高水平男子擊劍運動員空間知覺特性的事件相關電位研究

周成林 馮琰 王小春

1 上海體育學院（上海 200438） 2 沈陽體育學院

目前，運動認知領域研究不同知覺能力時，通常遵循間接知覺理論思路，所采用的測量方法與特定環境刺激相聯系。如李軍等［1］在大學生運動知覺能力測定研究中，采用了感知滑木盤距離測驗、感知跳躍距離測驗和“選擇——反應——動作”測驗；周冶等［2］采用LASER 310心理測試機研究了時間知覺的反應時間、準確程度與青少年射擊運動員運動水平之間的關系；而聶志強［3］在對中長跑運動員速度知覺能力的實驗研究中，設定運動員在400 m一圈的跑道上完成規定的中速跑任務。無論實驗室條件下還是實際運動情境中，不同項目運動員所具有的各種專門化知覺能力也不同，但對運動員各種專門化知覺能力的直接測量與評價明顯受到測量技術和方法的限制，故相關研究報道不多。目前主要通過高水平運動員在運動情境中的運動行為表現推測其所具有良好的專門化知覺能力，但對運動員競賽情景中采用的知覺策略還未見涉及。直接知覺或生態學思路給我們帶來啟發，即依賴于腦及高級中樞在知覺和動作操作中的實際作用來解釋知覺，因此，綜合使用事件相關電位（event-related of brain potential，ERP）等認知神經科學測量技術以及傳統的行為測量方法，不僅可揭示運動員的知覺能力特點，更可對運動員在運動情境中的知覺機制進行有益探索。

擊劍是一項對抗性強、競爭激烈的格斗項目，素有“速度和智慧競賽”的美稱，其攻防轉換極為快速、頻繁。作為近距離的格斗對抗項目之一，它要求運動員具有良好的空間感、時間感以及時機、節奏等專門化知覺能力，比賽中運動員必須在極短的時間內根據對手和場上空間位置變化，做出準確、有效的判斷和快速、靈活的決策，才可能抓住各種機會獲勝。故擊劍運動員的空間位置知覺能力是其專門化知覺能力的重要組成部分，也是擊劍運動員競技表現有效性的重要因素。因為它不僅表現在對自身和對手空間特性及其相互關系進行正確知覺，還要對運動中劍所處空間位置及其與自身和對手的空間關系進行正確知覺，快速、準確、有效獲得這些運動信息是決策的前提和保證。所以，了解和掌握擊劍運動員空間位置知覺優勢及其可能機制，對有效提高擊劍運動員空間感等專門化知覺能力具有重要指導價值。

本研究采用專家——新手研究范式，運用ERP記錄技術，通過比較高水平擊劍運動員與體育大學生對不同空間位置刺激的選擇反應時間、準確率及所誘發的ERP成分（ERPs）的差異，考察高水平擊劍運動員空間位置知覺過程及其腦神經活動特點，揭示高水平擊劍運動員空間知覺特性及其可能的神經機制，為科學評價和診斷擊劍運動員空間知覺能力或空間感提供客觀依據。

1 對象與方法

1.1 被試

選取上海體育學院運動訓練學專業的6名高水平男子擊劍運動員作為高水平擊劍運動員組，其中國家健將級、一級和二級運動員各2人，年齡為18.8±1.2歲，運動年限為5.8±1.9年。選取上海體育學院擊劍俱樂部6名男大學生作為體育大學生組，均為擊劍運動業余愛好者，年齡為20.5±1.6歲，參加擊劍俱樂部的平均訓練時間為1.23±0.52年。全部被試均為右利手，視力或矯正視力正常，身體健康，無腦部損傷和神經系統疾病史。做完實驗后獲取適量報酬。

