青少年脑电发育特点与速度素质关系的研究

汪 军，马 兰，李恩荆，周 越，刘大庆

青少年脑电发育特点与速度素质关系的研究

汪 军1，马 兰1，李恩荆2，周 越1，刘大庆1

目的：脑电图主要反应中枢神经系统的发育情况，而神经系统的发育是速度素质的基础。本论文旨在研究正常青少年儿童随年龄增长的脑电发育特征，分析其与速度发展的关系，以期找到利用脑电图特征来预测速度的可能方法。方法：研究对象为四川省广元市620名6-16岁中小学生，采用Nation9128W数字化脑电图仪测试其安静闭目清醒状态下脑电图，分析各导联绝对和相对功率，并同时测试其50m跑成绩。结果：(1)6-16岁儿童少年脑电各频段相对功率具有显著的年龄差异。随年龄增长，δ、θ、α1波相对功率减少，α2和β波相对功率均增加，并且6-11岁和13-15岁是α2波的快速增长期。(2)男生速度素质的自然增长期为6-15岁，女生为6-12岁；男生速度敏感期为6-10岁和12-14岁，女生速度敏感期为6-9岁。(3)高速度素质儿童的50m成绩与α2%的相关系数为-0.64，而与θ/β比值的相关系数为0.71。结论：儿童少年脑发育具有明显的年龄阶段特征，具有快速增长期，6-10岁为速度素质发展的最佳时期。其中α2相对功率和θ/β比值是儿童速度素质发展的参考指标之一。

青少年；脑电图；速度；敏感期；体质

脑电图可以反映大脑皮层神经元的电活动规律，并可以在很大程度上体现中枢神经系统的机能状态。而速度素质是指人体进行快速运动的能力或最短时间完成某动作的能力，中枢神经系统的机能状态是速度素质的生理基础。儿童少年时期脑的发育随着年龄的增长，渐趋成熟。而他们的速度素质也随年龄而增长，并有其阶段性和敏感期的特点。速度素质高度的依赖于神经系统，而儿童少年时期，大脑神经过程的灵活性和皮层的兴奋都较高，反应也比较快，特别适宜速度素质的发展[1]。但是至今关于青少年速度素质发展特点，以及与其脑电特点之间关系的研究却很少见报导。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本文研究对象为四川省广元市620名6-16岁中小学生，从小学1年级到高中1年级，排除身体有疾患者外，其他所有学生参与测试。其中男生311人，女生309人，见表1。

1.2 研究方法

1.2.1 脑电研究设备

研究采用上海诺诚公司生产的Nation9128W数字化脑电图仪。脑电信号的多项指标采用单极导联方法进行记录，脑电放大器的倍数为10 000倍以上，输入阻抗大于5M。本研究分析的频段有δ(0.5Hz-3.8Hz)、θ(4Hz-7.8Hz)、α1(8Hz-9.8Hz)、α2(10Hz-12.8Hz)、β1(13Hz-19.8Hz)和β2(20Hz-30Hz)，其均在30 Hz以内，因此选用上海诺诚公司开发研制的配套版本2.2.0.9的脑电软件管理系统进行数字滤波，选择正常的脑电波形进行分析。选取指标为不同脑区各波段绝对功率、相对功率值。

1.2.2 脑电测试过程

测试前，受试者坐于有靠背的椅子上，在相对封闭环境中安静休息5min，根据受试者头型大小调节电极帽，使其松紧适合。

戴好电极帽后，调整坐姿，令后背靠在椅子上，并且全身放松，待姿势调整妥当后不再移动，准备安放电极(电极需事先泡在生理盐水中)。按照国际10/20系统来放置电极。放置电极的部位要进行脱脂清洁，安装电极。测试时要求受试者保持安静、闭目、尽量做到不转动眼球、保持头脑清醒。待信号稳定之后开始连续记录闭目安静清醒状态下脑电图，共2min。

实验结束后，对采集的数据进行分类处理，选取与年龄相符的正常脑电波形进行分析，得到数字脑电地形图。

表1 实验研究对象具体信息表

1.2.3 速度测试

速度测试采用50m跑来评定。受试者至少2人一组，两腿前后分开，站立在起跑线后；当听到起跑信号后，立即起跑，直奔终点线。发令人员站在起跑线的斜前方发令，计时员在受试者起跑的同时，开表计时。当受试者胸部到达终点线垂直面时停表，记录时间以s为单位，进而筛选出高、低速度素质人群(方法如下)。

