优秀射箭运动员不同负荷状态下中枢神经递质及脑电复杂度变化的研究

李欣鑫，李建英

引言

射箭运动发展至今，随着规则的多次变化，专项训练的侧重点也历经多次改革，由早期的重视排名赛，到排名赛、淘汰赛并重，再发展到如今的局胜制下的以排名赛能力为基础，更强调淘汰能力的理念趋势。2012年伦敦奥运会前，国际射箭联合会决定实施局胜制规则，世界各国对射箭运动的研究随着规则的大幅变化而明显加强。由于淘汰赛采用局胜制，使得箭支数变少，单局的竞争愈加激烈，而比赛愈加残酷。作为一项强调技术和心理的运动项目，在高水平运动队中对神经中枢机能的监测与研究一直是训练监控的重要工作，国家射箭队自2003年起一直将运动员脑电测试作为备战工作中对训练负荷进行调整的参考措施。

当今高水平射箭运动员的训练负荷调控更加科学化、合理化，负荷的量度也趋于定量化。目前，学术界对射箭训练负荷的定义比较一致，是指射箭运动员在承受一定的外部刺激时，机体在生理和心理方面所表现出来的应答反应［2］。以往的研究中显示，我国优秀射箭运动员在日常训练中的专项负荷量已呈大幅增长趋势［3］。目前，国内各省（区、市）专业射箭队衡量专项训练负荷量的指标主要以运动员单位时间内开弓总次数以及实际发射箭支的次数两个参数为主，而衡量专项训练负荷强度则以训练类型、本人最高环数差、箭间密度、组间密度、动作感觉成功率、周队内测验次数等几项指标为主［4］。本研究中，对国家射箭队优秀运动员专项训练负荷量的划分是以实际发射箭支的次数为参照值，专项训练负荷强度则是以训练类型为划分依据。

本研究利用脑电超慢涨落技术及脑电非线性分析方法，对2012年备战伦敦奥运会的国家射箭集训队运动员在不同负荷量与负荷强度的训练状态下，大脑中枢神经递质与脑电复杂度参数变化的情况进行研究，掌握在专项负荷刺激后反映大脑机能的各项监测指标的变化幅度以及改变特点，探讨其变化的基本规律，为高水平射箭运动员专项负荷训练提供理论依据及监测数据支持。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

实验组运动员为国家射箭队集训队运动员，对照组普通人为山西大学在校大学生，两组被试均身体健康，未见大脑器质性疾病（表1）。

表1 本研究对象基本情况一览表Table 1 General Condition of Study Objects

1.2 研究方法

1.2.1 测试仪器与测试方法

测试仪器采用北京太阳公司生产的SOLAR1848脑电图仪，使用梅磊教授研发的中枢神经递质系统对所采集的脑电数据进行超慢涨落（SET）分析，BECKMAN纯银鞍状电极在被试运动员头顶的放置遵循国际脑电图学会标准安装法（国际10／20系统电极放置法），分别在运动员额区、中央区、顶区、枕区、颞区放置16个采样电极，接地电极放置在FPz位置，双侧耳垂分别放置夹式参考电极。测试选择在运动员训练课结束1h后进行，整个测试过程需闭目、安静、清醒、两手自然放在双腿上保持坐姿，整个测试过程为18min。若受试者在测试中有手麻或头晕，动手指提示测试人员，记录该时间［5，12，13］。

1.2.2 阶段划分

脑电监测阶段选择在3种训练负荷组合阶段:即LLLLI阶段（低负荷量＋低负荷强度训练），这一阶段的训练计划安排主要以普通技术及身体训练为主，实射箭支每天不超过200次，且不进行记分实射，主要以体会技术动作与恢复专项力量为主；HL-LLI阶段（高负荷量＋低负荷强度训练），这一阶段的训练计划安排主要以技术训练为主，每天实射箭支在500～800次，技术训练有一定成绩要求，进行记分实射，主要以大量的实射来对运动员整体技术进行精细化训练；LL-HLI阶段（低负荷量＋高负荷强度阶段），这一阶段，训练计划安排主要以具有竞赛性质的连续的队内选拔赛为主，每天实射箭支虽在200次左右，但运动员处于高压力状态，且实射成绩直接关系到其能否进入国家队，因此，其负荷强度也随之达到一个峰值。

1.2.3 数理统计

使用SPSS 14.0统计软件包对各阶段运动员脑电图各项指标进行了单因素方差分析多重比较，并对主要阶段专项训练课前、后脑电图各指标均值进行了t检验。

2 测试结果

2.1 国家射箭队运动员冬训期间脑电指标测试结果

表3 本研究不同负荷状态下运动员脑电β频段功率值的比较一览表（μv2）Table 2 Comparison of Athletes EEGβFrenquency Band Power Value on Different Load Conditions

