優秀跆拳道運動員神經-肌肉疲勞狀態下的VR眼動特征研究

陳 巖，尚張鈺婷，郭振向，蔣幫華，包大鵬，劉昊揚

CHEN Yan，SHANG Zhangyuting，GUO Zhenxiang，JIANG Banghua，BAO Dapeng*，LIU Haoyang

0 前言

神經-肌肉疲勞（neuromuscular fatigue）是指機體出現由運動引起的肌肉最大力量或爆發力表現下降后，運動員即使依然可以繼續訓練或比賽仍被視為機體出現神經-肌肉疲勞（Bigland et al.，2010）。對于高水平運動員而言，及時、準確地評價出神經-肌肉疲勞對提升其訓練效果和預防過度訓練具有重要意義（Girard et al.，2008）。對于同場對抗類項目而言，教練員不僅關注運動員運動能力的下降，掌握此時其中樞機能的下降情況（包括注意力控制、認知及反應能力等）對于訓練和比賽更加具有實踐意義（韓晨霞 等，2016）。跆拳道是我國競技體育潛優勢項目，教練員更加需要關注運動員中樞機能的變化情況，如果能夠及時發現運動員備戰過程中神經-肌肉疲勞后其中樞機能的狀態將會有助于其更好地進行備戰。由于眼睛與大腦之間有著豐富的感覺和運動聯系，中樞通過控制運動相關神經元的活動影響眼的運動，眼動是評價中樞機能狀態的有效手段（田蕓 等，2016），而虛擬現實（virtual reality，VR）與眼動追蹤技術的結合能夠為開展與運動相關的研究提供更多新的可能性（Clay et al.，2019）。因此，本研究采用VR眼動儀結合“舒爾特方格”“迷宮逃脫”“找不同”等經典的非侵入式認知評價手段來研究跆拳道運動員出現神經-肌肉疲勞后的眼動特征，以此發現跆拳道運動員神經-肌肉疲勞狀態后其中樞機能的變化，并尋找能夠反映其機能變化的眼動參數。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

測試前要求所有跆拳道運動員填寫運動員心理疲勞問卷（ABQ問卷），從成就感、情緒/體力耗竭和運動的消極評價3個維度評價運動員心理疲勞程度，確保所有運動員無長期的運動與心理疲勞，最終篩選出24名跆拳道運動員參與本研究。受試者年齡19.45±2.14歲，訓練年限為6.30±2.78年，其中，女性14名，男性10人，運動成績均為全國比賽前3名。所有受試者均無色盲，視力或矯正視力正常，自愿參加本實驗并簽署知情同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 實驗設計

本研究通過下蹲跳（counter movement jump，CMJ）測試來評價跆拳道運動員是否出現了神經-肌肉疲勞，CMJ已被證明是評價神經-肌肉疲勞的有效手段（Gathercole et al.，2015a），廣泛應用于精英運動員訓練或比賽后所產生的急性及長期神經-肌肉疲勞的評測，訓練后CMJ測試結果顯著低于訓練前，提示該運動員出現神經-肌肉疲勞（Gathercole et al.，2015b；Laffaye et al.，2014）。本研究共完成CMJ測試1 474人/次，最終篩選出現神經-肌肉疲勞的運動員73人/次。

本研究要求受試者完成3種不同類型的認知任務：

任務1：“舒爾特方格”任務，用于評估受試者的注意力水平，是一種有效的評估注意力控制和轉移水平的測試工具（Gordeev et al.，2008）。本研究采用5×4的舒爾特方格（圖1A），數字1～20以偽隨機的方法產生并排列在各個方格中，受試者以盡可能快地速度按照1～20的順序找出每一個數字并讀出，在規定的時間內所找到的最后1個正確的數字作為該任務的最終測試結果，數值越大表示受試者的注意力控制水平越強。每次任務要求受試者完成3次“舒爾特方格”測試，每次持續時間為10 s，間隔時間為2 s。

