運動員空間知覺腦神經(jīng)活動特點研究_百度文庫

1、1周成林,馮琰上海體育學(xué)院運動科學(xué)學(xué)院,上海(200438E-mail: chenglin_600摘要:采用反應(yīng)時研究范式和事件相關(guān)電位(ERP技術(shù),通過比較運動員與普通大學(xué)生對 不同視野刺激進(jìn)行知覺選擇反應(yīng)的反應(yīng)時間、 反應(yīng)準(zhǔn)確率及所誘發(fā)的 ERP 成分的潛伏期和波 幅的差異, 來揭示對抗性項目運動員空間知覺的腦神經(jīng)活動變化特點。 結(jié)果顯示, 運動員與 普通大學(xué)生在 P1、N1和 P300的波幅以及 P300的潛伏期上均存在顯著或非常顯著差異;運 動員對上視野刺激進(jìn)行選擇反應(yīng)時誘發(fā)出明顯的 P2和 N2成分, 而普通大學(xué)生對下視野刺激 進(jìn)行選擇反應(yīng)時誘發(fā)出明顯的 P2和 N2成分。 結(jié)果表明

2、, 運動員與普通大學(xué)生對不同視野刺 激進(jìn)行識別的心理過程在時間進(jìn)程上沒有差異, 但在空間知覺速度以及知覺策略的運用上存 在顯著差異,這與對抗性項目運動員長期從事專項運動訓(xùn)練有關(guān)。關(guān)鍵詞 :運動員;空間知覺;反應(yīng)時;事件相關(guān)電位中圖分類號:G804.861.引言運動員在運動過程中,所涉及的認(rèn)知過程一般包括知覺、注意、記憶、思維與決策等。 由于知覺是后續(xù)的認(rèn)知過程的前提和基礎(chǔ), 其重要意義決定了這一領(lǐng)域的研究備受關(guān)注。 目 前, 國內(nèi)外運動心理學(xué)家對知覺的研究主要集中在運動員知覺能力和知覺預(yù)測等方面。 由于 運動員在運動情境中進(jìn)行知覺預(yù)測和思維決策都是以空間知覺、 時間知覺、 動作知覺等知覺 能力

3、為基礎(chǔ), 所以對于運動員專項知覺能力的評價可以為運動員的心理診斷和心理選材提供 科學(xué)的理論依據(jù)。近年來, 隨著認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的迅猛發(fā)展, 無創(chuàng)性腦功能成像技術(shù)越來越受到研究者的青 睞。所以,本研究采用反應(yīng)時研究范式和事件相關(guān)腦電位(ERP技術(shù),通過比較運動員與 非運動員對不同空間位置刺激進(jìn)行知覺選擇反應(yīng)的反應(yīng)時間、準(zhǔn)確率及所誘發(fā)的 ERP 成分 (ERPs 的差異, 來揭示運動員空間知覺過程中的腦神經(jīng)活動變化特點, 為準(zhǔn)確評價運動員 的空間知覺能力提供理論參考。2.實驗對象與方法2.1 實驗對象選取 12名男性大學(xué)生為實驗對象,分為運動員組和普通大學(xué)生組,每組各 6人。運動 員組由剛進(jìn)入大學(xué)的退

4、役運動員組成,包括擊劍 4人、拳擊 1人、散打 1人;平均年齡為1本課題得到高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20060277003的資助。12.2 實驗方法主要采用 ERP 實驗記錄分析法。2.2.1 刺激圖片刺激圖片為黑色屏幕背景中的紅色圓圈, 根據(jù)圓圈在黑色背景中所處位置的不同, 可以 分為四類:左上紅色圓圈、右上紅色圓圈、左下紅色圓圈、右下紅色圓圈。刺激圖片中的紅 色圓圈視角均為 6.4o 。2.2.2 實驗步驟讓被試舒適地端坐于顯示屏前的實驗座椅上,被試雙眼與屏幕距離 90cm,并將雙手舒 適地放于反應(yīng)盒按鍵上。 主試向被試進(jìn)行講解和說明, 使其了解實驗的整體進(jìn)程和要求, 然 后讓

