高水平运动员大脑认知研究现状及展望*

何燕燕

(武汉体育学院 教学科研实验中心，湖北 武汉 430079)



高水平运动员大脑认知研究现状及展望*

何燕燕

(武汉体育学院 教学科研实验中心，湖北 武汉 430079)

摘要:高水平运动员是经过长期科学严格专业运动训练的运动专家，其大脑认知与新手有着明显差异，成为近年来脑科学研究的重要实验对象。综述了目前运动认知神经科学领域内关于高水平运动员大脑认知研究的两个研究范畴：运动思维与运动决策、运动表现与运动认知，以及核心研究内容：运动预判与视角搜索、运动预判与动作控制，并对前瞻性的研究发展进行了展望。

关键词：运动认知神经科学；运动专家；运动决策；运动预判

人的心理现象是大脑结构和功能的体现，大脑被认为是人类最后未解自然之谜之一。2012年国家自然科学基金委员会发布的《未来10年中国学科发展战略中》对脑与认知科学篇章中提到：近年来，运动心理学由于理论领先、方法得当，在运动思维问题的研究中取得了可喜的突破[1]。国内许多运动心理学研究者认为，运动认知神经科学研究将会成为21世纪运动心理学的重点和热门研究方向[2-4]。

以往很多关于大脑的研究是通过动物和脑损伤病人来进行的。近年来，越来越多的研究者意识到灵活多变、短时高压的运动比赛情境中的高水平运动员是研究大脑“黑箱”的适宜和重要的研究对象，就像自然科学常用的特例实验对象一样，脑损伤和高水平运动员大脑成为脑科学研究的两个极端，对研究正常大脑功能起到了不可替代的作用。高水平运动员大脑认知领域的研究，可以为大脑在复杂情境下，如何支配和控制人类的行为提供丰富的研究素材和方法，是综合认知神经科学、认知心理学、脑科学、运动人体科学等学科的交叉领域。

1两个研究范畴

1.1运动思维与运动决策

运动思维是对外界刺激信息和内部运动信息(长时记忆中的运动知识和经验)进行选择和加工，建立信息联系或产生新信息，从而解决问题的过程，即运动思维是运用运动知识和经验来选择合适的运动反应(动作)，并决定完成反应的时机和方式。在运动认知心理学研究领域中，研究者还常用到“运动决策”的概念，思维与决策其实质还是关于高水平运动员大脑认知功能的研究。

相对于知识丰富领域(例如物理学、数学等学科领域)的思维而言，运动思维最重要的特征是身体性(具身性)和直觉性(产生式思维)。因此运动思维研究有其自身的特点，七十年代初，曾有学者提出操作思维的概念，认为运动员不是紧紧地依赖于概念或表象，而是直接借助于运动操作，但相关的实验研究还并不多见。

大量的运动训练实践证明，在训练运动员熟练掌握技战术及动作要领之外，运动员专项认知能力的培养亦十分必要，在对抗中要想充分发挥临场竞技能力，运动员不仅需要动作速率快，还需要思维反应快，即敏锐迅捷的运动决策等认知加工能力，这些认知加工能力相对于以肌肉活动能力主导的运动技能能力而言，是大脑的机能能力，即思维能力。运动员比赛中的思维能力是决定一场比赛运动员能否取胜的关键，特别是运动技能水平相差不大的对手之间的角逐。

决策研究始于博弈研究，并在经济学领域得到科学发展。70年代初期，就有研究者认为运动领域是最适合进行决策研究的，因为运动场提供了一个研究人类判断和决策中的认知过程的潜在实验室。尽管运动领域是最适宜进行决策与思维研究的活生生的实验室，但由于研究方法和技术的限制，运动决策研究在某些方面远远落后于经济决策的发展。正因为此，高水平运动员大脑的运动思维和运动决策能力的研究挑战与机遇并存，是今后运动神经科学、运动心理学发展的一个重要方向。

1.2运动表现与运动认知

高水平运动员比赛过程中，心理与身体的联系是运动心理学关注的一个重要问题，目前运动心理学领域内运动表现的研究借鉴了认知神经科学的发展思路和研究方法，使人们对高水平运动表现的“心—身”机制有了更深刻的了解。运动员意识、认知的研究可以成为思维领域的一个重要的窗口，相关研究涉及各个不同运动项目和各个不同内容。周成林[5]通过综述文献，总结竞技选手认知优势结构特征表现为知觉模式能力强；动作识别速度快；动作记忆容量大；表征问题效果好；自我调控水平高等，这些运动表现可统称为运动员的认知优势现象。以运动专家认知优势的理论模型为基础，行为表现特征与结构机制研究相结合是今后该领域研究发展的趋势。从某种程度上来说，运动员认知优势的研究囊括了意识、认知领域的全部。目前，采用眼动记录技术、脑功能成像技术、视频定格技术可较好地解决运动认知优势的结构特征及机制。