2.2 不同负荷状态下优秀射箭运动员全脑中枢神经递质指标对比

图1显示，运动员与普通人6种全脑中枢神经递质分布水平均符合“飞燕型”特点，且两组被试之间差异并不显著。

图1 本研究LL-LLI训练阶段运动员与普通人全脑中枢神经递质分布比较图Figure 1.Central Neurotransimtter Distribution Comparison of Atheltes and Ordinary Person in LL-LLI Training Phase

表4 本研究LL-LLI与LL-HLI负荷状态之间运动员全脑神经递质的比较一览表Table 4 Comparison of Athletes Whole Brain Neurotransimtter on LL-LLI and LL-HLI Load Conditions

表5 本研究LL-LLI与HL-LLI负荷状态之间运动员全脑神经递质的比较一览表Table 5 Comparison of Athletes Whole Brain Neurotransimtter on LL-LLI and HL-LLI Load Conditions

2.3 不同负荷状态下优秀射箭运动员脑电复杂度指标对比

表6 本研究LL-LLI与LL-HLI负荷状态之间运动员脑电复杂度的比较一览表Table 6 Comparision of Athletes EEG Complexity of LL-LLI and LL-HLI Load Conditions

表7 本研究LL-LLI与HL-LLI负荷状态之间运动员脑电复杂度的比较一览表Table 7 Comparision of Athletes EEG Complexity of LL-LLI and HL-LLI Load Conditions

表8 本研究HL-LLI与LL-HLI负荷状态之间运动员脑电复杂度的比较一览表Table 8 Comparision of Atheltes EEGComplexity of HL-LLI and LL-HLI Load Conditions

图2 本研究不同负荷状态下国家队运动员疲劳与非疲劳人数比较图Figure 2.Comparison of Fatigue and Non-fatigue Atheltes Number in Different Load Conditions

3 讨论

3.1 不同训练负荷状态下优秀射箭运动员常规脑电指标的变化规律

随着计算机技术和传感技术的发展，运动训练监控手段日新月异，尤其是对运动员中枢神经机能方面的监测手段已从早期的问卷量表测试发展到如今的电生理与核磁共振测试［14］，其中，由于核磁共振测试的费用高昂，设备庞大，所以不易在运动队推广使用。因此，在对高水平运动员中枢机能水平的测试与研究中，多年来一直使用常规脑电图检查。常规脑电图检查的结果相较问卷量表的客观性有很大的提升，因而，在日常的训练监测和科学研究中都得到了广泛应用［6，10，15］。以往研究中的脑电图测试指标主要以α频段、β频段的相关参数为主。本研究中也对这两项常规脑电指标进行了比较（表2、表3）。结果显示:1）3种负荷状态下，运动员额区至枕区α频段功率值呈现出由低到高的趋势，而β频段功率值并未出现异常增高的现象，这些都符合常规脑电图检查中正常脑电图的诊断标准。由此可判断，本研究中的被试对象不存在病理性脑电图。2）HL-LLI阶段顶枕区α频段功率值呈显著下降趋势，α频段功率值降低往往意味着神经细胞放电的强度降低，兴奋性下降，这在何洋（2006）的研究中［7］也曾有过类似的记录。也就是说，在射箭训练中，代表训练负荷量的实射箭支次数增加并不能够提高运动员中枢神经的兴奋性，相反是降低了其训练的兴奋程度。这提示，射箭训练并不是负荷量越大产生的效益越大，而是应在合理的区间内进行波动式的设置。3）LL-HLI阶段运动员顶枕区α频段功率值与LL-LLI训练阶段没有显著差异，而额区β频段功率值却有显著差异。在脑电图研究中，β频段功率值的变化主要是反映神经细胞快频率放电的强度，快速放电的强度增加会导致能量消耗加大，中枢神经虽然兴奋性提高，却更容易出现疲劳［19］。因此，这在一定程度上可以解释为何射箭运动员会在这一阶段出现中枢神经疲劳现象。

