腦力疲勞負面影響足球運動員的協調表現

楊威,黃煥宇,彭飛,黎涌明

(1.上海體育學院 競技運動學院,上海 200438;2.廈門理工學院 體育部,福建 廈門361024;3.浙江師范大學 體育與健康科學學院,浙江 金華 321004;4.國家體育總局體育科學研究所,北京 100061)

腦力疲勞(Mental Fatigue)是由長時間較高強度認知活動導致的一種心理生物學狀態,并可表現為主觀上感到疲憊和缺乏能量［1-2］.由于腦力疲勞在日常生活中較為普遍,并且還會對人體的認知和運動表現產生負面影響［1］,逐漸成為競技體育領域近年的研究熱點.研究顯示［3-4］,腦力疲勞對運動員/健康人有氧、技術、戰術和決策等競技表現的影響較大,對無氧、最大自主收縮力量、肌肉爆發力、沖刺等競技表現的影響較小.足球是一項認知需求較高的運動項目［5］.比賽中,足球運動員需要長時間保持警覺和集中注意力,從持續多變的賽場環境獲取相關信息(如對手和隊友的場上位置),并在極其有限的時間內做出正確的決策［5］.比賽中長時間的認知活動容易使足球運動員產生腦力疲勞［6］,這可能是足球運動員比賽后期諸多表現(如跑動表現)下降的重要原因之一［7-8］.

協調是多個身體效應器(肌肉、關節和肢體等)進行最優合作以最高效的方式完成目標動作的一種能力［9］.足球比賽中良好的協調表現是運動員運球、跑動等重要運動能力高水平發揮的基礎［10］,比賽中協調表現的維持還有助于降低足球運動員運動損傷(如ACL損傷)的發生概率［11］.目前,協調已成足球運動員選材的重要指標之一［9］.和跑動、技術等表現相似,足球運動員比賽過程中的協調表現可能同樣出現了下降［12］.鑒于協調是有著一定認知或執行功能需求的運動能力［13-14］,該能力的下降可能與腦力疲勞有關,然而目前尚未有研究對此進行驗證.鑒于此,本文旨在探究腦力疲勞對足球運動員協調表現的影響.

1 方 法

1.1 受試者

22名來自浙江某高校體育學院足球專修班的男子業余足球運動員自愿參與本研究.受試者的納入標準為:1)無疾病;2)非色盲/色弱;3)無睡眠紊亂;4)不吸煙;5)每周進行規律的足球訓練.實驗過程中5名運動員脫落,最終17名運動員順利完成了實驗(年齡(19.9±1.3) 歲,身高(177.5±5.4) cm,體質量(71.3±6.3) kg,BMI(22.6±1.9) kg/m2,訓練年限(8.8±2.7) 歲).完成實驗的受試者包含7名一級、9名二級和1名無運動等級運動員,涉及4名前場、5名中場和7名后場球員以及1名門將.樣本量的確定預先經過G*Power3.1(Dusseldorf,Germany)軟件估算,估算時選擇“Means:Difference between two dependent means(matched pairs)”選項,power、α和效應量(ES)的值分別設置為0.80、0.05和0.66.SMITH等［15］認為腦力疲勞對足球運動員技術等含有認知競技表現影響的ES主要介于0.48～0.76之間,平均值約為0.66.經過估算,所需的最低樣本量為16人.參與研究的受試者均知曉實驗的測試流程和潛在風險,并于實驗開始前簽署了知情同意書.實驗過程中,為了降低受試者的偏倚,實驗結束前不告知受試者真實研究目的,并以“探究訓練前認知活動對足球運動員不同形式協調訓練過程中感知覺和生理反應的影響”作為真實目的的替代表述告知受試者.實驗開始前,本研究已獲得倫理許可.

1.2 研究設計與流程

本文采用隨機交叉對照設計.整個研究每名受試者需要于4周內參加3次測試課,包括1次熟悉課和2次正式測試課.為減小生物節律的干擾和測試間的相互影響,要求受試者參加每次測試課的時間點相同,并且每次測試之間的時間間隔≥48 h(洗脫期)［15］.