5、被試進(jìn)行三次練習(xí),以熟悉按鍵的使用和整個實驗程序。刺激程序采用 E-Prime 軟件編制。 具體如下:被試按鍵開始實驗, 首先在黑色屏幕中間 出現(xiàn)一白色注視點“+” ,呈現(xiàn)時間為 5OOms;然后呈現(xiàn)一幅刺激圖片,呈現(xiàn)時間為 50ms;隨 后出現(xiàn)黑屏并保持 1000ms;要求被試根據(jù)刺激圖片中紅色圓圈所處位置進(jìn)行按鍵反應(yīng)。反 應(yīng)結(jié)束到下一幅刺激圖片的時間間隔是隨機的,范圍為 1500ms-2300ms,如此循環(huán)往復(fù)。每 組刺激圖片 20幅,共 5組。如果被試在給定的 1000ms 內(nèi)沒做出任何按鍵反應(yīng)或按鍵過輕, 均視為反應(yīng)錯誤。在整個實驗過程中,對被試反應(yīng)的正確性和反應(yīng)速度做同等強調(diào)。 2.

6、2.3 ERP記錄實驗設(shè)備為德國 Brain Products 公司生產(chǎn)的 64道 ERP 記錄與采集系統(tǒng)和 Ag/AgCI電 極帽。電極點采用國際 1020標(biāo)準(zhǔn)電極系統(tǒng)定位。參考電極置于鼻尖處,前額接地。在雙 眼外側(cè)安置電極記錄水平眼電, 在左眼上下安置電極記錄垂直眼電。 濾波帶通為 DC100Hz, 采樣頻率為 500Hz/導(dǎo),頭皮電阻小于 15k。2.2.4 行為數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析Brain Products的 ERP 記錄與采集系統(tǒng)可以同步記錄反應(yīng)時、反應(yīng)準(zhǔn)確率等行為學(xué)指 標(biāo)。使用 SPSS 13.0對行為數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。2.2.5 ERP數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析對采集的 ERP 腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行離線

7、分析。分析時程為 1200ms(含基線 200 ms ,自動矯正 眨眼等偽跡,波幅大于±100uµV者在疊加中被自動剔除。實驗所得 ERPs 經(jīng) 0.0116Hz的 無相移數(shù)字濾波,以刺激前的均值校正基線。根據(jù) ERP 的總平均圖,選擇 Fz、Cz、CPz、Pz、 POz、Oz、PO3、PO4和 P5共 9個電極記錄點對不同刺激進(jìn)行正確反應(yīng)所誘發(fā)的 ERPs 進(jìn)行疊 加 和 處 理 。 對 不 同 ERPs 成 分 的 潛 伏 期 和 波 幅 進(jìn) 行 多 元 方 差 分 析 , p 值 采 用 Greenhouse-Geisser 法校正。23.實驗結(jié)果3.1 行為結(jié)果對行

8、為結(jié)果進(jìn)行的方差分析表明,反應(yīng)時具有顯著的視野主效應(yīng)(F3,44=15.543, P<0.001和組別主效應(yīng)(F3,44=27.857,P<0.001 。對視野主效應(yīng)的進(jìn)一步多重比較顯示, 無論是運動員還是普通大學(xué)生, 對右上和左下視野刺激的知覺選擇反應(yīng)速度都明顯快于左上 和右下視野(P<0.01,P<0.01 ,但對右上或左下視野以及左上或右下視野刺激的選擇反應(yīng) 速度則不存在顯著差異 (P>0.05 。 另外, 反應(yīng)準(zhǔn)確率只具有顯著的視野主效應(yīng) (F3,44=9.963, P<0.001 ; 進(jìn)一步多重比較顯示, 無論是運動員還是普通大學(xué)生, 對左下視野刺