3.2 不同训练负荷状态下优秀射箭运动员中枢神经递质的变化规律

项群理论将射箭运动归类于技心能类项目［1］，并且，射箭训练中强调“快速、稳定、准确、一致、流畅”的要素在实际的训练与竞赛过程中也更多倾向于心理因素。以往很多对射箭过程心理状态的研究中更多采用的方法是主观评定为主的量表、问卷测量［9，17］。脑电图技术的介入，使得评定运动员心理状态能够更加客观直接。在脑电图技术基础上发展而来的脑电超慢涨落技术，是对振频在1～255mHz的超慢波涨落进行分析，根据特定的涨落频率对应着某种化学神经递质的原理，检测出脑内神经活动状态的6种中枢神经递质。这6种中枢神经递质分别为:抑制介质（INH）、5羟色氨（5-HT）、乙酰胆碱（Ach）、多巴胺（DA）、去甲肾上腺素（NE）、兴奋介质（EXC），以往的研究发现，脑电超慢涨落参数及中枢神经递质会随着运动员脑机能状态的变化而变化［11，16，18］。本研究中，针对3种不 同水平的训练负荷进行了脑电超慢涨落（SET）分析。结果显示，在LL-LLI训练阶段，运动员6种神经递质水平呈“飞燕型”分布（图1），与正常人脑电超慢涨落图分布并无差异。表5显示，在HL-LLI阶段，一方面，作为人体的内源性活性物质的运动员脑内5羟色氨（5-HT）水平呈显著上升趋势，这与以往的研究相吻合。曾有国外学者发现，超长距离低强度游泳或跑台运动后大脑5-HT水平有显著上升［23］。在这之后，Bailey（1993）进一步发现，大脑5-HT浓度的升高可以使机体出现倦怠、无力、睡眠质量下降等现象，大脑皮层出现抑制。据此，Bailey认为，过量的脑内5-HT 有可能会引起人体中枢系统的疲劳［21，22，24，26］。 因而，这可以从另一个角度解释，为何运动员在HL-LLI阶段容易出现中枢疲劳的状态；另一方面，在这一阶段脑内多巴胺（DA）水平则较LL-LLI阶段有所下降。在本研究中，一些射箭运动员曾报告，HL-LLI阶段的训练通常会使其产生倦怠和情绪低落等消极现象，脑内多巴胺（DA）作为一种神经递质，它能够影响脑部的精神、情绪等方面的因素［20］。目前一种观点认为，中脑-大脑皮质、中脑-边缘叶的多巴胺能够积极参与精神和情绪活动。因此，脑内多巴胺（DA）水平的降低可能是这一消极现象的原因之一。表4结果显示，当运动员处于LL-HLI阶段，其脑内多巴胺（DA）、5羟色氨（5-HT）水平均比LL-LLI阶段有显著提高。这表明，一方面，运动员由于负荷强度增加，使得脑内5羟色氨（5-HT）水平升高，出现了中枢疲劳的征兆；另一方面，LL-HLI阶段，各种高负荷强度的测验记分训练和选拔赛交替进行，负荷刺激呈现出高低反复的趋势，运动员期望取得优异成绩的积极情绪在进一步增强，其脑内多巴胺（DA）水平相应出现升高的现象，运动员训练意愿和比赛欲望要远远高于LL-LLI、HL-LLI两个阶段。

3.3 不同训练负荷状态下优秀射箭运动员脑电复杂度的变化规律

以往的研究中，人体中枢疲劳状态的诊断主要依据对其脑电信号频域指标的分析［8］。当A Lempel和J Ziv在1976年首次提出Lempel-Ziv复杂度算法后，很快被运用于对人体脑电信号的处理中［25］。脑电复杂度主要反映决定这段脑电信号序列的信息量多少。王霆等的研究显示（2010），Lempel-Ziv复杂度可敏感地反映出射箭运动员是否处于中枢疲劳状态［12］。据此，本研究采用脑电复杂度来判识不同负荷阶段中运动员是否处于中枢疲劳状态。从全队的测试数据来看（表6～表8），不论是HL-LLI训练阶段，还是LL-HLI阶段，运动员脑电复杂度均出现下降趋势，虽然两阶段之间的差异并不显著，但均显著低于LLLLI阶段。这表明，不同的训练负荷状态对脑电复杂度均有影响，再次证明了对于高负荷的射箭训练来说，Lempel-Ziv复杂度是一个可以对训练效果进行评估的敏感性指标。同时，从本研究小组利用王霆等人［12］对射箭运动员中枢疲劳的评估方法所进行的实验结果看（图2），不论是HL-LLI训练阶段，还是LL-HLI阶段，均有运动员处于中枢疲劳状态，并且，两个阶段出现中枢疲劳现象的运动员人数呈上升趋势。这表明，虽然两个阶段训练负荷组合并不相同，但在两种负荷训练阶段都会造成运动员出现中枢疲劳现象，一方面，可能是由于疲劳消除手段的不完善和运动员个人作息习惯等特点的原因，导致这些运动员中枢机能处于低水平状态；另一方面，高强度的训练负荷及多箭支的负荷量均可能是导致运动员脑电Lempel-Ziv复杂度显著降低的原因。这提示，应该在强调运动训练科学性的同时，也需要对训练后的恢复更加重视，科学训练与科学恢复是一个有机的整体不可割裂开看待。

4 小结

1.在射箭训练中，负荷量的增加并不能够提高运动员中枢神经的兴奋性和训练效益，因此，负荷量安排应在合理的区间内进行波动式的设置。同时，射箭运动员LLHLI阶段与LL-LLI阶段额区β频段功率值有显著差异，快速放电的强度增加会导致能量消耗加大，其中枢神经虽然兴奋性得到提高，却更容易出现疲劳。

2.在HL-LLI阶段，一方面，作为人体的内源性活性物质的运动员脑内5羟色氨（5-HT）水平呈显著上升趋势；另一方面，在这一阶段脑内多巴胺（DA）水平则较LLLLI阶段有所下降。

3.不论是HL-LLI阶段，还是LL-HLI阶段，运动员脑电复杂度均出现下降趋势，虽然两阶段之间的差异并不显著，但均显著低于LL-LLI阶段。

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