背外側前額葉活動水平對拳擊運動員選擇性注意的影響

李巍 趙洪朋

沈陽體育學院運動人體科學學院（沈陽110102）

注意是一種高級的認知能力，指個體對一定目標的指向與集中，它在體育運動中發(fā)揮著重要作用，如運動員在比賽中需要持續(xù)注意場上的變化，觀察對手的動作，排除無關信息的干擾等。注意的指向和集中主要表現為對出現的多個刺激進行選擇和對非注意目標的抑制。選擇性注意是指有選擇性地處理刺激的同時有意識地忽略其他刺激[1]。選擇的策略和速度通常受刺激的特點和個體因素影響，其機制是合理地分配有限的注意資源，讓大腦進行高效的信息處理[2]。神經電活動是心理活動產生的基礎，人們在進行選擇性注意時會產生特定的神經振蕩，來幫助注意完成對刺激的選擇或抑制，且兩者具有鎖時關系[3，4]。神經振蕩的活動水平可以促進注意效果[5，6]?；谶x擇性注意與皮層神經振蕩活動水平的關系，有研究利用外部介入神經刺激技術，調控注意等心理活動相關腦功能區(qū)的神經活動水平，進而影響注意相關的行為表現，從而實現調節(jié)注意狀態(tài)、提高注意力等認知增強目的[7]。神經調控技術改變皮層活動水平進而影響選擇性注意的作用機制，可能是神經元集群興奮的結果。此外，神經活動水平的變化影響了人們對外界刺激的感知能力。

拳擊運動是我國競技運動中的潛在優(yōu)勢項目，隨著新規(guī)則的實施，其運動特點也在變化，比賽更加激烈，對抗強度進一步提高，更注重積極主動的進攻。這需要運動員具有快速的反應、啟動、轉換能力以及在回合中的控制能力。有研究指出，有效擊打和組合拳的使用是影響比賽勝負的重要因素[13]。如在組合拳的運用中，運動員要不斷對下一拳的擊打位置進行搜索，利用對手不完整的運動信息對后續(xù)的行動做出預判。運動員的注意要不斷轉換，這對注意的目標指向和無關信息的抑制等能力提出了較高要求。因此有必要對拳擊運動員的注意功能進行研究，為科學訓練與評價提供依據。

根據以往研究結果，本研究采用重復經顱磁刺激技術（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）暫時性地改變背外側前額葉部位的神經活動水平，考察背外側前額葉活動水平對運動員選擇性注意的影響，以及刷新功能在其中所起的作用。本研究假設：高頻rTMS 能有效激活運動員背外側前額葉皮層的活動水平，明顯改善其選擇性注意能力；在不同任務下運動員會表現出不同的神經活動特征；在有刷新功能參與任務中，rTMS對選擇性注意有更顯著的促進作用。

1 對象與方法

1.1 對象

拳擊運動員20 名，平均年齡21 ± 1.60 歲，均為國家二級運動員及以上或運動年限5年以上。所有運動員分為兩組，其中磁刺激組10 名（男5 女5），偽刺激組10 名（男6 女4）。對兩組運動員選擇性注意水平進行測量，測試任務與正式實驗相同。磁刺激組反應時和準確率分別為753.22 ± 38.46 ms 和92.33% ±2.44%，偽刺激組反應時和準確率分別為774.94 ±51.45 ms和92.82% ± 3.20%。t檢驗結果表明，兩組參與者反應時（t=－1.069，P＞0.05）和準確率（t=－0.381，P＞0.05）均無顯著差異。所有參與者都是右利手，視力正常，無神經系統(tǒng)疾病。本實驗所有參與者均來自沈陽體育學院，以志愿者形式進行招募，所有參與者均未接受過TMS 刺激。實驗開始前進行TMS 安全篩選，并在刺激結束后監(jiān)控參與者的身體健康情況。實驗按照TMS 實驗手冊進行操作。本研究得到學校學術倫理委員會批準。