9、激進(jìn)行選擇 反應(yīng)的準(zhǔn)確率明顯低于其它視野(P<0.01 ;左上視野的準(zhǔn)確率又高于右上視野(P<0.05 。 結(jié)果表明, 運動員進(jìn)行空間知覺選擇反應(yīng)的速度明顯快于普通大學(xué)生, 但兩者在反應(yīng) 準(zhǔn)確率上沒有顯著差異。3.2 ERPs結(jié)果運動員和普通大學(xué)生進(jìn)行空間知覺選擇反應(yīng)時, 所誘發(fā)的 ERP 基本波形在特征上既具有 一定的相似性也具有一定的異同性(見圖 1 。在中央頂枕區(qū)(Pz記錄的 ERPs 顯示,在 70 ms 左右誘發(fā)出 C1,上視野(左上和右上視野刺激產(chǎn)生的是負(fù)電位 C1成分,下視野(左下 和右下視野刺激產(chǎn)生的是正電位 C1成分;在 90-140 ms左右誘發(fā)出 P1,在 1

10、50-200 ms左右出現(xiàn) N1;在 200-250ms 左右誘發(fā)出 P2,在 250-300ms 左右出現(xiàn) N2;在 300ms 左右以后 出現(xiàn) P300。本研究主要對 P1、N1、P2、N2和 P300進(jìn)行分析。3.2.1 P1成分在整個頭皮不同腦區(qū)均誘發(fā)出 P1, 本研究選取額中央?yún)^(qū)的 Fz、 中央?yún)^(qū)的 Cz 以及頂枕中 央?yún)^(qū)的 CPz、Pz、Oz 五個電極記錄點進(jìn)行疊加處理。以P1潛伏期為因變量的多元方差分析結(jié)果顯示,Fz、Cz、CPz、Pz和Oz上均不存在視野 和組別主效應(yīng), 僅在Oz顯示出空間位置與組別間存在顯著的交互作用 (F3, 44=3.010, P<0.05 。 以P

11、1波幅為因變量的多元方差分析結(jié)果顯示, 只有Cz (F3,44=4.184, P<0.05 和CPz (F3,44=4.471,P<0.05上存在顯著的組別主效應(yīng);其它電極記錄點上既不存在視野和組別主效 應(yīng),也不存在視野與組別的交互作用。結(jié)果表明,運動員與普通大學(xué)生進(jìn)行空間知覺選擇反應(yīng)所誘發(fā)的 P1成分的差異僅表現(xiàn) 在波幅上。3.2.2 N1成分在頭皮后部腦區(qū)誘發(fā)出明顯的 N1,本研究選取左右枕葉區(qū)的 PO3和 PO4,左顳葉區(qū)的 P5和中部枕葉區(qū)的 POz,以及前后枕葉區(qū)的 Pz 和 Oz 六個電極記錄點進(jìn)行疊加處理。 以N1潛伏期為因變量的多元方差分析結(jié)果顯示,PO3(F3,4

12、4=5.191,P<0.01和P5(F3,44=8.572,P<0.001上存在顯著的視野主效應(yīng);進(jìn)一步多重比較結(jié)果表明:無論是運動員還 是普通大學(xué)生,對右視野(右上和右下視野刺激進(jìn)行選擇反應(yīng)時出現(xiàn)N1成分的時間要明顯早于左視野(左上和左下視野 。但沒有發(fā)現(xiàn)組別主效應(yīng),視野與組別之間也不存在顯著 以N1波幅為因變量的多元方差分析結(jié)果顯示,POz(F3,44=3.529,P<0.05 、PO3(F3,44=3.802,P<0.05 、PO4(F3,44=3.903,P<0.05和P5(F3,44=5.726,P<0.01上存在顯著 或非常顯著的視野主效應(yīng); 進(jìn)

13、一步的多重比較結(jié)果表明:無論是運動員還是普通大學(xué)生, 對右視野刺激進(jìn)行選擇反應(yīng)時,在左頂區(qū)(P5誘發(fā)的N1波幅要高于左視野;對下視野刺激 進(jìn)行選擇反應(yīng)時,在頂枕區(qū)(PO3、POz、PO4誘發(fā)的N1波幅高于上視野。多元方差分析結(jié) 果還顯示,POz(F3,44=6.596,P<0.05 、PO3(F3,44=17.930,P<0.001 、Oz(F3,44=7.014, P<0.05和P5(F3,44=5.925,P<0.05上存在顯著或非常顯著的組別主效應(yīng);但在六個電極 記錄點上沒發(fā)現(xiàn)視野與組別之間存在顯著的交互作用。結(jié)果表明,運動員與普通大學(xué)生進(jìn)行空間知覺選擇反應(yīng)所誘發(fā)

