优秀气手枪运动员负荷状态下特定脑区脑电复杂度变化特征的研究

王霆，李建英

优秀气手枪运动员负荷状态下特定脑区脑电复杂度变化特征的研究

王霆，李建英

以24名气手枪运动员无负荷安静状态与有负荷实弹射击状态之间特定脑区脑电复杂度参数为研究对象，将2种状态下以及优劣成绩环值下运动员顶、枕区大脑生理状态出现的差异进行对比研究，探讨优秀气手枪运动员负荷状态下作为躯体感觉中枢与视觉中枢的大脑顶、枕区机能变化特点。研究表明：（1）气手枪运动员特定脑区脑电复杂度在不同状态下并不存在性别差异，而长期的专项训练使得高水平运动员大脑中枢神经已产生一定的适应性，对视觉的依赖性少于普通运动员；（2）不同运动等级运动员在射击过程中的瞄准击发阶段与两弹间歇阶段顶枕区脑电复杂度变化趋势是不同的，这有可能与运动员的训练水平以及对外界刺激的抗干扰能力相关；（3）在实弹射击环境下，气手枪运动员高环值与远弹之间特定脑区脑电复杂度存在显著差异，这种差异的存在一方面是由于视觉信息加工参与产生的负向作用，另一方面也说明，运动员大脑顶区（手指在大脑皮层的投射区）的脑电复杂度在击发阶段显著降低与射击成绩的好坏具有一定程度的关联。

气手枪运动员；特定脑区；脑电复杂度；负荷状态

气手枪运动是我国在奥运会上的优势运动项目，其运动特点要求运动员做到人、枪、靶的一致与稳定。经过多年的发展，气手枪运动规则也在不断变化，2012年伦敦奥运会后，国际射联开始在射击比赛中施行新的比赛规则，资格赛成绩不再带入决赛，决赛中执行淘汰制。因此，资格赛中取得的优势无法对决赛成绩产生影响，而决赛中每一发子弹的成绩都有可能使金牌的归属发生逆转，这就要求运动员具有熟练的枪感、稳定持久的神经肌肉控制能力、高度集中的注意力和稳定性，简而言之就是，要具有更强的决赛能力。可见，比赛过程中运动员所承受的压力远远大于以往，运动员中枢神经系统将在相对较长的时间内处于高强度的刺激之中。

由于规则的变化，运动训练手段与方法也随之发生变化，气手枪训练中开始强调决赛能力的训练，大幅度提升了决赛训练在整个技战术训练中的比重。新规则下的气手枪训练和比赛活动要求运动员具有高度集中的注意力、更加灵敏而准确的本体感觉、神经对小肌群的肌肉做到精确支配。在如此高压力情境下，运动员还要做到正常完成瞄准击发动作不受内外环境刺激的干扰，这些能力都是基于运动员中枢神经系统机能的状况以及大脑高级功能的水平。

目前，对射击运动员大脑机能的研究主要以脑电图、脑血流图、核磁共振等测量为主，同时配合某些操作性心理测量手段以及问卷调查等综合评价与监控手段[1-6]。多年来，国内外神经科学领域的突破性试验及理论已经将人脑的混沌态系统作为基本概念引入到各个脑科学研究领域[7-11]。作为生物电信号的一个种类，脑电信号的非平稳性和随机性是很明显的，因此在对其研究前必须有效地去除其背景噪声[12]。复杂度分析方法的特点是，计算量较小，对数据的序列长度没有特殊要求，是一种理想的分析脑电数据时间序列的算法。脑电时间序列的复杂性研究能够揭示脑电信号所包含的信息量的大小，在繁琐的电信号数据中探究大脑中枢神经系统在思维、意识、认知、睡眠等状态下的激活规律[13-19]。同时，这种分析方法目前也在基础医学、癫痫病诊治以及大脑高级认知功能等研究领域大规模应用[24-25]，普遍认同的观点是，脑电序列越复杂，这段脑电序列所携带的信息量就越大[26-28]，脑电信号序列的复杂度可以反映出在测试阶段大脑神经元对外界信息处理的有序程度。在众多复杂度算法中，Lempel-Ziv复杂度是一种常用的脑电非线性参数，它反映的是脑电信号的时间序列随其数据长度的增长而出现新的组成模式的速率[29-30]。在以往对射箭运动员中枢疲劳的研究[31]中发现，射箭运动员的脑电最大李雅普诺夫指数、近似熵和Lempel-Ziv复杂度3个脑电非线性特征参数与其中枢神经疲劳程度之间具有一定相关关系，存在统计学意义，对于评估与诊断高水平射箭运动员中枢神经系统疲劳程度是一种有效的方法，3个参数也可作为评估其大脑功能的定性指标。而在对系统进行倒立训练后的优秀射箭运动员中枢机能变化的研究中也发现，脑电复杂度有显著改善[32]。

