HRV与EEG生物反馈训练对中枢疲劳运动员的影响

2023-09-02李秦陇车开萱施明强韩艳丽迟立忠周越

中国体育科技 2023年8期

李秦陇，车开萱，施明强，韩艳丽，迟立忠，周越

长期大强度的运动训练和密集的赛程安排会使高水平运动员的神经机能状态下降，严重者甚至表现为中枢疲劳（Giandolini et al.， 2016； Paris et al.， 2021），进而导致其身体机能水平下降，情绪、认知、学习、记忆甚至免疫系统异常以及出现一系列类似疲劳的生理反应（Davis et al.，1997）。当神经机能状态不佳时，运动员的训练动机和训练质量会随之下降（李欣鑫等， 2015），同时对运动表现和运动成绩产生负面影响（Encarnación-Martínez et al.， 2021），如果不进行及时干预，其竞技水平瓶颈期可能会过早出现，甚至还会影响身体健康。

近年来，运动相关的神经机能状态的变化机制和评定方式研究已逐渐明确（Froyd et al.， 2016； Ghorbani et al.，2021； Manzi et al.， 2009； Place， 2021），对神经机能状态的改善和干预手段有营养补充（Hormoznejad et al.， 2019；Laurent et al.， 2018）、预热水疗（Vadopalas et al.， 2019）、中医药（Han et al.， 2018； Liang et al.， 2019）等，而生物反馈技术作为欧美国家改善精神类疾病的医疗体系中的成熟部分，涵盖了传感器、计算机、医学、心理学和生理等学科技术（胡斌等， 2020），是能够改善运动员神经机能状态、提高睡眠质量（Li et al.， 2022）及预防运动损伤（宋小波等， 2019），进而提高运动员竞技状态的潜在方式。

生物反馈训练的目的是提高运动员放松能力，与心理训练相比，它掌握起来难度更大，一旦熟练掌握则效果十分显著（石岩， 1991）。生物反馈训练的形式包括心率变异性、脑电、肌电和皮温等，其中心率变异性生物反馈（heart rate variability biofeedback，HRV-BF）和脑电生物反馈（electroencephalogram-biofeedback，EEG-BF）训练在医学领域中常用于提高神经机能状态和改善情绪（James et al.，1996； Lehrer et al.， 2020）。HRV-BF训练主要作用于外周神经系统，其机制是使血压、呼吸及心率产生共振，通过增强压力感受器的稳态，使身体及心理加快恢复从而改善生理机能（Lehrer et al.， 2014）；而EEG-BF训练更多作用于中枢神经系统，通过诱导α波和θ波成分序化，并抑制β波增加，使身心恢复速度加快，甚至产生神经重塑的效果，从而达到治疗神经类疾病和提高神经机能状态的作用（Farina et al.， 2012）。可见，2种生物反馈训练产生作用的生理学基础存在差异，但先前研究中鲜见严格的实验对照证明2种生物反馈训练对不同神经机能状态和情绪状态影响的异同。此外，生物反馈训练在竞技体育领域的应用仍停留于提高放松能力（陈丹萍等， 1997）、监控运动性疲劳（迟淑勋等， 2016）和改善睡眠质量（Li et al.， 2022）等方面。因此，HRV-BF和EEG-BF训练在改善中枢疲劳运动员神经机能状态和心境状态中的应用方法、作用效果和应用场景仍需实验验证。

综上所述，本研究旨在使用HRV-BF和EEG-BF训练对中枢疲劳运动员进行干预，分析和对比2种生物反馈训练对运动员神经机能状态和心境状态的具体效果和差异。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

招募70名北京体育大学男性运动员参与筛选。筛选条件：1）右利手，EEG诱导试验时中枢疲劳程度为警戒、先兆疲劳或疲劳；2）运动员技术等级为国家二级及以上，长期参与专项训练，3～5次/周；3）年龄为18～25岁；4）运动员专项为非可促进机体恢复的项目（如太极拳）；5）近期无严重精神刺激，未服用精神类药物，且研究期间不可参与其他心理相关实验测试。本实验已通过北京体育大学运动科学实验伦理委员会审查（批准号：2020132H）。

共17人符合正式实验条件，并自愿签署知情同意书。实验期间运动员训练和生活状态保持规律和稳定，其中3人中途脱落，最终共14人纳入统计：夏季项目10人（拳击、羽毛球、网球、足球、短跑），冬季项目4人（冰球、短道速滑）；年龄（20.86±1.29）岁，身高（179.29±5.34）cm，体质量（71.50±9.01）kg，训练年限（6.50±2.21）年。

