青少年女子气手枪运动员击发前脑电变化特征的研究

郑樊慧，安 燕，谢前乔，王银珍



青少年女子气手枪运动员击发前脑电变化特征的研究

郑樊慧1，安 燕1，谢前乔2，王银珍2

通过EEG的测试，探讨青少年女子气手枪运动员不同环数击发前左、右颞区(T7和T8)、枕叶中线(Oz)、运动区(Cz)的α波功率和额叶中线(Fz)的θ波功率变化特征。研究发现：1)运动员在安静闭眼、睁眼状态下，左、右颞区(T7、T8)的α波功率值没有显著性差异；2)在击发前3 s，运动员左颞区(T7)的α波功率值显著高于右颞区(T8)的值；3)在击发前3 s，运动员枕叶中线(Oz)的α波脑电功率值呈上升趋势，其中，击发前倒数第3 s的值显著低于倒数第2 s的值；4)在击发前3 s，运动员10环的额叶中线(Fz)θ波功率值显著高于8环的值。

脑电图；青少年；女子运动员；气手枪；击发

1 前言

射击是一项求稳、求准的运动项目。射击过程中，运动员要将注意力在运动知觉、视觉等各种感觉通道上进行合理的分配，并减少各通道间的相互干扰以完成“稳”、“瞄”、“扣”等一系列动作。研究表明，当运动员处于最佳竞技状态时，其主观感受主要包括专注、时间静止、无杂念以及完全沉浸在运动中。可见，注意力是最佳竞技状态的主要成分。近年来，国外研究者利用心率、脑电等心理、生理指标对射击、射箭、高尔夫运动员完成动作过程中的注意力状态进行了一系列的研究，确定了一些能反映运动员注意力状态的指标，且利用这些指标进行神经反馈训练，以帮助运动员提高注意力水平，从而帮助他们提高运动成绩。

美国运动心理学者Hatfield等人率先利用脑电对优秀射击运动员击发前注意力变化特点进行了研究。他们的研究发现，随着扣扳机的临近，左颞区的α功率呈上升趋势，而右颞区的α功率降低或保持不变。他们认为，左颞区与语言理解、数字的逻辑处理功能相关，右颞区与视觉空间作业有关。而射击是需要高度视觉空间作业的运动项目，左颞区α波的上升可能表示与动作无关的认知思考及语言分析的活动的减少，运动员将注意力转向以右脑功能为主的视觉空间加工过程，这时大脑活动表现出“经济性”。

在Hatfield等人研究的基础上，许多研究者又进行了系列研究，这些研究主要包括：1)优秀运动员执行动作前大脑左、右半球脑电功率谱变化特征；2)优秀运动员与新手执行动作前的脑电功率谱的差异；3)脑电功率谱与运动成绩间的关系；4)脑电生物反馈训练对运动技能学习或成绩的影响；5)伴随运动技能操作过程的情绪状态及对运动成绩的影响。这些研究普遍发现，击发前左侧颞区的α功率的增加与较佳的运动成绩相关。尽管也有研究发现，枕叶α功率、额叶θ功率及运动区α波功率的去同步化也与较佳的运动成绩有关，但总体来看，左颞区α功率与运动成绩间的相关性得到更多研究的支持。

根据众多研究结果，Hatfield等人提出了“心理运动功效化理论”(Psychomotor Efficiency)。该理论认为，运动技能的获得是一个适应性过程，训练的结果表现为减少或精化大脑皮层中的非运动过程，即与任务无关的过程被删减，使神经资源能更经济或更有效地分配。

上述研究表明，脑电某些频段的功率和运动成绩间的关系为评估和监测运动员射击时的注意状态提供了方法和指标。但以往的这些研究大多以成年优秀运动员或新手为研究对象，很少以青少年运动员为研究对象。基于此，本研究探讨了青少年女子手枪运动员击发前脑电功率谱的变化特征，为评价青少年运动员击发前注意力变化特点及帮助教练员更好地分析和指导运动员的技术动作提供方法和指标。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

上海青少年女子气手枪运动员共11名，平均年龄为17±1.60岁，训练年限3.95±1.31年，均为右利手，视力或矫正视力正常，听力正常。

2.2 研究方法

首先，分别测试了运动员安静闭眼及睁眼状态下的3 min脑电图，然后让运动员共射40发子弹，每10发为一组，每组间休息3 min。参考前人的研究，采用Neuroscan Synamps 2 记录了运动员射击过程中F7、F8、Fz、Cz、Oz 5个脑区的脑电信号。参考电极置于头顶，前额接地，同时，在双眼外眦和眼眶上、下缘分别记录水平与垂直眼电。记录带通0.05～100 Hz，采样频率为500 Hz/导，电极和皮肤的接触阻抗<5 kΩ。

