Flanker任务诱发中枢疲劳的神经递质机制研究——基于ET技术

吴梅婷 林岭 李克雪 吴燕

1 宁波市体育训练工作大队（宁波315500）

2 宁波大学体育学院（宁波315211）

3 杭州高级中学（杭州310021）

4 安徽职业技术学院（合肥 233030）

运动员在长期大负荷、高压力的训练竞赛过程中会产生各种生理及心理疲劳现象，生理疲劳又分为中枢疲劳和外周疲劳。中枢性疲劳（也称为脑疲劳）一般是指因为脑力负荷大而导致中枢神经系统功能下降或紊乱而呈现出的脑疲劳现象[1]。运动员中枢疲劳除了主要与训练负荷较大有关外，可能与运动员在训练过程中的复杂且高强度的认知负荷有关。在训练或比赛过程中，运动员要面对记忆、注意、判断、选择等各种认知任务，长时间承受较大负荷的复杂认知任务会引起运动员中枢疲劳。有关实验研究发现认知操作任务可以有效诱发运动员中枢疲劳，并伴发有关脑电、事件相关电位（event-related potential，ERP）等神经生理指标的变化及认知能力的下降[2-5]。Acworth 最早提出5-羟色胺可能是导致中枢疲劳的神经递质[6]。基于动物实验研究，关于运动负荷引起的中枢疲劳机制基本已经达成共识[2-5，7-8]。而过往的研究由于缺乏针对人体的、无创的、有效的神经递质检测手段，导致目前尚缺乏认知性中枢疲劳神经递质机制的人体实验研究证据。

目前各领域关于中枢疲劳现象及机制研究的主流技术是神经生理技术，如ERP、功能性磁共振成像（functional magnetic resonance image，fMRI）、近红外（near infrared spectrum instrument，NIRS）、眼动仪等[9-11]。根据科学还原论，有关脑电生理指标的现象变化肯定有其更深层次的组织学或神经化学的机制，但由于技术原理的局限，有关主流技术均难以解释这些脑电信号变化的内在神经递质机制。脑波超慢涨落技术（encephal of luctuogram technology，ET）的诞生为中枢疲劳的神经递质机制研究提供了一个有效手段。ET技术是我国首创的一种无创性实时脑功能研究技术，该技术能在完全自然和无创的条件下，获得脑内多种神经递质变化的信息，再通过对不同神经递质所对应的特征频率谱线的变化分析来评价运动员中枢疲劳状况及其神经递质机制[12-21]。ET 技术广泛应用于医学、体育等领域，在医学领域主要应用于检测和诊断神经递质相关疾病[22-26]，在体育领域主要应用于运动员选材、竞技状态评价、训练的中枢适应及训练性中枢疲劳等[19，27]。但针对运动员认知性中枢疲劳相关研究尚未引起充分关注。

运动员认知性中枢疲劳的实验室研究通常将认知操作任务作为诱发手段。其中，Flanker 任务是中枢疲劳研究常用的比较成熟的任务范式之一，国内外通常采用持续1～2小时的Flanker任务诱发中枢疲劳[4，8，28-29]，并结合行为学数据和心率变异指标来辅助评价中枢疲劳[30-32]，探索持续一段时间的认知任务诱发的中枢疲劳对认知等功能的影响。有关研究发现持续45～60 min认知任务可有效诱发中枢疲劳[4，29]。中枢疲劳的判断指标有心理、行为和生理生化三大类。其中，心理指标包括主观评定、情绪等；行为指标包括反应时、正确率等；生理指标包括心率变异性（heart rate variability，HRV）、脑电波（electroencephalogram，EEG）等[7，33-34]。

要探索运动员认知性中枢疲劳的神经生理机制，我们必须面对的主要问题有：采用何种实验范式诱发运动员认知性中枢疲劳？这种实验诱发的认知性中枢疲劳与中枢神经递质变化有何关系并可通过ET 技术有效测评？