在运动表现和运动认知优势研究过程中，研究者常用专家-新手模式，也有的研究者会增加一个中间层次，对于科学工作者而言，寻找熟手和新手在运动绩效方面的差异是十分有趣的，因为它可以解释实践操作中两者存在怎样的差异性机制。

严格意义上而言，高水平运动员大脑认知研究，运动思维与运动决策，运动表现与运动认知都是大脑的功能体现。结合体育运动实践，借助认知神经科学研究的方法，运动认知神经科学在为人类了解运动表现提供帮助的同时，也会面对一些挑战，特别表现在各层次结合的系统综合研究最终要体现心理学意义，以及体育运动实践的应用意义。

2重点研究内容

2.1运动预判与视觉搜索

目前运动预判研究与视觉搜索、注意、记忆、感知觉等心理学研究内容一起，正吸引着各学科研究者浓厚的兴趣，而这部分的研究随着认知心理学的生态化和具身化，也得到了相当的重视。因此运动预判成为了目前高水平运动员脑认知研究的核心内容之一，也是解释运动员认知优势的一把钥匙。

判断球是否射中球门或篮筐，接住飞来的球，抢断对方队员的控球等看似简单的动作，运动员需要对球体和队员进行视觉搜索追踪和空间定位，并预测球体的未来飞行轨迹，要成功处理复杂的运动比赛情境，对运动的物体(包括人)进行经济、有效地视觉搜索的能力就十分关键。运动员只有形成了经济有效的视觉搜索策略，才能在紧张激烈的竞赛中快速获得和利用关键信息，进而准确完成预测判断。不论是在真实比赛情境中，还是完成实验室预测判断视频任务过程中，快速、准确地对队友和对方运动员所在方位和移动方向，以及球的落点、飞行轨迹等进行预测判断，是运动员选择完成某一运动技能(如抢断球、传球或投篮)的前提。

运动比赛过程中，选手所接收到的视觉信息量是巨大的，这其中包括与任务相关的有用信息，也包含无用的干扰信息，选手必须在最短的时间内从大量信息中提取关键信息进行加工。在运动训练中，经常会看到，高水平运动员可以突然发力起脚射门，而羽毛球新手在回击球时，会不由自主地模仿对方击球姿势，而不做技术变化调整。许多研究围绕着如何运用“超前”的视觉信息来预测对手的行为，“超前信息”与“预测”被认为是可靠的鉴别专家与新手的指标。研究结果表明运动员在进行比赛过程中，大脑处于高压力状态，大脑高速处理并行的输入信息和输出信息，随时调整和控制运动员的动作，是一个开放的、多层次的非线性的复杂系统，内部过程是不唯一的，不确定的，尤其是在系统处于复杂多变的外界环境中，运动决策随时进行调整、修正。

大多数运动领域内的视觉搜索实证研究多采用专家-新手模式，并运用视频遮蔽技术，在实验室条件下，让被试在屏幕上观看已拍摄设计好的他人简单动作(如篮球罚球、足球射门、跆拳道进攻等)图片或视频(实验刺激)，然后分析专家-新手之间的差异，比较其对图片或视频未展现的球的未来飞行轨迹或队员运动方向等的速度和准确度等行为学数据，获得运动专家在视觉搜索和运动预判过程中的行为表现特征。在研究运动预判过程中，研究者常采用时间和空间阻断技术[6-7]，有的利用视频遮蔽技术，有的让被试戴上特殊制作的眼镜(liquid crystal occlusion glasses)[8]，也有研究用节点图像刺激。这类研究涉及的项目几乎囊括所有球类项目，包括篮球[9]、足球[10]、排球[11]、冰球[12]、手球[13]、网球[14]等，也包括跆拳道[15]、柔道[16]、舞蹈[17]、体操[18]等体育项目。

为探索视觉搜索的内在机制，在结合实验室图片、视频刺激条件的同时，除眼动追踪技术以外，有的研究者还利用事件相关电位(ERP)[19]、功能磁共振(fMRI)[20]、经颅磁刺激(TMS)[21]等神经生理技术，探索视觉搜索、动作预判过程中的心理、神经机制。尽管周成林等[22]认为以上研究方法相对于真实的运动情境过程中运动员面对运动场上的各种复杂状况和环境而言，过于简单，同时也缺乏先进的认知神经科学技术及仪器与设备，实验研究与效度控制却较复杂，尽管如此，对于探测运动预判中的动作观察和意图理解仍具有重要的研究价值。