高速度素质：用50m跑步时间表示，在同性别、同年龄组的均值-1倍标准差以下为高速度素质。低速度素质：用50m跑步时间表示，在同性别、同年龄组的均值+1倍标准差以上为低速度素质。通过以上方法得到高速度素质88人，低速度素质95人。

1.3 数据分析与统计

所有数据分析均采用SPSS 19.0和Graph Pad Prism5进行，结果均用平均数±标准差来表示。统计方法包括描述性统计、单因素分析、非参数检验和相关性分析。其中P<0.05为差异有显著性，P<0.01为差异有非常显著性。

2 实验结果

2.1 不同年龄儿童少年脑电相对功率的比较

随着年龄的增长，各区脑电图不同频率的脑电波出现明显变化。具体表现为慢波δ波和θ波随年龄增长不断减少，α波和β波随年龄增长逐渐增多，但是其中不同频率α波的表现不同，低频率的α1波并没有随年龄增长而增加，甚至有减少的趋势；而高频率的α2波随年龄变化快速增加。其具体脑波各频段相对功率的发展变化见图1。

图1 不同频段脑波相对功率的发育变化

Figure 1 Changes of relative waves in different spectrums of EEG

对具体脑电相对功率值进行统计检验。结果表明，在总体上，各相对功率的总和在不同年龄组存在显著的年龄差异(P<0.01)；而在组间两两比较发现，α2波的6岁与7岁没有显著差异、8岁与9岁没有显著差异、10-13岁各年龄段间没有差异，14-16岁各年龄段间没有显著的差异，但是将6-7岁并为1组、8-9岁并为1组，10-13岁并为1组，14-16岁并为1组，各组间比较有显著的差异。而剩余其他各个频段的6-9岁组、10-13岁组和14-16岁组的组间没有显著的年龄差异。

2.2 6-16岁儿童少年50m成绩的比较

6-16岁正常儿童少年50m跑成绩在总体上随年龄增长而逐渐提高(跑步用时少)，其中男生50m跑成绩一直优于女生。随年龄增长，男生速度素质一直提高，而女生在13岁开始处于停滞甚至降低的状态。

对所有年龄段学生50m跑成绩年增长值和年增长率进行计算并统计检验，发现6-16岁男生和女生的50m跑成绩间均存在显著的年龄差异(P<0.01)，而各年龄间两两比较发现男生和女生的6-9岁之间、10-12岁之间和13-16岁之间不存在显著的年龄差异；经单因素方差分析发现6-12岁正常儿童的50m成绩间不存在显著性性别差异，而13-16岁正常青少年的50m成绩间存在显著地性别差异(P<0.01)，男生成绩明显好于女生。具体情况见表2。

表2 6-16岁儿童少年50m跑成绩及年增长值、年增长率

注：与同年龄男生相比，*P<0.05。

2.3 总体6-16岁儿童少年脑电各指标与50m成绩的比较

表3提供了总体6-16岁儿童少年50m成绩(50m跑步用时)与脑电各频段相对功率的相关系数参考值。经Pearson相关性检验发现6-12岁儿童的50m跑步用时与脑电δ%之间具有低度负相关(P<0.05)；与θ%、θ/β和δ+θ/α间存在中度正相关(P<0.01)；与α1%呈低度正相关；而与α%、α2%和β%间也存在中度负相关(P<0.01)；13-16岁少年的50m跑步用时与各频段相对功率间不存在相关性(P>0.05)。也就是说6-12岁儿童总体随着50m跑步用时的降低，δ%、θ%、α1%、θ/α、θ/β和δ+θ/α均减小，而α%和α2%的值增加。

表3 总体6-16岁儿童少年50m成绩(50m跑步用时)与各频段相对功率的相关性

Table 3 The general correlation between 50-metre speed and the relative power of different spectrums in 6-16 years old adolescents

年龄(y)δ%θ%α%α1%α2%β%θ/βδ+θ/α6-120.11*0.47**-0.35**0.18**-0.51**-0.36**0.51**0.35**13-16-0.020.01-0.020.02-0.020.040.030.05

