高水平男子击剑运动员空间知觉特性的事件相关电位研究

周成林 冯琰 王小春

1 上海体育学院（上海 200438） 2 沈阳体育学院

目前，运动认知领域研究不同知觉能力时，通常遵循间接知觉理论思路，所采用的测量方法与特定环境刺激相联系。如李军等［1］在大学生运动知觉能力测定研究中，采用了感知滑木盘距离测验、感知跳跃距离测验和“选择——反应——动作”测验；周冶等［2］采用LASER 310心理测试机研究了时间知觉的反应时间、准确程度与青少年射击运动员运动水平之间的关系；而聂志强［3］在对中长跑运动员速度知觉能力的实验研究中，设定运动员在400 m一圈的跑道上完成规定的中速跑任务。无论实验室条件下还是实际运动情境中，不同项目运动员所具有的各种专门化知觉能力也不同，但对运动员各种专门化知觉能力的直接测量与评价明显受到测量技术和方法的限制，故相关研究报道不多。目前主要通过高水平运动员在运动情境中的运动行为表现推测其所具有良好的专门化知觉能力，但对运动员竞赛情景中采用的知觉策略还未见涉及。直接知觉或生态学思路给我们带来启发，即依赖于脑及高级中枢在知觉和动作操作中的实际作用来解释知觉，因此，综合使用事件相关电位（event-related of brain potential，ERP）等认知神经科学测量技术以及传统的行为测量方法，不仅可揭示运动员的知觉能力特点，更可对运动员在运动情境中的知觉机制进行有益探索。

击剑是一项对抗性强、竞争激烈的格斗项目，素有“速度和智慧竞赛”的美称，其攻防转换极为快速、频繁。作为近距离的格斗对抗项目之一，它要求运动员具有良好的空间感、时间感以及时机、节奏等专门化知觉能力，比赛中运动员必须在极短的时间内根据对手和场上空间位置变化，做出准确、有效的判断和快速、灵活的决策，才可能抓住各种机会获胜。故击剑运动员的空间位置知觉能力是其专门化知觉能力的重要组成部分，也是击剑运动员竞技表现有效性的重要因素。因为它不仅表现在对自身和对手空间特性及其相互关系进行正确知觉，还要对运动中剑所处空间位置及其与自身和对手的空间关系进行正确知觉，快速、准确、有效获得这些运动信息是决策的前提和保证。所以，了解和掌握击剑运动员空间位置知觉优势及其可能机制，对有效提高击剑运动员空间感等专门化知觉能力具有重要指导价值。

本研究采用专家——新手研究范式，运用ERP记录技术，通过比较高水平击剑运动员与体育大学生对不同空间位置刺激的选择反应时间、准确率及所诱发的ERP成分（ERPs）的差异，考察高水平击剑运动员空间位置知觉过程及其脑神经活动特点，揭示高水平击剑运动员空间知觉特性及其可能的神经机制，为科学评价和诊断击剑运动员空间知觉能力或空间感提供客观依据。

1 对象与方法

1.1 被试

选取上海体育学院运动训练学专业的6名高水平男子击剑运动员作为高水平击剑运动员组，其中国家健将级、一级和二级运动员各2人，年龄为18.8±1.2岁，运动年限为5.8±1.9年。选取上海体育学院击剑俱乐部6名男大学生作为体育大学生组，均为击剑运动业余爱好者，年龄为20.5±1.6岁，参加击剑俱乐部的平均训练时间为1.23±0.52年。全部被试均为右利手，视力或矫正视力正常，身体健康，无脑部损伤和神经系统疾病史。做完实验后获取适量报酬。

1.2 实验设备

实验用设备为德国Brain Products公司的64导ERP记录与分析系统。Ag/AgCI记录电极固定于64导电极帽，电极点采用国际10～20标准电极系统定位。参考电极置于鼻尖处，前额接地。在双眼外侧1cm处安置电极记录水平眼电（HEOG），在左眼上下眼眶外1cm处安置电极记录垂直眼电（VEOG）。头皮与每个电极之间的阻抗小于5 kΩ。脑电信号（EEG）经放大器放大被连续记录，滤波带宽为0.016～100 Hz，采样频率为500 Hz/导。