1.2 實驗設計與材料

采用2（刺激條件：偽刺激、磁刺激）×2（任務類型：無刷新功能參與、有刷新功能參與）混合實驗設計。自變量為刺激條件和任務類型，其中刺激條件為組間變量，任務類型為組內變量。因變量為參與者的準確率、反應時及ERP指標。

刺激材料是4 個方向不同的開口圓環(huán)，開口方向分別為上、右、下、左。實驗開始后，會隨機從4 個開口圓環(huán)中選出1 個刺激圖片，作為當前的目標刺激。隨后目標刺激和3 個干擾刺激將會隨機出現在屏幕的四個角（左上、左下、右上、右下）。目標刺激和干擾刺激隨機組成搜索任務的探測刺激，搜索任務分為有刷新功能參與任務和無刷新功能參與任務兩種。兩種任務的區(qū)別是在無刷新搜索任務中每個block 中目標刺激只會出現一次，需要參與者在block 開始前記??；在有刷新搜索任務中每個trial 中都會出現不同的目標刺激，其他均相同。目標刺激出現在屏幕左側和右側的概率相同，各占50%。搜索任務有4 個block，每個block有48個trial，共192個。

搜索任務的流程如圖1 所示，在無刷新功能參與任務中首先呈現一個目標刺激（1000 ms），該目標刺激在一個block 中只出現一次，接著呈現一個注視點（500 ms），隨后呈現一個探測刺激，要求參與者在1500 ms內找到目標刺激，如果目標刺激出現在屏幕左側按“F”鍵，右側按“J”鍵。按鍵之后是500 ms 的注視點并進入下一個trial。在有刷新功能參與任務中，每一trial 首先呈現一個注視點（500 ms），接著呈現目標刺激（500 ms），之后再呈現一個注視點（500 ms），隨后呈現一個探測刺激（1800 ms）。任務要求參與者在探測刺激呈現期間搜索目標刺激，如果目標刺激出現在屏幕左側按“F”鍵，右側按“J”鍵。

圖1 搜索任務流程圖

實驗儀器包括：Magtism RAPID2 型經顱磁刺激儀（Magtism 公司），線圈為半徑70 mm 的“8”字型風冷線圈。事件相關電位記錄儀Neuroscan 64 導事件相關電位系統(tǒng)（美國Neuroscan 公司）；心理實驗生成系統(tǒng)EPrime 2.0版。

1.3 rTMS刺激參數與方法

靜息閾值（relaxed motor threshold，RMT）：利用Magtism RAPID2 型經顱磁刺激儀集成的運動誘發(fā)電位（motor evoked potential，MEP）記錄模塊，線圈置于實驗參與者左側運動區(qū)（國際標準腦電10-20 記錄系統(tǒng)的C3點），參考電極置于遠心端的肌腱，記錄電極位于右手拇短展肌肌腹，接地極置于手背部腕關節(jié)處。刺激強度由60%開始依次減少或增加，直到連續(xù)10次刺激中有5 次以上產生大于50 μV 運動誘發(fā)電位（MEP）的最小磁刺激強度，作為靜息閾值（RMT）[14]。

磁刺激：刺激位置為實驗參與者左側背外側前額葉。皮層定位采用解剖學方法，參照國際10-20 腦電極放置法，選擇F3 電極點作為刺激位置。刺激參數的設置根據預實驗的測試結果設置為5 Hz，80%RMT，20分鐘rTMS（持續(xù)20 s，間隔40 s）。實施刺激時，保持線圈平面與顱骨表面相切[15，16]。

理論方法具有較強的物理機理和理論推導過程，對資料的全面性、配套性等要求較高。全面性主要體現在包括降雨、地形、土地利用方式以及洪水等資料都有相應要求，配套性則體現為這些資料是與具體的流域和山洪場次相對應的。目前主要的理論方法包括經典水文理論法、土壤飽和度—降雨量關系法、水位/流量反推法以及暴雨臨界曲線法。

