学龄儿童灵敏素质发育规律及其与脑电信号的关系

肖红 于亮，2 赵丽

1 北京体育大学运动人体科学学院（北京100084）

2 北京体育大学体能训练学院（北京100084）

灵敏素质是机体在特定运动场景感受刺激并根据需要迅速改变方向或变换动作的能力，是运动技能与各种身体素质在运动中的综合体现。灵敏素质在运动实践中表现出的本质属性为“快”和“变”[1]，对于运动技能学习和运动表现提升具有重要意义[2]。灵敏素质除了受体能水平调节外，还受神经系统对外界刺激应答能力的影响[3]，因此，神经系统机能状态是灵敏素质的重要生理基础。脑电图（electroencephalogram，EEG）反映神经肌肉控制能力[3]，将脑电图中有意义的参量通过定量分析而形成的定量脑电图（quantitative electroen⁃cephalogram，QEEG）已经在临床上被广泛用于脑功能评价[4]。国内外多项研究显示，5～13岁的学龄儿童处于灵敏素质快速发育期，该阶段也是大脑成熟的快速时期[5，6]。儿童脑发育时期与灵敏素质水平的迅速增长时期重合于小学阶段，但灵敏素质提升与脑发育过程中各频段脑电信号变化的联系尚不明确。因此，本研究针对灵敏素质的“快”和“变”两个属性，以反应时和十字象限跳作为测试指标反映儿童灵敏素质水平，使用定量脑电图中δ、θ、α、β频段绝对功率与相对功率以及功率比θ/β、（δ+θ）/α、α/β作为儿童脑电波特征指标，反映儿童脑发育程度和学习认知能力水平，进而探讨随着年龄增长学龄儿童灵敏素质与脑电信号的变化规律，分析灵敏素质与脑电活动之间的关系，为阐明灵敏素质提升的神经机制提供证据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

研究对象是北京市海淀区和昌平区6所小学2015学年的二年级小学生。研究开始前通过了北京体育大学运动科学实验伦理委员会审查，并获得了参与测试学生及其家长的知情同意。自2015年起，于每年秋季学期（9月～12月）对小学生进行反应时测试、十字象限跳测试、脑电图测试和骨龄追踪测试，测试持续四年。本研究根据实际情况选取6所小学上述学生于二年级～五年级连续4年的测试数据，共3324人次。二年级小学生对应平均生活年龄为7 岁；三年级学生对应8 岁；四年级和五年级学生分别对应9岁和10岁。排除骨龄与生活年龄差距在1 岁以上的异常数据，保留2081 人次的测试数据。每年测试时，学生年龄差异在1 岁以内，因此不对年龄进行分组。研究对象人数如表1。

表1 研究对象人数

1.2 研究方法

1.2.1 测试设备

采用国家国民体质监测指定的反应时测试系统（鑫东华腾）和十字象限跳测试系统（鑫东华腾）测试灵敏素质。使用数字化脑电图仪（上海诺诚公司Nation 9128W）收集脑电信号，采用单极导联方法记录脑电信号指标，脑电放大器倍数在10000倍以上，输入阻抗大于5 M；选用上海诺诚公司开发配套的2.2.0.9 脑电软件管理系统分析脑电波形。使用X 线骨龄透射仪（鑫东华腾）拍摄小学生非惯用手及腕部数字X线片，基于中华05骨龄计分法图谱解析小学生骨骼年龄。

1.2.2 灵敏素质测试

将电子反应时测试仪放置在1.1米高的水平桌面，受试者立于仪器正前方。开始测试后，受试者用惯用手摁住出发位置的启动键，约1～2 s 后刺激信号灯亮起，受试者应立刻按压信号灯对应的信号键，反复5次，系统自动显示手离开启动键到按下信号键之间的综合反应时间，数据精确至小数点后3 位，单位：s。反应时成绩分析：将反应时成绩优于同年级、同学校组的“均值－标准差”同学纳入“反应时良好组”，差于同年级、同学校组的“均值＋标准差”同学纳入“反应时不良组”，两组各纳入311与424人次。

参考国家体育总局群众体育司灵敏类测验项目十字象限跳测试方法[7]：受测者身着运动鞋服，立于象限跳测试板中的象限1位置，听到或者看到开始信号后，按照1→2→3→4→1 象限的顺序跳跃，起跳时仪器自动开始计时，并在顺利循环5 次后自动停表。成绩保留2 位小数，单位：s。十字象限跳成绩分析：将十字象限跳用时成绩优于同年级、同学校组的“均值－标准差”同学纳入“象限跳成绩良好组”，差于同年级、同学校组的“均值＋标准差”同学纳入“象限跳成绩不良组”，两组各纳入142与116人次。

