1、1周成林,馮琰上海體育學院運動科學學院,上海(200438E-mail: chenglin_600摘要:采用反應時研究范式和事件相關電位(ERP技術,通過比較運動員與普通大學生對 不同視野刺激進行知覺選擇反應的反應時間、 反應準確率及所誘發的 ERP 成分的潛伏期和波 幅的差異, 來揭示對抗性項目運動員空間知覺的腦神經活動變化特點。 結果顯示, 運動員與 普通大學生在 P1、N1和 P300的波幅以及 P300的潛伏期上均存在顯著或非常顯著差異;運 動員對上視野刺激進行選擇反應時誘發出明顯的 P2和 N2成分, 而普通大學生對下視野刺激 進行選擇反應時誘發出明顯的 P2和 N2成分。 結果表明

2、, 運動員與普通大學生對不同視野刺 激進行識別的心理過程在時間進程上沒有差異, 但在空間知覺速度以及知覺策略的運用上存 在顯著差異,這與對抗性項目運動員長期從事專項運動訓練有關。關鍵詞 :運動員;空間知覺;反應時;事件相關電位中圖分類號:G804.861.引言運動員在運動過程中,所涉及的認知過程一般包括知覺、注意、記憶、思維與決策等。 由于知覺是后續的認知過程的前提和基礎, 其重要意義決定了這一領域的研究備受關注。 目 前, 國內外運動心理學家對知覺的研究主要集中在運動員知覺能力和知覺預測等方面。 由于 運動員在運動情境中進行知覺預測和思維決策都是以空間知覺、 時間知覺、 動作知覺等知覺 能力

3、為基礎, 所以對于運動員專項知覺能力的評價可以為運動員的心理診斷和心理選材提供 科學的理論依據。近年來, 隨著認知神經科學的迅猛發展, 無創性腦功能成像技術越來越受到研究者的青 睞。所以,本研究采用反應時研究范式和事件相關腦電位(ERP技術,通過比較運動員與 非運動員對不同空間位置刺激進行知覺選擇反應的反應時間、準確率及所誘發的 ERP 成分 (ERPs 的差異, 來揭示運動員空間知覺過程中的腦神經活動變化特點, 為準確評價運動員 的空間知覺能力提供理論參考。2.實驗對象與方法2.1 實驗對象選取 12名男性大學生為實驗對象,分為運動員組和普通大學生組,每組各 6人。運動 員組由剛進入大學的退

4、役運動員組成,包括擊劍 4人、拳擊 1人、散打 1人;平均年齡為1本課題得到高等學校博士學科點專項科研基金項目(20060277003的資助。12.2 實驗方法主要采用 ERP 實驗記錄分析法。2.2.1 刺激圖片刺激圖片為黑色屏幕背景中的紅色圓圈, 根據圓圈在黑色背景中所處位置的不同, 可以 分為四類:左上紅色圓圈、右上紅色圓圈、左下紅色圓圈、右下紅色圓圈。刺激圖片中的紅 色圓圈視角均為 6.4o 。2.2.2 實驗步驟讓被試舒適地端坐于顯示屏前的實驗座椅上,被試雙眼與屏幕距離 90cm,并將雙手舒 適地放于反應盒按鍵上。 主試向被試進行講解和說明, 使其了解實驗的整體進程和要求, 然 后讓

5、被試進行三次練習,以熟悉按鍵的使用和整個實驗程序。刺激程序采用 E-Prime 軟件編制。 具體如下:被試按鍵開始實驗, 首先在黑色屏幕中間 出現一白色注視點“+” ,呈現時間為 5OOms;然后呈現一幅刺激圖片,呈現時間為 50ms;隨 后出現黑屏并保持 1000ms;要求被試根據刺激圖片中紅色圓圈所處位置進行按鍵反應。反 應結束到下一幅刺激圖片的時間間隔是隨機的,范圍為 1500ms-2300ms,如此循環往復。每 組刺激圖片 20幅,共 5組。如果被試在給定的 1000ms 內沒做出任何按鍵反應或按鍵過輕, 均視為反應錯誤。在整個實驗過程中,對被試反應的正確性和反應速度做同等強調。 2.