实验用计算机为2台DELL台式机，CPU主频为3.0 GHz；操作系统为Windows XP。2台ERP实验操作和记录用显示器，1台呈现刺激用显示器；3台显示器均为19英寸纯平显示器，分辨率为1024×768，刷新频率为100 Hz。受试者按键所用键盘为外接的小数字键盘。

1.3 实验内容

1.3.1 刺激

刺激为处于不同视野位置、直径视角为5.73°的红色圆圈。根据红色圆圈所处视野位置不同，将刺激分为左上红色圆圈、右上红色圆圈、左下红色圆圈、右下红色圆圈。刺激由19英寸DELL纯平显示器来呈现，屏幕背景为黑色。

1.3.2 实验程序

实验程序采用1.0版E-Prime软件（Psychology Software Tools，INC.）编制。被试按任意键开始实验，首先黑色屏幕上出现指导语：“请根据红色圆圈在屏幕中所处位置进行按键反应。左上按1键、右上按2键、左下按4键、右下按5键。要求反应既快又准。准备好后请按任意键开始实验”。被试按任意键后，黑色屏幕中间先出现一白色“+”注视点，呈现时间为500 ms；然后随机呈现一个刺激，呈现时间为50 ms；随后出现黑屏并保持1000 ms；要求被试根据红色圆圈在黑色屏幕中所处视野位置进行按键反应。从一个反应结束到下一个刺激出现的时间间隔是随机的，范围为1500～2300 ms，如此循环往复。

每组实验包含不同视野刺激20个，共5组。组间隔时间可由被试根据疲劳程度并通过按键自主控制。如果被试在给定的1000 ms内没做出任何按键反应或按键过轻，均视为反应错误。在整个实验过程中，对反应准确性和反应速度做同等强调。

1.3.3 实验过程

实验在上海体育学院运动心理研究中心的脑电实验室内进行，该实验室隔音、隔光、安静、舒适，被试单独在房间里完成操作任务，实验结果的可信度可以得到保证。

实验前被试清洗并吹干头发，关闭手机等通讯工具，进实验室熟悉环境，并填写被试基本情况调查表。准备实验阶段，让被试舒适地端坐于实验台前的实验座椅上，双眼与显示器屏幕中心处于一条水平线上，并相距90 cm，双手舒适地放于小数字键盘按键上。然后向被试介绍有关ERP实验的基本要求，即实验过程中应全身放松，尤其是头部和面部肌肉，尽量控制眨眼动作，在整个实验过程中头部和身体尽量保持不动。随后给被试佩戴电极帽，电极帽完全符合ERP实验数据采集的基本要求（头皮与每个电极之间的阻抗小于5 kΩ）后，向被试讲解和说明具体实验任务及要求等，让被试进行1～2组练习，以熟悉使用反应按键和了解整个实验程序。如果有问题就进行指导，后再练习直至无问题，开始正式实验。

1.4 实验数据采集与统计学分析

本实验为空间知觉选择反应任务，采用1.0版E-prime软件自动记录行为指标——反应时和准确率。采用德国Brain Products公司编制的Recorder软件采集ERP数据，并采用该公司编制的Analyzer软件对采集的ERP数据进行离线（off-line）分析。分析时程为1000 ms，以刺激出现前200 ms的均值校正基线。先观察每个被试的脑电原始波形，结合行为数据剔除异常波形段。Analyzer软件可自动矫正眨眼等伪迹，波幅大于±100 µV者在叠加中被自动剔除。实验所得ERPs数据经0.1～16 Hz的无相移数字滤波后进行叠加和平均。