测试结束后，利用Scan 4.5 软件离线分析脑电数据。用相关法去除眼电伪迹，转换为双侧乳突为参考。分析时程为运动员击发前3 s，每1 s为一个时间段，共3个时间段(分别用-3、-2、-1表示)。伪迹去除后，分析10环、9环、8环击发前每个时间段α波(8～13 Hz)和θ波 (3～8 Hz)的脑电功率值。

由于脑电的离散度大，通常先对脑电功率值进行自然对数转换，使它更加符合正态分布。因此，本研究中，先对α波、θ波的脑电功率进行自然对数(Ln)转换，再分别对α波和θ波功率值进行3×3×2(成绩×时间×电极)和3×3 (成绩×时间)的重复测量ANOVA。在分析中，若违反球型假设，则采用Greenhouse-Geiser校正。

3 结果

3.1 运动员安静闭眼和睁眼状态下T7、T8的α波功率值分析

分别对运动员安静闭眼和睁眼状态下，T7、T8的α波脑电功率值自然对数转换值(Lnα)进行了配对t检验(表1)。

表 1 本研究运动员安静闭眼和睁眼状态下T7、T8的Lnα配对t检验结果一览表

经配对t检验后发现，在安静状态下，运动员闭眼或睁眼时，T7与T8的α波脑电功率值均无显著性差异。

3.2 运动员不同环数击发前3 s T7、T8的α波脑电功率值变化特点

以1 s为一个时间段，将运动员击发前3 s划分为3个时间段(分别用-3、-2、-1表示)，分别统计了运动员在10环、9环、8环击发前， T7、T8每1 s的Lnα值(表2)。

表 2 本研究运动员不同环数击发前3 s T7、T8每1 s的Lnα均值及标准差一览表

对不同环数击发前3 s中T7、T8每1 s的Lnα值进行3×3×2(成绩×时间×电极)重复测量方差分析，成绩和时间的主效应均不显著。成绩：F(1.39,13.90)=2.81，P=0.11；时间：F(1.84,18.44)=2.14，P=0.15。电极主效应显著：F(1,10)=21.83，P=0.001， 从图1可见，T8的Lnα值显著地低于T7的值。

图 1 本研究运动员击发前3 s T7、T8的Lnα值示意图

成绩与时间的交互作用不显著，F<1；成绩与电极的交互作用不显著，F<1；时间与电极的交互作用不显著，F(1.41,14.12)=1.85，P=0.20；成绩、时间与电极之间的三重交互作用也不显著，F(2.08,20.83)=2.50，P=0.11。

3.3 运动员不同环数击发前3 s Cz的α波脑电功率值变化特点

对运动员10环、9环、8环击发前3 s中Cz每1 s的Lnα值进行了统计(表3)。

表 3 本研究运动员不同环数击发前3 s Cz 每1 s的Lnα均值及标准差一览表

对不同环数击发前3 s Cz每1 s的Lnθ值进行3×3(成绩×时间段)重复测量方差分析，成绩主效应不显著，F(1.15,11.45)=1.28，P=0.29。时间段主效应不显著，F(1.59,15.97)=3.37，P=0.069。成绩和时间段的交互效应不显著，F(2.23,22.26)=2.28，P=0.12。

3.4 运动员不同环数击发前3 s Oz的α波脑电功率值变化特点

对运动员10环、9环、8环击发前3 s中 Oz每1 s的α值进行了统计(表4)。

对不同环数击发前3 s Oz每1 s的Lnα值进行3×3(成绩×时间段)重复测量方差分析，成绩主效应不显著，F<1。时间段主效应显著，F(1.8,18.02)=3.67，P=0.05。成绩和时间段的交互效应不显著，F(2.99,29.89)=1.49，P=0.24。

对3个时间段进行两两比较后发现，击发前第3 s的Lnα和击发前第2 s的值有显著性差异，P=0.046，击发前第3 s的值显著低于击发前第2 s的值。击发前第3 s和击发前最后1 s的值达到边缘显著，P=0.059(图2)。