本研究的主要目的是以非线性动力学与混沌理论为基础，对优秀气手枪运动员脑电α波时间序列进行提取计算，得出不同阶段Lempel-Ziv脑电复杂度参数，结合大脑功能分区理论对运动员大脑特定功能区（顶枕区）非负荷状态与负荷状态下脑电复杂度参数的变化特点进行分析，来探讨气手枪决赛训练对大脑中枢机能主要是脑电活动的影响，以期为气手枪运动员的科学选材、训练监测与效果评估寻求试验数据的支持以及参考依据。

1 研究对象与方法

1.1 被试

被试运动员主要由国家射击集训队部分运动员与山西省射击队手枪班备战全运会的一线队员组成（见表1），测试期间无任何疾病与服药记录，所有被试运动员均为右利手。为了使试验所受干扰程度最低，在试验进行之前，对所有参与测试的气手枪射击运动员进行前期的血压与心电等方面的医学检测。结果显示，24名被试运动员身体状况良好，均未发现有异常状况出现。

表1 被试一般情况表Table1The athletes’general information

1.2 试验仪器

本试验所采用的脑电信号采集设备为国产NDC-2000脑电地形图仪及其前置放大器（北京太阳电子科技有限公司），前置放大器的采样频率带宽为0.02～50 Hz，测试设备数据采集频率为128 Hz。脑电采样使用鞍状电极，安装采用国际脑电图学会标准安装法，电极通过专用头套分别固定在被试运动员大脑的左右额区、顶区、枕区、颞区8个位置，由于额区（F3、F4）、中颞区（T3、T4）、顶区（P3、P4）、枕区（O1、O2）基本涵盖了全脑脑电信号的范围，同时这8个位置的脑电波分布具有典型性，因此本试验将对顶枕区4个特定位置的脑电信号进行数据采集与复杂度分析。

1.3 试验实施过程

测试前24 h内未出现失眠、感冒等不适症状，没有饮用酒类、茶、咖啡等刺激性饮料，测试前宣读注意事项与测试指导书，并签字。第1阶段测试：将采集10 min闭目坐姿安静状态下脑电原始数据；第2阶段测试：与教练员沟通后在6个训练日内进行24次决赛训练，每次测试其中1名运动员，并记录成绩，实弹测试环境为室内10 m训练馆。

1.4 数理统计法

通过对标记后各阶段脑电数据进行拼接得出每名运动员不同状态下的脑电原始数据，使用本项目课题组自行编制脑电非线性分析系统对原始数据进行Lempel-Ziv复杂度运算，得出每名运动员安静状态、全程射击状态、瞄准击发阶段、两弹间歇阶段、10.5环以上成绩与9环以下成绩等6个不同状态下运动员大脑脑电复杂度参数（由教练员统一确定）。采用SPSS12.0软件统计包对试验结果进行统计与分析处理，数据格式以平均数±标准差（M±SD）表示，进行F检验。

2 试验结果

2.1 2种状态下顶枕区脑电复杂度参数的性别差异性比较

不论是安静状态还是决赛训练的射击状态下，男女运动员大脑顶枕区P3、P4、O1、O2位置的脑电复杂度参数差异无统计学意义（P>0.05）（见表2）。

表2 不同性别气手枪运动员2种状态下顶枕区脑电复杂度参数Table2EEG complexity parameters about parietal-occipital region of different genders air pistol athletes at different state

2.2 不同训练等级运动员脑电复杂度参数的测试状态差异性比较

一级以上运动等级的运动员2种状态下脑电复杂度参数差异无统计学意义（P>0.05），而二级运动员在全程射击状态下脑电复杂度参数明显高于安静状态（P<0.05）（见表3）。

