六周虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)對(duì)大學(xué)生認(rèn)知能力影響的事件相關(guān)電位測(cè)評(píng)

趙敬國(guó)，崔晴晴

（山東師范大學(xué)體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250014）

1 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)是采用電腦及其外圍設(shè)備模擬產(chǎn)生一種三維虛擬環(huán)境，可讓使用者產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。VR技術(shù)作為20世紀(jì)末興起的一門綜合信息技術(shù)已在許多領(lǐng)域得以應(yīng)用［1］，深圳泰山體育科技股份有限公司基于該項(xiàng)技術(shù)研究開發(fā)了一套虛擬體感運(yùn)動(dòng)機(jī)－－愛(ài)動(dòng)運(yùn)動(dòng)王，此類產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用大大促進(jìn)了虛擬運(yùn)動(dòng)的開展。隨著約翰·瑞迪教授《運(yùn)動(dòng)改造大腦》一書的出版發(fā)行，人們認(rèn)識(shí)到運(yùn)動(dòng)可以健身更可以健腦［2］。虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)作為一種新興的運(yùn)動(dòng)方式，與真實(shí)的現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)既有共性又有特殊性。二者的身體運(yùn)動(dòng)都消耗一定的能量，或許消耗的能量有所差異；但二者的運(yùn)動(dòng)方式顯著不同，一個(gè)是真實(shí)的運(yùn)動(dòng)，一個(gè)則是虛擬的運(yùn)動(dòng)。真實(shí)的現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)對(duì)人體健康的促進(jìn)作用以及對(duì)認(rèn)知功能的影響，前人已做了大量的研究報(bào)道［3－9］，虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)理應(yīng)也與真實(shí)現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)那樣對(duì)認(rèn)知功能產(chǎn)生影響，但影響特點(diǎn)如何呢？事件相關(guān)電位（event－related potential，ERP）技術(shù)因其具有高時(shí)間分辨率以及無(wú)創(chuàng)、可重復(fù)且測(cè)試成本低廉的特點(diǎn)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域尤其是運(yùn)動(dòng)與腦認(rèn)知功能的研究中。本研究采用縱向跟蹤隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，測(cè)量了大學(xué)生六周虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)前后ERP P300指標(biāo)的變化，以評(píng)價(jià)虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)方式對(duì)認(rèn)知功能的影響。

2 對(duì)象與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

隨機(jī)招募山東師范大學(xué)長(zhǎng)清湖校區(qū)在校女大學(xué)生志愿者，納入標(biāo)準(zhǔn)為：身體健康、精神狀況良好、愿意參與、PARQ＆you問(wèn)卷測(cè)評(píng)能勝任相應(yīng)運(yùn)動(dòng)、ERP檢測(cè)信號(hào)清晰穩(wěn)定。篩選出合格受試者30名，將其隨機(jī)分至實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，受試者基本情況見(jiàn)表1。所有受試者均知情同意，并書面簽訂知情同意書。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用縱向追蹤隨機(jī)對(duì)照研究設(shè)計(jì)，觀察6周虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)前后實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組認(rèn)知電位P300指標(biāo)的變化，自變量為六周虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)，因變量為事件相關(guān)電位P300指標(biāo)，嚴(yán)格控制無(wú)關(guān)變量的影響。

表1 受試者人口統(tǒng)計(jì)學(xué)特征（±SD）Table 1 Demographic characteristics of subjects（±SD）

表1 受試者人口統(tǒng)計(jì)學(xué)特征（±SD）Table 1 Demographic characteristics of subjects（±SD）

注：組間比較，P＞0.05

組別 n 年齡（歲） 身高（cm） 體重 （kg ）對(duì)照組10 19.5±0.55164.0±5.73 54.8±6.32實(shí)驗(yàn)組20 20.5±2.14161.9±3.61 57.6±4.12

2.2.1 六周虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)的實(shí)施 實(shí)驗(yàn)組采用深圳泰山在線科技有限公司提供的idong——愛(ài)動(dòng)運(yùn)動(dòng)王Ⅱ設(shè)備，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件選擇了三種虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)方式：射箭運(yùn)動(dòng)、伸展運(yùn)動(dòng)、平衡大挑戰(zhàn)運(yùn)動(dòng)。射箭運(yùn)動(dòng)、伸展運(yùn)動(dòng)每次進(jìn)行兩輪，平衡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行到每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束，一次運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間約為30 min，每周三次，訓(xùn)練周期為六周。

對(duì)照組在6周實(shí)驗(yàn)期間不進(jìn)行任何有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)和其他額外的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，按原作息規(guī)律學(xué)習(xí)生活。