表 4 本研究运动员不同环数击发前3 s中Oz每1 s的Lnα均值及标准差一览表

图 2 本研究运动员击发前3 s中Qz每1 s的lnα值示意图

3.5 运动员不同环数击发前3 s中Fz的θ频段脑电功率值变化特点

对运动员10环、9环、8环击发前3 s中Fz每1 s的Lnθ进行了统计(表5)。

表 5 本研究运动员不同环数击发前3 s Fz每1 s的Lnθ均值及标准差一览表

对不同环数击发前3 s Fz每1 s的Lnθ值进行3×3(成绩×时间段)重复测量方差分析，成绩主效应显著，F(1.39,13.93)=4.572，P=0.04；时间段主效应不显著，F(1.4,14.02)=2.34，P=0.143；成绩和时间段的交互效应不显著，F<1。

对成绩进行两两比较后发现，10环的Lnθ值和8环的值有显著性差异，P=0.031，10环的值显著地高于8环的值(图3)。

图 3 本研究运动员不同环数击发前3 s Fz的lnθ值

4 讨论

在安静闭目状态下，正常人脑电中占主导地位的为α波，它普遍存在于头皮的大部分位置，枕、顶叶是其主要分布位置，尤其当受试者闭目不进行任何视觉信息处理时，通常具有最大幅值。人们普遍认为，α波是“基础的”和“空闲的”状态下脑电活动的典型波形，当大脑从事认知任务或将眼睛睁大或大脑受到外界刺激时，α波幅会下降。因此，人们常用α波功率的变化来反映大脑是否处于活动状态。

根据Hatfield等人的研究发现，优秀射击运动员在准备击发期间，左颞区的α功率增加，而右颞区的α功率降低或保持不变，但大脑这种“偏侧化”现象在运动员休息期间并没有出现。同时，还有研究者发现，这种变化与较佳的射击成绩有关。

本研究发现，在安静闭眼和睁眼状态下，青少年女子气手枪运动员左、右颞区(T7、T8)的α波脑电功率值均无显著性差异。这个结果符合普通人脑电特点，即α波在左、右大脑半球的同名部位大体左右对称，其频率、波幅、出现率、位相等多相同。这个结果也与Hatfield等人的研究结果相一致。他们的研究发现，优秀射击运动员在准备击发期间呈现出左颞区的α波功率高于右颞区的现象并没有在运动员休息期间出现。

但本研究发现，在击发前3 s，青少年女子气手枪运动员的左颞区(T7)击发前的α波功率显著地高于右颞区(T8)的值。这表明，她们在准备击发前，左、右颞区α波功率确实出现了“偏侧化”。但与Hatfield等人研究结果不同的是，这种“偏侧化”与击发前不同时间段及不同环数间不存在交互作用。究其原因，可能是由于研究对象的不同。本研究以青少年女子运动员为受试者，她们训练的年限只有3年左右，她们40发子弹的平均环数仅为369环，可见，她们的技术动作还未成熟。因此，在射击时，她们的大脑可能还做不到更加高效、经济化地运作，以更加合理、有效地分配自己的注意资源。但由于在安静睁眼、闭眼状态下，她们α波脑电功率值均没有表现出左、右颞区有差异性，所以，本研究认为，这种脑电的变化模式似乎与射击技术动作特点有关。因此，这个研究结果在某种程度上仍与Hatfield等人的研究结果相一致，即如Hatfield等人分析的那样，射击是需要高度视觉空间作业的运动项目。左颞区α波的上升可能表示与动作无关的认知思考及语言分析的活动的减少，运动员将注意力转向以右脑功能为主的视觉空间加工过程，这时，大脑活动表现出“经济性”。这种特性也许是射击运动员进行射击时必须具备的一种专项心理品质。

从运动员枕叶中线(Oz)的α波脑电功率值变化特点来看，随着击发的临近，运动员枕叶中线(Oz)的α波脑电功率值呈上升趋势，其中，击发前倒数第3 s的值显著性地低于倒数第2 s的值，而且它与最后1 s的差异性也达到边缘性显著水平。枕叶的主要功能是处理视觉刺激，当视觉刺激到达视觉皮层的时候，首先，在初级视觉感知区进行处理，然后，再进入到次级视觉皮层做进一步的处理。因此，枕叶对于射击运动员的瞄准和扣扳机时最佳视觉注意的维持有极大的关系。有研究者指出，枕叶α波增加代表着枕叶的活动降低，对外在视觉信息处理的减少，表示个体在瞄准过程中个体减少对外在视觉线索的注意，以利于动作自动化地执行。而在射击训练时，特别是准备击发前的瞄准期，教练员也通常要求运动员做到“放大瞄区，视力回收，盯死平正准星，不苛求瞄准”。因此，运动员在准备击发时会减少对外在视觉刺激注意，所以，枕叶中央视觉皮层的α波功率值会上升。这可能是评价射击运动员射击时所必须的最佳心理状态的又一个指标。

