不同水平冰壶运动员投壶动作表象时的脑电变化特征

于亮 王祯 赵丽

北京体育大学运动人体科学学院（北京100084）

冰壶是一项集体能、智能于一体的冰上运动项目。投壶是冰壶运动中的关键技术[1，2]，投壶目标的完成除需要身体各部位肌肉的协调配合外，大脑对信息的整合及发放的神经支配也同样影响着投壶成功与否，因此，了解冰壶运动员投壶时中枢对信息的处理情况至关重要。脑电图（electroencephalograph，EEG）作为评价人体大脑皮层神经元活动规律的生理指标，其在客观反映中枢神经系统机能状态方面具有一定优势，近些年来已广泛应用于运动员神经系统功能方面的评定。目前对冰壶的研究多集中在技战术[3，4]、动作分析[5-7]及心理学[8]方面，尚未见冰壶运动员运动过程中的神经调控研究。本研究利用脑电图记录不同水平冰壶运动员在闭眼安静状态和闭眼表象投壶状态时的脑电变化情况，观察不同水平运动员在不同状态下的脑电特征及差异，并分析在闭眼表象投壶时的脑功能特点，为提高冰壶运动员运动专项技能训练的中枢机制研究提供参考。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

本研究选取高水平女性冰壶运动员（运动技术等级为健将级）与北京市某机构一般水平运动员（运动技术等级为二级或以下）各8 名，均为右利手，基本信息见表1。

表1 受试者基本信息

1.2 主要研究器材

Nation9128W 数字化脑电图仪（上海诺诚公司生产）。

1.3 实验流程

通知受试者→设置脑电仪→佩戴电极帽→记录不同状态脑电→分析脑电特征。

1.4 测试方法

在采集脑电前，保证受试者精神状态良好，并确保受试者头皮清洁。在实验开始前告知受试者本次实验目的及流程，简要介绍脑电测试的基本原理及注意事项，以消除其紧张焦虑情绪。

正式测试时提前将电极浸泡在生理盐水中，并根据受试者头型大小调节电极帽，使其松紧适合。使用酒精在放置电极的头皮部位进行脱脂清洁，按国际10/20 系统放置电极，即接地电极（前额正中），参考电极（双耳垂），左右前额极（Fp1、Fp2）、左右额极（F3、F4）、左右中央极（C3、C4）、左右顶极（P3、P4）、左右枕极（O1、O2）、左右颞前极（F7、F8）、左右颞中极（T3、T4）、左右颞后极（T5、T6），共19个电极。戴好电极帽后，采集闭眼安静放松状态时的脑电，随后直接测量表象竞赛状态时的脑电，具体方法如下：

闭眼安静放松状态：受试者取舒适坐位，身体自然倚靠在椅子上，两手放松置于大腿处，全身放松，闭目安静，在测试过程中要求受试者尽量不眨眼，不转动眼球，由脑电仪记录自发脑电30 秒。表象投壶状态：在闭眼安静状态脑电记录完成后，实验人员发出口令示意运动员闭眼表象投壶技术中的“投进”动作，即投进大本营的有效投壶，从投壶前准备、投壶开始，直到最后投壶结束，测试时间约30秒，表象结束时睁眼示意，测试结束。

采集闭眼安静状态与表象投壶状态的脑电，对两种状态下各脑区α、θ、β、δ频段脑电功率百分比进行分析。

1.5 数据处理

所有数据采用x±s表示，使用Spss19.0进行统计分析，组间脑电功率百分比对比采用非参数Mann-Whitney U秩和检验，组内脑电功率百分比对比采用配对样本的非参数检验（Wilcoxon 符号秩检验），P<0.05时认为差异具有统计学意义。

2 研究结果

2.1 闭眼安静状态时各脑区脑电功率百分比特征

对不同水平冰壶运动员闭眼安静时各脑区各频段脑电功率百分比进行Mann-Whitney U秩和检验，结果显示高水平运动员左侧大脑半球中央区（C3）、顶叶区（P3）、颞叶区（T3、T5）的α频段功率百分比较一般水平运动员明显增加，而左侧大脑半球中央区（C3）、顶叶区（P3）和颞叶区（T3、T5）的θ和δ频段功率百分比较一般水平运动员明显降低（P<0.05）。高水平运动员右侧大脑半球颞叶区（T6）的α频段功率百分比明显高于一般水平运动员（P<0.05），额叶区（Fp2）、颞叶区（T6）的θ频段功率百分比和枕叶区（O2）、颞叶区（T6）的δ频段功率百分比明显低于一般水平冰壶运动员（P<0.05）。详见表2。因此，在对比不同水平冰壶运动员表象投壶动作各脑区各频段功率百分比差异时，需将脑电功率百分比作为协变量进行分析。两水平运动员各脑区β频段功率百分比无差异。