偽刺激：偽刺激作為對照組，刺激位置與磁刺激相同，操作時將輸出強度降低到20%，使之遠遠低于大腦皮層產生生理反應的強度[17]。

1.4 實驗過程

實驗全過程在實驗中心的心理實驗室完成。實驗開始前，向實驗參與者介紹基本情況，熟悉實驗環(huán)境，填寫基本信息和TMS 安全篩查表，因為本實驗的rTMS采用離線模式，主要分為兩個階段，rTMS 刺激階段和腦電測量階段，本實驗的rTMS 定位方法采用解剖學定位方法。因此，在刺激開始前給參與者佩戴電極帽，以便于刺激位置的鎖定。在佩戴電極帽前對參與者的頭皮進行清理，保證皮膚與電極點之間具有良好的導電性。讓參與者坐在實驗臺前，佩戴64 導電極帽并注射腦電膏于各電極點之上，使各電極點阻抗值降至5-10 kΩ以下。為防止磁脈沖對腦電數據采集系統(tǒng)的放大器產生影響，在參與者接受rTMS 過程中關閉放大器。在磁刺激結束后立即進行實驗任務并采集腦電數據，一切準備就緒后，參與者開始進入練習程序和實驗程序。練習程序為獨立程序，但所用刺激材料與正式實驗程序相同，在參與者通過練習后能熟練按鍵后開始正式實驗，記錄數據。

1.5 數據采集與處理

采用SPSS20.0統(tǒng)計軟件對實驗參與者完成任務的反應時和準確率進行統(tǒng)計處理，統(tǒng)計方法為重復測量方差分析。ERP 數據均由Neuroscan 的ERP 系統(tǒng)進行記錄，并用Curry8 軟件進行離線分析。在分析過程中將雙側耳后乳突（M1、M2）作為參考電極；去除由DC采集模式帶來的直流漂移的影響；濾波參數選擇High pass 為0 Hz、Low Pass 為30 Hz；去除眼電偽跡Lower/upper Thresh 參數設置為-200～0 μV，Channel 設置為VEOG；去除BadBlock Lower/upper Thresh 參數設置為-100～100 μV，Channel設置為All；分別對兩種任務中的正確反應進行事件疊加，時間窗口為刺激出現前200 ms和刺激出現后800 ms。

2 結果

2.1 行為結果

分別對反應時和準確率兩個行為結果進行2（刺激條件：磁刺激、偽刺激）×2（任務類型：有刷新功能參與、無刷新功能參與）重復測量方差分析（見表1、2）。結果顯示：在反應時方面，任務類型主效應顯著，F1，18=18.967，P＜0.05，η2=0.513；有刷新功能參與任務的反應時長于無刷新功能參與任務。刺激條件主效應顯著，F1，18=48.341，P＜0.05，η2=0.729；磁刺激組的反應時短于偽刺激組。刺激條件和任務類型交互作用顯著，F1，18=7.111，P＜0.05，η2=0.283；進行簡單效應分析結果顯示，磁刺激組在任務類型上沒有顯著差異，偽刺激組在有刷新功能參與任務的反應時大于無刷新功能參與任務，無論有無刷新功能參與磁刺激組的反應時皆短于偽刺激組。在準確率方面，任務類型主效應顯著，F1，18=7.034，P＜0.05，η2=0.281；有刷新功能參與任務的準確率低于無刷新功能參與任務。刺激主效顯著，F1，18=4.632，P＜0.05，η2=0.025；磁刺激組的準確率高于偽刺激組。刺激條件和任務類型兩者交互作用不顯著，F1，18=0.729，P＞0.05，η2=0.039。