表3 不同训练等级气手枪运动员不同测试状态下顶枕区脑电复杂度参数Table3 EEG complexity parameters about parietal-occipital regionof excellent air pistol athletes at different test status

2.3 不同训练等级运动员脑电复杂度参数的技术阶段差异性比较

一级以上运动等级运动员在训练过程中2种技术阶段左侧顶枕区（P3、O1）脑电复杂度参数差异有统计学意义（P<0.05），而二级运动员差异无统计学意义（P>0.05）（见表4）。

表4 不同训练等级运动员不同技术阶段顶枕区脑电复杂度参数Table4 EEG complexity parameters about parietal-occipital regionof excellent air pistol athletes at different shooting stages

2.4 优劣成绩环值脑电复杂度参数差异性比较

出现远弹时，运动员顶枕区脑电复杂度参数均出现显著上升（P<0.05）（见表5）。

表5 气手枪运动员决赛训练中不同环值脑电复杂度参数Table5 EEG complexity parameters about air pistol athletesbetween different score during final training

3 讨论

国内外众多对大脑认知功能的研究表明，在神经电生理层面的研究中，人脑具有混沌态系统的典型特征。近年来，国内脑电复杂度研究范围也逐渐从理论算法向临床应用方向转变。目前，对病理脑电信号的非线性数据处理、认知状态下脑电信号复杂度特征以及对脑发育阶段脑电信号复杂度特征的研究呈逐年增多的趋势，但非线性分析方法在运动员脑电特征的研究中还不多见，尤其是在射击项目的研究中还未见报道。本研究中所运用的Lempel-Ziv复杂度算法在以往对射箭运动员中枢疲劳诊断及对运动员中枢机能改善效果评估方面的研究中都具有敏感性。

3.1 不同运动水平气手枪运动员2种状态下脑电复杂度变化规律

心理学理论对精细运动技能已有明确定论，即个体主要凭借手及手指等部位的小肌肉或小肌群的运动，在感知觉、注意等多方面心理活动配合下完成特定任务的能力[33]，而精细运动技能恰恰是气手枪击发动作技能的物质基础。本研究结果显示，长期进行专项训练的气手枪运动员不论是在安静状态下或是在特定实弹决赛训练中，特定脑区（顶枕功能区）脑电复杂度并不存在性别差异，这也与多数此类研究一致，即运动员大脑中枢神经机能之间不存在性别差异。然而，不同运动训练水平的运动员其安静状态与实弹决赛训练之间脑电复杂度差异是不同的，一级和健将级运动员2种状态顶枕区脑电复杂度之间不存在显著差异，而二级运动员2种状态下右侧枕区的复杂度有显著上升。KONDAKOR等[34]曾发现，大量神经元电活动兴奋性增强表现为脑电信号独立性增强，神经元放电频率一致性降低，从而表现为相应EEG复杂度增强，这说明脑电复杂度的上升与脑电频率构成成分的增加是有因果关系的。在本研究中，作为视觉中枢的枕叶出现激活变化，而且由于复杂度上升，表明脑电序列数据中的周期成分降低，α频率成分增加，大脑信息处理趋于无序随机状态。这一现象提示，控制左侧视觉的中枢神经过多地参与了实弹射击过程，而在与专业射击教练的访谈中也明确得到了教练员对右利手运动员左眼参与实射操作所持的否定态度。作为训练水平较高的一级、健将级运动员，由于能够在射击过程中较少地依赖视觉参与，因此决赛训练实弹射击状态下大脑顶枕区并没有出现α频率成分增加的现象，脑神经并没有出现明显的激活变化，说明此等级运动员已经适应专项训练所带来的对特定脑区中枢神经的刺激。

