脑超慢涨落技术在我国体育领域应用研究现状

吴梅婷 林岭 刘建秀

宁波大学体育学院（浙江 宁波 315211）

脑超慢涨落技术在我国体育领域应用研究现状

吴梅婷 林岭 刘建秀

宁波大学体育学院（浙江 宁波 315211）

脑超慢涨落技术；ET；体育

应用先进的神经生理技术进行运动员脑功能训练适应、状态与认知等研究已经成为运动心理学、生理学、训练学的重要研究手段及发展趋势之一。通过神经生理技术，研究、测评运动员脑功能特征及状态，对运动员的科学选材、竞技状态评价、训练的中枢适应及竞技表现的心理生理机制等方面进行研究，为运动实践提供了许多宝贵的指导[1，2]。

目前常用于评价运动员脑功能特征的研究技术有很多种，如功能性磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Image，fMRI）、事件相关电位（Event-related Potential，ERP）、脑电图（Electroencephalogram，EEG）、脑电地形图（Brain Electrical Activity Mapping，BEAM）等技术。上述技术均可通过不同的技术原理及相应的数据分析来探索运动员脑功能特点，如：血氧水平相关成像原理等[3]。上述技术都因其技术原理的不同而有相应的研究侧重点，如fMRI因其空间分辨率高而主要应用于探讨认知过程与情绪活动的脑机制及脑功能定位等运动认知神经科学研究领域；ERP因其具有高时间分辨率的特点，能实时反映认知加工过程而主要应用于运动认知加工方面的研究；EEG则在运动性中枢损伤、中枢疲劳等的诊治中进入运动医学实用阶段；BEAM因其能比较直观地反映大脑神经活动的图形系统，客观反映各脑区生理机能活动状态，在训练中具有特殊意义。根据科学还原论，任何脑功能特征的表现与变化的核心机制都离不开中枢神经递质活动的影响，而以上这些技术均无法有效测评脑功能活动过程中神经化学递质的活动和改变规律等。而脑波超慢涨落技术（Encephalofluctuogram Technology，ET）因其能实时定量测评神经介质动态变化趋势的优点，有效弥补了其他研究技术的部分局限性。ET因其可以无损伤、一次性探测多种神经介质动态变化及不同频率超慢波的分布比例、与运动专项适应有关等独特优势，在运动员选材、运动员训练适应、脑功能状态、运动心理等的研究与实践应用方面的价值备受关注，一些研究者为此进行了一系列卓有成效的研究，并取得了可喜的初步研究成果。通过对我国体育领域ET研究文献的分析，将有助于合理把握未来ET技术在体育科学领域的研究方向，特别是对运动神经生理学、运动心理学等相关领域的应用研究具有指向性作用，现有成果的梳理还将对运动员的训练实践具有一定理论指导价值。

1 ET的技术原理及体育科研适用范畴

ET是一种无创性实时脑功能研究技术，该技术能在完全自然和无创的条件下，获得脑内多种神经递质变化的信息，再通过分析不同神经递质所对应的特征频率谱线的变化进而对脑功能进行评价[4，5]。根据我国航天医学研究所梅磊教授提出的“脑电超慢涨落理论”，脑电波中隐含着频率极低（毫赫兹级）的超慢涨落信号，这些信号可以由计算机扫描、分离后得到并可以组成超慢涨落系统，称为S系统（supra-slow system）。S系统与脑内神经化学活动密切相关[6]。上世纪八九十年代，梅磊等进行了一系列前期动物学实验，实验结果验证了不同S谱线系与不同中枢神经递质的特异性关系[7，8]。例如：S1与γ-氨基丁酸（GABA）有关；S2与谷氨酸（GA）有关；S3系与乙酰胆碱受体（Ach-R）有关；S4系与5-羟色胺（5-HT）有关；S5系与乙酰胆碱（ACh）有关；S11系与多巴胺（DA）有关等。该功效适用于运动员脑功能状态（竞技状态）的测评与研究。该技术还可根据不同频率超慢波比例构成情况将脑功能分为5种类型：分散型、非稳定型（漫化型）、优化型、认知型、情绪型。不同的脑电活动类型具有不同的行为或学习特点，其中，漫化型的特点是技术优化过程较长；优化型的特点是优先运动控制，具备较好的运动适应能力；认知型的特点是注重思维，善于思考，学习效果较好；情绪型的特点则是兴趣或注意转换速度快，易大起大落，容易受环境影响[11]。该功效适用于运动选材及专项训练适应的研究与动态测评。另外，通过ET不仅能得到脑电活动类型并能采集分析脑信息熵值。脑的信息熵是集中反映脑所处内外环境变化中适应性反应情况的指标[49]。对于大脑来说，熵值越低，则脑功能有序化程度越