1.2 實驗設備

實驗用設備為德國Brain Products公司的64導ERP記錄與分析系統。Ag/AgCI記錄電極固定于64導電極帽，電極點采用國際10～20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1cm處安置電極記錄水平眼電（HEOG），在左眼上下眼眶外1cm處安置電極記錄垂直眼電（VEOG）。頭皮與每個電極之間的阻抗小于5 kΩ。腦電信號（EEG）經放大器放大被連續記錄，濾波帶寬為0.016～100 Hz，采樣頻率為500 Hz/導。

實驗用計算機為2臺DELL臺式機，CPU主頻為3.0 GHz；操作系統為Windows XP。2臺ERP實驗操作和記錄用顯示器，1臺呈現刺激用顯示器；3臺顯示器均為19英寸純平顯示器，分辨率為1024×768，刷新頻率為100 Hz。受試者按鍵所用鍵盤為外接的小數字鍵盤。

1.3 實驗內容

1.3.1 刺激

刺激為處于不同視野位置、直徑視角為5.73°的紅色圓圈。根據紅色圓圈所處視野位置不同，將刺激分為左上紅色圓圈、右上紅色圓圈、左下紅色圓圈、右下紅色圓圈。刺激由19英寸DELL純平顯示器來呈現，屏幕背景為黑色。

1.3.2 實驗程序

實驗程序采用1.0版E-Prime軟件（Psychology Software Tools，INC.）編制。被試按任意鍵開始實驗，首先黑色屏幕上出現指導語：“請根據紅色圓圈在屏幕中所處位置進行按鍵反應。左上按1鍵、右上按2鍵、左下按4鍵、右下按5鍵。要求反應既快又準。準備好后請按任意鍵開始實驗”。被試按任意鍵后，黑色屏幕中間先出現一白色“+”注視點，呈現時間為500 ms；然后隨機呈現一個刺激，呈現時間為50 ms；隨后出現黑屏并保持1000 ms；要求被試根據紅色圓圈在黑色屏幕中所處視野位置進行按鍵反應。從一個反應結束到下一個刺激出現的時間間隔是隨機的，范圍為1500～2300 ms，如此循環往復。

每組實驗包含不同視野刺激20個，共5組。組間隔時間可由被試根據疲勞程度并通過按鍵自主控制。如果被試在給定的1000 ms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，對反應準確性和反應速度做同等強調。

1.3.3 實驗過程

實驗在上海體育學院運動心理研究中心的腦電實驗室內進行，該實驗室隔音、隔光、安靜、舒適，被試單獨在房間里完成操作任務，實驗結果的可信度可以得到保證。

實驗前被試清洗并吹干頭發，關閉手機等通訊工具，進實驗室熟悉環境，并填寫被試基本情況調查表。準備實驗階段，讓被試舒適地端坐于實驗臺前的實驗座椅上，雙眼與顯示器屏幕中心處于一條水平線上，并相距90 cm，雙手舒適地放于小數字鍵盤按鍵上。然后向被試介紹有關ERP實驗的基本要求，即實驗過程中應全身放松，尤其是頭部和面部肌肉，盡量控制眨眼動作，在整個實驗過程中頭部和身體盡量保持不動。隨后給被試佩戴電極帽，電極帽完全符合ERP實驗數據采集的基本要求（頭皮與每個電極之間的阻抗小于5 kΩ）后，向被試講解和說明具體實驗任務及要求等，讓被試進行1～2組練習，以熟悉使用反應按鍵和了解整個實驗程序。如果有問題就進行指導，后再練習直至無問題，開始正式實驗。

1.4 實驗數據采集與統計學分析

本實驗為空間知覺選擇反應任務，采用1.0版E-prime軟件自動記錄行為指標——反應時和準確率。采用德國Brain Products公司編制的Recorder軟件采集ERP數據，并采用該公司編制的Analyzer軟件對采集的ERP數據進行離線（off-line）分析。分析時程為1000 ms，以刺激出現前200 ms的均值校正基線。先觀察每個被試的腦電原始波形，結合行為數據剔除異常波形段。Analyzer軟件可自動矯正眨眼等偽跡，波幅大于±100 μV者在疊加中被自動剔除。實驗所得ERPs數據經0.1～16 Hz的無相移數字濾波后進行疊加和平均。