2.2.2 事件相關(guān)電位（ERP）的測(cè)試 采用德國(guó)Brain Products公司生產(chǎn)的32導(dǎo)Brain Vision Analyzer分別測(cè)量受試者實(shí)驗(yàn)前（前測(cè)）和六周實(shí)驗(yàn)結(jié)束后（后測(cè)）安靜狀態(tài)下的ERP。采用改良版的Flanker刺激范式，分別為“＞＞＞＞＞”（S1）、“＜＜＜＜＜”（S2）、“＜＜＞＜＜”（S3）、“＞＞＜＞＞”（S4）四種刺激，其中S1、S2為一致性刺激，S3、S4為不一致性刺激。四種刺激以相同的概率共出現(xiàn)80次，每種刺激是隨機(jī)呈現(xiàn)，呈現(xiàn)時(shí)間180 ms，ITI設(shè)置為800～1200 ms隨機(jī)，受試者反應(yīng)界面為500 ms，若在500 ms內(nèi)未做出反應(yīng)則自動(dòng)進(jìn)行下一個(gè)刺激，實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)block，在每個(gè)block中四種刺激類型各出現(xiàn)40次，中間休息5 min，整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)15 min。

受試者首先進(jìn)入實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備室，使受試者心情放松，消除恐懼，同時(shí)將手機(jī)靜音放在指定位置。引領(lǐng)受試者進(jìn)入ERP測(cè)試室，安排其坐在指定的測(cè)試電腦前，按照國(guó)際腦電學(xué)會(huì)10～20電極系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電極安放，采用雙耳乳突（M1、M2）作為參考電極，前額（Fpz）為接地電極。給受試者佩帶電極帽，注入導(dǎo)電膏，使電極與皮膚接觸良好，電極阻抗測(cè)定均小于5 kΩ，測(cè)試過(guò)程中盡量減少眼動(dòng)并保持身體姿勢(shì)。

2.2.3 ERP P300指標(biāo)的分析 用Brain Vision Analyzer 2.1軟件對(duì)所有受試者的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)濾波、去眼電、去偽跡、分段、基線校正、疊加平均、波幅檢測(cè)、視圖映射、數(shù)據(jù)輸出等步驟完成對(duì)ERP P300指標(biāo)的分析［10］。

2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

將收集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理核對(duì)無(wú)誤后，建立SPSS15.0 for windows數(shù)據(jù)庫(kù)，分別進(jìn)行了描述性統(tǒng)計(jì)和推斷性統(tǒng)計(jì)分析。組內(nèi)差異顯著性檢驗(yàn)采用配對(duì)t檢驗(yàn)，組間差異顯著性檢驗(yàn)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。差異顯著性標(biāo)準(zhǔn)采用P＜0.05，結(jié)果均以±SD表示。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程均在山東師范大學(xué)運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果

分別對(duì)兩組受試者實(shí)驗(yàn)前后四個(gè)區(qū)域［額葉區(qū)（F3、Fz、F4）、中央?yún)^(qū)（C3、Cz、C4）、頂區(qū)（P3、Pz、P4）和枕區(qū)（O1、Oz、O2）］12個(gè)電極點(diǎn)在四種刺激方式（S1、S2、S3、S4）下獲得的 ERP P300指標(biāo)進(jìn)行了比較分析，前后兩次測(cè)量間比較有顯著性差異的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3。

表2 實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組六周前后兩次測(cè)量之間P300潛伏期的比較（ms）Table 2 Comparison of P300 latency between the two measurements before and after six weeks in the experimental group and control group（ms）

表3 實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組六周前后兩次測(cè)量之間P300波幅的比較（mv）Table 3 Com parison of P300 am plitude between the two measurements before and after six weeks in the experimental group and control group（mv）

4 討論

虛擬環(huán)境技術(shù)（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）在康復(fù)醫(yī)療、教育、體育等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用［1，11－12］。有關(guān)現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)對(duì)人體認(rèn)知功能的影響已有文獻(xiàn)報(bào)道［4－10］，然而虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)作為一種特殊的新興的運(yùn)動(dòng)方式，其對(duì)人體認(rèn)知能力的影響效果尚不十分清晰。本研究利用事件相關(guān)電位測(cè)量技術(shù)，采用認(rèn)知電位P300指標(biāo)，評(píng)價(jià)了六周虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)前后受試者認(rèn)知能力的電生理學(xué)指標(biāo)改變。

P300是出現(xiàn)在刺激后300～800 ms的一個(gè)正向波，是與注意、辨認(rèn)、決策以及記憶等認(rèn)知功能有關(guān)的事件相關(guān)電位的內(nèi)源性成分，P300波幅反映了注意資源分配的數(shù)量，P300潛伏期反映了腦對(duì)刺激的檢測(cè)、模式識(shí)別、評(píng)估和記憶等認(rèn)知過(guò)程的時(shí)間變量［13－14］。測(cè)評(píng)P300的方式有多種，本研究采用改良版的Flanker沖突任務(wù)范式，該刺激范式不僅可以測(cè)量認(rèn)知電位的變化，更可以反映受試者的執(zhí)行控制能力。

