和大学生在刺激呈现后400～500 ms间的脑地形图比较Figure 7 Comparison of topographical maps of P1 at OZ between athlete and students

3 讨论

3.1 运动员和大学生在早期视觉注意上的差异

结果显示，运动员和大学生在P1波幅上差异显著，运动员的波幅小于大学生。由于P1是一个外源性成分，与眼睛对视觉信息的处理有关，受注意的影响[12-13]。运动员较小的P1振幅表明，运动员在前期投入的注意资源较少。在乒乓球这一开放性运动中，视觉注意在整个过程中起至关重要的作用，乒乓球运动员需要在较短的时间内搜寻到视觉刺激，并根据比赛情形的变化，及时转移注意对象。对有关从事开放性运动的运动员的研究也显示，他们具有更高的主动注意转移能力[6-7]，本研究在此基础上证明，受长期的视觉空间判断训练，他们只需要付出较少的努力便能作出判断。

3.2 运动员和大学生在认知控制能力上的差异

前额和中央区域的N2波通常被认为与认知控制和反应抑制有关[14-15]，乒乓球运动员在前额叶和中央区域较高的N2波波幅显示，运动员在认知控制和反应抑制中保持较高的资源投入。本试验中，运动员较高的认知控制可能与乒乓球运动的开放性有关，在乒乓球运动中，比赛情形在分秒之间都可能产生变化，运动员需要时刻根据对手的反应来调整自己的策略，因此乒乓球运动员在比赛中需要时刻保持较高的认知控制。在本试验的视觉空间任务中，运动员同样保持了较高的认知控制以调整自己的反应。有关运动与认知控制的研究显示，经常运动的青年人具有更高的认知控制能力，并且他们体内脑源性神经营养因子（brain derived neurotropic factors，简称BDNF）和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，简称VEGF）的水平和表现具有密切的关系[16]，这提示，运动可能通过调节体内相关激素水平来改善认知功能。

3.3 运动员和大学生在记忆和信息加工上的差异

P3被认为与工作记忆刷新和刺激的辨别有关，在本试验的选择反应中，运动员P3的振幅显著小于大学生，这意味着在同样的任务中，运动员消耗的认知资源更少。在专项情景中，研究者已观察到跆拳道运动员和舞蹈运动员在观看和执行专项动作时，运动员的资源消耗小于普通人[17-18]。本研究中的刺激为一般刺激，运动员同样也表现出较高的资源利用率，这可能与本研究的任务性质有关。乒乓球运动需要运动员具有较高的精细视觉空间辨别能力，而本研究的任务也为精细视觉空间任务，运动员较高的资源利用率可能是由于他们在长期的运动训练中形成了较高的精细视觉空间辨别能力，他们将这一能力迁移到本研究的任务中。

3.4 运动员与大学生在加工方式上的差异

从刺激呈现后400～500 ms间的脑地形图上可以看出：辨别反应任务中，运动员主要的激活部位为顶叶，大学生除了顶叶的激活外，在后期还出现了双侧颞叶较低程度的激活；在选择反应任务中，运动员与大学生的激活都主要集中于顶叶，运动员在后期出现额叶的激活，而大学生则无。由于颞叶与视觉记忆以及感觉输入的加工密切相关，在至下而上的加工中起着重要作用[19]。大学生双侧颞叶的激活表明，大学生倾向于采取自下而上的加工方式，而前额叶可以通过自上而下的方式来调节身体的其他部位完成特定的任务[20]；运动员前额叶的激活表明，在反应选择和动作输出中，运动员倾向于采取自上而下的加工方式。

本试验中，运动员和大学生在选择反应的反应时上并无显著差异，但两者在ERP振幅上差异显著。由于反应时包含认知过程的时间和动作执行的时间，所以反应时上无差异无法说明认知过程上是否存在差异。ERP的各成分直接反应各认知加工过程，它能更明确地揭示两者之间存在的差异。本研究表明，在一般的认知任务中，乒乓球运动员和大学生在整体速度上不存在差异，但两者在早期视觉注意、认知控制和加工方式上存在差异。

4 结 论

运动员与大学生在一般认知加工上存在差异，具体表现为在早期视觉注意中，运动员具有更好的主动注意转移能力，并且投入相对较少的注意资源，在后期涉及工作记忆的辨别中，运动员也显示出较少的认知资源投入。此外，运动员表现出较高的认知控制来应对时刻变化的环境。后期的脑地形图显示，运动员倾向于采取自上而下的加工方式，而大学生倾向于采取自下而上的加工方式。

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Influence of Experience of Playing Table Tennis on Visual Attention，Cognitive Control and Recognition：ERP Study

ZHAO Si，LI Anmin，ZHANG Dawei
（School of Kinesiology，Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China）

The differences between table tennis players and university student on rotation judgment in rapid visual spatial tasks were studied in this research by Event Related Potential.The hypothesis was that，due to the long-term practice，table tennis players and university students were different on the visual processing，stimulus discrimination and cognitive control.The performance of 10 table tennis players and 12 university students participated in the study.The results indicated that there were no differences on the reaction time of DRT and CRT between table tennis players and university students，but there were sig⁃nificant differences on ERP.In DRT，The peak amplitude of P1 at O1 and OZ of athletes was significantly smaller than that of students.The peak amplitude of N2 of athletes at FZ was significantly larger than that of students；In CRT，the peak amplitude of P1 of athletes at OZ was significantly smaller than that of uni⁃versity students，the peak amplitude of N2 of athletes at F3 and FZ was significantly larger than that of university students，the peak amplitude of P3 at CZ and C3 of athletes was significantly smaller than that of students，but the peak latency was significantly larger than students.Between 400-500ms after onset of stimulus，both athletes and students had parietal activation.Except that，athletes also had prefrontal activation，while students also had temporal activa⁃tion.The results indicated that the table tennis players had stronger visual attention ability and cognitive control ability.During the action choosing and prepa⁃ration，athletes tend to process information in top-down manner，while students tend to process information in bottom-up manner.

table tennis experience；cognitive control；common cognitive process

G 804.8

A

1005-0000（2014）01-033-05

2013-10-25；

2013-12-30；录用日期：2014-01-07

上海市大文科学术新人培养计划（项目编号：xsxr2012010）；上海高校一流学科（心理学）开放基金项目（项目编号：XL2012007）

赵 思（1988-），女，湖北天门人，在读硕士研究生，研究方向为运动专长与认知。

上海体育学院运动科学学院，上海200438。