为回答前述有关问题，综合考虑前人研究、预实验结果以及实验目的，本研究以大学生运动员为被试，要求其执行45 min Flanker 任务，通过行为学数据、心率变异综合评价Flanker 任务是否能诱导出中枢疲劳，并基于ET 指标探讨由认知加工任务诱导的中枢疲劳的神经递质机制。基于上述讨论，提出如下研究假设：①45 min Flanker 任务诱导的大学生运动员中枢疲劳将伴发行为学指标正确率（accuracy，ACC）降低、反应时（reaction time，RT）延长；HRV 的交感成分升高、迷走成分降低；②45 min Flanker任务可以减弱兴奋性神经递质活动强度，增强抑制性神经递质活动强度。假如研究结果验证了有关假设，则为认知性任务诱导中枢疲劳提供了实验依据，并可能为有效评估运动员的中枢疲劳提供一个客观的测评手段。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

宁波大学大学生运动员（均为二级）38 名，平均年龄20.72 ± 1.34 岁，随机分为实验组19 名（男生13名，女生6名）、对照组19名（男生8名，女生11名）。要求：（1）被试身体健康，近期未服用药物（包括中枢性药物或感冒药等）；（2）视力或矫正视力正常；（3）皆为右利手；（4）测试前24 小时内禁止进行大强度运动；（5）测试前24 小时内禁止饮酒；（6）测试前一晚保证正常睡眠；（7）被试从未进行过类似认知操作任务，避免学习和适应效应；（8）实验前进行ABQ、ET 测试，根据常模（北京同仁光电公司提供）剔除有疲劳的被试，确保无心理疲劳（ABQ[33]）及中枢疲劳（ET）的被试进行实验。

1.2 研究方法

1.2.1 实验设计

本研究以Flanker 任务参与为自变量，ET 指标、行为学数据、HRV为因变量。实验组进行45 min Flanker 任务，采集实验前、实验后两个时刻的脑电信号及HRV指标；对照组则静坐45 min，也采集实验前、后两个时刻的脑电信号及HRV 指标。全程记录实验组操作Flanker任务过程中行为学数据。

Flanker任务编程：

通过E-Prime2.0 软件进行Flanker 任务的编程，实验过程中对1小时Flanker任务操作过程中的正确率和反应时进行全程记录。该任务包括了侧翼刺激与目标刺激一致情况2种（HHH和SSS），侧翼刺激与目标刺激不一致情况2种（SHS和HSH），不同的刺激类型随机呈现，出现概率相同，各为25%。

1.2.2 实验流程

实验于宁波大学体育学院心理学实验室进行。时间固定、人员统一。实验前告知被试实验流程，隐去任务操作所需要时间，要求被试填写知情同意书和基本情况调查表。准备就绪后，引导被试坐于测试位上，调整座椅高度，使被试距屏幕80 cm，视角是0.3度（垂直方向）×0.7 度（水平方向）。主试再次详细介绍Flanker任务的流程及ET 测试的注意事项并让被试进行15 次Flanker任务练习，待被试熟悉操作过程与实验要求后，正式开始实验。

Flanker 任务要求被试快速而准确的进行按键反应。首先呈现指导语，待被试明确任务后按“Enter”键呈现150 ms“+”注视点，提示被试将注意力集中于屏幕中心，紧接着呈现刺激任务材料，呈现时间为800 ms；刺激间隔呈现黑屏，呈现时间为400～600 ms，见图1。所有刺激呈现为黑底白字，刺激呈现在屏幕中心，刺激材料为三个水平排列大写字母，中间的字母为目标刺激，其余两个字母为侧翼干扰刺激，当中间字母是“H”时，要求被试快速按左键进行反应；当中间字母是“S”时，要求被试快速按右键进行反应。其中一半试项中侧翼刺激和目标刺激一致（如HHH 或者SSS），另一半试项侧翼刺激和目标刺激不一致（如SHS 或者HSH），不同的刺激类型随机呈现。实验任务由1 个15 min 的block 组成，包含830 个trials，共3 个block 时段。