注：数值为相关系数；*P<0.05，**P<0.01。

2.4 6-16岁高速度素质儿童少年50m跑步用时与脑电各指标比较

表4提供了6-16岁高速度素质儿童少年50m跑步用时与脑电各频段相对功率间相关系数参考值。经Pearson相关性检验发现6-12岁高速度素质儿童50m跑步用时与脑电θ%、α1%、θ/β和δ+θ/α间呈中度正相关(P<0.01)；而与α%间呈中度负相关(P<0.05)；与α2%间呈中度负相关(P<0.01)；13-16岁高速度素质少年50m跑步用时与各频段相对功率间不存在相关性(P>0.05)。也就是说6-12岁高速度素质儿童随着50m跑步用时增加，脑电θ%、α1%、θ/β和δ+θ/α均增加，而α%和α2%的值减小。

2.5 6-16岁低速度素质儿童少年50m跑步用时与脑电各指标比较

表5提供了6-16岁低速度素质儿童少年50m跑步用时与脑电各频段相对功率间相关系数参考值。经Pearson相关性检验发现6-12岁低速度素质儿童50m跑步用时与脑电θ%、θ/β和δ+θ/α间呈中度正相关(P<0.01)；而与α%间呈中度负相关(P<0.05)；与α2%间也呈中度负相关(P<0.01)；13-16岁高速度素质少年50m跑步用时与各频段转动惯量间不存在相关性(P>0.05)。也就是说6-12岁低速度素质儿童随着50m跑步用时的增加，脑电θ%、θ/β和δ+θ/α均减小，而α%和α2%的值增加。

表4 6-16岁高速度素质儿童少年50m跑步用时与各频段相对功率的相关性

Table 4 The correlation between 50-metre running time and the relative power of different spectrums in 6-16years old high speed competence adolescents

年龄(y)δ%θ%α%α1%α2%β%、θ/βδ+θ/α6-12-0.020.66**-0.35*0.46**-0.64**-0.48**0.71**0.34*13-16-0.020.01-0.020.02-0.020.05-0.030.08

注：数值为相关系数；*P<0.05，**P<0.01。

表5 6-16岁低速度素质儿童少年50m跑步用时与各频段相对功率的相关性

Table 5 The correlations between 50-metre running time and relative power of different spectrums in 6-16 years old high speed competence adolescents

年龄(y)δ%θ%α%α1%α2%β%θ/βδ+θ/α6-120.240.39**-0.38*0.11-0.52**-0.45**0.52**0.38*13-16-0.070.01-0.01-0.200.090.28-0.20-0.05

注：数值为相关系数；*P<0.05，**P<0.01。

3 分析与讨论

3.1 6-16岁儿童少年脑电相对功率的发育特点及分析

正常脑电图的主要影响因素有：年龄、个体差异、精神活动、外界刺激、意识变化和体内生化改变等[2]。而EEG电位主要起源于皮质神经元，这些神经元在皮质表面下方分层排列，而且每一层内，神经元都呈束状排列，并与皮质表面垂直，并通过胞体—树突胞膜形成的突触来激活。而脑电图的波形主要由周期和波幅决定[3-5]。决定脑波周期的主要因素有：神经元回路的物理特点(如神经回路的长短、神经纤维的粗细和冲动经过的突触数)、神经元的不应期、神经细胞的物质代谢(物质代谢过程中产生突触后电位)以及大脑皮层神经元的同步化和去同步化程度等因素[6]。另外波幅的决定因素有：大脑皮层神经元的同步化和去同步化程度、神经元排列方向的一致性、皮层神经元的数量及大小、神经元的兴奋性和记录电极与大脑皮层间的距离等因素[7]。同步化程度愈大则波幅越高、频率越低，反之，去同步化愈大则波幅越低、频率越高。一般认为多数神经元回路电活动的重叠并相互干涉是α波产生的原因，而这种电活动的节律相一致并且为同一位相时，电位就会相互叠加，从而形成较大波幅的α波，这是同步化现象，但是如果某种刺激扰乱这种同步化，各个细胞的放电就会变的不一致，结果α波将消失或减弱并出现β波，这就是α波阻断现象；而δ波的形成可能是由于皮层神经元的不成熟，特别是树突的分支尚未发达，进而导致物质代谢的化学速度很慢。随着年龄的增长，不但脑细胞的数量增加、体积变大，而且细胞的突起增多、变大并深入到皮质各层，脑的机能逐渐发育。所以随年龄增长慢波减少，而快波增加[8]。