6、2.3 ERP記錄實驗設備為德國 Brain Products 公司生產的 64道 ERP 記錄與采集系統和 Ag/AgCI電 極帽。電極點采用國際 1020標準電極系統定位。參考電極置于鼻尖處,前額接地。在雙 眼外側安置電極記錄水平眼電, 在左眼上下安置電極記錄垂直眼電。 濾波帶通為 DC100Hz, 采樣頻率為 500Hz/導,頭皮電阻小于 15k。2.2.4 行為數據統計與分析Brain Products的 ERP 記錄與采集系統可以同步記錄反應時、反應準確率等行為學指 標。使用 SPSS 13.0對行為數據進行方差分析。2.2.5 ERP數據統計與分析對采集的 ERP 腦電數據進行離線

7、分析。分析時程為 1200ms(含基線 200 ms ,自動矯正 眨眼等偽跡,波幅大于100uV者在疊加中被自動剔除。實驗所得 ERPs 經 0.0116Hz的 無相移數字濾波,以刺激前的均值校正基線。根據 ERP 的總平均圖,選擇 Fz、Cz、CPz、Pz、 POz、Oz、PO3、PO4和 P5共 9個電極記錄點對不同刺激進行正確反應所誘發的 ERPs 進行疊 加 和 處 理 。 對 不 同 ERPs 成 分 的 潛 伏 期 和 波 幅 進 行 多 元 方 差 分 析 , p 值 采 用 Greenhouse-Geisser 法校正。23.實驗結果3.1 行為結果對行為結果進行的方差分析表明

8、,反應時具有顯著的視野主效應(F3,44=15.543, P0.001和組別主效應(F3,44=27.857,P0.001 。對視野主效應的進一步多重比較顯示, 無論是運動員還是普通大學生, 對右上和左下視野刺激的知覺選擇反應速度都明顯快于左上 和右下視野(P0.01,P0.05 。 另外, 反應準確率只具有顯著的視野主效應 (F3,44=9.963, P0.001 ; 進一步多重比較顯示, 無論是運動員還是普通大學生, 對左下視野刺激進行選擇 反應的準確率明顯低于其它視野(P0.01 ;左上視野的準確率又高于右上視野(P0.05 。 結果表明, 運動員進行空間知覺選擇反應的速度明顯快于普通大

9、學生, 但兩者在反應 準確率上沒有顯著差異。3.2 ERPs結果運動員和普通大學生進行空間知覺選擇反應時, 所誘發的 ERP 基本波形在特征上既具有 一定的相似性也具有一定的異同性(見圖 1 。在中央頂枕區(Pz記錄的 ERPs 顯示,在 70 ms 左右誘發出 C1,上視野(左上和右上視野刺激產生的是負電位 C1成分,下視野(左下 和右下視野刺激產生的是正電位 C1成分;在 90-140 ms左右誘發出 P1,在 150-200 ms左右出現 N1;在 200-250ms 左右誘發出 P2,在 250-300ms 左右出現 N2;在 300ms 左右以后 出現 P300。本研究主要對 P1、

10、N1、P2、N2和 P300進行分析。3.2.1 P1成分在整個頭皮不同腦區均誘發出 P1, 本研究選取額中央區的 Fz、 中央區的 Cz 以及頂枕中 央區的 CPz、Pz、Oz 五個電極記錄點進行疊加處理。以P1潛伏期為因變量的多元方差分析結果顯示,Fz、Cz、CPz、Pz和Oz上均不存在視野 和組別主效應, 僅在Oz顯示出空間位置與組別間存在顯著的交互作用 (F3, 44=3.010, P0.05 。 以P1波幅為因變量的多元方差分析結果顯示, 只有Cz (F3,44=4.184, P0.05 和CPz (F3,44=4.471,P0.05上存在顯著的組別主效應;其它電極記錄點上既不存在視