采用SPSS 15.0統計軟件包對空間知覺選擇反應的行為指標數據及所誘發的ERPs峰潛伏期和峰波幅進行多因素方差分析。

2 結果

2.1 行為結果（表1）

以反應時為因變量的多因素方差分析結果顯示，空間位置主效應（F3，46= 15.543，P < 0.001）和組別主效應（F1，46= 27.857，P < 0.001）非常顯著，空間位置與組別的交互效應不顯著。進一步多重比較結果顯示，無論是高水平擊劍運動員還是體育大學生，對右上和左上視野刺激進行空間知覺選擇反應的速度明顯快于左上和右下視野，但對右上或左上視野以及左上或右下視野刺激進行空間知覺選擇反應的速度則不存在顯著差異。

以準確率為因變量的多因素方差分析結果顯示，空間位置主效應（F3，46= 9.963，P < 0.001）非常顯著，組別主效應和空間位置與組別的交互效應不顯著。進一步多重比較結果顯示，無論是高水平擊劍運動員還是體育大學生，對左下視野刺激進行空間知覺選擇反應的準確率明顯低于其它視野；對左上視野刺激進行空間知覺選擇反應的準確率又明顯高于右上視野。

表1 高水平擊劍運動員和體育大學生空間知覺選擇反應的行為結果

表1 高水平擊劍運動員和體育大學生空間知覺選擇反應的行為結果

雖然，高水平擊劍運動員和體育大學生進行空間知覺選擇反應時，他們在反應時和準確率上不存在具有統計學意義上的顯著差異。但反應時和準確率的描述統計（表1）顯示，高水平擊劍運動員組對不同空間位置刺激進行選擇反應所需要的時間均短于體育大學生組；高水平擊劍運動員組對左上、右下視野刺激進行空間知覺選擇反應的準確率也高于體育大學生組，對左上視野刺激進行空間知覺選擇反應的準確率甚至達到100%；而體育大學生組對右上、左下視野刺激進行空間知覺選擇反應的準確率又高于高水平擊劍運動員組。

2.2 ERPs結果

高水平擊劍運動員和體育大學生進行空間知覺選擇反應時，大腦皮層不同區域誘發的ERP基本波形在特征上既相似也有不同（見圖1）。頂區（Pz）記錄的ERPs總平均圖顯示，在90～140 ms左右誘發出P1，在150～200 ms左右出現N1，在200～250 ms左右誘發出P2，250～300 ms左右出現N2，300 ms以后出現P3。本研究主要對大腦皮層相關腦區誘發的P1、N1、P2、N2和P3進行分析。

圖1 高水平擊劍運動員和體育大學生頂區（Pz）空間知覺選擇反應的ERP總平均圖

2.2.1 P1成分

高水平擊劍運動員和體育大學生進行空間知覺選擇反應時，在整個頭皮不同腦區均誘發出P1成分。本研究選取額葉的Fz、中央區的Cz、中央頂區的CPz、頂區的Pz、枕區的Oz五個記錄點的ERPs進行疊加處理。

以P1峰潛伏期為因變量的多因素方差分析結果顯示，Fz、Cz、CPz、Pz和Oz電極記錄點上空間位置主效應和組別主效應均不顯著，僅Oz電極記錄點上空間位置與組別的交互效應顯著（F7，46=3.010，P < 0.05）。

以P1峰波幅為因變量的多因素方差分析結果顯示，Cz（F1，46= 4.184，P < 0.05）和 CPz（F1，46= 4.471，P < 0.05）電極記錄點上組別主效應顯著；Fz、Pz和Oz電極記錄點上空間位置主效應、組別主效應、空間位置與組別的交互效應均不顯著。