通過(guò)對(duì)兩組受試者實(shí)驗(yàn)前后四個(gè)區(qū)域［額葉區(qū)（F3、Fz、F4）、中央?yún)^(qū)（C3、Cz、C4）、頂區(qū)（P3、Pz、P4）和枕區(qū)（O1、Oz、O2）］12個(gè)電極點(diǎn)在四種刺激方式（S1、S2、S3、S4）下獲得的 ERP P300指標(biāo)的比較，發(fā)現(xiàn)六周后實(shí)驗(yàn)組（即虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)組）額葉區(qū)（F3、F4）和中央?yún)^(qū)（C3）電極點(diǎn)在一致性刺激時(shí)（S1和S2）ERP P300潛伏期較實(shí)驗(yàn)前顯著延長(zhǎng)（P＜0.05），尤其是額葉區(qū)表現(xiàn)更為顯著。而對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組其他電極點(diǎn)和其他刺激方式下ERP P300潛伏期未見(jiàn)有顯著性改變（P＞0.05）。六周前后組內(nèi)配對(duì)t檢驗(yàn)顯示，只有實(shí)驗(yàn)組中頂區(qū)（P3）S1刺激下ERP P300波幅較實(shí)驗(yàn)前顯著增加（P＜0.05），對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組其他電極點(diǎn)和其他刺激方式下ERP P300波幅未見(jiàn)顯著性改變（P＞0.05）。

上述結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)六周愛(ài)動(dòng)運(yùn)動(dòng)王Ⅱ設(shè)備提供的三種（射箭運(yùn)動(dòng)、伸展運(yùn)動(dòng)、平衡大挑戰(zhàn)運(yùn)動(dòng)）虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)方式對(duì)認(rèn)知電位P300指標(biāo)有一定的影響，且表現(xiàn)出一定的腦區(qū)和刺激方式的選擇性特點(diǎn)。

P300潛伏期只表現(xiàn)于額葉區(qū)（F3、F4）和中央?yún)^(qū)（C3）電極點(diǎn)顯著延長(zhǎng)，且額葉區(qū)表現(xiàn)更為顯著。額葉區(qū)主要負(fù)責(zé)計(jì)劃、監(jiān)控、注意、情緒、抽象、意志、工作記憶及運(yùn)動(dòng)控制等功能，中央?yún)^(qū)主要負(fù)責(zé)腦部通訊和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行等功能。額葉區(qū)和中央?yún)^(qū)P300潛伏期時(shí)間延長(zhǎng)說(shuō)明對(duì)刺激的檢測(cè)、模式識(shí)別、評(píng)估和運(yùn)動(dòng)控制與執(zhí)行的速度減慢，這究竟是良性還是劣性改變尚有待探索。由于愛(ài)動(dòng)運(yùn)動(dòng)王Ⅱ提供的這三種虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)方式速度相對(duì)較慢，且每一運(yùn)動(dòng)開始前總有一定時(shí)間的等待延時(shí)，因此認(rèn)為額葉區(qū)和中央?yún)^(qū)P300潛伏期的延長(zhǎng)應(yīng)該是對(duì)該運(yùn)動(dòng)特征的適應(yīng)性改變。

P300波幅只在頂區(qū)（P3）顯著性增加，P300波幅反映了注意資源分配的數(shù)量。頂區(qū)主要負(fù)責(zé)軀體感覺(jué)功能，由于虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)中受試者要始終感知軀體姿勢(shì)和肢體位置以及運(yùn)動(dòng)路線，需投入更多的注意力資源。因此，頂區(qū)P300波幅增加理應(yīng)是對(duì)該項(xiàng)運(yùn)動(dòng)特征的積極性適應(yīng)。

在本研究選用的四種刺激方式中，S1和S2為一致性刺激，S3和S4為不一致性刺激。結(jié)果顯示，六周虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)前后相比，無(wú)論是P300潛伏期還是P300波幅改變僅發(fā)生一致性刺激時(shí)（S1或S2）。究其原因可能是這三種虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)方式中，主要是跟隨和肢體匹配，少有選擇制動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，因此，這種刺激方式特征也應(yīng)理解為該運(yùn)動(dòng)特征的適應(yīng)性改變。

5 結(jié)論

六周的虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)（伸展運(yùn)動(dòng)、射箭運(yùn)動(dòng)與平衡運(yùn)動(dòng)）對(duì)大學(xué)生認(rèn)知能力有一定的選擇性影響，體現(xiàn)于ERP P300潛伏期和波幅指標(biāo)顯著性改變僅出現(xiàn)在特定的腦區(qū)和刺激方式。P300潛伏期改變只出現(xiàn)于額葉區(qū)和中央?yún)^(qū)，P300波幅改變只出現(xiàn)在頂區(qū)，且上述改變僅發(fā)生在一致性刺激的條件下。認(rèn)為這些選擇性改變應(yīng)是對(duì)該運(yùn)動(dòng)方式的適應(yīng)性改變。