1.2.3 EEG测试

测试前向受试者阐明测试形式与内容，避免其出现紧张、焦虑情绪，于相对独立、昏暗、安静的空间休息5～10分钟，根据被试头型大小调整电极帽，提示受试者调整坐姿，轻靠椅背，全身放松，调整完成后不再移动身体。使用酒精棉球清洁预备放置电极的头皮部位。取出预先浸泡于生理盐水中的记录电极，根据国际10-20体系进行安装，接地电极放置于前额正中，2个参考电极分别放置于双侧耳部，加上左前额极FP1、右前额极FP2、左额极F3、右额极F4、左中央极C3、右中央极C4、左顶极P3、右顶极P4、左枕极O1、右枕极O2、左颞前极F7、右颞前极F8、左颞中极T3、右颞中极T4、左颞后极T5、右颞后极T6，共19个电极[8]。

待脑电信号平稳后，采集受试者安静闭目清醒状态下各脑区的EEG，持续3～5分钟。采集数据后，分析δ（0.5～4.0 Hz）、θ（4.1～8.0 Hz）、α1（8.1～10.0 Hz）、α2（10.1～13.0 Hz）、β1（13.1～20.0 Hz）、β2（20.1～30.0 Hz）频段绝对功率与相对功率和功率比指标[9，10]。绝对功率即为能量值，为各频段脑电信号实际功率值，单位：μV2。相对功率为导联间能量百分比，为各频段功率值在全脑总信号功率中的占比，可以反映不同频段的脑电信号的全脑占比[11，12]。功率比为不同频段的脑电信号功率比值[13]，θ/β、α/β比值由全脑θ或α频段绝对功率除以β频段绝对功率得到；（δ+θ）/α由全脑δ和θ频段绝对功率之和除以α频段绝对功率得到[13]。θ/β比值为诊断注意力缺陷多动障碍疾病提供参考，α/β反映学龄儿童脑部放松程度，（δ+θ）/α在一定程度上反映脑部慢波与快波比例[14，15]。

1.2.4 骨龄测试

使用骨龄仪器拍摄小学生左手（非惯用手）及腕部的数字X 线片，基于中华05 骨龄计分法图谱解析小学生骨骼年龄，结果精确到0.1岁[16]。将骨龄与生活年龄绝对值相差超过1 岁的儿童定义为发育异常，排除其测试数据，不纳入分析过程。

1.2.5 统计学方法

使用Spss25.0 对数据进行描述和统计分析，数据表示为平均数± 标准差（x±s）。使用单因素方差分析比较小学生在不同年级时的反应时、十字象限跳成绩。小学生在不同年龄时的脑电波相对功率比较使用非参数检验。反应时与十字象限跳成绩与脑电波相对功率的相关性检验使用Spearman法。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 小学生灵敏素质变化

儿童在小学阶段的反应时成绩和十字象限跳成绩呈阶段性增加。小学生反应时成绩在二年级～三年级未发生显著改善（P＞0.05），在三年级～四年级、四年级～五年级两个阶段得到显著改善（P＜0.05），其中四年级～五年级成绩改善幅度更大；十字象限跳成绩在三年级、四年级、五年级时，较前一年级均有明显改善，二年级～三年级十字象限跳成绩提升最为明显。见表2。

表2 小学生不同年级时反应时与十字象限跳成绩（s）差异性分析

2.2 小学生脑电相对功率变化

小学生脑电波δ频段相对功率（δ%）在二年级～四年级均未出现显著变化（P＞0.05），但在四年级～五年级显著降低（P＜0.05）。随年级升高，小学生θ频段相对功率（θ%）于三年级、四年级、五年级均较上一年级显著降低（P＜0.05）。小学生脑电波α1频段相对功率（α1%）在三年级～四年级显著降低（P＜0.05），在二年级～三年级和四年级～五年级时未出现明显变化（P＞0.05）。α2频段相对功率（α2%）在二年级～三年级未见显著变化，在三年级～四年级、四年级～五年级两个阶段α2%显著上升（P＜0.05）。随着年级增加，β1与β2频段相对功率（β1%、β2%）呈现二年级～三年级显著增加（P＜0.05）、三年级～四年级显著降低（P＜0.05）、四年级～五年级再次升高的变化（P＜0.05），小学生在五年级时β1%、β2%水平与二年级接近。见表3。

