HRV与EEG生物反馈训练对中枢疲劳运动员的影响.pdf
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1、HRV与EEG生物反馈训练对中枢疲劳运动员的影响Effect of HRV and EEG Biofeedback Training on Athletes with Central Fatigue李秦陇,车开萱,施明强,韩艳丽,迟立忠,周越*LI Qinlong,CHE Kaixuan,SHI Mingqiang,HAN Yanli,CHI Lizhong,ZHOU Yue*摘要:目的:探讨心率变异性生物反馈(heart rate variability biofeedback,HRV-BF)和脑电生物反馈(electroencephalogram-biofeedback,EEG-BF)训练
2、对中枢疲劳运动员神经机能状态和心境状态的作用及差异。方法:采用随机交叉实验设计,以14名国家二级及以上的中枢疲劳运动员为研究对象,分别在2个阶段进行为期15天、共8次的HRV-BF和EEG-BF训练,中间设置15天洗脱期。在每个训练阶段前后使用EEG诱导试验评价中枢机能状态;使用超慢波涨落潮技术测定脑内神经递质;通过Polar H10心率胸带测量HRV,用于评价自主神经状态;使用GMCS-FYS反应时测试仪测量反应时;使用心境状态量表评价心境状态。结果:1)在中枢疲劳状态方面,HRV-BF和EEG-BF训练后脑电波/,中枢疲劳等级均显著降低(P0.01)。2)在神经递质方面,HRV-BF和EE
3、G-BF训练后5-羟色胺水平均显著降低(P0.01),HRV-BF训练后多巴胺水平显著提高(P0.01),且5-羟色胺水平(P0.05)和多巴胺水平(P0.01)的变化均显著大于EEG-BF训练。3)在自主神经方面,HRV-BF训练后交感神经活性增强,副交感神经作用减弱,而EEG-BF没有显著效果。4)在反应时方面,HRV-BF和EEG-BF训练后反应速度均显著提升(P0.05)。5)在心境状态方面,2种训练后积极情绪水平均显著提升,抑郁(HRV-BF:P0.05;EEG-BF:P0.01)和情绪纷乱值(P0.01)显著降低;2种训练方式的不同结果是,HRV-BF训练后疲劳感(P0.01)和慌
4、乱值(P0.05)显著降低,而EEG-BF训练后愤怒值(P0.01)显著降低。结论:HRV-BF和EEG-BF训练都能改善中枢疲劳运动员的中枢疲劳程度,降低脑内抑制性神经递质,提高反应速度,并且提升积极情绪水平,而HRV-BF训练对脑内神经递质和自主神经的作用更为明显。2种训练可从不同方面改善消极情绪,这可能与中枢神经机能状态的提高有关。因此,选择适宜的生物反馈训练能够改善运动员不同情况的神经疲劳状态,加快反应速度,提高心理健康水平以及训练积极性。关键词:心率变异性;脑电;生物反馈;中枢疲劳;神经递质;自主神经;心境状态Abstract:Objective:To compare the eff
5、ects and differences of heart rate variability-biofeedback(HRV-BF)and electroencephalogram-biofeedback(EEG-BF)training on athletes neurological and mood states.Methods:Using a randomized crossover experimental design,taking 14 national level 2 and above central fatigue athletes as the research objec
6、t,they were trained in HRV-BF and EEG-BF for 8 times in 15 days in two stages,with a 15-day washout period in the middle.EEG induction test was used to evaluate central function state before and after training;supra-slow encephalofluctuogram technology was used to measure neurotransmitters in the br
7、ain;Polar H10 heart rate chest belt was used to test HRV index,and to evaluate autonomic nervous state;GMCS-FYS reaction time tester was used to test reaction time;mood scale was used to evaluate mood state.Results:1)For the central fatigue,after HRV-BF and EEG-BF training,brainwave/and central fati
8、gue level were significantly decreased(P0.01).2)For the neurotransmitters,5-hydroxytryptamine(5-HT)was significantly decreased after HRV-BF and EEG-BF training(P0.01),dopamine(DA)was significantly increased after HRV-BF training(P0.01),and the changes of 5-HT(P0.05)and DA(P0.01)were significantly 中国