表2 不同水平冰壶运动员闭眼安静时左右脑区各频段脑电功率百分比比较（%）

2.2 表象状态时各脑区各频段脑电功率百分比特征

观察不同水平冰壶运动员闭眼表象状态下各脑区各频段功率百分比发现，两水平运动员左侧大脑半球额叶区（Fp1）及双侧大脑半球颞叶区（F7、T4）均以δ频段占比多，右侧大脑半球额叶区（F4）、颞叶区（T6）及双侧大脑半球顶叶区（P3、P4）、枕叶区（O1、O2）均以α频段占比多；二者在双侧大脑半球额叶区（Fp2、F3）、中央区（C3、C4）和颞叶区（T3、T5、F8）上的优势频段具有差异，高水平运动员以α频段为主，一般水平运动员以δ频段为主。对不同水平冰壶运动员在进行投壶表象时各脑区各频段脑电功率百分比进行Mann-Whitney U 秩和检验及协方差分析，结果显示左侧大脑半球各脑区未见显著性差异，而右侧大脑半球高水平冰壶运动员与一般水平运动员有明显差异，表现为右侧大脑半球额叶区（Fp2、F4）α频段功率百分比高水平运动员显著高于一般水平运动员（P<0.05），颞叶区（T4、T6）θ频段功率百分比显著低于一般水平冰壶运动员（P<0.05）。详见表3～5。

表3 不同水平冰壶运动员表象时各脑区各频段脑电功率百分比比较（%）

表4 高水平运动员表象状态脑电功率百分比（n=8，%）

表5 一般水平运动员表象状态脑电功率百分比（n=8，%）

2.3 闭眼安静与表象状态下各脑区α频段功率百分比特征

对不同水平冰壶运动员不同状态下各脑区α频段功率百分比进行配对样本的非参数检验（Wilcoxon 符号秩检验）发现，各运动水平冰壶运动员在进行投壶表象时，左右大脑半球各脑区的脑电α频段功率百分比较闭眼安静状态均呈现下降趋势，即在表象投壶过程中，脑电α波形所占比例下降。其中高水平冰壶运动员左侧大脑半球颞叶区（T3），一般水平冰壶运动员右侧大脑半球额叶区（Fp2）及双侧大脑半球颞叶区（T3、T4）的α 频段功率百分比在表象时出现了显著下降（P<0.05）。见表6和7。

表6 高水平运动员闭眼安静与表象状态下各脑区α频段功率百分比比较（n=8，%）

表7 一般水平运动员闭眼安静与表象状态下各脑区α频段功率百分比比较（n=8，%）

3 讨论

3.1 不同水平冰壶运动员闭眼安静时大脑状态分析

脑电活动是偏态分布的非平稳随机信号，其节律随着人体生理及精神状态的变化而不断变化。脑电的基本节律包括α、β、δ、θ四个主要频段，其中α和β频段又称快波频段，δ和θ频段又称慢波频带。α节律是头皮脑电图中最早发现的最主要节律，曾被认为与“放空”（idling）的精神状态有关，但新近研究显示α节律在工作记忆中主要抑制无关刺激干扰而发挥重要功能[9]。同时，随着工作记忆项目数量增加，皮层α节律也随之增大，从而保护工作记忆目标信息免受无关刺激的干扰[10，11]。本研究结果显示，高水平冰壶运动员在闭眼安静状态下其左侧大脑半球中央区（C3）、顶叶区（P3）和双侧大脑半球颞叶区（T3、T5、T6）α频段功率百分比明显高于一般水平冰壶运动员，可能高水平冰壶运动员与工作记忆容量存储的关键脑区相关的顶叶在安静状态下α节律功率增大。

一般精神活动如情绪紧张、觉醒水平增高等均可使枕区α波抑制，β波活动及θ波活动增多，本研究慢波θ和δ频段的结果显示，高水平冰壶运动员闭眼安静状态下左侧大脑半球中央区（C3）、顶叶区（P3）、颞叶区（T3、T5）的θ和δ频段功率百分比，以及右侧大脑半球额叶区（Fp2）、颞叶区（T6）的θ频段和枕叶区（O2）、颞叶区（T6）的δ频段功率百分比明显低于一般水平冰壶运动员，推测一般水平运动员在开始表象投壶动作前即表现出情绪紧张等较活跃的心理活动。

3.2 不同水平冰壶运动员闭眼表象时大脑唤醒水平分析

运动表象是在运动感知觉的基础上产生的、在头脑中重现的动作形象或运动情境[12]。运动表象可以反映动作在一定时间、空间和力量等方面的特点，如动作速度、方向、位置和肌肉用力等特点。神经肌肉调控理论认为人们在想象动作时，运动中枢会兴奋，表象的运动模式与实际动作执行时的神经–肌肉运动模式相似。表象时应用知觉所用的某些认知过程，只不过没有知觉的刺激输入，运动表象、运动知觉和运动执行功能是等价的。因而运动表象、运动知觉和运动执行的神经过程相似，三者参与的脑区相同[13]。有研究对运动表象和真实运动的脑功能进行研究发现，除了初级感觉运动皮层以外，参与到运动表象和真实运动中的脑功能区域是相同的，在程度上并没有区别[14]。故运动表象训练可以强化运动的神经调控过程，使动作更加熟悉并最终达到自动化。