3.2 不同运动水平气手枪运动员射击过程中脑电复杂度变化规律

气手枪比赛赛制分为资格赛与决赛，决赛中运动员所承受的比赛压力与资格赛相比要更重，而且由于新规则的执行，资格赛成绩对决赛成绩并没有任何影响，因此运动员在决赛中的比赛能力才是其能否取得奖牌的关键。气手枪比赛规则规定，每发子弹射击完成后裁判员要进行报靶，对成绩的关注会对运动员认知过程造成影响。因此，本研究将运动员决赛训练实弹射击过程中瞄准击发阶段与两弹间歇阶段的脑电信号分别提取处理，对2部分脑电序列进行复杂度运算。试验结果显示，一级及健将级运动员2个阶段左侧顶枕区（P3、O1）脑电复杂度有显著差异，两弹间歇阶段显著高于瞄准击发阶段；二级运动员在实弹射击的2个阶段则没有显著差异。这个结果在某种程度上印证了KIM等[35]对8名韩国顶级射箭运动员射箭前准备阶段脑功能的研究，其研究显示，顶级射箭运动员在瞄准时枕叶脑回fMRI数据出现激活。本研究中，优秀气手枪运动员经过训练后技术动作已实现自动化，在瞄准击发阶段不需要顶枕区激活更多神经元参与瞄准击发动作的信息处理；而在两弹间隙这段时间，外界刺激明显增多，除了对上一发弹环值的预期与结果是否相符进行评估外，运动员还要对下一发弹的击发过程进行表象预演。所以，运动员脑电复杂度出现显著增加。二级运动员的结果与优秀运动员不同，由于技术动作的准确性、稳定性和自动化水平不高，对外界或自身不相关的信息刺激反应过多，导致中枢神经无法在瞄准击发阶段出现低复杂度的有序状态。因此，长期的专项训练可使气手枪运动员中枢神经网络得到有效组织，同时过滤掉不相关的信息，而运动经验及训练水平较低的运动员则很难排除这些不相关的信息。

3.3 脑电复杂度变化对气手枪决赛训练成绩的影响

气手枪资格赛阶段采用整数环值记分，决赛阶段竞争更加激烈，采用的是小数点环值记分，运动员在决赛中往往因为很小的差距导致被淘汰，因此射击决赛可以用失之毫厘，谬以千里来形容[36]。因此在日常的决赛训练中，教练会要求运动员尽量避免远弹的出现。何谓远弹？远弹与高环值之间的区别在哪里？目前的研究往往集中在技术方面，通过高速摄影与肌电图测试，对运动员击发动作进行分析。技术动作要由肌肉来执行，而肌肉则要由中枢神经来控制，本研究正是要探究这种毫厘之差在大脑中的区别。有研究[37]表明，射击运动员在预射期，大脑枕叶α频段功率谱有明显反应，这反映出视觉信息加工很大程度参与了射击操作，但这种参与对运动成绩的提高是否有正向作用还不得而知。本研究中，在决赛训练中射出10.5环以上成绩运动员的顶、枕区脑电复杂度均显著低于射出9环以下成绩，这提示运动员在射出10.5环以上高成绩时，动作自动化导致了中枢神经放电趋于有序，顶、枕区神经元放电周期与α频率成分趋于一致。一方面，这表明视觉过多参与射击过程的信息加工并不能够提高射击的精度，在一定程度上有可能会干扰动作自动化过程。另一方面，由于气手枪运动员手指击发动作的好坏决定了成绩的高低，而手的各部分在大脑皮层都有相应固定的投射区[38]，手指进行精细运动时，大脑顶叶等多部位会活化，且活化程度与运动技能明显相关。这也在另一个层面印证了国外研究者所观察到的气手枪运动员在实射状态下整个大脑皮层在高环值的射击过程中，高频α事件相关同步化波幅比低环值波幅要大的现象[39]。

4 小结

本研究对24名优秀气手枪运动员的测试发现，实弹射击的高负荷强度训练状态下确实存在运动员脑电复杂度在特定脑区有显著变化的现象。（1）气手枪运动员特定脑区脑电复杂度在不同状态下并不存在性别差异，而长期的专项训练使得高水平运动员大脑中枢神经已产生一定的适应性，对视觉的依赖性少于普通运动员；（2）不同运动等级的运动员在射击过程中的瞄准击发阶段与两弹间歇阶段顶枕区脑电复杂度变化趋势是不同的，这有可能与运动员的训练水平以及对外界刺激的抗干扰能力相关；（3）在实弹射击环境下，气手枪运动员高环值与远弹之间特定脑区脑电复杂度存在显著差异，这种差异的存在一方面是由于视觉信息加工参与产生的负向作用，另一方面也说明，运动员大脑顶区（手指在大脑皮层的投射区）的脑电复杂度在击发阶段显著降低与射击成绩的好坏具有一定程度的关联。

[1]张力为.值得运动心理学家探索的6个问题[J].心理学报，2004，36（01）：116-126.