实验过程中要求被试集中注意力，尽量减少眨眼，保持身体姿势稳定，试验流程由被试独立完成，主试在旁全程观察并记录行为变化。实验后被试口头报告实验过程中疲劳感的变化。

1.2.3 数据采集与处理

1.2.3.1 ET指标

图1 Flanker任务流程

设备采用TRBX/12 型运动训练状态监控仪（北京同仁光电技术公司研制）。按国际10-20 系统安置电极，选用F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2、F7、F8、T5、T6十二导联进行单极引导，双耳连线为参考电极，前额正中接地保护。采样频率1～255 mHz，时间常数0.1 秒。信号采集时间为1024秒。

ET测试时要求被试保持清醒、坐位、闭目、安静状态。测试前被试先静坐10 min 左右保持基线稳定。采样后待信号平稳即进入实际测试。数据采集时间为：实验前采集18 min 的脑电信号，45 min flanker 任务后再采集18 min的脑电信号。

S谱系，包括S1系、S2系、S4系、S5系、S6系、S7系、S11系、S13系。不同的谱系代表不同的神经递质。其中，S1 代表γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA），S2代表谷氨酸（glutamic acid，Glu），S4系代表5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT），S5 系代表乙酰胆碱（acetylcholine，ACh），S6 系代表强兴奋递质（excitatory transmitter，EXC），S7 系代表去甲肾上腺素（norepinephrine，NE），S11 系代表多巴胺（dopamine，DA），S13 系代表深抑制递质（inhibitory transmitter，INH）。比较实验前后的变化。

1.2.3.2 HRV指标

Biofeedback 2000X-pert 生物反馈系统（Version 4.1），奥地利Schuhfried 公司生产，运用设备EXG module 外设蓝牙硬件检测心率变异性。电极分别置于被试两侧锁骨头及大椎位置。HRV参数，时域法：平均正常RR 间期的标准差（standard diviation of NN intervals，SDNN）、相邻RR 间期差的均方根（root-meansquare of difference-value of adjacent RR interval，RMSSD）；频域法：低频成分（low-frequency power，LF）0.04～0.15 Hz、高频成分（high-frequency power，HF）0.15～0.40 Hz、低频/高频（low-frequency power/high-frequency power，LF/HF）。

HRV 指标，根据频域分析方法，计算频域值：LF（单位：ms）、HF（单位：ms）、LF/HF；时域指标：SDNN、RMSSD。数据采集时间为：实验前采集18 min HRV指标，45 min flanker 任务后再采集18 min HRV 指标。其中，实验前采集的18 min 安静状态下的HRV数据作为基线。比较实验前后的变化。

1.2.3.3 行为学数据

行为学指标包括正确率和反应时。执行45 min Flanker 任务操作过程中全程记录行为学数据，数据采集每15 min为一个时段，共采集3个时段，取各时段平均值分析。比较3个时间段的变化。

1.3 统计学分析

将实验数据导入SPSS18.0 软件进行方差分析，其中正确率和反应时进行单因素方差分析；HRV和ET指标进行重复测量方差分析；行为学指标、HRV 指标与ET 指标进行Pearson 相关分析。对不满足球形检验的统计量采用Greenhouse-Geisser 法矫正自由度和P值，事后比较（Post Hoc Test）采用LSD 法，将P＜0.05 定为具有显著性差异。

2 结果

2.1 Flanker任务的行为学数据分析

如图2A 所示，不同时段的正确率存在显著性差异[F（2，18）=39.810，P＜0.001;η2=0.689]，第1 时段到第3 时段正确率总体呈下降趋势，事后检验显示，3个时段的正确率均存在显著性差异（P＜0.01）。如图2B所示，不同时段的反应时存在显著差异[F（2，18）=8.383，P=0.001;η2=0.318]，事后检验显示，第1时段显著高于第2 时段（P＜0.05），第1 时段与第3 时段存在非常显著性差异（P＜0.01）。

