运动疲劳的脑电指标

关雅婧

运动员在训练和比赛中需要承受高强度的心理负荷和身体负荷，因此，平衡好训练负荷刺激不足与训练过度是必要的一项任务。近年来，运动员中枢神经机能测试从问卷量表发展到电生理仪器，结果的客观性有很大提升，其中脑电技术广泛用于训练监测和科学研究。

1运动疲劳的概念

疲劳是人体在大量体力或脑力活动后出现的感觉，导致人们完成工作的能力下降。一般来说，疲劳分为脑力疲劳、心理疲劳、体力疲劳以及病理疲劳等。第五届国际运动生化会议对运动疲劳的定义是：机体不能将功能保持在某一特定水平，或者不能维持某一预定的运动强度。当运动疲劳发生时，运动者的心脏负荷会不断加重，变得比平时更烦躁易怒，肌肉发生酸痛且灵活度降低，判断、决策等竞技运动中必需的认知功能也会下降。所以运动疲劳属于脑力、心理、体力兼而有之的综合性身心疲劳。运动疲劳的产生机制有衰竭学说、离子代谢紊乱学说、堵塞学说、保护性抑制学说和氧自由基-脂质过氧化学说的解释，运动疲劳会引发人体内离子流的变化，使人体生物电信号发生改变（唐兴亮，2020）。运动疲劳发生后事件相关电位潜伏期增加，暗示运动疲劳导致处理分类刺激的速度减慢，认知功能下降。

2脑电理论

脑电信号是一种生物电信号，由脑神经活动产生，反映了人脑活动状态的变化。脑电信号包括自发脑电与诱发脑电两种类型，自发脑电是在无特殊刺激条件下大脑自发产生的稳定电位变化，诱发脑电是指大脑对外界环境变化做出相应刺激反应的电位变化。自发脑电根据信号频率一般分为四类：δ波常出现于睡眠、深度麻醉等状态下，清醒时不明显;θ波是成年人在困倦疲劳状态下可能较多，清醒时会大量减少;α波在人处于安静、闭眼放松状态时最明显，当大脑处于集中思考或接受其他刺激时信号消失;β波是一种快波，其信号强度一般代表大脑的兴奋程度，是正常人清醒状态下脑电信号中的主要成分（云明静，2019）。

脑电信号的特征提取是信号处理的关键步骤，有时域分析、频域分析、时频分析，以及近似熵、样本熵、模糊熵等方法。脑电信号特征在复杂度、抗干扰性、表征能力上有各自的特点，需要根据具体的应用场景来选择，或者选择多个特征优劣互补（王永祥，2019）。

在体育运动领域，最常见的还是脑电超慢涨落分析技术，采用大样本、长时程、宽频带的方法，从脑电信号中分离出一个隐藏在脑波涨落过程中的、具有大量信息的新层次。这个新层次的频率特征在毫赫兹级范围内，属于一种超慢振荡（称为S系统），常规测试中可得256个频率，每个频率具有不同的生理意义（李稚，2016）。

3运动疲劳的脑电指标相关研究

脑电图诊断要点有α指数、能量比值、功率谱分布特征、大脑各个区域相对与绝对功率谱前后左右的对称情况。国内外大量研究已证实，当大脑由清醒进入疲劳状态时，前额叶皮层α波和θ波能量会上升，枕部α波会减少（张宁宁等，2013），而β波能量会下降，特别是α/β指数也会增加，脑血流减少约18-20%，同时脑电信号的复杂度也会逐渐降低（云明静，2019）。针对运动疲劳的脑电指标，目前有三种研究思路，分别是脑电波能量变化、脑电信号复杂度改变、事件相关电位指标。

3.1脑电波能量

Highα/Highβ、Lowα/Highβ、α均值/β均值，这三个指标预警运动疲劳为最佳。张俐等人（2020）采集脑电波的相对能量，发现5千米负重跑之后δ波相对能量、（δ+θ）/Lowγ、δ/Lowγ、δ/γ均值显著增加，Lowγ和Middleγ相对能量、（α+β）/δ显著降低。疲劳状态时人脑活跃度降低，α波增多，β波减少，但当疲劳状态转变为睡眠状态时，脑电的主要频率会降至θ波，δ波是个体极度疲劳和昏睡状态的波段，另外γ波与知觉处理有关，而疲劳会影响知觉水平。活跃运动的学生在额中央和顶叶区域的Stroop实验中，θ活动的相对功率显著增加，α波激活状态从枕叶迁移到左顶叶和中央前区域，功率的最大增加出现在顶叶区域，前后测的β峰频率显著降低（Fiona， 2012）。