1.2 实验方案

1.2.1 实验流程

采用随机交叉实验设计，分为A、B组进行两阶段交叉训练。第一阶段A组进行每2天1次，15天共8次的HRV-BF训练，同时B组进行相同频次的EEG-BF训练。第二阶段训练方式交换，生物反馈训练时间和频次和第一阶段相同。两阶段之间洗脱期为15天。各阶段前后均进行所有指标测试，测试指标及步骤为：1）填写心境状态（profile of mood states，POMS）量表；2）进行反应时测试；3）进行中枢疲劳测试（EEG诱导试验）；4）第3步结束后休息10 min以上，机体恢复安静状态后，同步进行脑内神经递质和自主神经状态测试。为避免运动训练因素影响测试指标，所有的测试均在休息日进行。

1.2.2 训练方案

1.2.2.1 HRV-BF训练方案

选用生理相干自主平衡系统（Heart Math Association，美国）内“菩提树”反馈形式，此形式以HRV代表的自主神经平衡性为反馈信息，训练时电脑屏幕上菩提树生长和枯萎的过程能够反映自主神经协调功能。此训练有助于释放压力和纾解消极情绪，培养主体自主平衡的调节及稳定情绪和呼吸节奏等能力。训练方案参考Lehrer等（2000）的训练安排。运动员到达实验室后，先静坐3～5 min恢复至安静状态，训练时睁眼、静坐于电脑屏幕前，按照主试人员的指导，调整呼吸节奏（0.1 Hz），外放系统配套音乐，按照步骤进行训练。训练时间为晚上7∶00—9∶00，单次训练时长25 min。训练地点为北京体育大学体育科学楼实验室，房间温度保持在22～25 ℃，无噪音等其他干扰。

1.2.2.2 EEG-BF训练方案

使用TGAM模块（NeuroSky，美国）识别和处理脑电信号，使用Sichiray（唛丁科技，中国）软件中“瑜伽球”及“呼吸球”2种反馈形式进行EEG-BF训练。根据全脑脑电波中α、β、θ和δ的占比判断放松度和专注度，其中α波的占比越大，代表放松度越高。“瑜伽球”训练时，系统根据放松度的高低，生成瑜伽球的漂浮高低和时间，受试者根据反馈信息不断调整放松度。“呼吸球”训练的呼吸节奏为0.1 Hz ，通过观察放松度数值变化，调整身体状态、提高放松度。其余要求与HRV-BF训练相同。

1.3 测试方法

1.3.1 EEG诱导试验

通过EEG诱导试验进行中枢疲劳测试，使用Nation 9128W便携式脑电仪（诺诚电气，中国）记录脑电信号，采用国际标准的10-20导联方式佩戴脑电电极。测试时运动员静坐于有靠背和扶手的椅子上，闭目保持清醒。测试环境昏暗、安静，正常室温，无噪音等干扰。诱导测试中同步记录脑电信号，其流程为：1）安静状态记录60 s以上；2）表象竞赛60 s以上；3）过度换气120～180 s。

表象竞赛时运动员脑电α波抑制的程度可反映注意集中能力，可以作为评价大脑疲劳程度的客观指标。α波抑制率（以下简称“α抑制%”）计算方法为α抑制%=（|表象竞赛时α%-安静状态α%|/安静状态α%）×100%。神经元代谢能量比值（θ/β）为过度换气状态下的脑电波占比，可评价神经机能状态。运动员中枢疲劳等级依据α抑制%变化幅度评定为正常（17%～37%）、最佳（38%～43%）、警戒状态（43%～49%）及先兆疲劳和疲劳（＞50%或＜17%）5类（张振民等， 2002），用5级评分（0～4分）代表中枢神经疲劳等级。

1.3.2 神经递质

超慢波涨落潮技术（supra-slow encephalofluctuogram technology，SET）是国内首创且常用的脑内无创测试神经递质的方式（吴梅婷等， 2016）。SET脑电（太阳科技，中国）佩戴方式及测试环境与EEG诱导试验相同，共需测试安静状态脑电信号18 min。SET分析系统（以下简称“S系统”）可将脑电波数据中具有涨落的周期性优势超慢成分分离出来。S系统包含不同的频率成分，称为S频率（/mHz），分析频率范围在0.93～238.00 mHz。不同频率对应谱线称为S1～S255的S谱，其中4 mHz 超慢谱的S4系与5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）的活动有关，5 mHz超慢谱的S5系与乙酰胆碱（acetylcholine，ACh）的活动有关，7 mHz超慢谱的S7系与去甲肾上腺素（norepinephrine，NE）的活动有关，11 mHz超慢谱的S11系与多巴胺（dopamine，DA）活动有关（梅磊， 1996）。神经递质测试结果是相对值，代表与此递质相关频率的脑电波的占比。