运动员具有有效、迅速的视觉搜索模式与其熟练的视觉选择行注意相关。体育运动中，尤其是快速的球类运动，在运动早期运动员往往面临许多信息，他们必须在很短的时间内作出反应选择，因此只对最相关的信息源进行选择性注意显然是成功绩效的基础。篮球运动员试图有效地防守对方队员的进攻；羽毛球运动员试图判断对方的出球意图；以及足球守门员试图成功地守住对方队员的射门。这些运动技能运用成功与否，都取决于运动员对相关信息进行选择性注意，对不相关的干扰信息不予以注意的能力。

运用事件相关电位(ERP)研究视觉搜索过程，视觉相关电位早期成分P1、N1和P2参与空间注意编码，而晚期分成如P3，P4，N2则主要与被试的心理状态相关(如注意、预期、警觉等)。有少数实验研究报道了与运动相关的神经同步现象(event-related synchronization，ERS)。运动员在视觉刺激后，额叶和枕叶皮质会相继发生神经同步现象[23]。长期运动训练可以导致运动员在视觉刺激后，初级运动皮质也会发生神经同步现象[24]，在视觉刺激前后，视皮质神经同步现象可以预测运动员对刺激的反应速度，而且，神经同步现象的潜伏期运动员比非运动员要早，还有研究发现，躯体感觉皮质神经同步现象与训练年限相关。

除了视觉选择性注意以外，专家-新手视觉搜索模式的不同，还与运动专家有特殊的知识结构相关。运动专家的特殊知识结构一般采用口语报告的方式进行研究[25-26]。

运动预判是一个综合的信息加工过程，是了解和揭示运动专家认知优势的基础和核心，在现今人类体能能力发掘到极致，赛场成为运动员斗智斗勇的竞技场，进行运动预判的研究，对于指导运动员进行运动训练、提高运动表现有重要的推动作用。

2.2运动预判与动作控制

程勇民[27]认为，运动预判与动作反应是两个分离的过程，组成了运动决策的完整过程，并认为预判过程是在信息尚未全部呈现以前对可能发生事件的预先判断，而动作反应过程是在信息全部呈现以后所作出的选择反应。实验室认知技能(包括一般认知技能和专项运动场景认知技能)训练对于提高运动员表现和成绩的效果，研究结果也不一致。整体而言，运动员优势认知机制的研究和运动执行控制训练研究相互分离，运动预判与动作控制被认为是“思想-动作”的两级，制约了运动员认知优势研究成果在运动训练中的应用。

研究者认为，运动预判是思维的一级，高水平运动员的动作控制几乎是在运动预判之后的一种下意识的反应，是多年专业训练的效应，是认知的专家模式。

探讨运动预判和动作控制的神经机制是目前和今后运动认知神经的重点方向。运动员必须随时准确判断他人的动作意图(如对方队员进攻的方向，己方队员跑动方向)，然后进行相应的动作，这一过程涉及了更高级的视觉信息加工过程和动作控制过程，其中镜像神经元是其神经基础[28-29]。20世纪90年代初，首先在猴子大脑发现了镜像神经元(mirror neuron)，继而在人类大脑也发现有一群“镜像神经元”细胞，在大脑中的前区皮质、后顶叶、颞叶上方的沟回区域和脑岛处发现的镜像神经元系统，会对一系列与意图相关的行动有兴奋反应，它具有理解他人动作意义的功能，即便仅仅根据声音和动作的部分特征，也可以完成对整个动作的理解过程的特征。镜像神经系统理解动作的基础是建立在认知基础上的，也就是说，镜像神经系统将视觉信息处理并转换为知识，在未来的动作理解中发挥作用[30-31]。有研究表明，镜像元神经元除了参与理解他人动作意义以外，还参与运动记忆[32]。镜像神经元原理说明，眼睛不仅仅是“感受器”，它本身具有判断(预判)的功能，肌肉也不仅仅是“效应器”，它也有记忆的功能。镜像神经元也许正是运动直觉的神经支持系统。

3前瞻性研究内容

最近，一些神经科学的研究显示，情绪也是人类决策中的一部分，它不可以与认知过程相分离，并且有些时候，情绪甚至在决策过程中起着重要的作用，情绪决策现已成为现代思维决策领域的一个热点问题。