采用SPSS 15.0统计软件包对空间知觉选择反应的行为指标数据及所诱发的ERPs峰潜伏期和峰波幅进行多因素方差分析。

2 结果

2.1 行为结果（表1）

以反应时为因变量的多因素方差分析结果显示，空间位置主效应（F3，46= 15.543，P < 0.001）和组别主效应（F1，46= 27.857，P < 0.001）非常显著，空间位置与组别的交互效应不显著。进一步多重比较结果显示，无论是高水平击剑运动员还是体育大学生，对右上和左上视野刺激进行空间知觉选择反应的速度明显快于左上和右下视野，但对右上或左上视野以及左上或右下视野刺激进行空间知觉选择反应的速度则不存在显著差异。

以准确率为因变量的多因素方差分析结果显示，空间位置主效应（F3，46= 9.963，P < 0.001）非常显著，组别主效应和空间位置与组别的交互效应不显著。进一步多重比较结果显示，无论是高水平击剑运动员还是体育大学生，对左下视野刺激进行空间知觉选择反应的准确率明显低于其它视野；对左上视野刺激进行空间知觉选择反应的准确率又明显高于右上视野。

表1 高水平击剑运动员和体育大学生空间知觉选择反应的行为结果

表1 高水平击剑运动员和体育大学生空间知觉选择反应的行为结果

虽然，高水平击剑运动员和体育大学生进行空间知觉选择反应时，他们在反应时和准确率上不存在具有统计学意义上的显著差异。但反应时和准确率的描述统计（表1）显示，高水平击剑运动员组对不同空间位置刺激进行选择反应所需要的时间均短于体育大学生组；高水平击剑运动员组对左上、右下视野刺激进行空间知觉选择反应的准确率也高于体育大学生组，对左上视野刺激进行空间知觉选择反应的准确率甚至达到100%；而体育大学生组对右上、左下视野刺激进行空间知觉选择反应的准确率又高于高水平击剑运动员组。

2.2 ERPs结果

高水平击剑运动员和体育大学生进行空间知觉选择反应时，大脑皮层不同区域诱发的ERP基本波形在特征上既相似也有不同（见图1）。顶区（Pz）记录的ERPs总平均图显示，在90～140 ms左右诱发出P1，在150～200 ms左右出现N1，在200～250 ms左右诱发出P2，250～300 ms左右出现N2，300 ms以后出现P3。本研究主要对大脑皮层相关脑区诱发的P1、N1、P2、N2和P3进行分析。

图1 高水平击剑运动员和体育大学生顶区（Pz）空间知觉选择反应的ERP总平均图

2.2.1 P1成分

高水平击剑运动员和体育大学生进行空间知觉选择反应时，在整个头皮不同脑区均诱发出P1成分。本研究选取额叶的Fz、中央区的Cz、中央顶区的CPz、顶区的Pz、枕区的Oz五个记录点的ERPs进行叠加处理。

以P1峰潜伏期为因变量的多因素方差分析结果显示，Fz、Cz、CPz、Pz和Oz电极记录点上空间位置主效应和组别主效应均不显著，仅Oz电极记录点上空间位置与组别的交互效应显著（F7，46=3.010，P < 0.05）。

以P1峰波幅为因变量的多因素方差分析结果显示，Cz（F1，46= 4.184，P < 0.05）和 CPz（F1，46= 4.471，P < 0.05）电极记录点上组别主效应显著；Fz、Pz和Oz电极记录点上空间位置主效应、组别主效应、空间位置与组别的交互效应均不显著。

2.2.2 N1成分

高水平击剑运动员和体育大学生进行空间知觉选择反应时，在头皮后部脑区诱发出明显的N1成分。本研究选取顶区的P5、Pz、P6，顶枕区的PO3、POz、PO4和枕区的O1、Oz、O2九个电极记录点的ERPs进行叠加处理。