1.3.3 自主神经状态

HRV是评价自主神经活动的重要手段，是用来评估心脏交感神经与副交感神经张力平衡性的较好指标（Oskooei et al.， 2021）。使用Polar H10心率胸带（Polar Electro，芬兰）记录R-R间期（2个QRS波中R波之间的时间）数据，然后通过Kubios Hrv-standard 3.4.3软件截取5 min数据计算HRV。

1.3.4 反应时

使用GMCS-FYS反应时测试仪（鑫东华腾，中国）进行测量，运动员采用站立位，集中注意力，在测试仪灯光亮起时，快速拍灭指示灯。每人进行3次完整测试，取平均值。反应时的快慢可代表神经反应速度。

1.3.5 心境状态

POMS量表（Grove et al.， 1992）用于评价1周内的心境状态。量表包括5个消极情绪分量表（愤怒值、慌乱值、紧张值、抑郁值和疲劳值），2个积极情绪分量表（精力值和自尊值），共40个条目，采用5级评分（0～4分）。情绪纷乱值是心境状态的综合评价，计算公式：情绪纷乱值=（消极情绪分量表总分-积极情绪分量表总分）＋100。

1.4 数据统计与分析

实验结果均保留2位小数，结果使用平均值±标准差（M±SD）表示。使用Shapiro-Wilk 检验数据正态性。组内实验前后对比及洗脱效果检验：正态分布数据使用配对t检验，偏态分布数据使用非参数Wilcoxon秩和检验。组间对比：使用单因素方差分析（二阶段交叉）检验2种训练方式之间的差异。对2种生物反馈训练后有显著改善效果的指标进行事后重复测量相关分析。P＜0.05表示数据有统计学意义。

2 研究结果

2.1 HRV-BF和EEG-BF训练对中枢神经状态的影响

与训练前相比，HRV-BF训练后EEG诱导试验的脑电信号中θ/β（P＜0.01）、中枢疲劳等级（P＜0.01）显著降低；EEG-BF训练后θ/β（P＜0.01）、中枢疲劳等级（P＜0.01）显著降低（图1）。

图1 HRV-BF和EEG-BF训练对脑电θ/β及中枢疲劳等级的影响Figure 1. Effect of HRV-BF and EEG-BF Training on θ/β and Central Fatigue Level of EEG

从2种训练后中枢疲劳等级人数分布变化来看，HRVBF训练后先兆疲劳和疲劳比例分别从42.86%和50.00%降低为21.43%和28.57%；EEG-BF训练后分别从57.14%和42.86%降低为0.00%和21.42%。2种训练后中枢疲劳等级较低的比例均增多，中枢疲劳等级较高的比例均减小，二者对中枢神经状态的影响无显著差异。以上数据表明，2种训练对中枢神经机能状态均有明显的改善作用。

2.2 HRV-BF和EEG-BF训练对脑内神经递质的影响

如图2所示，与训练前相比，HRV-BF训练后5-HT（P＜0.01）和5-HT/DA（P＜0.01）水平显著降低，DA水平显著提高（P＜0.01）。EEG-BF训练后5-HT（P＜0.01）和5-HT/DA（P＜0.05）水平显著降低。2组受试者训练前各指标无显著差异；训练后对比发现，HRV-BF训练对5-HT（P＜0.05）、DA（P＜0.01）和5-HT/DA（P＜0.05）水平的影响效果显著大于EEG-BF训练。

图2 HRV-BF和EEG-BF训练对神经递质的影响Figure 2. Effects of HRV-BF and EEG-BF Training on Neurotransmitters

2.3 HRV-BF和EEG-BF训练对自主神经状态的影响

与训练前相比，HRV-BF训练后副交感神经系统指数（parasympathetic nervous system index，PNS Index；P＜0.05）、平均R-R间隔（MRR；P＜0.01）、pNN50（P＜0.01）显著降低，交感神经系统指数（sympathetic nerve system index，SNS Index；P＜0.05）和LF/HF（P＜0.05）显著升高，表明HRVBF训练后，运动员的交感神经作用增强，副交感神经作用减弱，向自主神经平衡状态靠近。EEG-BF训练后只有应激指数（stress index，SI）显著升高（P＜0.01），说明EEGBF训练对自主神经状态影响有限。训练后，交感和副交感神经的组间差异不显著（表1）。