除了固定运动量的疲劳研究，还有学者进行阶段性分析，运动疲劳后20分钟，脑电功率值百分比与10分钟相比，δ波变化不大，到30分钟反而比安静水平低，θ波在各个运动恢复阶段均比安静时低，α2指数在第10分钟时比安静时低，到第20分钟有上升趋势，之后继续增加（鲍九枝等，2007）。针对射箭项目不同训练强度，比较α、β频段这两项常规脑电指标，结果显示，高负荷量低强度训练中顶枕区α频段功率值呈显著下降趋势，意味着神经细胞放电的强度降低，兴奋性下降。低负荷量高强度训练中运动员额区β频段功率值有明显变化，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（李欣鑫， 2016）。这再一次说明，运动疲劳可以分为身体疲劳和心理疲劳，身体疲劳更多体现在α波段能量的升高，心理疲劳是β波的变化。

心理疲劳时脑生物电变化特征还有脑电波出现15-18周波/秒的快节律和6-7周波/秒的慢活动，显示紧张并伴有焦虑现象;大脑神经元代谢的速度下降，反应迟钝;α波抑制55.69%，能量比值降低，兴奋度下降;情绪控制脑区出现慢频段高功率，技术动作不协调、注意力涣散（张振民等，2004）。

3.2脑电信号复杂度

脑电复杂度就是一个随时间发展的数据序列随着数據的增加，其出现新模式变化的速率。同时，也反映出大脑神经元处理信息活动的有序程度。A. Lempel和J. Ziv（1976）提出复杂度算法，王霆等（2010）的研究显示，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。不论高负荷量低强度训练，还是低负荷量高强度阶段，运动员脑电复杂度均出现下降趋势，都明显低于低负荷量低强度训练。Lempel-Ziv复杂度是一个可以对训练负荷进行评估的敏感性指标。

近似熵、样本熵及模糊熵算法也可以计算脑电信号复杂度，唐兴亮（2020）通过实验分析运动四个阶段参与者前额部位的静息态脑电，得出结论，在运动前、中、后初期、后末期这四個状态下，近似熵有“降低、增加、增加”的变化趋势。以往关于脑力疲劳的文献显示，当疲劳发生时，近似熵有下降趋势是产生脑力疲劳的重要标志。在运动后初期静息态近似熵上升是因为被试从停止运动到开始静息态脑电采集这段时间内疲劳迅速减轻;末期参与者进一步休息恢复使得近似熵值相对初期又有了较明显的上升。

3.3事件相关电位指标

关注运动疲劳中心理疲劳部分的研究更倾向使用事件相关电位，通过观察大脑的唤醒水平，P300潜伏期延长、振幅减弱，P300a和P300b比值来评估心理疲劳（Murata， 2005）。运动性心理疲劳具有一般心理疲劳的特点，也具有自身的特点，表现为身体和情绪上的精疲力竭、人格解体、成就感和运动贬值的改变。通过信号检测作业分辨运动性心理疲劳，脑电N2波和LPC平均幅值方面，运动员和非运动员在没有情绪色彩的刺激分类过程中有区别。结果暗示了心理疲劳状态很可能影响的不是普通的刺激分类过程而是情绪刺激分类的过程（孙锦绣，2010）。也就是说，当运动疲劳产生时，运动员的情绪状态不佳，负性情绪占主导地位，认知功能受到影响。

然而，也有研究表明大强度运动后工作记忆功能会改善，事件相关电位P2潜伏期缩短、波幅增加。运动后P2波幅增大表明注意资源的分配增加，投入了更多的注意力，运动后P2潜伏期缩短表明神经传导速度加快。因此运动至力竭后注意资源的分配增加，大脑应对刺激时神经传导速度加快，认知功能提高。经过水疗恢复后即刻，事件相关电位P2潜伏期延长、波幅减小，认知功能趋向于运动前水平（任绪艳，2020）。出现不同结果的原因可能是研究侧重的脑电波成分不同、认知功能具体范式也不一样，未来需要有更多的研究深入到各类运动项目和不同运动强度上，全面考察认知、情绪、特质等个人心理因素的变化。

4总结与展望

运动疲劳研究仍缺乏足够的理论支撑，往往停留在对现象的印证和描述上，因此从生物—心理—社会—行为习惯—医学模式方面寻求指导，是今后研究的重要思路。同时还应该进一步从神经生理机制上探索运动疲劳的原因，找到预警运动疲劳的检测要点，为预防和对抗运动疲劳提供新路径。解决这些问题需要研究人员继续从横向和纵向拓宽内容，积极发现不同运动项目人员脑电指标的区别，跟踪运动疲劳的即时效应和长期影响，形成系统的判别方法和理论。

（作者单位：北京体育大学）