图2 不同时段被试正确率（A）和反应时（B）变化

2.2 HRV指标分析

不同时段HRV指标的描述性结果见表1。通过对数据进行组别（有认知操作任务、无认知操作任务）和测试时间（0 min、45 min）的重复测量方差分析可以发现，SDNN 在疲劳前后存在时间的主效应[F（1，36）=9.035，P＜0.01;η2=0.201]，也存在疲劳与组别的交互作用[F（1，36）=6.463，P＜0.05;η2=0.152]；简单效应分析结果显示，实验前实验组和对照组无显著性差异；实验后实验组显著高于对照组；对照组中，不同测试时间无显著性差异；实验组中，实验后显著高于实验前。RMSSD 在疲劳前后存在时间主效应[F（1，36）=7.762，P＜0.01;η2=0.177]，也存在时间与组别的交互作用[F（1，36）=7.136，P＜0.05;η2=0.165]；简单效应分析结果显示，对照组的不同测试时间无显著性差异；实验组实验后显著高于实验前。HF 在疲劳前后存在时间主效应[F（1，36）=5.200，P＜0.05;η2=0.126]，也存在疲劳与组别的交互作用[F（1，36）=6.064，P＜0.05;η2=0.144]；简单效应分析结果显示，对照组中，不同测试时间无显著性差异；实验组中，实验前显著高于实验后。结果提示实验干预任务导致SDNN、RMSSD、HF指标产生有意义的干预效应。

表1 不同时段HRV指标的描述性统计结果（±s）

表1 不同时段HRV指标的描述性统计结果（±s）

*P＜0.05，组内不同时刻比较；#P＜0.05，实验组与对照组比较

HRV指标时域指标频域指标SDNN RMSSD LF HF LF/ HF组别（n=19）实验组对照组实验组对照组实验组对照组实验组对照组实验组对照组实验前70.94 ± 30.80 71.85 ± 27.55 70.99 ± 45.85 72.95 ± 45.00 39.49 ± 6.62 40.10 ± 6.19 60.51 ± 6.62 59.90 ± 6.19 0.67 ± 0.20 0.69 ± 0.19实验后94.37 ± 33.99* #73.81 ± 24.56 93.74 ± 42.33*73.43 ± 45.40 42.63 ± 5.83 41.19 ± 6.37 57.37 ± 5.82*60.02 ± 6.22 0.76 ± 0.17 0.70 ± 0.19

2.3 ET指标分析

2.3.1 抑制性递质的分析

不同时刻抑制性递质的描述性结果见表2。通过对数据进行组别（有认知操作任务、无认知操作任务）和测试时间（0 min、45 min）的重复测量方差分析可见，γ-GABA和INH的测试时间和组别无显著主效应[F（1，36）=3.042，P＞0.05;η2=0.090；F（1，36）=0.266，P＞0.05 ;η2=0.007]；测试时间与组别无显著交互作用[F（1，36）=0.058，P＞0.05;η2=0.002]。5-HT 的测试时间影响显著[F（1，36）=7.756，P＜0.01;η2=0.184]；组别主效应不显著；测试时间与组别的交互作用显著[F（1，36）=7.528，P＜0.01;η2=0.189]。简单效应分析结果显示，实验前实验组和对照组无显著性差异；实验后实验组显著高于对照组。对照组中，不同测试时间无显著性差异；实验组中，实验后显著高于实验前。结果提示实验干预任务导致5-HT指标产生有意义的干预效应。

表2 不同时刻抑制性递质的描述性统计结果（±s）

表2 不同时刻抑制性递质的描述性统计结果（±s）

*P＜0.05，**P＜0.01，组内不同时刻比较；#P＜0.05，##P＜0.01，实验组与对照组比较

抑制性递质γ-GABA 5-HT INH组别（n=19）实验组对照组实验组对照组实验组对照组实验前8.32 ± 4.23 8.68 ± 2.24 16.84 ± 5.57 20.32 ± 7.68 6.16 ± 4.40 7.00 ± 3.67实验后6.58 ± 3.92 7.37 ± 5.08 23.89 ± 4.90**20.26 ± 3.11##4.84 ± 4.27 7.53 ± 5.54