表1 搜索任務的平均反應時

表2 搜索任務的準確率

2.2 ERP結果

為了探討對背外側前額葉施加rTMS 后運動員選擇注意過程中神經活動的特點，根據以往相關研究，本研究選擇額區(qū)（Fz、F3、F4）、中央區(qū)（Cz）、頂區(qū)（Pz）、頂枕區(qū)（POz）、枕區(qū)（Oz）等電極點進行數據分析。結合本實驗目的以及總平均ERP 波形圖各成分的誘發(fā)情況，本實驗提取實驗參與者施加不同刺激條件下執(zhí)行搜索任務時N1、P2、N2的潛伏期和波幅進行統(tǒng)計分析。

2.2.1 N1、P2成分

以往研究發(fā)現，大腦的后部誘發(fā)出明顯的ERP 早期成分，主要反映了視覺皮層加工刺激時的注意程度，且其波幅會隨注意范圍的擴大和注意程度的加深而增大。根據實驗參與者誘發(fā)ERP 成分圖發(fā)現，在其枕區(qū)區(qū)和頂枕區(qū)均誘發(fā)出N1、P2 成分（圖2、3）。本研究選取了大腦后部的枕區(qū)和頂枕區(qū)中線的Oz和POz兩個電極點進行數據分析。以N1 和P2 的潛伏期和波幅為因變量，以刺激條件和任務類型為自變量進行重復測量方差分析。

圖2 有刷新功能參與任務POz電極點ERP波形圖

圖3 無刷新功能參與任務POz電極點ERP波形圖

N1 的潛伏期結果分析顯示，POz（F1，18=16.643，P＜0.05，η2=0.451）、Oz（F1，18=7.577，P＜0.05，η2=0.261）電極點上存在顯著的刺激條件主效應，在POz（F1，18=5.252，P＜0.05，η2=0.194）、Oz（F1，18=4.669，P＜0.05，η2=0.179）電極點上存在顯著的任務類型主效應，不存在顯著的刺激條件與任務類型的交互作用。進一步統(tǒng)計發(fā)現，磁刺激組參與者N1 的潛伏期略短于偽刺激組，有刷新功能參與任務的潛伏期明顯長于無刷新功能參與任務。N1 的波幅結果分析顯示，POz（F1，18=4.841，P＜0.05，η2=0.181）、Oz（F1，18=7.749，P＜0.05，η2=0.257）電極點上存在顯著的刺激條件主效應，在POz（F1，18=11.215，P＜0.05，η2=0.362）、Oz（F1，18=4.952，P＜0.05，η2=0.184）電極點上存在顯著的任務類型主效應，不存在顯著的刺激條件與任務類型的交互作用。進一步統(tǒng)計發(fā)現，磁刺激組N1 的波幅明顯大于偽刺激組，無刷新功能參與任務的波幅顯著小于有刷新功能參與任務。

P2 的潛伏期結果分析顯示，在Oz（F1，18=18.135，P＜0.05，η2=0.468）電極點上存在顯著的刺激條件主效應，不存在顯著的任務類型主效應和刺激條件與任務類型的交互作用。進一步統(tǒng)計發(fā)現，磁刺激組的潛伏期略短于偽刺激組，有刷新功能參與任務的潛伏期明顯長于無刷新功能參與任務。P2 的波幅結果分析顯示，在POz（F1，18=3.503，P＜0.05，η2=0.134）、Oz（F1，18=6.924，P＜0.05，η2=0.229）電極點上存在顯著的刺激條件主效應，在Oz（F1，18=18.885，P＜0.05，η2=0.476）、POz（F1，18=13.837，P＜0.05，η2=0.432）電極點上存在顯著的任務類型主效應，不存在顯著的刺激條件與任務類型的交互作用。進一步統(tǒng)計發(fā)現，磁刺激組P2 的波幅小于偽刺激組，無刷新功能參與任務的波幅顯著小于有刷新功能參與任務。