由图1可知，脑电各频段的相对功率值具有显著的年龄差异，随着年龄的增长，慢波δ%和θ%减少，而α%和β%增加，这与大多数学者的研究一致。减少的慢波中θ%占较大部分，而到16岁时，δ%仍存在较多，这与前人的研究相矛盾，以往研究发现δ波在3-5岁时急剧减少，波幅降低并逐渐过渡到θ波[9],该结果出现的原因可能是研究对象的人数、地区等不同，也可能是δ波较多的存在于额区和顶区，发育还不够成熟。而增加的快波β波所占比例较小，到16岁时只有6%左右，而15岁以后形成α波的优势并且基本稳定。但是不同频率α波的表现不同，6岁时α1波为主导频率，随年龄增长α1波的相对功率处于下降的趋势，而α2波活动增加明显，9岁以后的α2波为主导频率，到14岁α2波取代θ波的位置，此研究结果与Gassert、Clarke和Cragg等的研究基本一致。而6-16岁正常儿童少年的脑电各指标相对功率均没有显著的性别差异。由以上研究结果可知，6-11岁和13-15岁为两个快速发育期。

而11-12岁时，α2相对功率降低，δ相对功率增加，而女生比男生表现明显，该研究结果可能与男女生的青春期身体变化有关，但是目前没有相关研究，有待对脑电特点与青春期变化的关系进行下一步研究。

由脑电各指标的统计学处理可知，总功率和α2相对功率可将6-7岁、8-9岁、10-13岁和14-16岁划为一组，而其余各指标均可将6-9岁 、10-13岁和14-16岁划为一组。该研究结果与黄华品和宋佳的研究不一致，他们认为儿童7-14岁和6-11岁可作为统一标准划分，这可能因为脑电特征的个人差异较大，与所选研究对象的遗传特点、人数、生长环境以及生活质量都有关系[9]。

3.2 儿童少年速度素质发育特点及分析

由表2可知，男女生的速度素质随年龄增长6-12岁不断提高，而男生12岁以后速度素质仍不断提高，但是女生的速度素质处于停滞甚至下降的状态。男生6-12岁的速度素质提高到16岁时的61.47%，而女生6-12岁的速度素质提高到16岁时的95.9%；男生6-16岁50m成绩提高4.1s，而女生50m成绩6-16岁共提高2.69s；而男女生的速度素质6-12岁没有显著的性别差异，而13-16岁男女生的速度素质具有显著的性别差异。

由以上研究结果可知男生速度素质比女生增长值高，但是增长速度女生快于男生；在速度素质的自然增长时期内，其增长速度是不均等的，男生速度素质的自然增长期为6-15岁，而女生为6-12岁；男生速度素质发展敏感期为6-10岁和12-14岁，女生速度素质的敏感期为6-9岁。本文研究结果与前人研究基本一致，只是速度素质的敏感期稍有所提前，这可能与研究对象的生活环境和生活质量有关。

男女生的速度素质在12岁之前没有明显差异，但12-16岁差距逐渐增大。而前面的研究结果显示在11-12岁时，α2相对功率降低，而δ相对功率增加，女生比男生表现明显，这可能影响了女生速度素质的提高。随着青春期激素均衡性的变化，性别的差异开始显著，这可能因为女生受青春期发育和性成熟等方面的影响较大，从而逐渐减少了运动训练，才导致速度素质的落后和下降[10]。

3.3 儿童少年脑电发育特点与50m成绩关系的分析

由表3可知，脑电各指标的相对功率能较好的表现脑电发育特点与速度素质之间的关系。6-12岁正常儿童的50m成绩与δ%、θ%、α1%和θ/β比值呈正相关，与α%、α2%和β%呈负相关，而根据相关性和显著性的结果可知，α2%和θ/β比值的正相关更显著，α2所占比例越大，则速度素质越好，而θ/β的比值越小，则速度素质越好。α波随脑发育成熟或年龄的变化而变化，α波的频率、振幅和空域分布等因素是反应大脑机能状态的重要指标。根据前面的研究可知α2波更能代表α波的发育特点，而θ/β的比值代表快慢波的比较，数值越小，则说明脑发育越完善，由此可得出，6-12岁正常儿童的脑电发育越完善，其速度素质越好。

由表4和表5可见，6-12岁的高速度素质儿童的各脑电指标与其50m成绩的相关性比低速度素质儿童的相关性更高，即6-12岁正常儿童的脑电发育越完善，其速度素质越好。所以，速度素质越好，其脑电发育越完善，进而，高速度素质儿童的脑电指标与50m成绩越相关。