任務2：“迷宮逃脫”，用于評價受試者的工作記憶能力（李霞等，2009）。任務中的每個迷宮都通過程序自動生成，難度等級為：普通（Normal），路徑數量為13×13，即每列和每行均有13條路徑，確保前后任務難度一致（圖1B）。每次任務要求運動員完成3次“迷宮逃脫”，每次持續時間為10 s，間隔時間為2 s。

任務3：“找不同”，選擇這一經典的視覺搜索研究范來評價受試者的視覺敏感性。本研究選取與跆拳道項目相關的情景圖片224張，經過專業人士修改和編輯，最終生成224組任務圖片，圖片分辨率均為1 920×1 080 pixel，每一組任務圖片均只有一處不同（圖1C）。每次任務要求受試者找出3組圖片中的不同，每次顯示時間為10 s，間隔時間為2 s。

圖1 任務示意圖Figure 1. The Diagram of Task

1.2.2 實驗設備

縱跳測試儀：采用電子縱跳測試儀進行CMJ測試，分度值為0.1 cm，精度為1%F·S。

VR眼動儀：采用基于角膜反射法追蹤技術的aSee Pro VR眼動儀及與其相匹配的HTC Vive VR眼鏡采集和記錄運動員完成特定任務過程中的眼動軌跡，采集頻率為 120～380 Hz，視場角（FOV）為 110°，精度為 0.5°，VR眼鏡雙眼分辨率為2 160×1 200 pixel，刷新率為90 fps。采用aSee Studio VR眼動分析軟件分析所采集的信息，得到運動員完成任務過程中的瞳孔直徑、眼跳幅度、眼跳速度、平均注視時長和總注視次數共5個眼動參數。

1.2.3 測試流程

每天上午正式訓練開始前準備活動之后、下午訓練結束后測試運動員的CMJ成績，測試時要求運動員雙手叉腰，準備好之后快速下蹲并向上跳起，測試3次取平均成績作為最終成績。

每個訓練日訓練前、訓練后進行眼動參數測試，測試流程為：1）連接好數據線并打開測試電腦；2）打開測試程序“teakwondo.exe”；3）點擊“play”進入測試操作界面，并確保界面右側的3個綠燈為常量狀態；4）測試人員輔助受試者佩戴VR眼鏡，并將顯示質量調至最佳；5）采用“3點校準”對設備進行校準，確保校準后評分＞85分；6）測試人員選擇測試任務并介紹測試要求；7）正式開始測試，分別按照測試要求完成3種不同類型的認知任務；8）測試結束后，測試人員檢查測試結果是否完整記錄。

為了保證測試的嚴謹性和前后一致性，所有測試均由同一批測試人員在同一地點進行，并且確保測試環境不受外光線的影響和干擾。

1.2.4 數據統計分析

采用SPSS 25.0統計軟件對測試數據進行分析，結果以M±SD表示。首先對訓練前后任務完成結果和眼動參數進行正態性檢驗（Shapiro-Wilk檢驗），對服從正態分布的數據進行配對樣本t檢驗，不服從正態分布的數據采用2個相關樣本非參數檢驗，比較訓練前后任務完成結果和眼動參數的差異并計算其效果量；完成不同類型認知任務時的眼動參數對比采用Friedman非參數秩和檢驗。配對樣本t檢驗效果量（r）的計算方式為：

結果為0.010表示效果量小，0.059表示效果量中，0.138表示效果量大。K非參數檢驗效果量（r）的計算方式為：

結果為0.1表示效果量小，0.3表示效果量中，0.5表示效果量大（Fritz et al.，2012）。

2 研究結果

2.1 訓練前后任務完成結果對比

對比訓練前后完成任務的結果發現，當跆拳道運動員出現神經-肌肉疲勞時，其訓練前后完成“舒爾特方格”任務、“迷宮逃脫”任務和“找不同”任務的結果無顯著性差異（圖2）。