2.2.2 N2成分

根據實驗參與者誘發(fā)ERP成分圖發(fā)現，在其額區(qū)、頂區(qū)均誘發(fā)出N2成分（圖4、5）。本研究選取重要腦區(qū)的Fz、Cz和Pz電極點、rTMS刺激位置的F3電極點以及其對側電極點F4電極點進行數據分析。以Fz、F3、F4、Cz和Pz等5個電極點的N2成分潛伏期和波幅為因變量，以刺激條件和任務類型為自變量進行重復測量方差分析。

圖4 有刷新功能參與任務Fz電極點ERP波形圖

圖5 無刷新功能參與任務Fz電極點ERP波形圖

N2 的潛伏期結果分析顯示，在Pz（F1，18=15.515，P＜0.05，η2=0.445）、Cz（F1，18=12.747，P＜0.05，η2=0.419）和F4（F1，18=13.117，P＜0.05，η2=0.426）電極點上存在顯著的刺激條件主效應；在Fz（F1，18=11.658，P＜0.05，η2=0.398）、Pz（F1，18=6.505，P＜0.05，η2=0.227）、F3（F1，18=7.789，＜0.05，η2=0.264）、Cz（F1，18=13.966，P＜0.05，η2=0.438）和F4（F1，18=9.166，P＜0.05，η2=0.298）電極點上存在顯著的任務類型主效應；不存在顯著的刺激條件與任務類型的交互作用。進一步統(tǒng)計發(fā)現，磁刺激組N2的潛伏期短于偽刺激組，有刷新功能參與任務的N2 的潛伏期大于無刷新功能參與任務。N2 波幅的結果分析顯示，在Fz（F1，18=4.472，P＜0.05，η2=0.176）、Cz（F1，18=4.2，P＜0.05，η2=0.169）和F4（F1，18=15.831，P＜0.05，η2=0.447）電極點上存在顯著的刺激條件主效應；Fz（F1，18=5.148，P＜0.05，η2=0.187）、Pz（F1，18=7.073，P＜0.05，η2=0.253）和Cz（F1，18=6.964，P＜0.05，η2=0.232）電極點上存在顯著任務類型主效應；不存在顯著的刺激條件與任務類型的交互作用。進一步統(tǒng)計發(fā)現，磁刺激組N2 的波幅顯著大于偽刺激組，有刷新功能參與任務誘發(fā)出了更大的波幅。

3 討論

3.1 背外側前額葉活動水平對運動員選擇性注意行為表現的影響

本研究通過對背外側前額葉施加rTMS 后讓實驗參與者完成搜索任務，并測量其反應時、準確率，與施加偽刺激進行比較。結果表明，對背外側前額葉施加rTMS 后促進了實驗參與者的行為表現，明顯縮短了反應時間，提高了準確率。無刷新功能參與任務的反應時與準確率的表現均優(yōu)于有刷新功能參與任務，主要是因為在無刷新功能參與任務中實驗參與者只需要對固定目標刺激進行反應就能完成搜索任務，其難度相對較低，而有刷新功能參與任務中實驗參與者搜索的目標不斷變化，需要在搜索之前記住目標刺激，因此該任務更為復雜。前面的目標刺激會對接下來的目標產生一定干擾，影響實驗參與者的注意力，占用注意資源，所以反應時變長，準確率變低。在背外側前額葉施加適宜的高頻rTMS，可顯著提高兩種任務的行為表現，反應時縮短。在背外側前額葉施加rTMS 對有刷新功能參與任務行為表現的影響大于無刷新功能參與任務，對有刷新功能參與任務的促進作用更大，也就是背外側前額葉更多地參與到有刷新功能參與任務中。這是因為背外側前額葉通常與執(zhí)行功能有關，涉及到對任務要求信息的表征處理。此外，背外側前額葉通過編碼任務相關的規(guī)則和刺激特征來刷新任務相關綜合表征。在背外側前額葉施加rTMS 會促進對維持在工作記憶中的客體信息的維持和提取，從而加快隨后出現的搜索任務[18，19]。Alais 等[20]采用節(jié)律性感覺刺激技術研究神經活動水平對選擇性注意的影響，結果表明，高頻率的刺激能明顯促進和增強個體對目標刺激的識別和進一步的加工。Hopfinger 等[7]采用經顱電刺激技術也發(fā)現，皮層活動水平的提高會影響個體注意任務中的行為表現，促進對目標的選擇。這與本研究結果一致，即皮層活動水平會對選擇性注意產生影響。