以N1峰潜伏期为因变量的多因素方差分析结果显示，PO3（F3，46= 5.191 ， P < 0.01）和P5 （F3，46=8.572，P < 0.001）电极记录点上空间位置主效应显著，组别主效应和空间位置与组别的交互效应不显著；其它电极记录点上空间位置主效应、组别主效应、空间位置与组别的交互效应均不显著。进一步多重比较结果显示：无论是高水平击剑运动员还是体育大学生，对右视野（右上和右下视野）刺激进行空间知觉选择反应时诱发产生N1的时间明显早于左视野（左上和左下视野）。

以N1峰波幅为因变量的多因素方差分析结果显示，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）电极记录点上空间位置主效应显著；进一步多重比较结果显示，无论是高水平击剑运动员还是体育大学生，对右视野刺激进行空间知觉选择反应时，左顶区（P5）诱发的N1峰波幅明显高于左视野；对下视野（左下和右下）刺激进行空间知觉选择反应时，顶枕区（PO3、POz、PO4）诱发的N1峰波幅明显高于上视野（左上和右上）。结果还显示，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）电极记录点上组别主效应显著；但Pz、P5、P6、POz、PO3、PO4、Oz、O1、O2电极记录点上空间位置与组别的交互效应不显著。

2.2.3 P2和N2成分

图2显示，对上视野刺激进行空间知觉选择反应时，高水平击剑运动员大脑皮层中央区、顶区、枕区诱发出明显的P2和N2成分；大学生只诱发了P1、N1和P3成分，未见明显的P2和N2成分。与此相反，对下视野刺激进行空间知觉选择反应时，体育大学生大脑皮层中央区、顶区、枕区诱发出了明显的P2和N2成分，而高水平击剑运动员只见P1、N1和P3成分，未见明显的P2和N2成分。

图2 高水平击剑运动员和体育大学生顶区（Pz）不同视野空间知觉选择反应的ERP总平均图

2.2.4 P3成分

高水平击剑运动员和体育大学生进行空间知觉选择反应时，在头皮后部脑区诱发出明显的P3成分。本研究选取顶区的Pz、顶枕区的PO3、POz、PO4和枕区的Oz五个电极记录点的ERPs进行叠加处理。

以P3峰潜伏期为因变量的多因素方差分析结果显示 ：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）电极记录点上组别主效应显著，空间位置主效应和空间位置与组别交互效应不显著。

以P3峰波幅为因变量的多因素方差分析结果显示，除Pz电极记录点外，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）电极记录点组别主效应显著，空间位置主效应和空间位置与组别交互效应不显著。

3 讨论

3.1 高水平击剑运动员空间知觉的行为策略

人在操作某一作业时，有时为了追求速度可以牺牲准确性，相反，有时为了追求准确性又会放慢操作速度，这被称为准确性和速度的权衡，也是一种操作策略［4］。

虽然本研究的空间知觉行为结果并不具有统计学意义，但描述结果却显示，高水平击剑运动员对不同空间位置选择反应时，其选择反应速度快于体育大学生；而对右上和左下视野刺激进行选择反应时的准确性却略逊于体育大学生，对左上和右下视野的准确性又略优于体育大学生。这主要是由击剑项目特点决定的。击剑是一项快速反应性运动项目。在激烈对抗过程中，不仅攻防转换频繁，而且速度快，从发动进攻到决出胜负常常只有不到1秒的时间。因此，击剑运动员在空间知觉过程中更多采用了追求速度的行为策略。故本实验中击剑运动员在完成不需专业知识背景的简单任务时，更易采用其在专项运动中所形成的速度性行为策略。

3.2 高水平击剑运动员空间知觉注意觉察的神经机制

以往ERP研究发现，P1和N1成分反映对刺激空间位置特征的注意觉察。P1波幅主要反映了注意范围的空间等级变化所需要的心理运算资源，N1反映了注意焦点内的觉察过程［5］。