表3 小学生不同年级时脑电波相对功率（%）差异性分析

随着年级的增加，θ/β指标整体呈下降趋势，在二年级～三年级、三年级～四年级出现显著降低（P＜0.05）。小学生脑电波（δ+θ）/α值也随着年级增加逐渐降低，在二年级～三年级、三年级～四年级显著降低（P＜0.05）。α/β值随着年级降低呈升高趋势，仅在四年级～五年级变化显著（P＜0.05）。见表4。

表4 小学生不同年级时脑电波功率比差异性分析

2.3 小学生总体灵敏素质与脑电指标的相关性

小学生脑电波各频段相对功率指标中，δ%、θ%、α 1%与灵敏素质呈显著正相关（P＜0.01），与α2%呈显著负相关（P＜0.01）；在功率比指标中，灵敏素质与θ/β和（δ+θ）/α呈显著正相关（P＜0.01），与α/β未见显著相关关系（P＞0.05）。见表5。

表5 小学生总体灵敏素质与脑电指标的相关关系

2.4 良好的灵敏素质与脑电各指标相关性

反应时和十字象限跳成绩均与δ%、θ%呈显著正相关（P＜0.01），反应时成绩与α1%呈显著正相关（P＜0.05），十字象限跳成绩与α1%呈显著正相关（P＜0.01），反应时与α2%成绩呈显著负相关（P＜0.05），十字象限跳成绩与α2%水平呈显著负相关（P＜0.05）。反应时和十字象限跳成绩均与θ/β、（δ+θ）/α呈显著正相关（P＜0.01）。见表6。

表6 灵敏素质良好小学生的灵敏素质与脑电指标的相关关系

2.5 不良的灵敏素质与脑电各指标相关性

反应时与δ%、θ%、α1%呈显著负相关（P＜0.05），相关程度较弱；与α2%呈显著负相关（P＜0.05）；十字象限跳成绩与α2%呈显著负相关（P＜0.01），与（δ+θ）/α呈显著正相关（P＜0.01）。见表7。

表7 灵敏素质不良小学生的灵敏素质与脑电指标的相关关系

3 讨论

本研究结果显示，学龄儿童灵敏素质呈阶段性非均衡发展，二年级时十字象限跳成绩快速增长，四年级时反应时成绩快速增长。随年级增加，脑电图中δ、θ和α1波形所占比例及θ/β和（δ+θ）/α比值呈阶段性降低，α 2 波所占比例逐年升高。小学生灵敏素质水平与脑电波α2频段相对功率和θ/β、（δ+θ）/α功率比显著相关。

3.1 学龄儿童灵敏素质变化特点与分析

灵敏素质的定义主要由“较快对外界刺激做出反应”和“恰当变换动作与方向”两个要素组成，即“快”和“变”，任一要素的提升都会促进灵敏素质的发展[17]。反应时是从外界刺激出现到机体做出反应的时间间隔，与中枢和周围神经系统机能密切相关[18]，反应时测试成绩可以用来反映灵敏素质中“快”的要素。十字象限跳是测试儿童灵敏素质的最佳方式之一，对于成年人等年龄群体也有较好的适用性，十字象限跳的测试成绩则反映灵敏素质中“变”的素质。结合灵敏素质的概念，认为使用上述两项测试有助于更全面地衡量学龄儿童的灵敏素质水平。

本研究结果显示，生长发育过程中小学生反应时成绩与十字象限跳成绩均逐年提升，且呈现阶段性发展的特点，即在不同年级时增加幅度并不相同。反应时成绩主要在三年级～五年级期间出现大幅提升，其中四年级～五年级提升幅度最大，对应表1可知学龄儿童反应时水平快速提升的年龄为9～10岁；而十字象限跳成绩在小学阶段持续提升，以二年级～三年级的提升幅度最大，对应年龄为7～8岁。上述研究结果显示，灵敏素质在小学阶段持续提升，7～8 岁和9～10 岁阶段是快速增长期。运动训练学相关研究显示，9～12 岁或10～12岁是灵敏素质发展最佳时期[19]；还有研究指出10～12岁灵敏素质发展最快[20]；赵西堂等[17]的研究认为5～11岁灵敏素质发展迅速；乔秀梅等[21]的研究提出小学生在三、四年级时灵敏素质显著提升。本研究结果所呈现出的学龄儿童灵敏素质在小学二年级～三年级与四年级～五年级时，即7～8 岁和9～10 岁时迅速提升，与前人研究结论整体一致，略有提前。灵敏素质具有多面性，不同测试方法从各自角度反映灵敏素质水平，但这会降低研究结果间的可比性。因此，有必要规范灵敏素质定义，明确灵敏素质测试方法；其次，考虑到本研究与上述研究开展的年代差异，分析认为研究对象所处社会经济发展水平和生活环境、生活质量会影响灵敏素质快速提升的时间段。灵敏素质在小学阶段得到快速提升的原因可能与这一阶段小学生身体成长更慢、更稳定有关；同时此阶段体重增长在身高增长之上，身体重心较低，因而有助于更稳定地控制身体，强化动作技能的学习[21]。