3.2 背外側前額葉活動水平對運動員選擇性注意神經活動的影響

N1 成分反映了注意焦點內刺激特征信息的識別或對特定區(qū)域的辨別過程。P2成分表示對刺激空間方位的識別與對注意的分配。認知系統(tǒng)內執(zhí)行注意的腦功能區(qū)域可以受人為控制，可以對關鍵的刺激分配盡可能多的心理資源[20]。在磁刺激組和偽刺激組中，磁刺激組誘發(fā)出的N1、P2 潛伏期短，P2 峰值小，N1 峰值大可能是因為在信息加工過程的早期階段，對背外側前額葉施加rTMS 能提高人們對刺激的識別速度，減少注意早期階段注意資源的消耗。rTMS 可以提高拳擊運動員對動作信息和擊打部位的識別速度，節(jié)約注意資源的消耗。有研究者利用TMS-ERP 技術研究注意的加工機制，同樣發(fā)現在個體執(zhí)行搜索任務時給予一系列的經顱磁刺激后，增強了視覺N1 成分的波幅[21]。N2 是個體識別靶刺激特征的特殊心理加工過程，在注意的研究中由搜索任務所誘發(fā)的N2 成分主要與對非目標刺激的抑制過程有關，也與認知控制、執(zhí)行功能和沖突解決等能力有關[22-24]。研究結果顯示，磁刺激組N2 潛伏期顯著小于偽刺激組，且有刷新功能參與任務的潛伏期縮短得更加明顯。在有刷新功能參與任務中的目標刺激是在不斷變化刷新的，前額葉作為刷新功能的主要腦功能區(qū)，其活動水平的變化影響著有刷新功能參與任務的表現。使用rTMS 暫時提高前額葉的活動水平可以提高信息的早期處理效率，提高信息處理過程中對注意資源和目標指向的控制能力以及其對已完成的目標刺激的抑制能力。在拳擊比賽中，運動員要不斷地在攻擊與防守之間進行轉換，在這個過程中需要抑制與刷新功能的參與。rTMS 可以提高運動員對信息的刷新能力和對沖突信息的解決能力，使注意可以在不同目標上快速轉換，進而在回合中控制場上局勢，保持優(yōu)勢。

總之，背外側前額葉活動水平的提高對選擇性注意的促進具有一定的效果，驗證了預期假設。本研究通過使用重復經顱磁刺激技術和事件相關電位相結合的方法，為前額葉在注意控制等認知加工中的作用提供了因果證據；為運動員心理技能訓練方法提供一個新的思路；為將rTMS 與專項知覺訓練相結合來提高運動員運動表現的訓練方案提供理論依據。此外，受條件限制，本研究在rTMS 定位方面僅依據解剖學方法，在以后研究中可采用更加精確的導航技術。本研究僅揭示了腦活動變化的時程問題，以后可以結合fMRI 進行腦功能結構方面變化的研究。

4 結論

背外側前額葉的活動水平顯著影響運動員選擇性注意，表現為高頻重復經顱磁刺激能提高選擇性注意任務中的反應速度，提高準確率；在神經機制方面，重復經顱磁刺激能縮短大腦皮層激活時程，減少對注意資源的消耗。背外側前額葉活動水平的增強對選擇性注意的促進效果受刷新功能的影響，在有刷新功能參與任務中的促進效果更好。