罗跃嘉等［6］研究了提示范围的大小与空间注意的关系，结果表明：提示物引起ERP的P1成分在左侧颞叶和枕叶区域波幅最大，随着提示范围的扩大，P1波幅增大；而N1在右侧中央部波幅最大，且随着提示范围的扩大，潜伏期也缩短。在完成任务过程中诱发的ERP波形特点与前者有很大不同，P1波幅随着提示范围的扩大而增大，而后部脑区的N1波幅随着提示范围的扩大而减小。P1波幅增大反映了促进靶刺激识别时，适当注意范围的等级变化需要额外的资源；而N1波幅减小则可能分散了空间注意的倾斜度。

本研究结果显示，空间知觉觉察阶段的启动时间为90～140 ms左右，整个觉察阶段的时间进程为90～200 ms左右；大脑皮层激活的区域主要为头皮中央区、中央顶区、顶枕区和顶区，头皮激活顺序为从前（中央区）向后（顶区）。高水平击剑运动员P1、N1峰波幅明显小于体育大学生，表明高水平击剑运动员在空间知觉觉察阶段动用的心理能量较少。进行空间知觉选择反应时，无论高水平击剑运动员还是体育大学生，都尽可能将其注意资源分配到刺激物可能出现的四个空间视野位置上，但高水平击剑运动员觉察刺激物所处空间位置时需要的心理能量较少，说明高水平击剑运动员注意分配能力较强，这可能与击剑运动员长期从事专项运动训练有关。击剑运动员无时无刻不处在复杂多变的运动情境中，并对可能有用的运动信息（对手动作、场地情况等）进行搜索和知觉（预测），以作出有效判断和决策。因此其具有在复杂运动情境中将其有限的注意力分配至更多的目标信息（对手的姿势、距离和动作等）的能力。这提示高水平击剑运动员在空间知觉觉察阶段表现出心理能量“节省化”的特点。

本研究结果还表明，受试者下视野和右视野刺激所诱发的N1波幅明显高于上视野和左视野，说明人们觉察下视野和右视野刺激所动用的心理能量较多，可能与人们在日常生活中形成的视觉习惯有关系。无论是左利手还是右利手，人们对外界信息的搜索和获取均遵循着从左视野至右视野、从上视野至下视野的视觉习惯。因此，觉察右视野和下视野刺激比左视野和上视野消耗更多的心理能量。

3.3 高水平击剑运动员空间知觉注意指向的神经机制

高文斌等［7］在注意范围对视觉空间注意影响的脑神经机制研究中指出，注意范围对视觉信息加工的影响主要反映在P2成分，P2波幅反映了视觉注意集中的程度；N2可能和任务难度有关系，明显受注意范围的调节。Mangun［8］研究认为，N2成分主要反映靶刺激物自身特征信息的加工过程。

本研究发现，高水平击剑运动员对上视野刺激进行空间知觉选择反应时诱发了明显的P2和N2，而体育大学生则对下视野刺激进行空间知觉选择反应时诱发了明显的P2和N2。这说明高水平击剑运动员在空间知觉过程中将注意集中指向了上视野，体育大学生则将注意集中指向了下视野，可能与他们在日常训练和学习生活中所形成的注意指向策略不同有关。训练和比赛要求击剑运动员有良好的注意分配能力，对已经发生和正在发生的有用的运动信息进行注意、选择和判断，主要利用的是来自上视野中的有效运动信息（对手的身体姿势、剑尖的运动方向和速度等），预先作出动作选择和判断决策，以有效应对对手的攻击，故高水平击剑运动员在上视野出现靶刺激时诱发了明显的P2和N2。而体育大学生日常完成的多是学科作业和考试任务，空间注意活动较少，其注意力更多分配于当前任务（数字或文字）处理上，注意范围相对集中在与当前任务有关的后续信息（多位于下视野）的搜索上，因此体育大学生只在下视野出现刺激时诱发了明显的P2和N2。可见，高水平击剑运动员空间知觉过程中主要采用注意指向上视野的策略，其注意分配优势的可能机制为大脑皮层中央区、顶区、枕区诱发了明显的P2和N2成分。