高，技能形成的自动化程度越高；熵值越高，则相反[50]。该功效适用于运动技能学习与形成、竞技状态的测评与研究。

尽管ET技术研发的最初动机是应用于航天员的选拔与脑功能状态评价，但由于其在中枢神经递质、不同频率超慢波比例构成及脑信息熵值的无创性实时测评方面具有独特功效，除在航天领域的基础与应用研究外，该技术已经被扩展应用到临床医学及体育领域。在临床医学方面主要应用于与神经递质变化有关的疾病检测中，如老年痴呆症、癫痫、帕金森症、抑郁及躁狂型精神病等的诊断与辅助指导治疗，且检测结果与其临床症状和其它医学诊疗设备得出的结论一致[9-11]。在体育领域研究内容涉及多个方面，如运动技能学习、赛前竞技状态分析、心理疲劳、运动选材等。该技术的设备携带、测试均较方便，对测试环境无特殊要求，在体育科研及训练领域有着广阔的应用发展前景。

2 ET在我国体育领域应用研究

2.1 体育锻炼与ET

体育锻炼可以增强神经系统的功能，即加强神经系统的稳定性和改善大脑兴奋和抑制过程的转化能力，整体提高脑功能[12]。有研究报道，经常参加体育锻炼可以促进认知水平、学习能力及情感状态[13-15]。而这种脑功能的变化可以通过ET进行检测。王艳霞研究发现，经过8周的系统锻炼，男女大学生的脑功能状态，无论是大脑缺血缺氧状态、疲劳状态，还是兴奋抑制状态，从总体数值分析来看都有了一定的改善[16]。Dustman等认为经常参加有氧运动者具有良好的认知功能且α波（8~10Hz）的活动增强[17]。Lardon等发现高频率运动者α-1波（9.5~12.5 Hz）的功率明显增高[18]。长期不同形式的体育锻炼均出现一致的α波（9~10 Hz）活动的增强，9~10 Hz脑电类型为优化型和认知型。这两种类型的脑电都具有良好的运动控制与适应能力，善于思考并注重学习的理解能力[18]。通过上述研究可见：长期不同形式的体育锻炼均出现不同方面的脑功能状态及认知能力的改善，且体育锻炼导致的脑功能改善可以通过ET进行定量测评。

2.2 运动技能学校与ET

运动技能的学习，其本质就是要在神经网络中构成一个新的序参量，这种新的序参量的基础是网络内大量相关要素的有序排列，网络在新序参量目标导向下的变化过程就是学习的进程。当网络的自组织完成时，新序参量也就形成，运动技能也就建立了[19]。运动技能形成受神经网络的早期改变的敏感性的影响。Hubel和Wiesel认为，在早期敏感期，刺激可以选择利用细胞群体中那些同时放电的输入并抑制其它输入，而使反应的特异性变得清晰，此时被选择的突触联系在巩固以后可以抑制其它突触联系。突触接头上的神经化学物质的释放、摄取等代谢活动，会对大脑的电生理活动产生影响[20]。

迄今为止，我国关于运动技能学习及其相对应大脑神经递质活动特点的ET研究主要集中于运动表象相关研究。安燕等对8名健将级的射箭运动员和19名普通大学生进行专家与新手心理表象的差异研究，结果发现，专家与新手之间在安静状态下并未因训练不同而产生差异；在运动表象时，与运动相关的区域存在差异，即专家皮层激活在左侧区域更广泛[21]。她的另一项研究通过对田径、羽毛球、射箭和射击四种不同项目运动员进行脑电研究，结果与上述研究一致，即在安静状态下不存在差异，在运动表象过程中脑电功率谱百分比存在项目差异[22]。邹荣琪等人（2009）对自行车运动员脑电变化的研究，结果与上述研究一致[23]。研究结果提示：安静状态下，专家与新手大脑活动没有差别，在运动表象时，与运动相关区域的脑神经活跃程度专家与新手存在差异，且不同项目间也存在差异。