[2]张振民，郭丹华，黄晓丁，等.高水平射击运动员想象射击期间大脑唤醒水平和心率的研究[J].体育科学，1993，13（03）：86-89.

[3]周未艾，何文革，王义夫，等.我国优秀射击运动员大脑机能状态研究[J].中国运动医学杂志，2009，28（06）：689-692.

[4]韦军，王琳.优秀气手枪射击运动员临赛前脑电图变化的特征研究[J].山东体育学院学报，2010，26（01）：55-59.

[5]LOZE G M，COLLINS D，HOLMES P S.Pre-shot EEG alpha-power reactivity during expert air-pistol shooting：a comparison of best and worst shots[J].Journal of sports sciences，2001，19（9）：727-733.

[6]DOPPELMAYR M，FINKENZELLER T，SAUSENG P.Frontal midline theta in the pre-shot phase of rifle shooting：Differences between experts and novices[J].Neuropsychologia，2008，46（5）：1463-1467.

[7]张德富，殷正坤.人工神经网络的发展及其哲理[J].科学技术与辩证法，2000，17（04）：17-20.

[8]杨红军，胡三觉.混沌在神经系统中的作用[J].生理科学进展，2002，33（03）：259-261.

[9]彭建华，刘延柱.脑科学中若干非线性动力学问题[J].力学进展，2003，33（03）：325-332.

[10]陈忠，李金琳，章琪.人脑智能产生的非线性机制：脑混沌与脑自组织[J].科学技术与辩证法，1997，14（04）：23-28.

[11]NARA S，DAVIS P，TOTSUJI H.Memory Search Using Complex Dynamics in a Recurrent Neural Network Model[J].Neural Networks，1992，6（07）：963-973.

[12]周卫东，胡中辑.脑电反馈的研究及其临床应用[J].中国生物医学工程报，1995，14（2）：182-186.

[13]裴晓梅，和卫星，郑崇勋.基于脑电复杂度的意识任务的特征提取与分类[J].中国生物医学工程学报，2005，24（04）：421-425.

[14]杨斯环，杨秦飞，石继明，等.不同生理状态时脑电时间序列的三神复杂度计算比较[J].生物物理学报，1996，12（03）：437-440.

[15]顾凡及，宋如垓，王炯炯，等.不同状态下脑电图复杂性探索[J].生物物理学报，1994，10（03）：439-445.

[16]范维，刘晓燕.不同年龄及状态下儿童脑电复杂度的特征[J].北京大学学报：医学版，2003，35（05）：462-465.

[17]刘慧，和卫星，陈晓平.睡眠脑电的非线性动力学方法[J].江苏大学学报：自然科学版，2005，26（02）：174-177.

[18]黄力宇，王伟勋，程敬之.基于大脑皮层互信息理论的睡眠分级研究[J].生物物理学报，2001，17（01）：98-104.

[19]GUGER C，SCHLOGL A，NEUPER C.Rapid Prototyping of an EEG Based Brain-Computer Interface（BCI）[J].IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering，2001，9（01）：49-58.

[20]李颖洁，樊飞燕，朱贻盛.精神分裂症脑电在不同认知作业下的复杂度分析[J].北京生物医学工程，2006，25（05）：470-473.

[21]范维，刘晓燕.儿童癫痫发作前期脑电复杂性的分析[J].临床神经电生理学杂志，2003，12（02）：67-70.

[22]刘慧，丁北生，刘洁，等.局限性癫痫脑电时间序列的三种复杂度计算比较[J].生物物理学报，1998，14（02）：77-82.

[23]孙卫国.癫痫脑电的复杂度和近似熵研究[D].广州：第一军医大学，

2006.

[24]盛倩倩.轻度认知功能障碍与正常老年人记忆、脑电改变的纵向研究[D].天津：天津医科大学，2013.

[25]LEHNERTZ K.Non-linear time series analysis of intracranial EEG recordings in patients with epilepsy-an overview[J].International Journal of Psychophysiology，1999，34（1）：45-52.

