羅俊波

(廣州體育職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東廣州 510650)

預(yù)警時間對視覺反應(yīng)的影響機(jī)制①
——來自ERP的證據(jù)

羅俊波

(廣州體育職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東廣州 510650)

該研究采用“開始-準(zhǔn)備-目標(biāo)探測”范式,利用事件相關(guān)電位技術(shù)初步探討了不同預(yù)警時間下目標(biāo)刺激出現(xiàn)后的腦內(nèi)時程動態(tài)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn):首先,在目標(biāo)刺激出現(xiàn)后的200ms左右,短ISI(400ms)和長ISI(1000ms)在大腦的頂枕部兩側(cè)均誘發(fā)了明顯的識別電位,并且長ISI(1000ms)下RP的潛伏期顯著的快于短ISI(400ms)下RP的潛伏期,可能反應(yīng)了ISI為1000ms下對目標(biāo)刺激的快速識別;隨后,300～500ms內(nèi),在頭皮的大部分區(qū)域,長ISI(1000ms)比短ISI(400ms)誘發(fā)了一個更正的P3成分,可能表明長ISI下被試需要付出更多的認(rèn)知資源用于接下來的快速反應(yīng)。

體育比賽 預(yù)警時間 反應(yīng)時 事件相關(guān)電位(ERP)

反應(yīng)時，是指刺激作用于有機(jī)體后到明顯反應(yīng)開始所需要的時間。這包括了一系列的階段：刺激使感受器產(chǎn)生興奮，其沖動傳到感覺神經(jīng)元，然后經(jīng)感覺神經(jīng)傳至大腦皮質(zhì)的感覺中樞和運(yùn)動中樞，經(jīng)運(yùn)動中樞直至效應(yīng)器，最后效應(yīng)器接受沖動開始效應(yīng)活動[1]。反應(yīng)時在體育競技比賽中也會經(jīng)常的被用到。例如起跑的反應(yīng)時就是指發(fā)令槍響到運(yùn)動員手開始離地這段時間。

體育比賽事中，在‘各就位’和‘預(yù)備’口令之后，參賽者應(yīng)馬上完成有關(guān)動作，任何參賽者不能在合理時間內(nèi)完成有關(guān)動作，則屬起跑犯規(guī)。聽到槍響應(yīng)立即起跑。如果運(yùn)動員在沒有聽到槍響而做出起跑動作，則屬于搶跑。但如果運(yùn)動員在聽到槍響而沒有做出起跑動作時，則屬于起跑反應(yīng)滯后。一般水平的賽事中，可能起跑速度不是決定比賽勝負(fù)的關(guān)鍵，但涉及到高水平的體育競技中，反應(yīng)速度有可能是決定勝負(fù)的一個關(guān)鍵要素。以北京奧運(yùn)會為例：女子400米自由泳項(xiàng)目中英國的麗貝卡·阿德林頓以4分3秒22獲得金牌，美國的凱蒂·霍夫以4分3秒29獲得銀牌，金牌與銀牌相差僅0.07 s。男子100m蝶泳項(xiàng)目金牌與銀牌相差0.01 s，女子50m自由泳這個項(xiàng)目金牌與銀牌相差0.01 s。不難看出，如果運(yùn)動員在起跑線上的反應(yīng)速度慢下幾十毫秒甚至幾毫秒，直接決定了冠亞軍的角逐。

當(dāng)然決定反應(yīng)速度的因素可能有多個，首先是來自刺激物本身(刺激類型、強(qiáng)度、呈現(xiàn)方式等)的影響，其次是來自個體本身(個體差異、練習(xí)水平、定勢、準(zhǔn)備狀態(tài)以及心理素質(zhì)等)的影響，再者外界環(huán)境等一些因素也會產(chǎn)生影響。本研究將就機(jī)體的準(zhǔn)備狀態(tài)(預(yù)警時間)對反應(yīng)時的影響及其內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行初步探討。具體而言，本研究欲在“各就位——預(yù)備——發(fā)槍令”這一體育活動的范式基礎(chǔ)上，在視覺通道上設(shè)置了“開始-準(zhǔn)備-目標(biāo)探測”實(shí)驗(yàn)范式，采用事件相關(guān)電位(ERP)技術(shù)初步探討不同預(yù)警時間(準(zhǔn)備到目標(biāo)刺激的時間間隔)下目標(biāo)刺激出現(xiàn)后的腦內(nèi)時程動態(tài)變化。