2.3 赛前竞技状态与ET

赛前状态对竞技运动十分重要，合理的评价运动员赛前状态具有重要的现实意义。近年来，我国科研人员尝试应用ET分析运动员赛前心理状态。

ET可以通过神经递质特征谱线的变化反映赛前脑功能状态。魏高峡等对优秀游泳运动员大脑中枢神经递质的研究发现，赛前一天，大脑神经递质表现为DA的左脑优势、5-HT的右脑优势和Ach的前高后低走向，这些神经递质的变化与脑区有关[24]。殷加宝的研究发现意象比赛状态下，运动员的大脑抑制性神经递质上升，兴奋性神经递质下降[25]，通过脑神经递质的变化可以有效反映出运动员的赛前心理状态。ET也可以通过脑信息嫡的变化反映赛前竞技状态。林丽雅等分别采集高水平游泳运动员高原前中后及高原后12天（赛前10天）的脑功能指标，结果表明运动员在下高原后调整的10天中，其脑主序参量形式发生了非常明显的变化，信息嫡水平大幅度升高，信息离散趋势明显[26]。这意味着，高原训练不能代替专门的赛前训练，如果运动员赛前训练不合理，会导致脑突触功能矩阵协同水平的重调，因而脑功能的状态结构水平发生变化，表现为信息嫡离散，而信息嫡或主序参量离散或右移，会导致运动员竞技能力下降。另一项研究也发现了相似的结果[27]。因此，通过脑信息嫡的变化可以有效反映出运动员的赛前竞技状态。

上述研究结果显示：良好的赛前状态具有一定的大脑活动背景。通过ET的特征谱线、信息熵等变化可以有效反映出运动员的赛前竞技状态，为教练员合理

安排心理及技术训练提供客观数据参考，帮助运动员在赛前达到最佳状态。

2.4 运动型中枢疲劳与ET

中枢疲劳被普遍认为是中枢神经系统的保护性抑制，与中枢神经系统内的神经递质改变有关[28-30]。随着人们对运动性中枢疲劳机制的研究越来越深入以及测评技术的发展，脑内神经递质的变化成为了科研工作者研究的关注点之一。国内外众多研究均提示运动性中枢疲劳与中枢神经系统中5-HT、GABA升高、DA及Ach-R水平降低等神经递质变化有关，并基本达成共识[31-35]。但是，由于5-HT等神经递质不能通过血脑屏障，因此不能通过外周血液直接测量5-HT等神经递质含量，一般都间接通过检测血样中f-TRP含量，同时计算f-TRP/BCAA的比值来推测5-羟色胺的含量。ET则因其对中枢神经递质可进行实时、无创性检测，为中枢疲劳的客观化定量测评提供了重要的科学手段。张振民通过对国家短道速滑队、花样滑冰队主力队员进行脑电图等分析，评定竞技状态、诊断中枢疲劳，研究结果提示，运动员疲劳状态下，GABA和5-HT明显增加，DA显著下降[36]。林岭对射箭队的37名一级以上男队员进行ET及躯体行为症状横断性测试，结果显示，ET的疲劳指数（5-HT水平）与运动员自评的疲惫感呈非常显著性高度正相关，说明随着中枢内5-HT的升高，伴有疲惫感的升高，这提示ET和躯体行为症状可以互为补充，综合评价运动员的中枢疲劳症状[37]。综上，ET可以通过S特征谱线的变化来评价运动员中枢疲劳状况[28，37，38]。

2.5 ET在不同运动项目比较级选材中应用研究

从CNKI检索到21篇与不同运动项目相关的ET研究，涉及的项目包括射击、射箭、网球、沙滩排球、乒乓球、橄榄球、竞走、400米跑、游泳、体操、蹦床、花样游泳、拳击、气功等。除了3篇进行不同项目间横向比较研究之外，其它研究主要针对一个项目进行研究。

针对某一个项目的研究结论均提示，运动员与普通人、优秀运动员与一般运动员、集训前后部分脑区的神经递质的激活水平均存在显著差异[39，40，41]。另外，通过ET超慢波比例及特征谱线变化来区分不同运动员的脑功能类型，这与运动选材密切相关。庞俊华等对射箭、射击和花泳运动员进行脑涨落图研究，结果发现，技能主导表现难美性的项目花泳组运动员全脑水平S3谱线显著低于射击运动员和对照组；技能主导表现准确性的项目射箭组运动员的全脑水平S6系显著低于对照组，且不同专项运动员脑内神经介质形成的脑功能优势，与808神经类型测试结果相符[42]，因此认为，脑涨落图特征谱线特征与运动项目的训练特点相关。王晓军等对19名国家队和19名广东队射击运动员进行脑电α波测试，结果发现，不同水平射击队员的脑电α波类型均偏向认知型[5，43]。郑晓等、宋爱晶等的研究均发现优秀跳水运动员的脑电α波功率谱主要集中于10 Hz[44，45]。黄贝君等通过对竞走运动员脑电α波分析发现，5名运动员的优势频率为10 Hz[46]。优势频率代表了自组织系统中最有价值的信息，系统中占优势地位的序参量可支配所有子系统的行为[47]。尽管目前相关研究数量有限，还很难达成共识，但阶段性研究成果提示我们，在进行运动员选材时应该考虑不同项目的专项特点，通过不同的特征谱线和不同频率超慢波比例构成可辅助进行选材。