14、的 N1成分的差異僅表現(xiàn) 在波幅上。3.2.3 P2和 N2成分普通大學(xué)生和運動員進(jìn)行空間知覺選擇反應(yīng)時,在 Pz 電極記錄點上所誘發(fā)的 P2和 N2的總平均圖顯示(如圖 1所示 。對上視野刺激進(jìn)行選擇反應(yīng)時,運動員頭皮的枕區(qū)、頂區(qū)、 中央?yún)^(qū)誘發(fā)了明顯的 P2和 N2成分; 普通大學(xué)生只誘發(fā)了 P1、 N1和 P300成分, 未見明顯的 P2和 N2成分。與此相反,對下視野刺激進(jìn)行選擇反應(yīng)時,普通大學(xué)生頭皮的枕區(qū)、頂區(qū)、 中央?yún)^(qū)誘發(fā)了明顯的 P2和 N2成分,而運動員只見 P1、N1和 P300成分,未見明顯的 P2和 N2成分。 圖 1 Pz電極記錄點不同視野空間知覺選擇反應(yīng)的 ERP 總平

15、均圖3.2.4 P300成分在頭皮后部腦區(qū)誘發(fā)出明顯的 P300,本研究選取頂枕區(qū)的 PO3、POz 和 PO4,枕區(qū)的 Pz 4以P300潛伏期為因變量的多元方差分析結(jié)果顯示:Pz(F3,44=4.990,P<0.05 、POz(F3,44=8.134, P<0.01 、 Oz (F3,44=5.698, P<0.05 、 PO3(F3,44=4.616, P<0.05 和PO4(F3, 44=8.999, P<0.01誘發(fā)的P300潛伏期存在顯著或非常顯著的組別主效應(yīng);但沒有發(fā)現(xiàn)視野主效應(yīng),視野與組別之間也不存在顯著的交互作用。以P300的波幅為因變量的多元方

16、差分析結(jié)果顯示, 除Pz外, POz (F3,44=5.418, P<0.05 、 Oz(F3,44=8.175,P<0.01 、PO3(F3,44=9.782,P<0.01和PO4(F3,44=5.716,P<0.05誘發(fā) 的P300波幅上均存在顯著或非常顯著的組別主效應(yīng);但也沒有發(fā)現(xiàn)視野主效應(yīng),視野與組 別之間也不存在顯著的交互作用。結(jié)果表明,運動員與普通大學(xué)生進(jìn)行空間知覺選擇反應(yīng)所誘發(fā)的 P300成分的差異既表 現(xiàn)在潛伏期上也表現(xiàn)在波幅上。4.分析與討論4.1 運動員的刺激識別特征Vogel&Luck(2000 研究認(rèn)為, N1反映了注意焦點內(nèi)的識別過程

17、1。 羅躍嘉等人 (2001 在評估注意空間等級效應(yīng)及其腦活動機制的研究中發(fā)現(xiàn),P1波幅的增加可能反映了在促進(jìn) 靶識別時,適當(dāng)注意范圍的空間等級變化需要額外的運算資源;而N1波幅的減少可能反映 了較大提示范圍對注意焦點分散的結(jié)果 2。可見,P1和 N1成分反映了對靶刺激特征的識別過程。研究發(fā)現(xiàn),運動員和普通大學(xué)生 的 P1、N1峰潛伏期是沒有差異的,說明兩者對靶刺激特征進(jìn)行識別的心理過程在時間上的 變化具有一致性。 由于本研究中的靶刺激特征是不變的, 僅僅是刺激出現(xiàn)的空間位置發(fā)生變 化,所以運動員和普通大學(xué)生在對靶刺激進(jìn)行識別的心理過程上沒有差異。但運動員的 P1、 N1波幅峰值卻明顯小于普通