圖2 認知任務完成結果對比Figure 2. Comparison of Task Performance

2.2 訓練前后完成不同任務時眼動參數對比

2.2.1 “舒爾特方格”任務

與訓練前相比，出現神經-肌肉疲勞的運動員訓練后完成“舒爾特方格”任務時瞳孔直徑顯著增大（t=-3.31，P＜0.005，r=0.13），眼跳速度顯著加快（Z=-2.90，P＜0.005，r=0.34），但眼跳幅度、平均注視次數、總注視次數訓練前后均無顯著性差異（圖3）。

圖3 完成“舒爾特方格”任務時的眼動參數對比Figure 3. Comparison Parameters of Eye Movement in Schulte Grid Task

2.2.2 “迷宮逃脫”任務

出現神經-肌肉疲勞的運動員訓練前后完成“迷宮逃脫”任務時瞳孔直徑存在非常顯著性差異（t=-6.67，P＜0.001，r=0.38），但眼跳幅度、眼跳速度、平均注視次數、總注視次數訓練前后均無顯著性差異（圖4）。

圖4 完成“迷宮逃脫”任務時的眼動參數對比Figure 4. Comparison Parameters of Eye Movement in Labyrinth Escape Task

2.2.3 “找不同”任務

出現神經-肌肉疲勞的運動員訓練前后完成“找不同”任務時瞳孔直徑存在非常顯著的差異（Z=-4.62，P＜0.001，r=0.54），眼跳速度具有顯著性差異（Z=-3.36，P＜0.005，r=0.40），但眼跳幅度、平均注視次數、總注視次數訓練前后均無顯著性差異（圖5）。

圖5 完成“找不同”任務時的眼動參數對比Figure 5. Comparison Parameters of Eye Movement in Odd One Out Task

2.3 完成不同任務時同一眼動參數的對比

采用Friedman非參數秩和檢驗對比出現神經-肌肉疲勞的跆拳道運動員訓練后完成任務時的各個眼動參數。結果表明，完成不同任務時其瞳孔直徑大小具有非常顯著性差異，χ2（2）=123.452，P＜0.001；眼跳幅度具有非常顯著性差異，χ2（2）=164.548，P＜0.001；眼跳速度具有非常顯著性差異，χ2（2）=136.175，P＜0.001；平均注視時長具有非常顯著性差異，χ2（2）=47.923，P＜0.001；總注視次數具有非常顯著性差異，χ2（2）=152.405，P＜0.001。統計結果表明，跆拳道運動員完成不同類型的認知任務時表現出不同的眼動特征。

3 分析討論

研究結果表明，跆拳道運動員出現神經-肌肉疲勞后其喚醒水平過高，其視覺敏感性顯著降低，瞳孔直徑和眼跳速度可作為評價出現神經-肌肉疲勞后其中樞機能狀態的有效指標。跆拳道運動員完成不同任務時表現出不同的眼動特征，其各個眼動參數之間差異性非常顯著。統計結果表明，“找不同”任務是本研究中最能反映跆拳道運動員出現神經-肌肉后中樞機能狀況的測試任務，該任務對跆拳道運動員眼動參數變化影響最大，運動員完成該任務時瞳孔直徑顯著變大、眼跳速度顯著加快。