熟悉課旨在減小學習效應和身體不適應等對接下來測試的影響.具體內容為:1)向受試者介紹測試的流程和視覺模擬評分量表(VAS)［15-16］、布魯奈爾心境量表(BRUMS)［17］、主觀疲勞度(RPE)量表［18］等測試工具的使用方法;2)受試者需佩戴Polar心率帶(Polar,Team2,Finland)參加腦力疲勞誘導方案5 min,期間簡單使用和操作上述測試工具;3)熟悉協調表現測試;4)采集受試者的年齡、身高、體質量、訓練年限等基本信息.熟悉課最后,告知受試者后續正式測試期間的注意事項:1)每次測試開始前一天保證至少8 h的睡眠;2)每次測試開始前24 h內避免酒精、尼古丁攝入,12 h內避免咖啡因攝入;3)保證每次測試開始前一天飲水量超過每千克體質量 35 mL;4)指導運動員每次測試開始前2 h攝入簡餐(如吐司、橙汁和香蕉等);5)測試前24 h避免高強度的身體活動;6)測試當天(尤其是測試前3 h)避免玩游戲等認知參與較多的任務;7)要求受試者兩次正式測試保持相同或類似的著裝.熟悉課的內容主要參考文獻［7］.

受試者參加兩次正式測試課的流程一致.具體如下:測試開始前首先使用問卷對受試者的服從情況進行檢驗,隨后使用VAS和BRUMS量表對受試者測試開始前的腦力疲勞分數(VAS-MF)、動機(VAS-MO)、BRUMS疲勞分數(BRUMS-F)、BRUMS活力分數(BRUMS-V)等指標進行測量,結束后受試者佩戴Polar心率帶以隨機、平衡的順序參與45 min的STROOP任務(實驗組,腦力疲勞誘導)和情緒中性視頻觀看(對照組,對照處理)(每次測試課參加其中一項,之后參與另外一項,采用ABBA法平衡順序,圖1(a)),任務過程中記錄受試者的平均心率(HR)、其中實驗組利用E-prime 3.0軟件同步記錄受試者的RT(反應時)和ACC(精確性),任務結束后再次使用相關量表測量受試者的VAS-MF、大腦努力分數(VAS-ME)、BRUMS-F和BRUMS-V.之后受試者經過2 min的慢跑熱身,于室內田徑場參加一般(HCT測試)和專項(SDT測試)兩項協調表現測試.協調表現測試期間采集HCT和SDT測試過程中的HR,采集HCT和SDT測試結束即刻的RPE以及SDT測試結束即刻的VAS-MF.上述兩項協調表現測試均進行兩次,同一協調任務測試內和不同協調任務測試間的時間間隔均為2 min,期間受試者保持站立.兩項測試任務的測試順序和時間間隔參照文獻［19-20］的研究設置.腦力疲勞誘導之后的后續測試耗費總時長約10 min,處于腦力疲勞的有效影響范圍［2,21］.上述測試在溫度18.0 ℃～25.2 ℃和濕度32%～57%的環境中進行,測試開展的時間介于8:00-11:00和13:00-17:00,測試過程中除了強調必要的測試要求外,不給予受試者額外的口頭鼓勵.此外,為了降低實驗過程中的評價偏倚,腦力疲勞干預和協調表現測試兩部分由經過嚴格培訓的不同工作人員分別實施,即對結果評價人員實施盲法.2次正式測試課的具體流程詳見圖1(b).

1.3 干預處理

1.3.1實驗組

腦力疲勞的誘導選擇45 min的電腦版STROOP任務［8,16］.研究顯示,該任務受試者需要投入持續的注意力和反應抑制,持續時間≥30 min,能夠有效誘導腦力疲勞［4,8］.該任務在獨立、安靜的房間進行,使用E-prime 3.0軟件運行,任務的具體操作模式詳見楊威等人［16］的文獻,任務進行過程中安排工作人員1名坐于受試者身后,用以確保受試者認真投入任務.

1.3.2對照組

腦力疲勞的對照處理方式為讓受試者觀看相同時間紀錄片《湖之傳說(Tale of Lake)》.觀看此類視頻受試者的腦力疲勞及情緒波動較小,具有良好的對照效果［8,16］.觀看使用STROOP任務同臺電腦,在實驗組相同房間、環境及同一名工作人員的監督下完成.