表1 HRV-BF和EEG-BF训练对HRV的影响Table 1 Effects of HRV-BF and EEG-BF Training on HRV

2.4 HRV-BF和EEG-BF训练对反应速度的影响

与训练前相比，HRV-BF和EEG-BF训练后反应速度显著提高（P＜0.05），2种训练方法对反应速度的影响无显著差异（图3）。事后重复测量相关分析结果显示，反应时与中枢疲劳等级呈正相关（r=0.338，P＜0.05），与其他神经机能状态无显著相关。

图3 HRV-BF和EEG-BF训练对反应时的影响Figure 3. Effect of HRV-BF and EEG-BF Training on Reaction Time

2.5 HRV-BF和EEG-BF训练对心境状态的影响

与训练前相比，HRV-BF训练后疲劳（P＜0.01）、抑郁（P＜0.05）、慌乱（P＜0.05）和情绪纷乱（P＜0.01）显著降低，自尊（P＜0.05）和精力（P＜0.01）显著升高；EEG-BF训练后，愤怒（P＜0.01）、抑郁（P＜0.01）和情绪纷乱（P＜0.01）显著降低，自尊（P＜0.05）和精力（P＜0.05）显著升高（图4）。2种训练方法对心境状态的影响无显著差异，但从训练效果来看，HRV-BF（疲劳、慌乱、抑郁）和EEG-BF（愤怒、抑郁）训练能够缓解不同的消极情绪和情绪纷乱。

图4 HRV-BF和EEG-BF训练对心境状态的影响Figure 4. Effect of HRV-BF and EEG-BF Training on Mood State

事后重复测量相关分析结果显示，抑郁与5-HT（r=0.351，P＜0.05）和5-HT/DA（r=0.329，P＜0.05）呈正相关；自尊（r=-0.391，P＜0.01）、精力（r=-0.378，P＜0.01）与中枢疲劳等级呈负相关；情绪纷乱与中枢疲劳等级（r=0.416，P＜0.01）、5-HT（r=0.322，P＜0.05）和5-HT/DA（r=0.290，P＜0.05）呈正相关；各心境状态与其他神经机能状态无显著相关。

3 分析讨论

3.1 HRV-BF和EEG-BF训练对神经机能状态的影响

关于HRV-BF和EEG-BF训练影响中枢神经机能状态的可能机制，Vaschillo等（2019）发现HRV-BF训练时边缘系统以及扣带回和前额叶皮质有明显变化，而连续进行HRV-BF训练几周后，边缘和前额叶结构之间的连通性更强，这些连通性通路中的脑组织同时增加，这可能是HRVBF训练调节脑神经的一种机制（Mather et al.， 2018）。EEG-BF训练时，主要通过机体的身体和情绪放松状态控制脑电波中不同波形占比，具体为诱导α波和θ波成分序化，并抑制β波增加，而α脑电波反映了人的平静程度和放松状态，这些相关指标的改变体现了EEG-BF训练对神经机能状态的改善过程和作用（Koelstra et al.， 2011）。此外，有学者指出，HRV-BF和EEG-BF训练能够通过对部分神经（压力反射等）进行重塑达到改善神经机能状态的目的（Lehrer et al.， 2013）。

生物反馈训练能够帮助运动员在训练过程中或随后一段时间内调整神经机能水平，获得更佳的状态（Lehrer et al.， 2014）。本研究发现，在中枢神经机能状态中，15天8次的HRV-BF和EEG-BF训练均可以降低θ/β和中枢疲劳等级（α抑制%）。HRV-BF训练后中枢疲劳发生率从100%下降为50%，EEG-BF训练后从100%下降为35.71%。在脑内神经递质中，HRV-BF和EEG-BF训练均降低了5-HT和5-HT/DA水平，HRV-BF训练还可提高DA水平。脑内神经递质中5-HT为抑制性递质，DA为兴奋性递质，而5-HT/DA的比值被认为是评价中枢疲劳的敏感指标（Kavanagh et al.， 2019），提示，HRV-BF训练可通过降低抑制性递质（5-HT）和提高兴奋性神经递质（DA）的共同作用改善中枢神经状态，而EEG-BF训练可能只能通过降低抑制性神经递质来改善中枢神经状态；同时，在对神经递质（DA和5-HT）的影响方面，HRV-BF比EEG-BF训练的影响效果更大（图2）。有研究指出，DA的增加还能进一步抑制5-HT的合成与代谢（Bailey et al.， 1993），这可能是HRV-BF训练效果较EEG-BF更好的原因。本研究中2种生物反馈训练均能显著改善运动员中枢机能疲劳状态，有效调节脑内神经递质；且相关分析结果提示，中枢疲劳程度越大，反应速度可能越慢，积极情绪水平可能越低，而情绪纷乱值则可能越高；脑内抑制性神经递质（5-HT）越多，5-HT/DA水平越大时，抑郁情绪和情绪纷乱值可能越高。这在一定程度上说明，2种生物反馈训练后心境状态的改善及反应速度的提高可能与中枢疲劳的改善有关。关于中枢神经机能状态与运动员训练和运动表现的关系，有研究指出中枢神经疲劳程度与运动员的训练欲望、训练质量呈负相关（李欣鑫等， 2015），与运动能力和运动表现呈正相关（Encarnación-Martínez et al.， 2021），因此，HRV-BF和EEG-BF训练可能是帮助运动员提高训练欲望、训练效率和运动成绩的潜在方式。