ERP技術(shù)主要通過辨別大腦活動時激發(fā)的腦電波變化來判斷大腦結(jié)構(gòu)和被激活區(qū)域，它能提供達(dá)到毫秒級的時間分辨率，能有效地評估某些認(rèn)知活動的時間特點(diǎn)，其成分是多維度的，包括波幅、潛伏期、極性(P/N)和頭皮分布等，波幅反映的是大腦的興奮程度，潛伏期反映的是神經(jīng)活動與加工過程的時間和速度，而極性指的是正波還是負(fù)波[2]。該實(shí)驗(yàn)范式下，被試欲對目標(biāo)刺激做出快速反應(yīng)，就需首先對其進(jìn)行識別。識別電位是ERP早成分中比較重要的一個成員，是當(dāng)被試看到可識別視覺刺激(如詞或圖片)時，在約200～250ms內(nèi)達(dá)到峰值的腦電反應(yīng)[3-6]，它由美國紐約州立大學(xué)布魯克林醫(yī)學(xué)中心的Rudell教授于1991年首次描述。此外，與任務(wù)加工過程中資源分配有關(guān)的P3成分，我們預(yù)期在個體進(jìn)行快速反應(yīng)過程中也會被誘發(fā)。因此，通過對不同預(yù)警時間下出現(xiàn)的目標(biāo)刺激所誘發(fā)的RP以及P3進(jìn)行考察，可以為我們較好的了解預(yù)警時間對個體快速反應(yīng)的影響機(jī)制提供較為直接的電生理證據(jù)，以期為體育比賽中有關(guān)反應(yīng)速度的訓(xùn)練在某種程度上提供參考。

圖2 兩個條件下目標(biāo)刺激在P07和P08兩個電極點(diǎn)誘發(fā)的ERP總平均圖

1 研究方法

1.1 被試

隨機(jī)選取國內(nèi)某大學(xué)學(xué)生17人(8男9女)，年齡20～24歲(平均22.3歲)。被試經(jīng)問卷測試皆為右利手，無疾病，視力或者矯正視力正常，做完實(shí)驗(yàn)后被試均獲取適量報酬。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

單因素(2個水平)被試內(nèi)設(shè)計，自變量為預(yù)備刺激到目標(biāo)刺激出現(xiàn)中間的時間間隔(ISI：400ms和1000ms)。自變量水平的選取是根據(jù)先前的預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在我們的預(yù)實(shí)驗(yàn)中，我們選取了9個水平：400ms、600ms、800ms、1000ms、1200ms、1400ms、1600ms、1800ms和2000ms。結(jié)果表明，ISI在400～1000ms之間時，被試對目標(biāo)刺激的探測速度會隨著ISI的逐步增大而加快，1000ms之后，隨著間隔時間增大，目標(biāo)刺激的探測速度開始變慢。因此我們選取兩個比較有代表的ISI(400ms和1000ms)。因變量為被試正確按鍵的反應(yīng)時以及目標(biāo)刺激誘發(fā)的ERP成分。

1.3 程序與任務(wù)