1.3.3誘導效果評價

腦力疲勞成功誘導的評價標準參考現有眾多研究確定［3-4,22］,主要依據以下幾點:1)實驗組任務后的VAS-MF和任務前后的VAS-MF差值顯著高于對照組(核心依據);2)實驗組任務后的VAS-ME、BRUMS-F、BRUMS-V,任務前后的RBRUMS-F和BRUMS-V的差值以及任務過程中的HR顯著高于或低于對照組(次要依據);3)實驗組STROOP任務過程中RT延長或/和ACC下降(次要依據).

1.4 協調表現測試

現有文獻常把協調表現分為一般和專項協調表現兩類［9,23］.本文對足球運動員的一般和專項協調表現分別進行測量,共同評價足球運動員的協調表現.足球運動員一般協調表現的測量采用 “哈勒循環測試”［14,24］(HCT測試).該測試受試者需要進行2次,期間使用COD Timer應用(高速攝像軟件,安裝于iPhone13手機,記錄2次髂前上棘與出發/終點線重合之間的時間)［25-26］記錄成績.該應用與光電計時門(金標準)測量本文類似測試成績之間的誤差為0.03～0.04 s,相關性>0.96.測試結束,取2次測試成績的均值用于分析.

足球運動員專項協調表現的評價采用速度運球測試(SDT測試)［23,27-28］.為了使測試更加規范,進一步細化測試要求,即測試期間要求受試者人和球不觸碰標志桶和長方體等障礙物,運球時足球距離受試者的身體始終處于1 m以內.該測試受試者同樣需要進行2次,使用秒表記錄受試者的測試成績.使用秒表測量本研究類似測試的精準度較好［25］,其與光電門之間的相關性>0.95,誤差為0.05 s.測試過程中,為避免出發快慢(腦力疲勞對出發反應時可能存在負面影響)對協調表現評價的可能影響,主要記錄受試者出發時腳觸球瞬間(開始)至最后用腳停住球瞬間(結束)所用的耗時作為測試的成績,測試結束,取2次測試的平均值用于分析.

HCT和SDT兩項測試均由2名經過嚴格培訓且經驗豐富的工作人員實施(取2名工作人員測量成績的均值作為每1次測試的成績).

1.5 指標采集與測量

1.5.1主觀指標

VAS-MO、VAS-MF和VAS-ME指標的測量均使用100 mm的VAS視覺模擬評分量表［15-16］.使用時受試者需要根據工作人員的指導,在紙質版的VAS量表上標注出反映當前動機/腦力疲勞/大腦努力水平的最佳位置.心境狀態的采集使用漢化版的BRUMS心境量表［17］.該量表由憤怒、困惑、抑郁、疲勞、緊張以及活力6個分量表23個條目組成,每個條目的問題使用5分李克特方法回答(0代表一點都沒有,4代表非常多).基于研究目的,本研究僅使用疲勞(BRUMS-F)和活力(BRUMS-V)兩個分量表的得分.RPE量表有(6～20)15個等級,代表不同程度的主觀努力/疲勞,如6代表一點都不費力,13代表有點吃力.使用時讓受試者正對量表用手指出或口頭報出對應的主觀努力/疲勞等級.

1.5.2認知指標

RT和ACC由STROOP任務運行軟件E-prime 3.0自動采集后導入EXCEL進行計算,參照文獻［1,29］,主要取任務開始0～9 min和結束前9 min(36～45 min)受試者的RT和ACC用于分析.數據處理過程中,ACC指標直接使用原始數據,RT指標剔除無反應(>1 500 ms)以及數值低于200 ms的數據［29-30］.

1.5.3生理指標

HR指標采用Polar心率帶采集,采樣頻率為1 Hz,數據采集完畢,主要選取干預處理全程以及協調表現測試過程(不含恢復過程)心率的平均值用于分析,HR數據由心率帶匹配軟件Polar Team自動計算給出.