2.3.2 兴奋性递质的分析

不同时刻兴奋性递质的描述性结果见表3。通过对数据进行组别（有认知操作任务、无认知操作任务）和测试时间（0 min、45 min）的重复测量方差分析可以发现，Glu、ACh、NE、DA的测试时间和组别的主效应均不显著，测试时间与组别无显著交互作用。EXC 测试时间影响显著[F（1，36）=5.968，P＜0.05;η2=0.132]；组别的主效应不显著，测试时间与组别无显著交互作用，提示实验干预任务对EXC未产生有统计学意义的干预效应。

表3 不同时刻兴奋性递质的描述性统计结果（±s）

表3 不同时刻兴奋性递质的描述性统计结果（±s）

*P＜0.05，组内不同时刻比较

兴奋性递质Glu ACh EXC NE DA组别（n=19）实验组对照组实验组对照组实验组对照组实验组对照组实验组对照组实验前4.32 ± 3.97 5.11 ± 4.47 14.89 ± 4.64 16.42 ± 7.00 17.47 ± 5.24 15.47 ± 5.73 13.11 ± 5.53 11.32 ± 7.65 7.74 ± 5.92 7.42 ± 4.69实验后4.84 ± 4.26 5.26 ± 4.08 15.58 ± 5.24 15.05 ± 6.29 13.89 ± 4.43*12.89 ± 6.39*11.21 ± 5.18 10.21 ± 6.07 7.21 ± 4.80 6.32 ± 4.47

2.4 S4指标与其他指标的相关分析

对45 min Flanker 任务后S4 指标与行为学指标、心率变异性指标进行Pearson相关分析，具体结果见表4。S4 指标与RT 呈中度正相关，且差异显著（r=0.569，P＜0.05），S4指标与HRV中的RMSSD和HF呈中度正相关，且差异显著（r=0.496，P＜0.05;r=0.550，P＜0.05）。

表4 S4指标与行为学数据、心率变异性相关性分析

3 讨论

3.1 45 min Flanker 任务诱发中枢疲劳的行为学及HRV变化

Flanker 任务是国际上常用的中枢疲劳诱导范式，该范式通常采用持续1～2小时的Flanker任务诱发中枢疲劳[4，8，28-29]。李四化[29]、朱昭红[4]等都采用连续60 min Flanker 任务操作来诱导疲劳。本研究预实验发现，由于被试的特殊性（运动员），被试很难坚持1 小时以上的Flanker任务，同时观察到45 min后被试普遍出现坐立不安、注意不集中、精神烦躁或恍惚等现象，事后交流得知被试在任务操作后期出现情绪烦躁甚至愤怒，对继续任务的厌恶感增加。综合考虑前人研究、预实验结果，采用持续45 min执行Flanker任务操作来诱发疲劳。

前人研究发现中枢疲劳会伴发行为学和HRV 变化[3，32，35-36]，本研究通过多指标综合判断检验45 min Flanker 能否有效诱发中枢疲劳。从图2 可知，随着Flanker 任务操作时间的延长，正确率持续显著下降[37-39]。表1结果表明，时域指标SDNN和RMSSD随操作时间的延长，出现不断升高的趋势，提示疲劳后被试HRV的总体值和快变化成分升高，心率加快[40]。表2结果表明，高频段功率值HF显著下降。HF下降说明迷走神经的张力降低，从而导致心率加快，与时域指标结果一致。

前人研究的反应时指标呈莲花趋势[3，38]，本研究反应时指标持续显著缩短。反应时在第1 时段最慢，可能是由于操作不熟练、紧张造成的，第2时段随着紧张感降低以及操作熟练化，反应变快，第3时段反应时缩短，原因可能是被试是运动员，他们的学习耐心差，结合事后访谈，被试在操作后期出现了烦躁、愤怒的情绪，可能是这种情绪使被试的自我期望和努力程度降低，并在希望尽快摆脱任务的驱动下，调整操作表现牺牲正确率、缩短反应时间，来尽快结束任务，缓解疲劳的不适感。被试的特殊性（运动员）和事后访谈（策略选择），共同解释了本研究反应时结果与前人研究不完全一致的原因。