2.6 其他与运动相关ET研究

脑的信息熵是集中反映脑所处内外环境变化中适应性反应情况的指标，熵值在脑波中的变化，实际上就是机体各部分协同产生的适应性变化信息，是经机体自组织以后形成的宏观参量，也是机体脑经训练后有序程度的集中反映[48]。有研究发现，奥运冠军、国家队与广东省射击队运动员的熵值存在显著性差异，熵值可作为监控优秀射击运动员训练适应状态的参考指标[49]。此外，熵值可以评价训练负荷安排与控制的合理和有效程度[44，50，51]，认知型低熵值的运动员具有掌握和控制技能水平的较高优势，而平均型高熵值的运动员则不具有高水平竞技能力的可能性[52]。目前，有限的相关研究还很难形成一致的结论，但就现有成果结合ET的技术原理看，ET熵值的动态变化测评应用于运动员专项训练适应及竞技状态评价是一个具有较高研究价值的研究方向。

另外，周红宇的动物实验发现，连续服用L-苹果酸以及脑缺血再灌注后给予L-苹果酸，都能及时改善了脑组织的能量代谢，调整脑内的神经递质，从而有利于学习一记忆功能的恢复，起到改善记忆的作用[53]。他认为通过ET我们可以无创地反映脑功能状态，有利于研究补充苹果酸与中枢疲劳的关系。他的探索研究提示，可以应用ET技术评价外源性物质干预对脑功能的影响，此方向的进一步深入研究将在运动营养的科学补充、竞技状态科学调控等方面具有重要指导价值。

2.7 其他研究指标与ET结合应用

为了扩展ET应用的范围及避免单一手段的局限性，有研究者将ET与脑电（EEG）及心率变异性（HRV）等多种技术和量表进行联合测试，共同研究揭示有关现象。刘运洲等对10名羽毛球项目二级以上运动员刺激前后进行主观感觉、脑电（EEG）、超慢涨落技术（ET）、心率变异性（HRV）的变化研究，结果发现高频重复经颅磁刺激（rTMS）能够提高唤醒，刺激后脑电（EEG）、神经递质及心率变异性（HRV）的变化在一定程度上可以联合对其神经生理效果进行解释[54]。郑樊

慧等利用ET和《中国射击运动员恢复—应激问卷》结合对移动靶运动员不同训练负荷前后机体机能的变化特点进行测试与分析，结果发现：抑制性递质（INH）和Ach训练前的值都显著高于上强度1周后的值，休息受干扰分量表的值在上强度训练前后存在显著性差异；睡眠质量分量表的值在上量后显著低于夏训前的值。这两种测试方法的结合可共同解释不同训练负荷前后机体机能的变化[40]。

林丽雅对游泳队运动员进行生理生化及脑电等指标测试，结果发现，一般生理生化指标只能反映运动员的生理机能状态，与运动员的竞技能力不存在线性关系，而脑电指标的变化（如信息熵离散，信息熵集中的主震荡水平离散或右移）提示运动员竞技能力下降。ET的测试能补充说明运动员脑功能状态，而脑功能状态则是运动员竞技状态的直接影响因素[55]。还有研究者将ET与ERP技术结合起来探索神经递质变化对认知加工能力的影响，林岭的一项研究发现ET的中枢疲劳指数与P300的波幅呈有意义的高度负相关，即中枢疲劳将导致运动员的注意选择功能下降[37]。

根据不同神经生理技术原理的不同，将ET与ERP、fMRI等神经生理技术结合，可以打破空间与时间分辨率低的局限性，分别从实时认知活动、中枢神经递质变化及脑组织的空间定位等方面发挥互补作用，实现运动员脑功能研究向纵深方向发展。结合有关量表测评，可以探索神经生理变化与行为及心理状态变化的关系。