實(shí)驗(yàn)程序采用E-prime軟件編寫，顯示器為19英寸液晶顯示器。被試眼睛與顯示器齊平，距離屏幕57 cm。刺激流程如圖1所示，在黑色的背景中央首先呈現(xiàn)“+”(呈現(xiàn)100ms)，間隔1000ms出現(xiàn)“預(yù)備”(呈現(xiàn)100ms)，然后不同的ISI后出現(xiàn)目標(biāo)刺激(呈現(xiàn)1000ms)。目標(biāo)刺激為直徑視角為1°的白色小圓圈。被試的任務(wù)是在目標(biāo)刺激出現(xiàn)后，立即做出按鍵反應(yīng)。提前或目前消失之后的按鍵視為無效。實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)刺激總是出現(xiàn)在固定位置(中心點(diǎn))。為了提高被試的投入度，我們設(shè)置了兩類刺激。具體而言，出現(xiàn)“”(目標(biāo)刺激)按“1”鍵；出現(xiàn)“”則不需按鍵。整個實(shí)驗(yàn)分3個block，每個block里有60次任務(wù)(其中每種ISI下出現(xiàn)20次“”10次“”)，各任務(wù)均隨機(jī)出現(xiàn)。正式實(shí)驗(yàn)之前，被試有一定的練習(xí)時間。在確保被試明白實(shí)驗(yàn)任務(wù)后才開始記錄。實(shí)驗(yàn)時被試靜坐于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，兩眼注視屏幕中央，要求被試盡量少動，目標(biāo)刺激呈現(xiàn)時盡量不眨眼，盡可能快而準(zhǔn)地做出按鍵反應(yīng)。

1.4 數(shù)據(jù)記錄和分析

使用德國Brain Products公司的ERP記錄與分析系統(tǒng)，按國際10-20系統(tǒng)擴(kuò)展的64導(dǎo)電極帽記錄EEG，以雙耳乳突的連線作為參考電極，雙眼外側(cè)安置電極記錄水平眼電(HEOG)，左眼上下安置電極記錄垂直眼電(VEOG)。每個電極處的頭皮電阻保持在5 kΩ以下。濾波帶通為0.05～80 Hz，采樣頻率為500 Hz/導(dǎo)。完成連續(xù)記錄EEG后離線(off line)處理數(shù)據(jù)，自動校正VEOG和HEOG，并充分排除其他偽跡。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的目的，主要分析目標(biāo)刺激出現(xiàn)后所誘發(fā)的ERP，分析時程(epoch)為字謎出現(xiàn)后500ms，基線為刺激出現(xiàn)前100ms。按照被試的按鍵反應(yīng)結(jié)果，分別對ISI為“400ms”下與“1000ms”下按對的EEG進(jìn)行疊加。波幅大于±80(V者被視為偽跡自動剔除。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得到的兩類反應(yīng)任務(wù)的ERP總平均圖(圖2)。在100～300ms內(nèi)，兩條件下在頭皮的頂枕部均誘發(fā)的明顯的RP成分。該成分別在左半球的PO7點(diǎn)和右半球的PO8點(diǎn)達(dá)到頂峰。采用峰值法對RP成分進(jìn)行檢測。以P08為例，RP的峰值以及潛伏期在400ms和1000ms下分別為：-6.17 μV和199.53ms，-5.29 μV和191.18ms。根據(jù)已有研究，選取2個電極位置對RP成分進(jìn)行二因素重復(fù)測量的方差分析，二個因素分別為條件類型“(400ms”和“1000ms”)和記錄點(diǎn)(PO7和PO8)。在300～500ms內(nèi)，兩條件下的目標(biāo)刺激在頭皮大部分區(qū)域均誘發(fā)了一個明顯的P3成分。采用平均振幅法對P3在300～500ms的時間窗口進(jìn)行二因素重復(fù)測量的方差分析，二個因素分別為條件類型(“400ms”和“1000ms”)和記錄點(diǎn)(Fz，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)Cz，F(xiàn)C1，F(xiàn)C2，F(xiàn)C3，F(xiàn)C4，Cz，C1，C2，C3，C4，CPz，CP1，CP2，CP3，CP4，Pz，P1，P2，P3，P4，POz，PO3和PO4)。方差分析的P值采用Greenhouse Geisser法校正，腦電地形圖由64導(dǎo)數(shù)據(jù)得出。