灵敏素质具有多面性，在生长发育过程中，该素质呈现非均衡发展与阶段性发展的特点[17]，如灵敏素质所包含的动作速度与反应速度在学龄儿童的不同年龄阶段得到发展，因此，分别抓住反应能力、变向能力和动作能力等灵敏素质不同方面的训练增长期，有助于使小学生的灵敏素质得到高效、全面提升。本研究中，反应时测试与十字象限跳测试成绩均在儿童的小学阶段出现显著提升，而出现最大幅度提升的时间段并不相同。其中，反应时成绩在四年级～五年级出现最明显提升，对应9～10岁；十字象限跳成绩在二年级～三年级有最明显提升，对应年龄7～8 岁。本研究结果体现了灵敏素质的非均衡发展特征，以反应时为参考指标的反应速度和以十字象限跳为参考指标的动作速度及变向能力在儿童不同年级得到提升。且上述两项测试成绩并非每年都出现显著提升，而是在特定年龄阶段才出现测试成绩的显著改善，说明灵敏素质水平呈现阶段性提升。结合身体素质增长敏感期理论，建议在灵敏素质快速增长的窗口期对学龄儿童进行灵敏训练。

3.2 学龄儿童脑电相对功率发育特点与分析

脑部神经电生理活动由大量脑部神经细胞产生的自发性生理电活动组成。脑电信号记录的是中枢神经系统神经元群的突触后电位。从胎儿到儿童青少年时期，神经系统生长发育水平决定着不同生命时期脑电波的特点[22]。脑电波可以连续记录大脑神经元的活动状态，年龄是影响脑电信号特征的重要因素之一。年龄尚小、脑部尚未发育完全时，皮质神经元不够成熟，树突分支不发达，脑部物质代谢速度慢；随着年龄的增加，脑部生理结构逐渐发育成熟，脑的质量逐渐增加，脑细胞数目和脑部体积增加，细胞突起增多，联结程度加深，脑部机能发育更加完善，此时可以开始使用脑电图客观体现脑电信号变化，脑电信号普遍表现为α频段波和β频段快波逐渐增多，而δ和θ慢波逐渐减少[23]。

一般来讲，脑电信号中的低频信号波段δ和θ波常于儿童睡眠和困倦时出现，α波在清醒安静闭目时出现，睁眼思考时消失（α阻断现象），低频β波出现则反映儿童正处于注意力集中、思考与脑兴奋状态，高频β波出现则说明处于紧张、焦虑与高度警觉状态。θ/β在注意缺陷与多动障碍的诊断中具有一定的临床意义，（δ+θ）/α比值反映中枢神经的应激水平，α/β可以反映测试过程中儿童精神状态倾向于放松或警惕[24]。由表3 可知，脑电各频段绝对功率具有显著的年级和年龄差异，随着年龄增加，学龄儿童脑电信号参数包括慢波δ和θ频段相对功率以及α1 频段相对功率整体处于下降趋势，其中δ频段相对功率在四年级～五年级（9～10岁）迅速减少，α1频段所占比例在三年级～四年级（8～9岁）迅速减少。因此认为学龄儿童在三年级～五年级（8～10岁），大脑发育速度相较其他年级更为迅速，出现了脑电波的快速更迭事件。与低年级时期相比，学龄儿童在小学高年级时期时，安静闭眼状态下的θ波占比较低，这一结果反映了随着年级增加，小学生在闭眼时锁定目标的能力改善，思维更加集中，注意集中程度高而不易出现疲劳[25]。同时α2频段相对功率出现较为平缓的上升。随着θ绝对功率和相对功率水平的降低和α绝对功率的升高，儿童学习能力也逐渐得以发展起来[26]。而β1与β2频段则呈现一定的波动，学龄儿童在二年级（7岁）与五年级（10岁）的β1与β2水平较为接近。β1 与β2 分别以反映儿童思考与注意力和警觉状态为主，以往研究显示20 岁前脑电波β频段相对功率随年龄增加而增加[27]，而本研究中未见到此现象，可能与β波本身能量值较低，其在全脑脑电波能量中的占比仅有1%左右，随着年龄变化出现的差异不明显有关。增加儿童生长发育脑电图测试与记录的时间跨度，可以更清楚地展示学龄儿童的脑电信号β波变化趋势。研究中我们发现，脑电测试的结果个体差异较大；脑电情况受研究对象遗传特点、生长环境等影响较大。