3 ET在我国体育领域应用研究中主要成果、存在问题及未来研究方向

综上所述，ET在我国体育领域的应用已经取得了可喜的研究成果。主要成果包括：（1）长时间的体育锻炼有助于提高大脑的记忆力、开拓思维和想象力，从而有效地提高脑力劳动的效率，而这种脑功能的变化可以通过ET进行检测；（2）ET为运动表象效果评价提供了一种有效的客观研究方法，探索并验证了表象过程中有关脑结构被激活程度的关系，激活程度越高说明运动表象干预效果越好，同时，运动表象过程中不同项目运动员的不同脑区的脑电功率谱百分比存在差异；（3）运动员的赛前竞技状态会通过ET的特征谱线、信息熵等变化反映出来，通过ET测评可以反馈指导运动员竞技状态调控；（4）ET可通过对中枢神经递质的测评而定量客观评估运动员中枢疲劳状态；（5）在进行运动员选材时应该考虑不同项目的专项特点，不同专项有着不同的优势谱线；（6）ET与脑电（EEG）、心率变异性（HRV）、ERP等多种技术结合，可互相弥补各个指标的不足，共同解释运动中枢现象。

尽管ET在我国体育领域已经获得了可喜的研究成果，然而总体而言，这方面的研究还存在一些问题。在研究技术上，研究手段过于单一，目前关于ET与其他技术手段结合进行研究的相关研究文献偏少。目前我国体育领域进行的ET相关研究，基本都停留在针对运动员的现象描述上，比如对中枢疲劳、运动技能适应或竞技状态等实时现状描述，缺乏机制探索性研究。在数据统计处理上大部分ET研究都采用简单的方差分析或T检验，单纯比较实验前后或组间差异，提示研究方法设计方面还过于简单化，难以有效揭示更为复杂、更有深度的现象或机制。我国体育领域ET研究的样本量总体偏少。在样本量偏少的情况下所得到的结论的可信度、可重复性及科学性偏低。目前ET在我国体育科学中的应用主要集中在非周期性项目上，很少涉及周期性体能项目。ET普及应用程度较低，研究群体过于局限。受研究总量的局限，目前有些研究结果及结论还很难达成有效的共识。

未来研究方向：（1）不同神经生理技术有其各自独特的适用研究视角。通过ET与ERP、fMRI等神经生理技术的结合，可以打破空间与时间分辨率低的局限性，分别从实时认知活动、中枢神经递质变化及脑组织的空间定位等方面发挥互补作用，实现运动员脑功能研究向纵深方向发展，从而说明某种训练方式的中枢适应，这种适应包括空间的和实时功能状态的。这对于指导科学安排训练方式与负荷具有重要实践指导意义。（2）利用ET在体育领域探索优化的技能训练模式。运动技能的学习的本质，是要在神经网络中构成一个新的序参量，一定限度内的大负荷量有利于新模式形成，超过极限负荷的量势必将导致与期望（标准）序参量相反的结果[19]。脑的信息熵是集中反映脑所处内外环境变化中适应性反应情况的指标[48，52]。利用熵值能有效测评运动技能学习与形成模式，对于教练员优化技能训练模式有重要指导意义。因此，应用ET技术探索研究运动技能形成的中枢机制及不同技能训练模式、负荷的安排对运动技能形成过程的影响，将会为提高运动技能学习与训练的科学化水平提供重要的理论依据。（3）我国目前应用ET在周期性体能项目上研究薄弱。而这些尚未被涉及到的运动项目都具有开展脑波ET研究的巨大潜力。另外，ET超慢波比例及特征谱线变化与不同项目的专项特点有关，通过研究不同的特征谱线和不同频率超慢波比例构成可辅助进行选材。有关研究还需要进一步深入、系统进行。

4 总结

（1）体育领域的ET研究在体育锻炼、运动技能学

习、赛前竞技状态、运动性中枢疲劳、运动选材等方面取得了较为可喜的阶段性研究成果。（2）体育领域的ET相关研究起步较迟，目前仍处于初期探索性研究阶段，还存在一些问题。如：研究数量有限，ET在辅助选材方面还未达成共识；鉴于运动训练实践的复杂性，ET在解决实践问题还存在较大局限性。（3）ET结合其它神经生理技术，综合探索不同项目、不同训练方式与负荷的训练在中枢适应变化规律，及其对中枢功能状态、认知加工过程、心理状态等变化规律的影响和相互关系，优化运动技能训练模式，探索适宜的运动负荷等，具有广阔的应用研究前景。

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2015.09.17

《运动心理理论与应用》课程建设（项目编号：ZDKC2014003）

林岭，Email：linling@nbu.edu.cn