9、体育科技2023 年(第59卷)第8期CHINA SPORT SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.59,No.8,14-20,2023文章编号:1002-9826(2023)08-0014-07DOI:10.16470/j.csst.2022070基金项目:国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项(2018YFF0300801);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(20211011)第一作者简介:李秦陇(1995-),男,在读博士研究生,主要研究方向为运动员训练监控与机能评定,E-mail:2019210175 。通信作者简介:周越(1966-),男,教授,博士,博士生导师,主
10、要研究方向为运动员训练监控与机能评定,E-mail:。作者单位:北京体育大学,北京100084Beijing Sport University,Beijing 100084,China.14李秦陇,等:HRV与EEG生物反馈训练对中枢疲劳运动员的影响larger than those of EEG-BF.3)For the autonomic nerve,HRV-BF training enhanced sympathetic nerve activity and weakened parasympathetic nerve activity,while the effect of EEG-B
11、F was not significant.4)For the reaction time,the reaction speed of HRV-BF and EEG-BF was significantly accelerated after training(P0.05).5)For the mood state,both kinds of training can significantly increase positive emotions level,depression(HRV-BF:P0.05;EEG-BF:P0.01)and emotional disturbance(P0.0
12、1)decreased significantly;the difference is that after HRV-BF training,fatigue(P0.01)and panic value(P0.05)were significantly reduced,while EEG-BF training was significantly lower in anger(P0.01).Conclusions:Both HRV-BF and EEG-BF training can improve the central nervous system fatigue of athletes,r
13、educe inhibitory neurotransmitters in the brain,improve reaction speed,and increase positive emotions level,while HRV-BF training has more obvious effects on neurotransmitters and autonomic nerves in the brain.Both kinds of training can improve negative emotions in different aspects,which may be rel
14、ated to the improvement of central nervous system function.Therefore,choosing the appropriate biofeedback training can improve the nerve fatigue state of athletes in different situations,and it can also speed up the reaction speed,improve the mental health status and training enthusiasm.Keywords:hea
15、rt rate variability;electroencephalogram;biofeedback;central fatigue;neurotransmitter;autonomic nervous;state of mood中图分类号中图分类号:G804.2 文献标识码文献标识码:A长期大强度的运动训练和密集的赛程安排会使高水平运动员的神经机能状态下降,严重者甚至表现为中枢疲劳(Giandolini et al.,2016;Paris et al.,2021),进而导致其身体机能水平下降,情绪、认知、学习、记忆甚至免疫系统异常以及出现一系列类似疲劳的生理反应(Davis et al.
16、,1997)。当神经机能状态不佳时,运动员的训练动机和训练质量会随之下降(李欣鑫 等,2015),同时对运动表现和运动成绩产生负面影响(Encarnacin-Martnez et al.,2021),如果不进行及时干预,其竞技水平瓶颈期可能会过早出现,甚至还会影响身体健康。近年来,运动相关的神经机能状态的变化机制和评定方式研究已逐渐明确(Froyd et al.,2016;Ghorbani et al.,2021;Manzi et al.,2009;Place,2021),对神经机能状态的改善和干预手段有营养补充(Hormoznejad et al.,2019;Laurent et al.,2
17、018)、预热水疗(Vadopalas et al.,2019)、中医药(Han et al.,2018;Liang et al.,2019)等,而生物反馈技术作为欧美国家改善精神类疾病的医疗体系中的成熟部分,涵盖了传感器、计算机、医学、心理学和生理等学科技术(胡斌 等,2020),是能够改善运动员神经机能状态、提高睡眠质量(Li et al.,2022)及预防运动损伤(宋小波 等,2019),进而提高运动员竞技状态的潜在方式。生物反馈训练的目的是提高运动员放松能力,与心理训练相比,它掌握起来难度更大,一旦熟练掌握则效果十分显著(石岩,1991)。生物反馈训练的形式包括心率变异性、脑电、肌电和