在运动领域，我们也常常看到运动员在激烈的比赛现场，出现“掉链子”现象，平时在训练中能够自由发挥、配合完美的技战术动作却怎么都无法再现。决策领域的研究由以往的通用理性框架，发展到了情绪决策的自然决策领域，运动心理学家认为运动员“掉链子”现象正是由于赛场激烈的时间和结果的不确定性因素，导致运动员在信息加工过程中的认知压力引起的情绪反应，是脑部功能活动对现实环境变化的一种反应，而导致认知过程的改变。可见运动赛场和运动员是研究情绪决策的最好材料。这些动态变化的、影响决策的心智能力由各种现场因素，如比赛对手强弱、比赛激烈程度引起的运动员内心状态，是决定运动决策水平的外周机制，是一个动态系统，有运动心理学家称之为情绪智力。高水平运动员能够在比赛过程中积极、良好地调控自己的情绪，保持时间和认知压力比赛情境下所需的冷静、果断、坚韧等情绪，减少失误，稳定地发挥运动水平，正是具有较高的心智能力水平的表现。竞技运动中的心理训练正是帮助运动员进行情绪调控、提高心智能力水平的手段之一。由于目前的研究并未涉及情绪影响心智能力的脑神经机制方面，缺乏探索心智能力本质、特征的研究，心智能力水平训练的方法和手段也因此带有随意、主观因素。

此外，运动表象在运动实践中的应用和发展，也成为运动科学和脑科学领域的一个重要的研究内容，相关研究结合肌电、脑电等技术，为运动训练实践提供了基础性研究，其研究成果甚至还应用于脑-机借口等人工智能方向。

关于高水平运动员的情绪、运动表象及其机制等研究内容，成为前瞻性的研究内容，相信不久的将来，人们将逐步揭示高水平运动员的大脑奥秘，为体育运动训练实践服务。

参考文献：

[1] 国家自然科学基金委员会，中国科学院.未来10年中国学科发展战略中·脑与认知科学[M].北京：科学出版社，2012.

[2] 张力为.中国运动心理学的现实与梦——2010年第九届全国运动心理学学术会议暨第二届华人运动心理学研讨会的学术总结[J].体育科研，2010(6)：1-5.

[3] 魏高峡，李佑发.21世纪中国运动心理学的新方向：运动认知神经科学研究[J].体育科学，2012(1)：54-63.

[4] 迟立忠.运动认知心理学研究进展述评[J].北京体育大学学报，2012(9)：10-15.

[5] 周成林，刘微娜.竞技比赛过程中认知优势现象的诠释与思考[J].体育科学，2010(4)：13-21.

[6] Hodges,N.J.,Huys,R.,& Starkes,J.L.Methodological review and evaluation of research in expert performance in sport,Handbook of sport psychology [M].In G.Tenenbaum & R.C.Eklund (Eds.) (3 rd).New York:Wiley,2007:161-183.

[7] Williams,A.M.,& Ward,P.Perceptual-cognitive expertise in sport:exploring new horizons,Handbook of sport psychology [M].In G.Tenenbaum & R.C.Eklund (Eds.) (3 rd).New York:Wile,2007:203-223.

[8] Müller,S.,& Abernethy,B.Batting with occluded vision:an in situ examination of the information pick-up and interceptive skills of high- and low-skilled cricket batsmen[J].Journal of Science and Medicine in Sport,2006(9):446-458.

[9] Wu,Y.,Zeng,Y.,Zhang,L.,Wang,S.,Wang,D.,Tan,X.,et al.The role of visual perception in action anticipation in basketball athletes[J].Neuroscience,2013(5):29-41.

[10] 刘运洲.优秀排球运动员的预判特征研究——以“扣球“为例[J].中国体育科技，2012(4)：46-51.

[11] Panchuk,D.,& Vickers,J.N.Gaze behaviors of goaltenders under spatial-temporal constraints[J].Hum Mov Sci,2006(6):733-752.

[12] Canal-Bruland,R.,& Schmidt,M.Response bias in judging deceptive movements[J].Acta Psychol (Amst),2009(3):235-240.

[13] Canal-Bruland,R.,van der Kamp,J.,& van Kesteren,J.An examination of motor and perceptual contributions to the recognition of deception from others’ actions[J].Hum Mov Sci,2010(1):94-102.

[14] Canal-Bruland,R.,van Ginneken,W.F.,van der Meer,B.R.,& Williams,A.M.The effect of local kinematic changes on anticipation judgments[J].Hum Mov Sci,2011(3):495-503.