本研究通过行为学数据、被试主观感受和HRV 指标表明：45 min的Flanker任务成功诱发了中枢疲劳。

3.2 45 min Flanker任务诱发中枢疲劳的神经递质变化

根据对中枢神经系统的作用，脑内神经递质分为抑制性递质和兴奋性递质。5-HT 是一种抑制性神经递质，在脑内主要分布在下丘脑、丘脑内侧核、中脑、脑干等处[41，42]。本研究结果显示，45 min Flanker任务后，5-HT 显著升高（P＜0.01）。5-HT 升高与反应时、RMSSD 以及HF 均呈中度正相关（P＜0.05），说明45 min Flanker 任务诱发中枢疲劳与5-HT 含量升高有关。推测其可能机制为长时间认知操作时（45 min Flanker任务），大脑过多消耗能量，脑内ATP浓度下降，糖原作为大脑主要供能物质含量显著减少，进而导致脑内氧化酶活性如5-HT代谢的主要酶单胺氧化酶受到抑制[43]，5-HT 分解过程减弱进而导致脑内5-HT 浓度升高，对中枢神经系统产生了保护性抑制作用。

不同的行为模式（如运动、认知任务）引发的神经递质变化可能有所不同，比如运动性中枢疲劳将导致5-HT、γ-GABA等抑制性神经递质含量升高[44]，DA浓度降低变化，但认知性疲劳则可能不同于运动性中枢疲劳，S4可能才是评价认知性中枢疲劳的敏感指标。45 min Flanker任务导致S4活动强度升高，且S4的升高与表征中枢疲劳的行为学、心率变异性指标呈有意义的相关关系，提示S4是评价认知性中枢疲劳的敏感指标。

4 研究的贡献和局限性

既往研究通过Flanker 任务诱发中枢疲劳，任务时间均不短于1 小时，如李四化[29]、朱昭红[4]等等，但是长时间的任务操作增加实验时间成本，同时可能引起被试倦怠、厌烦等情绪反应，进而影响实验结果。本研究被试为运动员，在预实验过程中发现大部分运动员很难坚持1 小时及以上，只能坚持45 min。针对运动员特殊群体的预实验结果，我们确定45 min 的任务时长，并成功诱发了中枢疲劳。本研究结果验证了45 min Flanker任务可以有效诱发运动员群体的认知性中枢疲劳，缩短了时间成本，提高了实验的可操作性。

尽管中枢疲劳的神经递质机制已经基本达成共识[3-8]，但此类研究主要是基于动物实验，以人为被试的研究，则大都运用ERP、fMRI、NIRS 等神经生理技术，但均难涉及神经递质，特别是运动员认知性中枢疲劳的神经递质机制尚未见人体实验研究报告。本研究结果发现认知操作任务可诱发运动员的中枢疲劳，且这种疲劳与5-HT升高有关，为中枢疲劳的神经递质机制提供了人体实验依据。

根据科学的还原论，无论运动训练负荷或运动员认知任务导致的中枢疲劳都可能与神经递质变化有关。本研究结果提示通过ET 技术可以对中枢疲劳的神经递质变化进行有效评价，为运动员平时训练负荷及高强度认知加工任务诱发的中枢疲劳的监测提供一个客观测评技术手段。

本研究还存在以下几点局限。第一，超过45 min的认知操作任务是否会导致中枢疲劳的进一步加深，并导致不同神经递质的有意义变化还有待进一步实验探索；第二，中枢疲劳引起神经递质变化与高级认知功能的时间、空间变化关系还有待结合ERP 等神经生理技术进行更深入的研究；第三，本研究只能代表大学生运动员特定群体，不同运动项目、不同运动水平的运动员中枢疲劳实验研究范式及机制是否有差异还不得而知；第四，不同中枢疲劳诱导范式、不同范式难度对结果的影响程度尚待进一步检验，如不同难度的连线测验TMT任务、语词记忆任务、计算任务等及不同时长对ET指标变化的影响。

5 结论

（1）45 min Flanker 任务可以诱发中枢疲劳；（2）45 min Flanker任务引发的中枢疲劳与S4升高有关。