透過腦電波的多種指標探討運動員心智功能

發稿時間:2020/02/06 11:34
最新更新:2020/02/06 11:34
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在激烈的運動賽事裡,我們總能欣賞到運動員各種超人般的技能與體能表現,他們驚人的體力、反應能力與優雅的技能表現,總是能讓觀眾與粉絲們讚賞不已。然而截至目前為止,究竟是什麼造就了偉大的運動員尚未有明確的答案。

在2018年的國際著名期刊<運動醫學(Sports Medicine)>,曾刊登了一篇回顧(文獻1),指出目前已知的選材指標並無法有效地預測運動表現,其原因可能是過去研究忽略了心理層面的指標,因此文章作者建議未來的運動選材,應考量不同專項運動的多面向關鍵指標。

在運動過程中,運動員除了需要體能與技能之外,更需要處理大量訊息,如同圖中的紅衣隊伍選手,除了要控制好腳下的球之外,更需要注意隊友及敵方的走位動向,並在有限的時間內做出最佳的決策反應(圖片取自成功大學足球校代表隊)。
在運動過程中,運動員除了需要體能與技能之外,更需要處理大量訊息,如同圖中的紅衣隊伍選手,除了要控制好腳下的球之外,更需要注意隊友及敵方的走位動向,並在有限的時間內做出最佳的決策反應(圖片取自成功大學足球校代表隊)。

即便跑得快或跳得高,也不見得球就打得好,而這背後的原因可能與運動涉及了多種複雜的認知處理歷程有關。認知功能即複雜的心智能力,主要負責吸收學習經驗,並將其轉化為知識儲存,也是邏輯推理與問題解決等高階思考能力的重要基礎。近年來,有越來越多的研究證實認知功能在運動表現所扮演的重要角色。瑞典的神經科學家Torbjorn Vestberg與其團隊從事了一系列研究(文獻2、3),發現執行功能的優劣,除了可以區辨出運動員的層級差別之外,更可以用來預測運動員的運動表現水準。此外,義大利心理學家Cona等人(文獻4)也發現,抑制控制表現較好的超馬跑者,其完賽的時間相對較快。

過去有不少研究皆指出運動員在某些特定的認知功能有優越的表現。例如,臺灣運動心理學家洪聰敏教授與其團隊(文獻5)曾發現桌球選手在執行空間注意力導引作業時,其反應時間明顯較非運動員快,他們推測這是因為桌球選手需要專注球的動向,且須在短時間內做出決策反應,所以在無形中便強化了選擇的注意力控制能力。此外,日本研究者(文獻6)也發現,棒球選手在反應抑制作業的表現較非運動員好,研究者認為這可能與棒球打擊訓練經驗有關。

從各類型運動的特性來看,不同專項運動所涉及的認知功能也可能截然不同。一般而言,運動型態可以被分類為開放式與閉鎖式運動。開放式運動的運動環境較為多變且不可預測,比賽節奏經常受到外在環境的影響;閉鎖式運動的運動環境相對穩定且較可預測,運動的節奏主要根據選手自身狀態而調整。

國內也有研究曾嘗試探討運動型態與認知功能的關聯性(文獻7),研究結果發現,開放式運動員在抑制錯誤的動作反應時,較閉鎖式與非運動員好。此外,另也有研究發現,不同運動型態的運動員,在認知功能的優勢會表現在不同類型的認知任務上(文獻8),據此有助我們推論,各個專項運動所訓練到的核心認知技能可能不同。

隨著神經影像技術的快速演進,認知與大腦功能也進入一個可視化的時代。其中,腦電波(electroencephalogram, EEG)是一種記錄大腦皮質訊號的測量工具,目前已被廣為用於探討人類認知功能表現。在我國這次的研究團隊,主要由國立成功大學體育健康與休閒研究所王駿濠副教授及心理學系楊政達教授共同主持,並與奧克蘭大學大腦研究中心Prof. David Moreau及國立中央大學認知神經科學研究所Prof. Neil Muggleton進行跨領域研究合作,探討腦電波的指標是否可以反映不同專項運動員的認知功能的特徵差異(文獻9)。

腦電波是探討神經動態運作機制的重要工具,但是從腦電波所記錄到的神經活動相當複雜,須從多面向的訊號指標進行判讀。因此,該研究團隊同時從腦電波的多面向分析,包括之事件相關電位(event-related potentials, ERP)N2波、theta頻率能量震盪及跨嘗試次相位角的同調性(inter-trial phase coherence, ITPC)等認知控制指標,探索不同專項運動員在神經運作機制差異之全貌。結果發現,只有在腦電波的同調性可以反映不同專項運動員在認知控制的個別差異,但在其它強度變化的指標上並無此效果。本研究的貢獻在於發現腦電波的同步化,似乎相較於強度變化的指標,對於探索專項運動員的個體差異,能提供更為敏銳的認知表現偵測。簡單來說,開放式運動員可能主要是透過調節腦電波的同步化,來達到認知功能表現最佳化之目的。

該篇研究為國際上首篇以腦電波的多種指標探討運動員心智功能並提出其潛在應用之研究,除了為運動員與心智功能議題揭示了新的方法與思考面向之外,也再次驗證了認知與大腦功能指標在運動科學領域的潛在應用。最後,研究團隊期盼研究成果可以做為未來教練與訓練科學實務應用的參考基礎,從而發展出可區辨各專項運動層級或運動表現的關鍵心智功能指標,以促進國內競技運動科學與實務應用之發展。

參考文獻

1 Johnston, K., Wattie, N., Schorer, J. & Baker, J. Talent identification in sport: A systematic review. Sports Medicine 48, 97-109 (2018).2 Vestberg, T., Gustafson, R., Maurex, L., Ingvar, M. & Petrovic, P. Executive functions predict the success of top-soccer players. PLoS one 7, e34731 (2012).3 Vestberg, T., Reinebo, G., Maurex, L., Ingvar, M. & Petrovic, P. Core executive functions are associated with success in young elite soccer players. PloS One 12, e0170845 (2017).4 Cona, G. et al. It’sa matter of mind! Cognitive functioning predicts the athletic performance in ultra-marathon runners. PloS one 10, e0132943 (2015).5 Hung, T. M., Spalding, T. W., Santa Maria, D. L. & Hatfield, B. D. Assessment of reactive motor performance with event-related brain potentials: attention processes in elite table tennis players. Journal of Sport and Exercise Psychology 26, 317-337 (2004).6 Kida, N., Oda, S. & Matsumura, M. Intensive baseball practice improves the Go/Nogo reaction time, but not the simple reaction time. Cognitive Brain Research 22, 257-264 (2005).7 Wang, C. H. et al. Open vs. closed sports and the modulation of inhibitory control. PLoS ONE 8, e55773 (2013).8 Jacobson, J. & Matthaeus, L. Athletics and Executive Functioning: How Athletic Participation and Sport Type Correlate with Cognitive Performance. Psychology of Sport and Exercise 15, 521-527 (2014).9 Wang, C. H., Yang, C. T., Moreau, D. & Muggleton, N. G. Motor expertise modulates neural oscillations and temporal dynamics of cognitive control. NeuroImage 158, 260-270 (2017).

(文/圖 國立成功大學王駿濠副教授提供)