神经过程兴奋与抑制的转换速度是速度素质的神经基础，它直接影响着肌肉收缩与舒张交替过程的快慢。周期性位移速度受肢体的运动幅度、频率及其协调关系的影响。肢体运动幅度的影响因素有：肌力大小、肢体长度和关节柔韧性；而频率主要取决于大脑皮质运动中枢的灵活性和各中枢的协调性以及快肌纤维的百分比及其肥大程度。6-12岁儿童的速度素质与脑电各指标有显著相关性，可能是因为6-12岁儿童的速度素质主要受中枢神经系统影响，随着年龄的增加，神经细胞突起分支越来越多，联络纤维大大增加，形成新的脑神经通路，中枢神经系统内信息传递和整合的速度加快，而脑电图是大脑皮层神经元的活动规律的反映，能够在很大程度上反映中枢神经系统的机能状态，所以脑电指标的发育特点可以反映速度素质[11]。而13-16岁正常青少年的脑电各指标与速度素质没有显著相关性，根据以上研究结果，男女生13-16岁的脑电各指标没有显著差异，但是13-15岁仍是脑发育的高峰期，其中男生速度素质仍然有所提高，但是女生速度素质处于停滞状态，这可能受青春期身体内激素分泌变化的影响，女子体脂率明显增长，而男子则侧重于增长肌肉和下肢长度。这说明13岁以后，速度素质可能主要受外周的因素影响，如肌力的大小、肢体的长度以及关节的柔韧性、身体形态等。

4 结论

儿童少年脑电波的发育过程主要是α2波取代θ波的过程，6-12岁正常儿童脑电的诊断应按年龄严格的划分标准；儿童少年脑发育快速增长期与速度素质发展的增长期有一致性，其中男生速度敏感期为6-10岁和12-14岁，女生速度敏感期为6-9岁；速度素质的发展对神经系统有较高的依赖性，儿童脑电图α2相对功率和θ/β比值是儿童速度素质发展的参考指标之一，即同年龄儿童脑电α2频段的相对功率越大，θ/β比值越小，速度素质越好；而青少年的速度素质发展受其脑发育特征影响较小。

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(编辑 李新)

A Study on the Relationship Between the Development Characteristics of EEG and Speed Competence in Adolescents

WANG Jun1, MA Lan1, LI Enjing2, ZHOU Yue1, LIU Daqing1

Objective:Electroencephalogram (EEG) mainly reflects the growth of the central nervous system which is the physiological basis of speed competence. The paper aims to study the development characteristics of adolescents’EEGwith their age increasing and the relationships between the characteristics and speed competence so as to find possible methods to predict speed through EEG characteristics. Methods:620 students aged 6-16 in Sichuan, China were chosen to participate in the study. Their EEG when they were in quiet awaken state with their eyes closed was collected with Nation 9128W digital electroencephalograph for analysis of absolute and relative powerof each lead. Their 50-meterspeed was measured at the same time. Results:1. The relative power of EEG presented significant difference in adolescents aged 6-16. With the increase in age, the relative power of δ wave, θ wave and α1 wave decreased, while the relative power of α2 and βwave increased. α2 wave sncreases rapidly during the period of 6-11 years old and 13-15 years old. 2. Males’ speed competence increase occurres during the period of 6-15 years old, while females’ during the period of 6-12; males’ sensitive period of speed is from 6 to 10 years old and from 12 to 14 years old, while females’ from 6 to 9 years old. 3. The correlation coefficient betweenα2% and 50-metre speed in high speed competence children is -0.64, and the correlation coefficientbetween 50 -metre speed and θ/βratio is 0.71.Conclusion:Children’s brain growthpresents obvious correlative features to age periods and has fast growth period. The best period for speed competence development occurres from 6 to 10 years old.The relative power of α2 wave andθ/βratio are an referential indicator for children’s speed competence development.

adolescents;electroencephalogram;speed;sensintiveperiod;fitness

G804.68 Document code：A Article ID：1001-9154(2017)01-0094-06

高等学校博士学科点专项科研基金“儿童少年速度素质增长敏感期神经肌肉特征研究”(20131112110001)。

汪军，博士，副教授，研究方向：运动生理学，E-mail：wj430079@126.com。

1.北京体育大学，北京 100084;2.华中师范大学体育学院，湖北 武汉 430079 1.Beijing Sport University, Beijing 100084; 2.Central China Normal University Wuhan Hubei 430079

2016-09-08

2016-11-24

G804.68

A

1001-9154(2017)01-0094-06