2 結(jié)果與分析

2.1 行為數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)采用的是簡單檢測任務(wù)，總體檢測發(fā)現(xiàn)反應(yīng)錯誤率低于1％，因此，本研究不對錯誤率進(jìn)行分析。個別被試由于失誤導(dǎo)致的按錯鍵已在數(shù)據(jù)提起中自動剔除。另外對于反應(yīng)時小于100ms的數(shù)據(jù)也進(jìn)行了刪除。行為記錄表明，被試在ISI為“400ms”和“1000ms”下對目標(biāo)刺激的正確反應(yīng)的速度分別為：503ms和468ms。統(tǒng)計結(jié)果表明，條件的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)(1，16)=15.658，p=0.001。

2.2 腦電數(shù)據(jù)

2(電極點(diǎn)：PO7和 PO8)×2(條件：400ms和1000ms)重復(fù)測量分析顯示，在RP的波幅上，條件的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)(1，16)=6.671，P＜0.05，表現(xiàn)為400ms下的波幅(-7.02V)顯著的高于1000ms下的波幅(-5.54 μV)。電極點(diǎn)的主效應(yīng)以及電極點(diǎn)和條件的交互作用均不顯著。在RP的潛伏期上，條件的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)(1，16)=5.207，P＜0. 05，表現(xiàn)為1000ms下的潛伏期(198.41ms)顯著的快于400ms下潛伏期(191.24ms)。電極點(diǎn)的主效應(yīng)以及電極點(diǎn)和條件的交互作用均不顯著。

28(電極點(diǎn)：Fz，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)Cz，F(xiàn)C1，F(xiàn)C2，F(xiàn)C3，F(xiàn)C4，Cz，C1，C2，C3，C4，CPz，CP1，CP2，CP3，CP4，Pz，P1，P2，P3，P4，POz，PO3和PO4)×2(條件：400ms和1000ms)重復(fù)測量分析顯示，在300～500ms內(nèi)，條件類型的主效應(yīng)均顯著，F(xiàn)(1，16)=12.179，P＜0.01，表現(xiàn)為1000ms下誘發(fā)的P3成分更正。另外，電極位置的主效應(yīng)均顯著，F(xiàn)(27，432))=8.466，p＜0.001，但任務(wù)類型與電極位置的交互作用均不顯著。

3 討論

在很多體育競技項(xiàng)目中，運(yùn)動員需要對特定的目標(biāo)刺激做出快速反應(yīng)。這些刺激有聽覺的、有視覺的。以聽覺為例，田徑運(yùn)動員需要在聽到哨響后做出起跑動作。在視覺層面上，籃球運(yùn)動員在爭搶籃板時，需對即將出現(xiàn)在特定區(qū)域的籃球做出快速的反應(yīng)。這些項(xiàng)目中，如何能對即將出現(xiàn)的目標(biāo)刺激做出快速反應(yīng)，一直是人們比較關(guān)注的熱點(diǎn)。

該研究在“各就位——預(yù)備——發(fā)槍令”這一體育活動的范式基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)了“開始-準(zhǔn)備-目標(biāo)探測”實(shí)驗(yàn)范式，采用事件相關(guān)電位(ERP)技術(shù)初步探討了預(yù)警時間對特定目標(biāo)刺激的快速反應(yīng)的影響。在一項(xiàng)預(yù)備性實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ISI在400～1000ms之間時，被試對目標(biāo)刺激的探測速度會隨著ISI的逐步增大而加快，1000ms之后，隨著間隔時間增大，目標(biāo)刺激的探測速度開始變慢。據(jù)此，我們選取兩個比較具有代表性的ISI(400ms和1000ms)作為腦電實(shí)驗(yàn)的兩個考察水平。行為結(jié)果驗(yàn)證了ISI為1000ms時被試對特定目標(biāo)的刺激反應(yīng)速度(468ms)顯著的快于ISI為400ms下的反應(yīng)速度(503ms)。由此可見，不同預(yù)警時間可以直接導(dǎo)致反應(yīng)速度達(dá)到幾十毫秒的差異。那么是什么導(dǎo)致這種差異的呢？ERP以其有效地反應(yīng)認(rèn)知活動的時間特點(diǎn)為我們了解被試在不同ISI下對特定目標(biāo)識別判斷做出反應(yīng)這一過程提供了有效參考。