3.3 学龄儿童少年灵敏素质与脑电信号关系的分析

为进一步阐明身体素质与神经系统之间的关系，我们讨论了学龄儿童在生长发育过程中身体素质与脑神经电信号之间的关联。见表5，脑电各频段的相对功率与本研究选用的反应时和十字象限跳之间均存在相关关系，证实了脑电信号发育与灵敏素质之间的关联。具体来说，小学生灵敏素质成绩与δ%、θ%、α1%、θ/β、（δ+θ）/α之间呈现显著正相关关系，与α2%呈显著负相关关系。也就是说，小学生在生长发育过程中δ%、θ%、α1%、θ/β、（δ+θ）/α等指标水平越高，完成灵敏素质测试所需要的时间越长，即灵敏素质越差；δ%、θ%、α1%、θ/β、（δ+θ）/α越低，灵敏素质测试用时越短，灵敏素质越好。为验证这一观点，我们以平均数±标准差为界，筛选出反应时和十字象限跳成绩在同年级、同学校组中较好和较差的两组学龄儿童，将其定义为灵敏素质良好组和不良组，并对两组儿童的灵敏素质与脑电信号的测试结果进行了比较，发现灵敏素质良好的学龄儿童的反应时与十字象限跳与脑电各频段相对功率的相关强度普遍大于灵敏素质不良的学龄儿童，见表6～7。灵敏素质的主要影响因素为：大脑中枢神经系统机能状态及下肢肌肉质量、身体形态、年龄、性别、遗传等因素[28]，儿童的肌肉力量和速度敏捷性等均与神经电活动有关[29]。本研究结果说明，具有高灵敏素质的小学生一般具有较好水平的脑发育程度，低灵敏素质的小学生脑发育程度相对滞后。但是此研究结果尚不足以证实灵敏素质不良是由脑发育程度不佳因素导致，因为灵敏素质水平不良可能还受下肢肌肉质量弱、身体形态发育不成熟等其他因素的影响[17]。良好的脑发育程度是具备优秀灵敏素质的必要条件而非充分条件，研究结果提示，使用脑电指标筛选脑发育程度更高的儿童有助于定位具备优秀灵敏素质的学龄儿童。

本研究结果丰富了前人研究中睡眠状态脑电慢波成分可以作为运动技能发展标志的观点[30]，提示安静闭目状态脑电波组分的测试结果也有助于判断灵敏素质水平。本研究发现α2 频段相对功率和θ/β、（δ+θ）/α功率比三个指标与灵敏素质具有显著的相关关系。有研究报道，反应时与α、β、θ 三项脑电信号之间存在密切关系[31]。当大脑由外界刺激诱发的活动减少时，α1功率水平升高，反应时变慢[32]。Ishikura 等[33]的研究显示，随着β波振幅增加，反应时成绩得到提升。相比之下，本研究未发现反应时成绩变化与β波之间存在显著关联。研究结果验证了反应时成绩，即灵敏素质中的反应速度能力，与α、δ、θ频段相对功率显著密切相关；同时发现十字象限跳成绩，即灵敏素质中的动作速度与变向能力与α、δ、θ频段的脑电信号之间存在显著关联。灵敏素质受到中枢神经的调节，随着学龄儿童年龄的增长，脑部发育呈现神经细胞结构的复杂化和神经纤维的伸长等生理特点，脑电图在记录中枢神经系统机能状态的同时也可以反映受中枢神经系统支配的灵敏素质水平。

4 结论

（1）二年级～五年级是儿童灵敏素质快速增长阶段，其中二年级～三年级和四年级～五年级儿童灵敏素质发育更快。（2）随着年龄增长，小学生脑电波呈慢波逐渐衰减、快波逐渐增多现象。（3）灵敏素质的变化可能与脑电信号具有显著关联，高α2%频段相对功率，低θ/β、（δ+θ）/α功率比等特点可能是具备高灵敏素质儿童的脑电信号特征。