2.2.2 N1成分

高水平擊劍運動員和體育大學生進行空間知覺選擇反應時，在頭皮后部腦區誘發出明顯的N1成分。本研究選取頂區的P5、Pz、P6，頂枕區的PO3、POz、PO4和枕區的O1、Oz、O2九個電極記錄點的ERPs進行疊加處理。

以N1峰潛伏期為因變量的多因素方差分析結果顯示，PO3（F3，46= 5.191 ， P < 0.01）和P5 （F3，46=8.572，P < 0.001）電極記錄點上空間位置主效應顯著，組別主效應和空間位置與組別的交互效應不顯著；其它電極記錄點上空間位置主效應、組別主效應、空間位置與組別的交互效應均不顯著。進一步多重比較結果顯示：無論是高水平擊劍運動員還是體育大學生，對右視野（右上和右下視野）刺激進行空間知覺選擇反應時誘發產生N1的時間明顯早于左視野（左上和左下視野）。

以N1峰波幅為因變量的多因素方差分析結果顯示，POz（F3，46= 3.529，P < 0.05）、PO3（F3，46=3.802，P < 0.05）、PO4（F3，46= 3.903，P < 0.05）和P5（F3，46= 5.726，P < 0.01）電極記錄點上空間位置主效應顯著；進一步多重比較結果顯示，無論是高水平擊劍運動員還是體育大學生，對右視野刺激進行空間知覺選擇反應時，左頂區（P5）誘發的N1峰波幅明顯高于左視野；對下視野（左下和右下）刺激進行空間知覺選擇反應時，頂枕區（PO3、POz、PO4）誘發的N1峰波幅明顯高于上視野（左上和右上）。結果還顯示，POz（F1，46= 6.596，P < 0.05）、PO3（F1，46= 17.930，P < 0.001）、Oz（F1，46= 7.014，P < 0.05）和 P5（F1，46= 5.925，P < 0.05）電極記錄點上組別主效應顯著；但Pz、P5、P6、POz、PO3、PO4、Oz、O1、O2電極記錄點上空間位置與組別的交互效應不顯著。

2.2.3 P2和N2成分

圖2顯示，對上視野刺激進行空間知覺選擇反應時，高水平擊劍運動員大腦皮層中央區、頂區、枕區誘發出明顯的P2和N2成分；大學生只誘發了P1、N1和P3成分，未見明顯的P2和N2成分。與此相反，對下視野刺激進行空間知覺選擇反應時，體育大學生大腦皮層中央區、頂區、枕區誘發出了明顯的P2和N2成分，而高水平擊劍運動員只見P1、N1和P3成分，未見明顯的P2和N2成分。

圖2 高水平擊劍運動員和體育大學生頂區（Pz）不同視野空間知覺選擇反應的ERP總平均圖

2.2.4 P3成分

高水平擊劍運動員和體育大學生進行空間知覺選擇反應時，在頭皮后部腦區誘發出明顯的P3成分。本研究選取頂區的Pz、頂枕區的PO3、POz、PO4和枕區的Oz五個電極記錄點的ERPs進行疊加處理。

以P3峰潛伏期為因變量的多因素方差分析結果顯示 ：Pz（F1，46= 4.990，P < 0.05）、POz（F1，46= 8.134，P < 0.01）、Oz（F1，46= 5.698，P < 0.05）、PO3（F1，46= 4.616，P < 0.05）和 PO4（F1，46= 8.999，P < 0.01）電極記錄點上組別主效應顯著，空間位置主效應和空間位置與組別交互效應不顯著。

以P3峰波幅為因變量的多因素方差分析結果顯示，除Pz電極記錄點外，POz（F1，46= 5.418，P <0.05）、Oz（F1，46= 8.175，P < 0.01）、PO3（F1，46=9.782，P < 0.01）和 PO4（F1，46= 5.716，P < 0.05）電極記錄點組別主效應顯著，空間位置主效應和空間位置與組別交互效應不顯著。