3.1 跆拳道運動員神經-肌肉疲勞狀態下的眼動特征

本研究中所提到的瞳孔直徑指的是受試者左右眼瞳孔直徑的平均值，瞳孔直徑與中樞機能下降的相關程度比較高，能靈敏反映中樞機能下降的程度，是檢驗中樞機能下降的有效指標（韓晨霞等，2016）。通過眼動參數對比發現，訓練后完成認知任務時跆拳道運動員瞳孔直徑顯著增大，這與一些研究的結果并不一致（王焱源，2007；Yamada et al.，2014），其原因可能是由于誘發疲勞的方式與受試者不同，此外，不同項目運動員之間是否存在差異也有待進一步研究。有研究表明，信息加工負荷和任務難度增加會引起人瞳孔直徑的增大，本研究所采用的任務難度并沒有增加，其原因可能是運動員產生神經-肌肉疲勞之后信息加工負荷增大，即使任務難度沒有增加，而神經-肌肉疲勞的產生造成任務難度相對訓練前有所增加，使得運動員的瞳孔直徑顯著增大。瞳孔直徑的變化可以反映受試者喚醒水平的變化，不同的運動項目對喚醒水平有不同的要求，跆拳道作為一項對協調性、精確性和穩定性都要求非常高的技能主導類同場對抗性項目，要求跆拳道運動員在訓練和比賽中保持較低的喚醒水平（季瀏，1992）。但本研究結果表明，出現神經-肌肉疲勞后跆拳道運動員的瞳孔直徑顯著增大，認知神經科學領域專家認為這與其自主神經系統異常所導致的過高的喚醒水平有關（Louwerse et al.，2014），過高的喚醒水平會導致跆拳道運動員比賽過程中無法獲取很多關鍵信息，從而導致其無法做出正確的決策影響其運動表現。

眼跳指的是快速的眼球運動，是所有眼動參數中速度最快的一個指標，眼跳速度則是指單位眼跳持續時間內眼跳的距離（角度），最高速度為400～600°·s-1，它能夠反映眼鏡對視覺信息的敏感度（田蕓等，2015）。研究表明，相比于其他眼動參數眼跳速度能夠更加客觀、更加準確地反映潛在的神經反應（Leigh et al.，2006）。本研究發現，訓練前后出現神經-肌肉疲勞的運動員完成認知任務過程中其眼跳速度顯著加快，這與過往研究得到的結果并不相同（De Gennaro et al.，2001；Yamada et al.，2014）。本研究測試所得的眼跳速度遠超過正常的眼跳速度，這種現象稱之為眼跳抑制，由于眼跳的速度極快，導致眼睛對視覺信號的敏感度大大降低，幾乎無法獲得任何有效信息（田蕓等，2015）。在跆拳道及其他同場競技格斗類項目中視覺信息的獲取發揮著十分重要的作用，運動員需要迅速從大量的復雜信息中提取有用信息并快速加工后做出反應，其信息加工質量越高，做出的臨場決策方式會更加合理。過快地眼跳速度則會導致跆拳道運動員在產生神經-肌肉疲勞之后無法在比賽中獲取有效信息，對于頂尖運動員來說，這些細微的差別會影響最終的比賽結果。

3.2 基于任務的眼動參數對比

本研究發現，完成不同任務時跆拳道運動員的瞳孔直徑、眼跳幅度、眼跳速度、平均注視時長、總注視次數均具有非常顯著性差異，說明其完成評估不同認知能力的任務時表現出不同的眼動特征。這可能與任務本身想要達到的評價目的有很大關系，受試者完成不同難度、不同類型任務時均表現出不同的眼動特征（王宇等，2014；張學民等，2008），其原因可能是跆拳道運動員在完成不同類型的認知任務時采用了不同的策略。

完成不同類型任務時跆拳道運動員表現出不同的眼動特征，究竟哪種類型的認知任務最能反映其神經-肌肉疲勞狀況也是本研究想要探究的問題之一。效果量是反應自變量和因變量關聯強度的指標，與差異顯著性檢驗不同，效果量不受樣本容量大小的影響。通過效果量可以了解自變量作用的大小，在同一個實驗中，如果有幾個自變量，可以根據效果量的大小對自變量的重要性進行排序。3種不同類型的認知任務中“找不同”任務與訓練前后瞳孔直徑、眼跳速度的變化相關性最強，通過這個任務再結合眼動信息能夠有效地評價跆拳道運動員的中樞機能狀況。另一方面原因可能是3種不同類型的認知任務中，只有“找不同”任務采用的場景與跆拳道項目相關，有研究表明，高水平運動員在處理運動情景信息的過程中尋找關鍵信息的能力具有明顯的優勢（張學民等，2008）。因此，本研究認為，設定任務時盡可能地選用與運動項目相關的運動情境作為測試內容，再結合反應眼動特征的參數能夠更加客觀地評價運動員在情境中地信息加工能力，采用這種方式更能夠準確地評價神經-肌肉疲勞后其中樞機能狀況（殷恒嬋等，2006）。