1.6 統計學分析

使用SPSS 20.0軟件對得到的數據進行統計學分析.采用Shapiro-Wilk方法和直方圖對數據的正態分布進行檢驗.根據數據正態分布情況檢驗的結果,VAS-MF(任務前/后/前后差值/SDT測試結束)、VAS-ME(任務后)、VAS-MO和BRUMS-V(任務前/后/前后差值)、HR(任務處理和運動過程)、RPE(HCT/SDT測試結束)、HCT和SDT測試成績組間的比較以及實驗組RT、ACC指標前后的比較均采用配對樣本t檢驗.BRUMS-F指標(任務前/后/前后差值)組間的比較采用Wilcoxon符號秩和檢驗.所有統計分析基于雙側假設檢驗,檢驗水準設置為α=0.05.此外,配對樣本t檢驗的數據報告Cohen's效應量(d),Wilcoxon符號秩和檢驗的數據報告效應量(r),并同步呈現r和d的95%置信區間(95%CI).d效應量(絕對值)大小的判定標準見文獻［31］;r效應量(絕對值)大小的判定標準見文獻［32］.上述效應量的計算公式可見文獻［32］.

2 結 果

腦力疲勞誘導情況如附表Ⅰ和圖2所示.實驗組干預前的VAS-MF分數與對照組類似,干預后的VAS-MF分數顯著高于對照組(t=6.610,P<0.001),干預前后的VAS-MF分數差值顯著高于對照組(t=7.409,P<0.001),運動測試結束的VAS-MF分數顯著高于對照組(t=5.627,P<0.001).實驗組干預后的VAS-ME分數顯著高于對照組(t=10.587,P<0.001).實驗組干預前的BRUMS-F分數顯著低于對照組(z=1.997,P=0.046),干預后的BRUMS-F分數顯著高于對照組(z=2.256,P=0.024),干預前后的BRUMS-F分數差值顯著高于對照組(z=2.738,P=0.006).實驗組干預前和干預后的BRUMS-V分數均與對照組類似,但干預前后的BRUMS-V分數差值要顯著高于對照組(t=2.370,P=0.031).實驗組干預過程中的HR顯著高于對照組(t=2.509,P=0.023).實驗組任務結束前9 min的RT和ACC均與任務剛開始9 min類似.其他指標VAS-MO分數,HR,RPE等在實驗組和對照組間均無顯著差異.

受試者協調表現測試的成績如圖3所示.測試結果顯示,實驗組HCT測試的成績有低于對照組的趨勢(時間越長代表成績越差),但未達到統計學上的顯著性水平(t=1.779,P=0.094,d=0.431,95%CI為-0.073～0.923).實驗組SDT測試的成績顯著低于對照組(t=2.335,P=0.033,d=0.566,95%CI為0.045～1.072).

3 討 論

3.1 腦力疲勞誘導情況

STROOP是目前競技體育領域腦力疲勞誘導的最為常用方案.研究顯示,使用該方案達到一定時長(≥30 min),可以成功誘導腦力疲勞［3-4,15］.本文45 min STROOP任務成功誘導了腦力疲勞,這主要體現在腦力疲勞核心指標VAS-MF的變化上,具體為任務前兩組的VAS-MF分數基線類似(d=-0.073,微量效應量),任務后實驗組的VAS-MF分數顯著高于對照組(d=1.603,大效應量),任務前后實驗組VAS-MF的上升幅度遠高于對照組(d=1.797,大效應量),與文獻［8,33-34］一致.除了核心指標VAS-MF,VAS-ME、BRUMS-F、BRUMS-V、HR眾多次要指標的變化也反映了腦力疲勞的誘導情況,與文獻［35-37］一致,間接確認了STROOP任務有較好的腦力疲勞誘導效果.此外,本文還測量了SDT測試結束即刻的VAS-MF,結果顯示,實驗組SDT測試結束即刻的VAS-MF分數雖較任務結束即刻略有下降,但仍然顯著高于對照組此時的VAS-MF分數,并保持了較大的效應量差異(d=1.365).由此可見,腦力疲勞產生以后難以在短時間內快速消退.該結果支持了文獻［2,21］的研究結論.綜上所述,本文45 min STROOP任務具有較好的腦力疲勞誘導效果,并且這種效果短時間難以消退.