3 討論

3.1 高水平擊劍運動員空間知覺的行為策略

人在操作某一作業時，有時為了追求速度可以犧牲準確性，相反，有時為了追求準確性又會放慢操作速度，這被稱為準確性和速度的權衡，也是一種操作策略［4］。

雖然本研究的空間知覺行為結果并不具有統計學意義，但描述結果卻顯示，高水平擊劍運動員對不同空間位置選擇反應時，其選擇反應速度快于體育大學生；而對右上和左下視野刺激進行選擇反應時的準確性卻略遜于體育大學生，對左上和右下視野的準確性又略優于體育大學生。這主要是由擊劍項目特點決定的。擊劍是一項快速反應性運動項目。在激烈對抗過程中，不僅攻防轉換頻繁，而且速度快，從發動進攻到決出勝負常常只有不到1秒的時間。因此，擊劍運動員在空間知覺過程中更多采用了追求速度的行為策略。故本實驗中擊劍運動員在完成不需專業知識背景的簡單任務時，更易采用其在專項運動中所形成的速度性行為策略。

3.2 高水平擊劍運動員空間知覺注意覺察的神經機制

以往ERP研究發現，P1和N1成分反映對刺激空間位置特征的注意覺察。P1波幅主要反映了注意范圍的空間等級變化所需要的心理運算資源，N1反映了注意焦點內的覺察過程［5］。

羅躍嘉等［6］研究了提示范圍的大小與空間注意的關系，結果表明：提示物引起ERP的P1成分在左側顳葉和枕葉區域波幅最大，隨著提示范圍的擴大，P1波幅增大；而N1在右側中央部波幅最大，且隨著提示范圍的擴大，潛伏期也縮短。在完成任務過程中誘發的ERP波形特點與前者有很大不同，P1波幅隨著提示范圍的擴大而增大，而后部腦區的N1波幅隨著提示范圍的擴大而減小。P1波幅增大反映了促進靶刺激識別時，適當注意范圍的等級變化需要額外的資源；而N1波幅減小則可能分散了空間注意的傾斜度。

本研究結果顯示，空間知覺覺察階段的啟動時間為90～140 ms左右，整個覺察階段的時間進程為90～200 ms左右；大腦皮層激活的區域主要為頭皮中央區、中央頂區、頂枕區和頂區，頭皮激活順序為從前（中央區）向后（頂區）。高水平擊劍運動員P1、N1峰波幅明顯小于體育大學生，表明高水平擊劍運動員在空間知覺覺察階段動用的心理能量較少。進行空間知覺選擇反應時，無論高水平擊劍運動員還是體育大學生，都盡可能將其注意資源分配到刺激物可能出現的四個空間視野位置上，但高水平擊劍運動員覺察刺激物所處空間位置時需要的心理能量較少，說明高水平擊劍運動員注意分配能力較強，這可能與擊劍運動員長期從事專項運動訓練有關。擊劍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），以作出有效判斷和決策。因此其具有在復雜運動情境中將其有限的注意力分配至更多的目標信息（對手的姿勢、距離和動作等）的能力。這提示高水平擊劍運動員在空間知覺覺察階段表現出心理能量“節省化”的特點。

本研究結果還表明，受試者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，說明人們覺察下視野和右視野刺激所動用的心理能量較多，可能與人們在日常生活中形成的視覺習慣有關系。無論是左利手還是右利手，人們對外界信息的搜索和獲取均遵循著從左視野至右視野、從上視野至下視野的視覺習慣。因此，覺察右視野和下視野刺激比左視野和上視野消耗更多的心理能量。

3.3 高水平擊劍運動員空間知覺注意指向的神經機制

高文斌等［7］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波幅反映了視覺注意集中的程度；N2可能和任務難度有關系，明顯受注意范圍的調節。Mangun［8］研究認為，N2成分主要反映靶刺激物自身特征信息的加工過程。