此外，还有研究表明，在需要对刺激保持持续注意力的作业任务情景中，通常会诱发特定的皮质活动即额中线θ波的活动(Fz θ)，其最容易出现的电极位置为Fz。由于Fz θ能作为反映持续注意力的指标，在射击瞄准期间，需要运动员注意力持续地高度集中。Doppelmayr等人研究发现，在扣板机前的瞄准期间，优秀运动员有较高的Fz θ，且随着扣扳机时间的接近，Fz θ会稳定地增加，而新手却表现出先上升后又下降。溯源分析表明，与新手相比，优秀射击运动员θ活动最活跃的脑区为中额叶皮层和前扣带回。Doppelmayr等人认为，这个研究结果说明，在瞄准阶段，优秀射手和新手采用不同的策略，新手可能更多地注意于靶子或让枪支保持稳定，优秀运动员则能适时地在扣扳机前将注意力调整到最适宜的状态。本研究发现， 运动员10环的Fzθ功率值显著高于8环的值。但在击发前不同的时间段，运动员Fzθ功率值没有显著性差异。这可能表明，青少年运动员在射击过程中所采用的注意力策略仍有待进一完善。

目前，除了利用脑电功率值来研究射击运动员击发前注意力变化特点外，还有一些研究者对运动员击发前α波功率的同步化/去同步化值进行了研究。他们的研究结果也基本证明，优秀射击运动员击发前大脑活动表现出“经济性”。Hatfield认为，运动员射击时的脑电活动模式可能是运动员长期训练的结果，并且具有个人的独特性，而且有益于运动表现的脑波活动模式可以通过训练加以改善。因此，本研究在帮助教练员评价青少年运动员射击时注意力状态及提供新的训练方法——如神经反馈训练方面具有重要意义，这也是本研究后续的研究方向。

5 结论

1.在安静闭眼及睁眼状态下，青少年女子气手枪运动员左颞区(T7)和右颞区(T8)的α波功率值均没有显著性差异。

2.在击发前3 s，青少年女子气手枪运动员左颞区(T7)的α波功率显著地高于右颞区(T8)的值。

3.在击发前3 s，运动员枕叶中线(Oz)的α波脑电功率值呈上升趋势，其中，击发前倒数第3 s的值显著地低于倒数第2 s的值。

4.在击发前3 s，青少年女子气手枪运动员10环的Fz θ波功率值显著高于8环的值。

[1]大熊辉雄.临床脑电图学[M].周锦华，译.北京：清华大学出版社，2005:72-74.

[2]李颖洁，邱意弘，朱贻盛.脑电信号分析方法及其应用[M].北京:科学出版社,2009:63-64.

[3]柳起图.手枪的扣扳机动作[A].高志丹.射击射箭项目论文选编[C].北京：国家体育总局射击射箭运动管理中心，2004:34-38.

[4]BIRD E L.Psychophysiological processes during rifle shooting[J].Int J Sport Psychol,1987,(18):9-18.

[5]BUSCHMAN T J,MILLER E K.Top-down versus bottom-up control of attention in the prefrontal and posterior parietal cortices[J].Sci,2007,(315):1860-1862.

[6]DEL PERCIO C,BABILONO C，BERTOLLO M,etal.Visuo-attentional and sensorimotor alpha rhythms are related to visuo-motor performance in athletes[J].Human Brain Map,2009,(30):3527-3540.

[7]COLLINS D，POWELL G,DAVIES I.An electroencephalographic study of hemispheric processing patterns during karate performance[J].J Sport Exe Psychol,1990,(12):223-243.

[8]CREW D J,LANDERS D M.An electroencephalographic measures of attentional patterns prior to the golf putt[J].Med Sci Sports Exe,1993,(25):116-126.

[9]DOPPELMAYR M,FINKENZELLER T,SAUSENG P.Frontal midline theta in the pre shot phase of rifle shooting:Differences between experts and novice[J].Neuropsychologia,2007,46(5):1463-1467.

[10]EARLE J B.Task difficulty and EEG alpha asymmetry:An amplitude and frequency analysis[J]. Neuropsychobiology,1988,(20):96-112.

[11]HATFIELD B D,LANDERS D M,RAW W J.An electroencephalographic study of elite rifle shooters[J].Am Marksmen,1982,(7):6-8.