3.3 訓練前后認知任務完成情況對比

本研究發現，發生神經-肌肉疲勞的跆拳道運動員訓練完成特定任務的結果無顯著性變化，這與以往報道中樞疲勞會影響人的多種認知能力，如注意力、動機及工作記憶能力（Chaudhuri et al.，2004；Hopstaken et al.，2004；Yamada et al.，2014）并不一致。以往研究均是對腦力工作疲勞時的認知進行研究，雖然跆拳道運動員訓練比賽中需要注意力高度集中、需要根據場上復雜情況做出正確的決策，但其中樞機能的下降與通常意義上的腦力疲勞仍不盡相同。通過相關任務評價其認知能力并不夠敏感，需要在完成特定任務的過程中觀測分析其眼動參數才能了解具體中樞功能下降的情況。

跆拳道屬于近身格斗類運動項目，運動員面臨的是一個瞬息萬變的場景，其認知能力決定了面對復雜多變的賽場環境所采取什么樣的應對策略，這是贏得比賽的關鍵要素。注意力控制水平是評價注意力水平的一項重要內容，是其他各種認知活動的基礎（王黨校等，2004）。跆拳道運動員只有具備良好的注意力控制能力才能集中精力去清晰地感知賽場上的變化，才能在高強度對抗的比賽中獲得一定的優勢。工作記憶能力是運動員執行注意、感知運動情景、決策的核心要素，對于從事開放性運動技能的跆拳道運動員來說尤為重要，其原因是工作記憶能力較低的運動員更容易產生與比賽或訓練無關的想法（段再復 等，2017；Furley et al.，2010）。有研究報道，工作記憶容量在復雜情境中可以預測注意控制能力并在戰術決策中扮演者重要角色（Furley et al.，2012），這正是跆拳道運動員贏得比賽所需要的關鍵能力。此外，能否在對手快速移動的情況下鎖定對手并找到對手的破綻，繼而采取有效的技戰術決策是戰勝對手贏得比賽的關鍵。因此，在備戰的過程中除了提升跆拳道運動員的體能、技能和戰術能力，還需要進一步有針對性地提升其視覺敏感性，從而能夠準確、快速地獲取關鍵信息，這也是高水平運動員和低水平運動員在視覺信息加工階段產生重大差異的原因（吳璇等，2017）。

4 結論與建議

跆拳道運動員出現神經-肌肉疲勞后其喚醒水平過高，其視覺敏感度大大降低。“找不同”任務結合完成任務過程中的瞳孔直徑和眼跳速度能夠作為評估跆拳道運動員的中樞機能下降的有效方式。

建議將眼動追蹤技術運用到運動員的奧運備戰訓練工作中，通過記錄和采集完成特定任務過程中的眼動參數來評價運動員出現神經-肌肉疲勞時的中樞機能狀態。如果發現訓練后運動員的瞳孔直徑顯著增大、眼跳速度顯著加快，則說明其中樞機能下降，需要在傳統恢復方法手段的基礎上采取額外的方法手段來消除中樞機能下降所造成的不良影響，教練員可以根據測試評價結果及時調整訓練計劃和訓練策略以取得最佳的訓練效果、降低賽前出現運動損傷的風險，為運動員最終在比賽中取得優異成績奠定堅實的基礎。