18、大學(xué)生,說明兩者對靶刺激特征進(jìn)行識別所動用的心理能量是 不同的, 普通大學(xué)生要占用較多的心理運算資源。 產(chǎn)生這一差異的原因可能與運動員長期從 事運動專項訓(xùn)練有關(guān)。對于對抗性項目而言, 運動員無時無刻不處在復(fù)雜多變的運動情境中, 并對可能有用的 運動信息(對手動作、場地情況等進(jìn)行搜索和知覺(預(yù)測 ,以做出有效的判斷和決策。 相對于復(fù)雜的運動情境而言, 運動員進(jìn)行本研究中的簡單空間知覺選擇反應(yīng)時自然要比普通 大學(xué)生需要的心理運算資源要少得多。 因此, 運動員和普通大學(xué)生進(jìn)行靶刺激的識別僅存在 心理能量消耗上的差異。本研究結(jié)果還表明,無論是運動員還是普通大學(xué)生,下視野和右視野刺激所誘發(fā)的 N1波幅明

19、顯高于上視野和左視野。這一結(jié)果提示,N1的波幅與刺激屬性存在密切關(guān)系,即下 視野和右視野產(chǎn)生的 N1波幅大于上視野和左視野。4.2 運動員的空間知覺特征關(guān)于 P300反映何種具體認(rèn)知過程,目前還存在不同意見。一種觀點認(rèn)為,P300代表知 覺任務(wù)的結(jié)束,也就是說,P300代表對某種刺激加工的抑制。另一種觀點認(rèn)為,P300的潛5 伏期與認(rèn)知加工過程中評估與分類的完成有關(guān)， 即反映的是對刺激物的評價或分類所需要的 時間，而 P300 的波幅則與工作記憶中表征的背景更新有關(guān)。筆者認(rèn)為，在本研究的空間知 覺選擇反應(yīng)中，主要涉及的心理過程有刺激的識別、空間位置知覺及選擇反應(yīng)等，并未有記 憶、思維決策等復(fù)雜

20、心理過程的參與，所以，P300 的潛伏期代表著對刺激空間位置知覺的 結(jié)束以及動作選擇反應(yīng)的開始。 本研究結(jié)果表明，運動員進(jìn)行空間知覺選擇反應(yīng)的反應(yīng)時明顯快于普通大學(xué)生；P300 峰潛伏期明顯短于普通大學(xué)生。綜合行為數(shù)據(jù)和 ERPs 結(jié)果可以看出，運動員知覺刺激空間 位置的速度顯著快于普通大學(xué)生； 加上運動員在長期專項訓(xùn)練中使神經(jīng)肌肉系統(tǒng)形成了快速 的動作時，所以，運動員進(jìn)行空間知覺選擇反應(yīng)的反應(yīng)時間明顯短于普通大學(xué)生。 另外，解恒革等人（2002）的聽覺P300 研究表明，P300 波幅與注意水平密切相關(guān)，它 反映了注意資源對靶刺激的分配強度 。 本研究顯示， 運動員的P300 波幅峰值顯著低

21、于普通 大學(xué)生。 可見， 運動員知覺刺激空間位置并進(jìn)行選擇反應(yīng)過程中所占用的注意資源和動用的 心理能力明顯少于普通大學(xué)生。 這可能與運動員長期從事專項訓(xùn)練有關(guān)。 相對于日常以學(xué)業(yè) 任務(wù)為主的普通大學(xué)生而言， 運動員完成的空間知覺位選擇反應(yīng)模式與其在實際運動情境中 完成運動任務(wù)時所發(fā)動的知覺選擇模式相類似， 所以其在完成空間位置知覺選擇反應(yīng)時所需 要的動作記憶中的表征更新程度要明顯小于普通大學(xué)生， 因此其完成空間知覺選擇反應(yīng)時所 占用的注意資源較少，消耗的心理能量也就不多。 3 4.3 運動員的知覺策略特征 P2 和N2 作為視覺認(rèn)知加工的早期ERPs成分，可能與視覺加工的早期階段注意、特 征覺