3.2 腦力疲勞對協調表現的影響

本文發現腦力疲勞對足球運動員的協調表現存在負面影響,這主要表現為實驗組的HCT測試成績有低于對照組的趨勢(P=0.094),SDT測試成績顯著低于對照組(P=0.033),兩項協調測試的成績在腦力疲勞情況下均出現了一定程度下降,下降幅度接近中等效應量(d分別為0.431和0.566).由此可見,腦力疲勞一定程度負面影響了足球運動員的協調表現.鑒于協調是有著一定認知或執行功能需求的運動能力(如研究發現運動員參與協調任務時需要投入持續的注意力、認知加工和感知覺技術等因素［13］),腦力疲勞對足球運動員協調表現的影響可能與腦力疲勞對認知或執行功能的負面影響有關,即長時間的認知活動產生了腦力疲勞,腦力疲勞作用的主要腦區為前額葉皮層和前扣帶皮層,上述腦區作為人體執行功能的重要控制/參與區域在腦力疲勞的作用下影響了情緒加工與控制、自我調節、表現監控、錯誤糾正/故障處理、努力/獎勵程序、注意力分配、動作準備和決策等一系列執行功能的良好發揮［5,38-39］,間接影響了足球運動員的協調表現.腦力疲勞對足球運動員協調表現的負面影響還可以用心理學領域的自我控制力量模型解釋,該模型認為人體的自我控制能力是有限的,并且決定著許多競技能力的表現(如技術、決策等),受試者在運動任務前進行高強度和高努力的任務(如腦力疲勞任務)會消耗此能力,該能力的下降會導致受試者在隨后的相關任務(如協調任務)中不能投入更多的自我控制,從而導致這些任務的表現下降［40-41］.BOTVINICK［42］、MACMAHON［40］等學者提出的認知控制理論同樣一定程度解釋了腦力疲勞對足球運動員協調表現的負面影響,該理論指出受試者完成任何新的認知活動,特別是該認知活動存在反應沖突時(如STROOP任務),受試者的認知系統會實施一個控制程序來使該活動/任務變得更加簡單,該控制程序的使用會降低受試者認知系統的靈活性,影響后續任務新控制程序的形成和實施,即STROOP任務過程中認知系統控制程序的實施干擾了足球運動員協調任務過程中新控制程序的形成和實施,從而無法使協調任務變得簡單(降低了協調表現).本文的結果也得到了類似研究的支持.研究顯示,腦力疲勞同樣會通過對執行功能的負面影響,下調運動員的技術和決策表現［8,15,31,34］.此外,腦力疲勞對足球運動員專項協調表現影響要略大于一般協調表現(效應量:0.566 vs.0.431),究其原因,可能與專項任務的復雜程度更高,對認知的需求更大有關.如ROMMERS等人［9］指出,良好的一般協調表現是運動員發揮專項協調表現的基礎.綜上所述,腦力疲勞會負面影響足球運動員的協調表現,并且這種負面影響在專項協調表現中可能更大.

3.3 腦力疲勞對其他指標的影響

參照其他文獻［3-4］,測量了足球運動員參加腦力疲勞誘導及協調表現任務的VAS-MO,協調表現測試過程中的HR和RPE等生理和感知覺方面容易影響協調表現測試成績指標的數值,試圖進一步明確腦力疲勞影響協調表現的可能機制.研究結果顯示,有無腦力疲勞情況下受試者上述指標的數值類似,由此可見,腦力疲勞對協調表現的負面影響鮮有可能源于上述生理和感知覺方面指標的變化.本文生理和感知覺方面指標測量的結果與腦力疲勞是否影響技術表現［34,43］以及腦力疲勞是否影響決策表現［44］的相關研究結果一致,一定程度支持了“腦力疲勞負面影響協調表現可能源于運動員執行功能受損”的推論.

3.4 局限性

首先,受試者運動水平相對較低,且數量有限;其次,腦力疲勞的誘導主要采用了45 min STROOP任務,協調表現的評價主要采用HCT和SDT測試,相關結果是否可以推廣至更長時間的STROOP任務、其他腦力疲勞方案和協調表現測試還有待商榷.

4 結 論

腦力疲勞對足球運動員協調表現存在負面影響,并且這種影響在專項協調任務中可能更大.基于上述結論,足球比賽中運動員協調表現的下降可能與腦力疲勞有關,并且建議運動員在協調表現評估、訓練和足球比賽前,盡量避免刷手機、玩游戲等易產生腦力疲勞的活動.

附 錄

附表Ⅰ見電子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.05.018).