11、野和組別主效 應,也不存在視野與組別的交互作用。結果表明,運動員與普通大學生進行空間知覺選擇反應所誘發的 P1成分的差異僅表現 在波幅上。3.2.2 N1成分在頭皮后部腦區誘發出明顯的 N1,本研究選取左右枕葉區的 PO3和 PO4,左顳葉區的 P5和中部枕葉區的 POz,以及前后枕葉區的 Pz 和 Oz 六個電極記錄點進行疊加處理。 以N1潛伏期為因變量的多元方差分析結果顯示,PO3(F3,44=5.191,P0.01和P5(F3,44=8.572,P0.001上存在顯著的視野主效應;進一步多重比較結果表明:無論是運動員還 是普通大學生,對右視野(右上和右下視野刺激進行選擇反應時出現N1成分

12、的時間要明顯早于左視野(左上和左下視野 。但沒有發現組別主效應,視野與組別之間也不存在顯著 以N1波幅為因變量的多元方差分析結果顯示,POz(F3,44=3.529,P0.05 、PO3(F3,44=3.802,P0.05 、PO4(F3,44=3.903,P0.05和P5(F3,44=5.726,P0.01上存在顯著 或非常顯著的視野主效應; 進一步的多重比較結果表明:無論是運動員還是普通大學生, 對右視野刺激進行選擇反應時,在左頂區(P5誘發的N1波幅要高于左視野;對下視野刺激 進行選擇反應時,在頂枕區(PO3、POz、PO4誘發的N1波幅高于上視野。多元方差分析結 果還顯示,POz(F3

13、,44=6.596,P0.05 、PO3(F3,44=17.930,P0.001 、Oz(F3,44=7.014, P0.05和P5(F3,44=5.925,P0.05上存在顯著或非常顯著的組別主效應;但在六個電極 記錄點上沒發現視野與組別之間存在顯著的交互作用。結果表明,運動員與普通大學生進行空間知覺選擇反應所誘發的 N1成分的差異僅表現 在波幅上。3.2.3 P2和 N2成分普通大學生和運動員進行空間知覺選擇反應時,在 Pz 電極記錄點上所誘發的 P2和 N2的總平均圖顯示(如圖 1所示 。對上視野刺激進行選擇反應時,運動員頭皮的枕區、頂區、 中央區誘發了明顯的 P2和 N2成分; 普通大

14、學生只誘發了 P1、 N1和 P300成分, 未見明顯的 P2和 N2成分。與此相反,對下視野刺激進行選擇反應時,普通大學生頭皮的枕區、頂區、 中央區誘發了明顯的 P2和 N2成分,而運動員只見 P1、N1和 P300成分,未見明顯的 P2和 N2成分。 圖 1 Pz電極記錄點不同視野空間知覺選擇反應的 ERP 總平均圖3.2.4 P300成分在頭皮后部腦區誘發出明顯的 P300,本研究選取頂枕區的 PO3、POz 和 PO4,枕區的 Pz 4以P300潛伏期為因變量的多元方差分析結果顯示:Pz(F3,44=4.990,P0.05 、POz(F3,44=8.134, P0.01 、 Oz (F

15、3,44=5.698, P0.05 、 PO3(F3,44=4.616, P0.05 和PO4(F3, 44=8.999, P0.01誘發的P300潛伏期存在顯著或非常顯著的組別主效應;但沒有發現視野主效應,視野與組別之間也不存在顯著的交互作用。以P300的波幅為因變量的多元方差分析結果顯示, 除Pz外, POz (F3,44=5.418, P0.05 、 Oz(F3,44=8.175,P0.01 、PO3(F3,44=9.782,P0.01和PO4(F3,44=5.716,P0.05誘發 的P300波幅上均存在顯著或非常顯著的組別主效應;但也沒有發現視野主效應,視野與組 別之間也不存在顯著的

16、交互作用。結果表明,運動員與普通大學生進行空間知覺選擇反應所誘發的 P300成分的差異既表 現在潛伏期上也表現在波幅上。4.分析與討論4.1 運動員的刺激識別特征Vogel&Luck(2000 研究認為, N1反映了注意焦點內的識別過程 1。 羅躍嘉等人 (2001 在評估注意空間等級效應及其腦活動機制的研究中發現,P1波幅的增加可能反映了在促進 靶識別時,適當注意范圍的空間等級變化需要額外的運算資源;而N1波幅的減少可能反映 了較大提示范圍對注意焦點分散的結果 2?？梢?P1和 N1成分反映了對靶刺激特征的識別過程。研究發現,運動員和普通大學生 的 P1、N1峰潛伏期是沒有差異的,說明兩者對