首先，兩條件下在目標(biāo)刺激出現(xiàn)后約200ms均誘發(fā)了明顯的RP成分。如前所述，RP是被試看到可識別視覺刺激(如詞或圖片)時，在約200～250ms內(nèi)達(dá)到峰值的腦電反應(yīng)，反應(yīng)的是對刺激物的識別。該研究下，1000ms下對目標(biāo)刺激識別的RP的潛伏期顯著的快于400ms下潛伏期，這表明1000ms下被試能較早(提前約7ms)的對目標(biāo)刺激進(jìn)行識別。這提前幾毫秒的識別可能是導(dǎo)致快速做出反應(yīng)(提早約35ms)的一個很重要的原因。而導(dǎo)致提前的識別原因可能是由于預(yù)警時間為1000ms下，被試對即將到來的目標(biāo)刺激識別已經(jīng)做好了充足的準(zhǔn)備，是目標(biāo)刺激識別的最佳期。換句話說，如果預(yù)警時間過短(例如400ms)，被試就沒有足夠的時間進(jìn)行注意資源的“調(diào)集”，當(dāng)目標(biāo)刺激出現(xiàn)后，人類的大腦可能還需要繼續(xù)“調(diào)集”注意資源，因此延長了對目標(biāo)刺激識別的時間。此外，400ms下的波幅顯著的高于1000ms下的波幅。波幅作為大腦興奮程度的一個反應(yīng)指標(biāo)，可能表明400ms下被試對目標(biāo)刺激的識別需要付出更多的認(rèn)知資源。400ms下的預(yù)警時間，被試由于還繼續(xù)“調(diào)集”注意資源應(yīng)對即將到來的目標(biāo)刺激。因此，當(dāng)目標(biāo)刺激出現(xiàn)之時被試需要花費(fèi)更多的心理資源用于識別。對目標(biāo)進(jìn)行了識別并不等于就可以做出快速反應(yīng)。這只是為快速反應(yīng)提供了一個好的鋪墊。

隨后，在300～500ms內(nèi)，兩條件下的目標(biāo)刺激在頭皮大部分區(qū)域均誘發(fā)了一個明顯的P3成分。關(guān)于P3的認(rèn)知功能有很多，其中它的一個比較典型的認(rèn)知功能是認(rèn)為它與選擇性注意和資源分配等認(rèn)知活動有關(guān)，在一定程度上其波幅反映了對給定任務(wù)的心理資源投入量。該研究下1000ms下目標(biāo)刺激誘發(fā)的P3成分更正，這可能表明該條件下被試付出了更多的認(rèn)知資源用于接下來的按鍵反應(yīng)。這可能也是導(dǎo)致被試在預(yù)警期為1000ms下對目標(biāo)刺激能快速做出反應(yīng)的一個最直接的原因。該條件下被試之所以能付出更多的認(rèn)知資源應(yīng)對接下來的按鍵反應(yīng)也是源于前一階段較早的對目標(biāo)刺激的識別。

4 結(jié)論

該研究在視覺通道上就預(yù)警期對反應(yīng)時的影響機(jī)制進(jìn)行了初步探討。結(jié)果表明，預(yù)警時間對目標(biāo)刺激的反應(yīng)時間是存在影響的。這種影響機(jī)制反映在ERP指標(biāo)上首先是RP波幅和潛伏期上有差異，其次，與心理資源投入量有關(guān)的P3在波幅上也存在差異。這一結(jié)果，相信能為體育比賽中有關(guān)反應(yīng)速度的訓(xùn)練在一定程度上提供參考，例如，預(yù)警時間為1 s可能是個體在視覺層面上比較合適的準(zhǔn)備期。今后有必要對聽覺以及其他通道展開研究。

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G80-35

A

2095-2813(2014)12(b)-0009-03

羅俊波，男，中級，碩士研究生，研究方向：體育教學(xué)與訓(xùn)練。