3.4 高水平击剑运动员空间知觉位置识别的神经机制

以往ERP研究表明，ERPs中的P3成分与认知活动密切相关，其峰潜伏期反映了刺激评价所需要的时间［9］，P3波幅反映任务的难易程度或者被试对反应的自信程度［10］。但关于P3成分反映何种具体认知过程，目前还存在不同意见。一种观点认为，P3代表知觉任务的结束，即P3代表对某种刺激加工的抑制；另一种观点认为，P3峰潜伏期与认知加工过程中评估与分类的完成有关，即反映的是对刺激物的评价或分类所需要的时间，而P3波幅则与工作记忆中表征的背景更新有关［11］。

本研究的行为和ERPs结果表明，高水平击剑运动员完成空间知觉选择反应的反应时明显短于体育大学生，P3峰潜伏期也明显短于体育大学生，说明高水平击剑运动员识别刺激所处空间位置的速度明显快于体育大学生。

解恒革等［12］的研究表明，P3波幅与注意水平密切相关，它反映了注意资源对靶刺激的分配强度。本研究显示，高水平击剑运动员P3峰波幅显著低于体育大学生。这与前面的ERPs结果一致，即运动员在识别刺激空间位置并进行选择反应过程中，所占用的注意资源和动用的心理能量明显少于体育大学生。这可能也与运动员长期从事专项训练有关。击剑运动员完成空间知觉选择反应的模式与其在实际运动情境中完成运动任务时识别对手剑刺方位的运动模式类似，故其在完成空间知觉选择反应时所需要的工作记忆中的表征更新程度明显小于体育大学生，在识别刺激物的空间视野位置时所占用的注意资源较少，消耗的心理能量也不多。可见高水平击剑运动员在空间知觉过程中识别刺激物所处空间位置的速度较快，心理能量消耗较少，其空间知觉识别优势的可能机制为大脑皮层的顶区、顶枕区和枕区诱发出现P3的时间较早，脑神经活动水平较低。

4 总结

通过实验研究发现，高水平击剑运动员在空间知觉过程中偏向采用速度性行为策略，体育大学生偏向采用准确性行为策略；高水平击剑运动员视觉搜索时主要采用指向上视野的注意指向策略，体育大学生则主要采用指向下视野的注意指向策略；高水平击剑运动员进行注意觉察和识别空间位置所动用的心理能量或占用的心理运算资源明显少于体育大学生。

高水平击剑运动员空间知觉优势的可能机制为大脑皮层的中央区、中央顶区、顶枕区和顶区诱发的P1、N1脑神经活动水平较低，产生了明显的P2、N2；顶区、顶枕区和枕区诱发出现P3的时间较早，脑神经活动水平较低。

在运动实践中，可以考虑将空间知觉选择反应诱发大脑皮层所产生的P1、N1、P2、N2和P3的时间（潜伏期）和大脑皮层的相应激活水平（波幅）作为评价和诊断击剑运动员空间知觉能力或空间感的客观指标，并将左利手作为击剑等对抗性项目初级选材的首选对象。

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［2］周冶，冯兵，李家顺. 射击运动员时间知觉与运动水平关系的探讨. 湖北体育科技，1994，14（2）：16-17.

［3］聂志强. 中长跑运动员的速度知觉.沈阳体育学院学报，1998，17（3）：7-10.

［4］董伦红，周威. 认知决策与篮球运动训练.广州体育学院学报，2001，21（3）：43-45.

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［6］罗跃嘉，Parasuraman R. 早期ERP效应揭示视觉注意空间等级的脑调节机制. 心理学报，2001，33（5）：385-389.

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［9］McCarthy G，Donchin E. A metric for thought： A comparison of P300 latency and reaction time. Science，1981，211： 77-79.

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［11］魏景汉，罗跃嘉. 认知事件相关脑电位教程. 北京：经济日报出版社，2002：33.

［12］解恒革，王晓红，王鲁宁. 注意状态对事件相关电位的影响研究. 中国心理卫生杂志，2002，16（2）：94-95，111.