18、皮温等,其中心率变异性生物反馈(heart rate variability biofeedback,HRV-BF)和脑电生物反馈(electroencephalogram-biofeedback,EEG-BF)训练在医学领域中常用于提高神经机能状态和改善情绪(James et al.,1996;Lehrer et al.,2020)。HRV-BF训练主要作用于外周神经系统,其机制是使血压、呼吸及心率产生共振,通过增强压力感受器的稳态,使身体及心理加快恢复从而改善生理机能(Lehrer et al.,2014);而 EEG-BF 训练更多作用于中枢神经系统,通过诱导 波和 波成分序化,并抑制
19、波增加,使身心恢复速度加快,甚至产生神经重塑的效果,从而达到治疗神经类疾病和提高神经机能状态的作用(Farina et al.,2012)。可见,2 种生物反馈训练产生作用的生理学基础存在差异,但先前研究中鲜见严格的实验对照证明 2 种生物反馈训练对不同神经机能状态和情绪状态影响的异同。此外,生物反馈训练在竞技体育领域的应用仍停留于提高放松能力(陈丹萍 等,1997)、监控运动性疲劳(迟淑勋 等,2016)和改善睡眠质量(Li et al.,2022)等方面。因此,HRV-BF 和 EEG-BF 训练在改善中枢疲劳运动员神经机能状态和心境状态中的应用方法、作用效果和应用场景仍需实验验证。综上所
20、述,本研究旨在使用HRV-BF和EEG-BF训练对中枢疲劳运动员进行干预,分析和对比2种生物反馈训练对运动员神经机能状态和心境状态的具体效果和差异。1 研究对象及方法1.1研究对象招募70名北京体育大学男性运动员参与筛选。筛选条件:1)右利手,EEG 诱导试验时中枢疲劳程度为警戒、先兆疲劳或疲劳;2)运动员技术等级为国家二级及以上,长期参与专项训练,35次/周;3)年龄为1825岁;4)运动员专项为非可促进机体恢复的项目(如太极拳);5)近期无严重精神刺激,未服用精神类药物,且研究期间不可参与其他心理相关实验测试。本实验已通过北京体育大学运动科学实验伦理委员会审查(批准号:2020132H)。
21、共17人符合正式实验条件,并自愿签署知情同意书。实验期间运动员训练和生活状态保持规律和稳定,其中15中国体育科技2023年(第59卷)第8期3 人中途脱落,最终共 14 人纳入统计:夏季项目 10 人(拳击、羽毛球、网球、足球、短跑),冬季项目4人(冰球、短道速滑);年龄(20.861.29)岁,身高(179.295.34)cm,体质量(71.509.01)kg,训练年限(6.502.21)年。1.2实验方案1.2.1实验流程采用随机交叉实验设计,分为 A、B 组进行两阶段交叉训练。第一阶段 A 组进行每 2 天 1 次,15 天共 8 次的HRV-BF 训练,同时 B 组进行相同频次的 EE
22、G-BF 训练。第二阶段训练方式交换,生物反馈训练时间和频次和第一阶段相同。两阶段之间洗脱期为15天。各阶段前后均进行所有指标测试,测试指标及步骤为:1)填写心境状态(profile of mood states,POMS)量表;2)进行反应时测试;3)进行中枢疲劳测试(EEG 诱导试验);4)第 3 步结束后休息10 min以上,机体恢复安静状态后,同步进行脑内神经递质和自主神经状态测试。为避免运动训练因素影响测试指标,所有的测试均在休息日进行。1.2.2训练方案1.2.2.1HRV-BF训练方案选用生理相干自主平衡系统(Heart Math Association,美国)内“菩提树”反馈形
23、式,此形式以HRV代表的自主神经平衡性为反馈信息,训练时电脑屏幕上菩提树生长和枯萎的过程能够反映自主神经协调功能。此训练有助于释放压力和纾解消极情绪,培养主体自主平衡的调节及稳定情绪和呼吸节奏等能力。训练方案参考 Lehrer 等(2000)的训练安排。运动员到达实验室后,先静坐35 min恢复至安静状态,训练时睁眼、静坐于电脑屏幕前,按照主试人员的指导,调整呼吸节奏(0.1 Hz),外放系统配套音乐,按照步骤进行训练。训练时间为晚上 7 009 00,单次训练时长 25 min。训练地点为北京体育大学体育科学楼实验室,房间温度保持在2225,无噪音等其他干扰。1.2.2.2EEG-BF训练方
24、案使用 TGAM 模块(NeuroSky,美国)识别和处理脑电信号,使用 Sichiray(唛丁科技,中国)软件中“瑜伽球”及“呼吸球”2种反馈形式进行EEG-BF训练。根据全脑脑电波中、和的占比判断放松度和专注度,其中波的占比越大,代表放松度越高。“瑜伽球”训练时,系统根据放松度的高低,生成瑜伽球的漂浮高低和时间,受试者根据反馈信息不断调整放松度。“呼吸球”训练的呼吸节奏为 0.1 Hz,通过观察放松度数值变化,调整身体状态、提高放松度。其余要求与HRV-BF训练相同。1.3测试方法1.3.1EEG诱导试验通过EEG 诱导试验进行中枢疲劳测试,使用 Nation 9128W便携式脑电仪(诺诚
25、电气,中国)记录脑电信号,采用国际标准的 10-20 导联方式佩戴脑电电极。测试时运动员静坐于有靠背和扶手的椅子上,闭目保持清醒。测试环境昏暗、安静,正常室温,无噪音等干扰。诱导测试中同步记录脑电信号,其流程为:1)安静状态记录60 s以上;2)表象竞赛60 s以上;3)过度换气120180 s。表象竞赛时运动员脑电 波抑制的程度可反映注意集中能力,可以作为评价大脑疲劳程度的客观指标。波抑制率(以下简称“抑制%”)计算方法为抑制%=(|表象竞赛时%-安静状态%|/安静状态%)100%。神经元代谢能量比值(/)为过度换气状态下的脑电波占比,可评价神经机能状态。运动员中枢疲劳等级依据 抑制%变化幅
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