在以往的研究中，使用自主神经状态评价运动员体能水平、训练状态时经常与副交感神经相联系。一般认为，体能储备或运动水平与副交感神经活性呈正相关（Buchheit et al.， 2013； Machhada et al.， 2017）。但在高水平运动员相关研究中，此观点不能完全适用，尤其是长期坚持运动或运动量较大的运动员会出现不同的结果，结果的个体差异可能较大（Buchheit et al.， 2010）。在过度训练或具有运动疲劳的运动员中，副交感神经作用活性过强可能代表运动员处于疲劳状态（Manzi et al.， 2009；Pichot et al.， 2000）。有学者指出，在运动训练中副交感神经活性的增加与急性大强度力量训练（Kingsley et al.，2019）、运动疲劳的发生（Bellenger et al.， 2016）和认知表现下降（Van Cutsem et al.， 2022）等有密切联系。在本研究中，中枢疲劳运动员生物反馈训练前安静状态下自主神经状态失衡，其中交感神经作用较弱，副交感神经占主导作用，与前人研究结果一致，HRV-BF训练后运动员自主神经状态向交感神经方向增加，平衡性提高，同时中枢神经机能状态、反应速度和心境状态均有显著改善。此外，睡前的自主神经平衡性与睡眠质量存在密切联系（李秦陇等， 2022），睡前进行HRV-BF训练可以通过提高自主神经平衡性和改善心境状态，进而提高睡眠质量，能够加快运动员机能恢复（Li et al.， 2022）。本研究中，与干预前中枢疲劳严重的运动员相比，HRV-BF训练后中枢疲劳状态改善的同时，自主神经平衡性显著提高，运动员的神经反应速度也显著变快，但EEG-BF训练后没有发现对自主神经的明显改善作用。

3.2 HRV-BF和EEG-BF训练对心境状态的影响

虽然运动是治疗非精神类疾病（如糖尿病等）的较好选择，也是改善抑郁、焦虑等消极情绪症状的良好方案，但运动强度过大时，可能会对心理健康造成负面影响，甚至产生心理疾病（Teychenne et al.， 2008）。本研究结果显示，2种生物反馈对消极情绪影响存在一定的差异。同样，以往研究结果也发现HRV-BF可以降低慌张值，减轻压力，改善心理健康问题（Lagos et al.， 2008， 2011；Van Der Zwan et al.， 2015），而EEG-BF训练有降低焦虑情绪的潜力（Pop-Jordanova et al.， 2010）。在本研究中，HRV-BF对慌乱、疲劳和抑郁等消极情绪的改善效果更好，EEG-BF对愤怒和抑郁等消极情绪的改善效果更好。事后相关分析结果提示，2种生物反馈训练后消极情绪的减少可能与其对脑内神经递质的作用差异有关，具体来看，HRV-BF降低5-HT水平的同时，提高了DA水平，而EEG-BF只对5-HT水平有显著改善；也可能与二者对神经机能状态的不同作用方式及影响差异有关。其中，HRV-BF训练是通过控制呼吸、血压对中枢神经、神经递质及自主神经产生积极效果，进而影响情绪；而EEG-BF训练则是通过放松，控制大脑皮层产生的脑电波形占比进而对中枢神经及神经递质产生作用，从而影响情绪。综上，2种生物反馈训练对积极情绪都有显著的提高作用，但在选择改善消极情绪的方式时需要进一步研究或进行更综合的考虑。

3.3 局限性与展望

本研究还存在一定的局限性。首先，由于筛选后各运动项目的中枢疲劳受试者人数有限，无法分运动项目对受试者的神经机能状态变化情况进行讨论；其次，未能在研究过程中进行运动表现和运动成绩测试。因此，建议在后续使用生物反馈训练提高中枢疲劳运动员机能状态的研究中，针对某一项目增加受试者人数，并同时测试其运动表现和运动成绩的变化，进一步探索提高中枢神经机能状态对运动表现或运动成绩的影响，从而提高对特定运动项目的指导意义。