17、靶刺激特征進行識別的心理過程在時間上的 變化具有一致性。 由于本研究中的靶刺激特征是不變的, 僅僅是刺激出現的空間位置發生變 化,所以運動員和普通大學生在對靶刺激進行識別的心理過程上沒有差異。但運動員的 P1、 N1波幅峰值卻明顯小于普通大學生,說明兩者對靶刺激特征進行識別所動用的心理能量是 不同的, 普通大學生要占用較多的心理運算資源。 產生這一差異的原因可能與運動員長期從 事運動專項訓練有關。對于對抗性項目而言, 運動員無時無刻不處在復雜多變的運動情境中, 并對可能有用的 運動信息(對手動作、場地情況等進行搜索和知覺(預測 ,以做出有效的判斷和決策。 相對于復雜的運動情境而言, 運動員進行

18、本研究中的簡單空間知覺選擇反應時自然要比普通 大學生需要的心理運算資源要少得多。 因此, 運動員和普通大學生進行靶刺激的識別僅存在 心理能量消耗上的差異。本研究結果還表明,無論是運動員還是普通大學生,下視野和右視野刺激所誘發的 N1波幅明顯高于上視野和左視野。這一結果提示,N1的波幅與刺激屬性存在密切關系,即下 視野和右視野產生的 N1波幅大于上視野和左視野。4.2 運動員的空間知覺特征關于 P300反映何種具體認知過程,目前還存在不同意見。一種觀點認為,P300代表知 覺任務的結束,也就是說,P300代表對某種刺激加工的抑制。另一種觀點認為,P300的潛5 伏期與認知加工過程中評估與分類的完

19、成有關， 即反映的是對刺激物的評價或分類所需要的 時間，而 P300 的波幅則與工作記憶中表征的背景更新有關。筆者認為，在本研究的空間知 覺選擇反應中，主要涉及的心理過程有刺激的識別、空間位置知覺及選擇反應等，并未有記 憶、思維決策等復雜心理過程的參與，所以，P300 的潛伏期代表著對刺激空間位置知覺的 結束以及動作選擇反應的開始。 本研究結果表明，運動員進行空間知覺選擇反應的反應時明顯快于普通大學生；P300 峰潛伏期明顯短于普通大學生。綜合行為數據和 ERPs 結果可以看出，運動員知覺刺激空間 位置的速度顯著快于普通大學生； 加上運動員在長期專項訓練中使神經肌肉系統形成了快速 的動作時，所

20、以，運動員進行空間知覺選擇反應的反應時間明顯短于普通大學生。 另外，解恒革等人（2002）的聽覺P300 研究表明，P300 波幅與注意水平密切相關，它 反映了注意資源對靶刺激的分配強度 。 本研究顯示， 運動員的P300 波幅峰值顯著低于普通 大學生。 可見， 運動員知覺刺激空間位置并進行選擇反應過程中所占用的注意資源和動用的 心理能力明顯少于普通大學生。 這可能與運動員長期從事專項訓練有關。 相對于日常以學業 任務為主的普通大學生而言， 運動員完成的空間知覺位選擇反應模式與其在實際運動情境中 完成運動任務時所發動的知覺選擇模式相類似， 所以其在完成空間位置知覺選擇反應時所需 要的動作記憶中

21、的表征更新程度要明顯小于普通大學生， 因此其完成空間知覺選擇反應時所 占用的注意資源較少，消耗的心理能量也就不多。 3 4.3 運動員的知覺策略特征 P2 和N2 作為視覺認知加工的早期ERPs成分，可能與視覺加工的早期階段注意、特 征覺察和沖突知覺等有關。高文斌等人（2002，2004）在注意范圍對視覺空間注意影響的腦 神經機制研究中指出，注意范圍對視覺信息加工的影響主要反映在P2 成分，P2、N2 成分與 視覺注意范圍加工有關；P2 波幅反映了視覺注意集中的程度，N2 則明顯受注意范圍的調節 4,5 。 本研究發現，運動員對上視野刺激進行空間知覺選擇反應時誘發了明顯的 P2 和 N2，而