[15] Del Percio,C.,Brancucci,A.,Vecchio,F.,Marzano,N.,Pirritano,M.,Meccariello,E.,et al.Visual event-related potentials in elite and amateur athletes[J].Brain Res Bull,2007(1-3):104-112.

[16] Del Percio,C.,Babiloni,C.,Marzano,N.,Iacoboni,M.,Infarinato,F.,Vecchio,F.,et al.“Neural efficiency” of athletes’ brain for upright standing:a high-resolution EEG study[J].Brain Res Bull,2009(3-4):193-200.

[17] Babiloni,C.,Del Percio,C.,Rossini,P.M.,Marzano,N.,Iacoboni,M.,Infarinato,F.,et al.Judgment of actions in experts:a high-resolution EEG study in elite athletes[J].Neuroimage,2009(2):512-521.

[18] Aglioti,S.M.,Cesari,P.,Romani,M.,& Urgesi,C.Action anticipation and motor resonance in elite basketball players[J].Nature Neuroscience,2008(9):1109-1116.

[19] Jackson,R.C.,Warren,S.,& Abernethy,B.Anticipation skill and susceptibility to deceptive movement[J].Acta Psychol (Amst),2006(3):355-371.

[20] Wright,M.J.,Bishop,D.T.,Jackson,R.C.,& Abernethy,B.Functional MRI reveals expert-novice differences during sport-related anticipation[J].Neuroreport,2010(2):94-98.

[21] Aglioti,Salvatore M.,Cesari,Paola,Romani,Michela,& Urgesi,Cosimo.Action anticipation and motor resonance in elite basketball players[J].Nature Neuroscience,2008(11):1109-1116.

[22] 周成林，赵洪朋，张怡.运动领域中的认知神经心理学研究进展[J].天津体育学院学报，2012(3)：197-201.

[23] F.Di Russo,F.Taddei,T.Apnile,D.Spinelli.Neural correlates of fast stimulus discrimination and response selection in top-level fencers[J].Neurosci.Lett.,2006(8):113-118.

[24] R.Ozmerdivenli,S.Bulut,H.Bayar,K.Karacabey,F.Ciloglu,I.Peker,U.Tan,Effects of exercise on visual evoked potentials[J].Int.J.Neurosci,2005(3):1043-1050.

[25] Vaeyens,R.,Lenoir,M.,Williams,A.M.,Mazyn,L.,& Philippaerts,R.M..The effects of task constraints on visual search behavior and decision-making skill in youth soccer players[J].Journal of Sport & Exercise Psychology,2007(7):156-175.

[26] Vaeyens,R.,Lenoir,M.,Williams,A.M.,Mazyn,L.,& Philippaerts,R.M..Visual search behavior and decision-making skill in soccer[J].Journal of Motor Behavior,2007(2):395-408.

[27] 程勇民，金花，梁承谋.运动预期与羽毛球运动水平的相关研究[J].山东体育学院学报，2009(3)：53-55.

[28] G.Rizzolatti,L.Craighero,The mirror-neuron system,Annu.Rev[J].Neurosci,2004(6):169-192.

[29] Bonaiuto J,Rosta E,Arbib M.Extending the mirror neuron system model,I:Audible actions and invisible grasps [J].Biol Cybern,2007(4):9-38.

[30] 袁逖飞，陈巍，丁峻.镜像神经元研究概况述评[J].生命科学，2007(5)：547-550.

[31] Huaping Zhu,Yaoru Sun,Fang Wang.Electroencephalogram evidence for the activation of human mirror neuron system during the observation of intransitive shadow and line drawing actions [J].Neural Regeneration Research，2013(3)：251-257.

[32] Katja Stefan,Leonardo G.Cohen,Julie Duque et al.Formation of a Motor Memory by Action Observation[J].The Journal of Neuroscience 12 October 2005(5):9339-9346.

Current Researches about Brain Cognition of Excellent Athletes and Prospect

HE Yanyan

(Teaching and Research Experimental Center, Wuhan Sports Univ., Wuhan 430079, China)

Abstract:The excellent athlete is a sports expert after scientific and serious sports training for a long time and his brain cognition is different from that of the novice. It has become an important research field recently. The paper summerizes two research categories of brain cognition research in neuroscience field recently, sports thinking and sports decision, sports performance and sports cognition. The core research contents are sports prediction and visual search, sports prediction and movement control. The paper also discusses the research prospects.

Key words:sports cognitive neroscience; sports expert; sports decision; sports prediction

*基金项目：湖北省科技厅公益性科技研究项目(2013BCB004)。

中图分类号：G804.83

文献标识码：A

文章编号：1672-268X(2016)02-0069-05

(收稿日期：2016-01-08)