冰壶比赛局面与投壶技术水平关系密切，较高的投壶成功率是比赛获胜的重要条件。“投进”作为冰壶运动员投壶技术中的最基本的动作，是“粘贴”“击打”“清空”等其他技术动作的基础，其准确性代表了运动员投壶的稳定程度。研究冰壶运动的投壶表象脑电特征对于强化运动表象训练过程具有一定的应用价值，“投进”的动作表象可以作为反映运动员完整投壶过程的有效选择。目前较少有研究报道冰壶运动表象时其脑电变化特征。已有的其他相关研究提示运动表象活动时两侧大脑半球额叶、顶叶、颞叶、枕叶等区域均有激活，且大脑右半球的激活更明显[15]。本研究结果显示，在冰壶投壶的闭眼表象活动中高水平运动员与一般水平运动员左侧大脑半球各脑区的激活无显著性差异，但右侧大脑半球激活特点高水平冰壶运动员与一般水平运动员差异明显，高水平冰壶运动员右侧大脑半球额叶区（Fp2、F4）α频段功率百分比显著高于一般水平运动员，颞叶区（T4、T6）θ频段功率百分比显著低于一般水平冰壶运动员。提示高水平冰壶运动员投壶表象时α波比率高，说明投壶表象能力与α波相关，该结果与前人研究发现的表象能力好的被试α波比率高一致[16]。

脑波的不同频段节律是由神经元网络的物理结构及轴突传导和突触延迟所致的神经元通信速度差异引起的。节律周期受到参与神经元集群及神经环路大小的限制，一般来说，较高频率的节律反映局部空间的信息，而低频节律招募较大空间的神经元集群，反映不同脑区间协调机制。研究发现θ节律与一些特定行为有关，比如θ节律在运动时产生，且主动运动时的能量要大于被动运动能量[17]。本研究还发现在闭眼投壶表象时高水平运动员颞叶区θ频段功率百分比较一般水平运动员低，提示高水平运动员可能由于运动自动化水平较高，其表象活动时局部脑区激活存在能量的节省化。此外，已有的研究还发现θ频率和眼动频率相同，即θ节律选择性地与外界刺激的频率相关[18]，同时θ节律在多个类型的学习和记忆过程起到关键作用，对于突触可塑性的调节作用也至关重要[19]。鉴于此，后续本课题组拟将自由眼动、限制眼动和闭眼表象三种方式相结合进一步深入研究投壶表象的脑电特征。

在进行表象时，大脑神经元可能会出现兴奋性升高与降低的不同趋势，α频段功率百分比的变化通常可作为评价大脑神经元激活程度的指标。一般认为与安静状态相比，α频段功率百分比降低程度越大，大脑神经元激活水平越高[20]。对于表象时α频段功率百分比的变化，多数学者认为表象使大脑神经兴奋性升高，进而导致α频段功率百分比降低。本研究结果显示高水平及一般水平冰壶运动员在表象投壶动作时，其α频段功率百分比均较闭眼安静状态呈下降趋势，提示两水平冰壶运动员在进行投壶表象时大脑神经元激活水平均出现提高。此外，观察同一水平运动员在安静和表象时的α频段功率百分比可见，高水平冰壶运动员在进行表象时，仅左中颞（T3）显著降低（P<0.05），而一般水平冰壶运动员右前额（Fp2）及左右颞叶（T3、T4）均显著降低（P<0.05），可能与一般水平冰壶运动员投壶动作自动化程度低，表象时精神活动高度紧张有关。

4 小结

本研究结果显示，闭眼安静状态下高水平冰壶运动员左侧大脑半球中央区（C3）、顶叶区（P3）和双侧大脑半球颞叶区（T3、T5、T6）α频段功率百分比增大，左侧大脑半球中央区（C3）、顶叶区（P3）、颞叶区（T3、T5）的θ和δ频段功率百分比与右侧大脑半球额叶区（Fp2）和颞叶区（T6）θ频段功率百分比、枕叶区（O2）和颞叶区（T6）δ频段功率百分比较低。闭眼表象投壶动作时，高水平与一般水平冰壶运动员各脑区α频段功率百分比均呈下降趋势，同时高水平冰壶运动员右侧大脑半球激活明显，额叶区（Fp2、F4）α频段功率百分比较高，颞叶区（T4、T6）θ频段功率百分比较低。