22、察和沖突知覺等有關(guān)。高文斌等人（2002，2004）在注意范圍對視覺空間注意影響的腦 神經(jīng)機制研究中指出，注意范圍對視覺信息加工的影響主要反映在P2 成分，P2、N2 成分與 視覺注意范圍加工有關(guān)；P2 波幅反映了視覺注意集中的程度，N2 則明顯受注意范圍的調(diào)節(jié) 4,5 。 本研究發(fā)現(xiàn)，運動員對上視野刺激進(jìn)行空間知覺選擇反應(yīng)時誘發(fā)了明顯的 P2 和 N2，而 普通大學(xué)生則對下視野刺激進(jìn)行空間知覺選擇反應(yīng)時誘發(fā)了明顯的 P2 和 N2。這可能與他們 在日常訓(xùn)練和學(xué)習(xí)生活中所形成的知覺策略是不同的有關(guān)。 對抗性項目運動員在訓(xùn)練和比賽 中，要求注意范圍適當(dāng)寬廣，對已經(jīng)發(fā)生的和正在發(fā)生的有用的運動信息

23、進(jìn)行選擇和注意， 利用主要處于上視野中的有效運動信息（對手的身體姿勢、器械的運動方向和速度、球的運 動軌跡等） ，預(yù)先做出動作選擇和判斷決策，以有效應(yīng)對對手的進(jìn)攻。所以，運動員只在上 視野出現(xiàn)靶刺激時誘發(fā)了明顯的 P2 和 N2，說明對抗性項目運動員在進(jìn)行空間知覺時更多采 用的是注意指向上視野的知覺策略， 因而上視野刺激占用了較多的注意資源。 而普通大學(xué)生 日常完成的多是學(xué)科作業(yè)和考試任務(wù)，注意更多集中于當(dāng)前任務(wù)（數(shù)字或文字）處理上，注 意范圍比較狹窄，其注意的移動和轉(zhuǎn)換方向通常是至上而下、從左至右的。因此，普通大學(xué) 生只在下視野出現(xiàn)刺激時誘發(fā)了明顯的 P2 和 N2，說明普通大學(xué)生在進(jìn)行空間

24、知覺時更多采 用的是注意指向下視野的知覺策略，因而下視野刺激占用了其較多的注意資源。 另外， 本研究結(jié)果也提示我們， 一個人在特定情境中形成的知覺策略是可以遷移的其他 6 情境中的， 也可以說， 人在不同情境中對可能出現(xiàn)的刺激物的注意指向的腦神經(jīng)活動機制是 具有一致性的，不過這還需做進(jìn)一步的研究以獲取更多的有力證據(jù)。 5結(jié)論 綜上所述，在進(jìn)行空間知覺選擇反應(yīng)任務(wù)中，運動員誘發(fā)的 P1、N1 和 P300 的波幅峰值 明顯小于普通大學(xué)生，P300 的峰潛伏期也明顯短于普通大學(xué)生。說明運動員與普通大學(xué)生 對不同空間位置刺激進(jìn)行識別的心理過程在時間進(jìn)程上沒有差異， 兩者動作反應(yīng)時的差異主 要是由空間

25、知覺速度、知覺策略的應(yīng)用和肌肉的動作時的不同造成的。而且，運動員在對不 同空間位置刺激進(jìn)行識別、知覺和選擇反應(yīng)的過程中，都表現(xiàn)出了心理能量“節(jié)省化”的趨 勢，這些特點對于競賽強度相當(dāng)大的對抗性項目來講尤為重要。 另外，在對運動員知覺能力評價和診斷的過程中，除采用相應(yīng)的外顯行為測量數(shù)據(jù)外， 還應(yīng)借鑒用于評價內(nèi)隱認(rèn)知過程的 ERPs（P1、N1、P2、N2 和 P300）等電生理指標(biāo)的測量結(jié) 果，以從行為和機能兩個層面上得出科學(xué)結(jié)論。 參考文獻(xiàn) 1 Vogel E K， Luck S J visual N1 component as an index of a discrimination pro

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27、4 Study on the Characteristics of Brain Nerve Activity of Spatial Perception of Athletes Zhou Chenglin，F(xiàn)eng Yan College of Exercise and Sport Science，Shanghai University of Sport, Shanghai, China（200438 Abstract Adopted with the study mode of Reaction Times and the technique of Event-related Potenti

28、als(ERP, the paper compared the difference of the reaction times, accuracy rate，latency，amplitude of ERP components of athletes and undergraduate students during the process of choice reaction to stimuli which were presented at different field of vision, in order to explore the variety characteristics of brain nerve activ