22、普通大學生則對下視野刺激進行空間知覺選擇反應時誘發了明顯的 P2 和 N2。這可能與他們 在日常訓練和學習生活中所形成的知覺策略是不同的有關。 對抗性項目運動員在訓練和比賽 中，要求注意范圍適當寬廣，對已經發生的和正在發生的有用的運動信息進行選擇和注意， 利用主要處于上視野中的有效運動信息（對手的身體姿勢、器械的運動方向和速度、球的運 動軌跡等） ，預先做出動作選擇和判斷決策，以有效應對對手的進攻。所以，運動員只在上 視野出現靶刺激時誘發了明顯的 P2 和 N2，說明對抗性項目運動員在進行空間知覺時更多采 用的是注意指向上視野的知覺策略， 因而上視野刺激占用了較多的注意資源。 而普通大學生 日

23、常完成的多是學科作業和考試任務，注意更多集中于當前任務（數字或文字）處理上，注 意范圍比較狹窄，其注意的移動和轉換方向通常是至上而下、從左至右的。因此，普通大學 生只在下視野出現刺激時誘發了明顯的 P2 和 N2，說明普通大學生在進行空間知覺時更多采 用的是注意指向下視野的知覺策略，因而下視野刺激占用了其較多的注意資源。 另外， 本研究結果也提示我們， 一個人在特定情境中形成的知覺策略是可以遷移的其他 6 情境中的， 也可以說， 人在不同情境中對可能出現的刺激物的注意指向的腦神經活動機制是 具有一致性的，不過這還需做進一步的研究以獲取更多的有力證據。 5結論 綜上所述，在進行空間知覺選擇反應任

24、務中，運動員誘發的 P1、N1 和 P300 的波幅峰值 明顯小于普通大學生，P300 的峰潛伏期也明顯短于普通大學生。說明運動員與普通大學生 對不同空間位置刺激進行識別的心理過程在時間進程上沒有差異， 兩者動作反應時的差異主 要是由空間知覺速度、知覺策略的應用和肌肉的動作時的不同造成的。而且，運動員在對不 同空間位置刺激進行識別、知覺和選擇反應的過程中，都表現出了心理能量“節省化”的趨 勢，這些特點對于競賽強度相當大的對抗性項目來講尤為重要。 另外，在對運動員知覺能力評價和診斷的過程中，除采用相應的外顯行為測量數據外， 還應借鑒用于評價內隱認知過程的 ERPs（P1、N1、P2、N2 和 P

25、300）等電生理指標的測量結 果，以從行為和機能兩個層面上得出科學結論。 參考文獻 1 Vogel E K， Luck S J visual N1 component as an index of a discrimination process J The Psychophysiology， 2000，37：190-203 2 羅躍嘉，Parasuraman R早期 ERP 效應揭示視覺注意空間等級的腦調節機制J心理學報，2001，33 （5） ：385-389 3 解恒革，王曉紅，王魯寧注意狀態對事件相關電位的影響研究J中國心理衛生雜志，2002，16（2） ： 94-95，111 4 高

26、文斌，魏景漢，彭小虎，等位置提示與漢字提示視覺注意范圍的腦機制差異J航天醫學與醫學 工程，2003，16（1） ：14-18 5 高文斌，魏景漢，彭小虎，等位置提示下視覺注意范圍的調控機制J心理學報，2004，36（2） ： 139-144 Study on the Characteristics of Brain Nerve Activity of Spatial Perception of Athletes Zhou Chenglin，Feng Yan College of Exercise and Sport Science，Shanghai University of Sport, S

27、hanghai, China（200438 Abstract Adopted with the study mode of Reaction Times and the technique of Event-related Potentials(ERP, the paper compared the difference of the reaction times, accuracy rate，latency，amplitude of ERP components of athletes and undergraduate students during the process of choice reaction to stimuli which were presented at different field of vision, in order to explore the variety characteristics of brain nerve activity of spatial per