本研究發現，高水平擊劍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，而體育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。這說明高水平擊劍運動員在空間知覺過程中將注意集中指向了上視野，體育大學生則將注意集中指向了下視野，可能與他們在日常訓練和學習生活中所形成的注意指向策略不同有關。訓練和比賽要求擊劍運動員有良好的注意分配能力，對已經發生和正在發生的有用的運動信息進行注意、選擇和判斷，主要利用的是來自上視野中的有效運動信息（對手的身體姿勢、劍尖的運動方向和速度等），預先作出動作選擇和判斷決策，以有效應對對手的攻擊，故高水平擊劍運動員在上視野出現靶刺激時誘發了明顯的P2和N2。而體育大學生日常完成的多是學科作業和考試任務，空間注意活動較少，其注意力更多分配于當前任務（數字或文字）處理上，注意范圍相對集中在與當前任務有關的后續信息（多位于下視野）的搜索上，因此體育大學生只在下視野出現刺激時誘發了明顯的P2和N2。可見，高水平擊劍運動員空間知覺過程中主要采用注意指向上視野的策略，其注意分配優勢的可能機制為大腦皮層中央區、頂區、枕區誘發了明顯的P2和N2成分。

3.4 高水平擊劍運動員空間知覺位置識別的神經機制

以往ERP研究表明，ERPs中的P3成分與認知活動密切相關，其峰潛伏期反映了刺激評價所需要的時間［9］，P3波幅反映任務的難易程度或者被試對反應的自信程度［10］。但關于P3成分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，P3代表知覺任務的結束，即P3代表對某種刺激加工的抑制；另一種觀點認為，P3峰潛伏期與認知加工過程中評估與分類的完成有關，即反映的是對刺激物的評價或分類所需要的時間，而P3波幅則與工作記憶中表征的背景更新有關［11］。

本研究的行為和ERPs結果表明，高水平擊劍運動員完成空間知覺選擇反應的反應時明顯短于體育大學生，P3峰潛伏期也明顯短于體育大學生，說明高水平擊劍運動員識別刺激所處空間位置的速度明顯快于體育大學生。

解恒革等［12］的研究表明，P3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，高水平擊劍運動員P3峰波幅顯著低于體育大學生。這與前面的ERPs結果一致，即運動員在識別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量明顯少于體育大學生。這可能也與運動員長期從事專項訓練有關。擊劍運動員完成空間知覺選擇反應的模式與其在實際運動情境中完成運動任務時識別對手劍刺方位的運動模式類似，故其在完成空間知覺選擇反應時所需要的工作記憶中的表征更新程度明顯小于體育大學生，在識別刺激物的空間視野位置時所占用的注意資源較少，消耗的心理能量也不多。可見高水平擊劍運動員在空間知覺過程中識別刺激物所處空間位置的速度較快，心理能量消耗較少，其空間知覺識別優勢的可能機制為大腦皮層的頂區、頂枕區和枕區誘發出現P3的時間較早，腦神經活動水平較低。

4 總結

通過實驗研究發現，高水平擊劍運動員在空間知覺過程中偏向采用速度性行為策略，體育大學生偏向采用準確性行為策略；高水平擊劍運動員視覺搜索時主要采用指向上視野的注意指向策略，體育大學生則主要采用指向下視野的注意指向策略；高水平擊劍運動員進行注意覺察和識別空間位置所動用的心理能量或占用的心理運算資源明顯少于體育大學生。

高水平擊劍運動員空間知覺優勢的可能機制為大腦皮層的中央區、中央頂區、頂枕區和頂區誘發的P1、N1腦神經活動水平較低，產生了明顯的P2、N2；頂區、頂枕區和枕區誘發出現P3的時間較早，腦神經活動水平較低。

在運動實踐中，可以考慮將空間知覺選擇反應誘發大腦皮層所產生的P1、N1、P2、N2和P3的時間（潛伏期）和大腦皮層的相應激活水平（波幅）作為評價和診斷擊劍運動員空間知覺能力或空間感的客觀指標，并將左利手作為擊劍等對抗性項目初級選材的首選對象。

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