[26]周颢，邵晨曦.脑电波的定性复杂度研究[J].计算机仿真，2011，28（12）：172-174.

[27]彭静，彭承琳.混沌理论和方法在医学信号处理中的应用[J].国际生物医学工程杂志，2006，29（02）：124-127.

[28]何航程，沈模卫，陈硕，等.认知神经科学领域脑电复杂性测度方法的新进展[J].应用心理学，2002，8（03）：51-55.

[29]张志琴，张佃中.脑电Lempel-Ziv复杂度分析的预处理[J].中国医学物理学杂志，2009，26（05）：1422-1424.

[30]LEMPEL A，ZIV J.On the complexity of Finite sequence[J].IEEE Trans Inf Theory，1976，22（1）：75-81.

[31]王霆，王德堃，邓兴国.脑电非线性动力学分析在优秀射箭运动员中枢疲劳研究中的应用[J].体育科学，2010，30（2）：64-69.

[32]王霆，李建英，石岩，等.优秀射箭运动员倒立训练后脑电非线性参数变化特征的研究[J].体育科学，2014，34（2）：48-53.

[33]李蓓蕾，林垒，董奇.儿童精细动作能力的发展与学业成绩的关系[J].心理学报，2002，34（5）：494-495.

[34]KONDAKOR I，BRANDEIS D，WACKERMANN J，et al.Multichannel EEG fields during and without visual input：frequency domain model source locations and dimensional complexities[J].Neurosci Lett，1997，226：49-52.

[35]KIM J，LEE H M，KIM W J，et al.Neural correlates of pre-performance routines in expert and novice archers[J].Neuroscience letters，2008，445（3）：236-241.

[36]TANG W T，ZHANG W Y，HUANGC C，et al.Postural tremor and control of the upper limb in air pistol shooters[J].Journal of sports sciences，2008，26（14）：1579-1587.

[37]徐立彬，李安民，刘玉.优秀运动员大脑神经效率及可塑性特点[J].首都体育学院学报，2013，25（06）：566-572.

[38]孙贵新，徐文东，顾玉东.手部相关功能可塑性的研究进展[J].实用手外科杂志，2002，16（3）：159-161.

[39]DEL PERCIO C，BABILONI C，BERTOLLO M，et al.Visuo-attentional and sensorimotor alpha rhythms are related to visuo-motor performance in athletes[J].Human brain mapping，2009，30（11）：3527-3540.

Characteristics of the EEG Complexity in Particular Brain Areas of Excellent Air Pistol Athletes with Training Load

WANG Ting，LI Jianying
（School of PE，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

The EEG complexity in certain brain areas of 24 excellent air pistol athletes under two states，unloaded and static state vs.loaded and actual shoot⁃ing state，were collected and compared the difference in the physiological state of the brain at the top and cerebral occipital areas of the athletes in these two states and with high or low shooting scores.The purpose is to explore the change of functional characteristics of the parietal lobe and occipital lobe，the senso⁃ry and visual center of the body，of these athletes in loaded state.The results showed that there is no sex-related difference in EGG complexity in certain brain areas of the air pistol athletes；long-term training has led to the growth of a certain adaptability of the central nervous system of a high-level athlete，with less reliance on vision than ordinary athletes.Athletes with different levels showed different trends of variation of EGG complexity in the parietal lobe and the occip⁃ital lobe during the period of aiming and the intervals between two shoots，this may be attributable to the difference of athletes’training level and ability to re⁃sist external disturbance.There exists remarkable difference of EGG complexity in certain brain areas of air pistol athletes having hit a high value scoring ring or having missed the target.On the one hand，this difference is partly due to the negative role played by the participation of visual information processing；on the other one hand，it also shows that the noted decrease of the EGG complexity in the athlete’s parietal lobe（the projection area of fingers in the cerebral ar⁃ea）has some link to the scores.

air pistol athletes；particular brain areas；EEG complexity；training load

G 804.8

A

1005-0000（2014）05-389-05

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2014.05.004

2014-03-30；

2014-08-02；录用日期：2014-08-03

国家体育总局奥运攻关项目（项目编号：2013A014）

王霆（1980-），男，山西晋中人，助理研究员，在读博士研究生，研究方向为体育教育训练学。作者单位：山西大学体育学院，山西太原030006。