[12]HATFIELD B D,LANDERS D M,RAW W J.Cognitive process during self-paced motor performance[J].J Sport Psychol,1984,(6):422-459.

[13]HATFIELD B D.Cognitive neuroscience aspects of sport psychology：brain mechanisms underlying performance[A].第28届奥运会科学大会论文摘要汇编[C]，2004.

[14]HAUFLER A J,THOMAS W,SPALDING D L.Neuro-cognitive activity during a self-paced visuospatial task：comparative EEG profiles in marksmen and novice shooters[J].Biolog Psychol,2000,53:131-160.

[15]HILLMAN C H,APPARIES R J,JANELLE C M.An electrocortical comparaison of execute and rejected shots in skilled marksman[J].Biolog Psychol,2000，52:71-83.

[16]KERICK S E,DOUGLASS L,HATFIELD B D.Cerebal cortical adaptation associated with visuomotor pratice[J].Med Sci Sport Exe,2004,36：118-129.

[17]KONOEN M,PARTANEN J V. Blocking of EEG alpha activity during visual performance in healthy adults: A quantitative study[J]. Electroencephalog Clin Neurophysio,1993,(87):164-170.

[18]LANDERS D M,HAN M W,SALAZAR W,etal.Effect of learning on electroencephalographic and electrocardiographic patterns in novice archers[J].Int J Sport Psychol,1994,(25):313-330.

[19]LANDERS D M,PERTRUZZELLO S J,SALAZAR W,etal.The influence of electrocortical biofeedback and performance in pre-elite archers[J].Med Sci Sport Exe,1991,(23):123-129.

[20]LOZE G M, COLLINS D,HOLEMS P S.Pre-shot EEG alpha-power reactivity during exper air-pistol shooting :a comparaison of best and worst shots[J].J Sport Sci,2001,(19):727-733.

[21]OSAKA M,KOMORI M,MORISHITA M,etal.Neural bases of focusing attention in working memory:An fMRI study based on group differences[J].Cognit,Affect Behav Neurosci,2007,7(2)：130-139.

[22]SALAZAR W, LANDERS D M,PERTRUZZELLO S J,etal.Hemispheric asymmetry,cardiac response and performance in elite archers[J].Res Q Exe Sport,1990,(61):351-359.

[23]SAUSENG P,KLIMESCH W,FREUNBERGER R,etal.Relevance of EEG alpha and theta oscillations during task switching[J]. Experiment Brain Res,2006,(170)：295-301.

[24]SAUSENG P,KLIMESCH W,SCHABUS M,etal.Frontoparietal coherence in theta and upper alpha reflect central executive functions of working memory[J].Int J Psychophysiol,2005,(57):97-103.

[25]WILLIAMS J M,KRANE V.Psychological characteristics of peak performance[A].J M Williams.Applied Sport Psychology[M].CA:Mvayfield,1998:158-170.

Study on Characteristics of Pre-shot EEG during Female Adolescent Air-pistol Shooting

ZHENG Fan-hui1,AN Yan1,XIE Qian-qiao2,WANG Yin-zhen2

This study focused on the characteristics of Pre-shot EEG during female adolescent air-pistol shooting.The log-transformed alpha wave power spectral estimates from best shots and worst shots was compared at sites T7,T8,Cz,Oz and the log-transformed theta wave power spectral estimates at sites Fz also was compared.The result reveals that 1) The log-transformed alpha wave power spectral estimates of shooters’ during the resting period with eye opened or closed was not significantly different at site T7and T8.2) Over an 3-s period preceding the trigger pull,the log-transformed alpha wave power spectral estimates at sites T8is significant lower than that of at sites T7during shooting.3) Over an 3-s period preceding the trigger pull,the log-transformed alpha wave power spectral estimates at sites OZ was gradually increased,the alpha power from 3 seconds preceding the trigger to the time of the trigger is significant lower than that of last 2 seconds.4) the log-transformed theta wave power spectral estimates of the 10-score shots was higher than that of the 8-score shots.

EEG;teenagers;air-pistolshooter;pullthetrigger

1002-9826(2015)02-0100-05

2014-05-28；

2014-12-16

上海市科委课题资助项目(12231203000)。

郑樊慧(1969-)，女，湖北襄阳人，研究员，博士，主要研究方向为运动心理学，E-mail:1420629639@qq.com。

1.上海体育科学研究所，上海 200030；2.上海市射击射箭运动中心，上海 201108 1.Shanghai Research Institute of Sports Science,Shanghai 200030,China；2.Shanghai Shooting and Archery Sport Center,Shanghai 201108,China.

G871

A