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移动脑电技术在运动科研中的应用与挑战

体育运动领域中，运动员的大脑功能状态对其感知觉灵敏度、注意力集中程度、信息加工速度和神经肌肉支配程度有着重要的影响。脑电技术作为一种高精度的大脑皮层电生理检测工具，逐渐被应用于研究和评估运动员的大脑功能和运动表现。然而脑电在运动研究中也面临如噪声和伪迹干扰等挑战。而技术的发展是应对这些挑战的重要方法之一，因此，本文介绍了一款来自的荷兰的高精度脑电测试系统，独特的主动屏蔽技术使其可应用于运动及噪音环境复杂的极端场景下。

引言

在体育运动领域，脑功能状态对运动员各种感知觉灵敏度、注意力集中程度、信息加工速度以及神经肌肉支配程度有着重要的影响，是运动员竞技能力的重要组成部分。随着脑科学研究的不断深入，运动员大脑功能的研究、监测、评价和调控也越来越成为运动训练、运动选材等体育科学研究的重要领域。

作为高精度的大脑皮层电生理检测工具，脑电（electroencephalography，EEG）技术是在认知心理学领域探索大脑活动的主要评价手段之一。从20世纪50年代初EEG就开始应用到运动员高级神经活动研究中，涉及运动员运动疲劳时、运动技能形成各阶段以及出现极点时的EEG变化等。

2015年，英国学者在Neuroscience & Biobehavioral Reviews期刊上总结了脑电技术应用于运动表现监测的主要时域和频域指标，并强调了在未来研究中采用移动脑电技术监测移动场景下大脑的动态认知变化过程是极其重要和必要的。

运动科学领域中脑电的研究现状

运动科研中脑电信号的测试和采集

在运动科学领域进行脑电研究时脑电信号的测试和采集主要有三类：安静时的自发脑电信号、事件相关电位信号和运动中（或模拟运动中）的脑电信号。

安静时的自发脑电信号

在安静状态下，大脑组织会自发地产生生物电活动。脑电图通过在头皮上放置电极，将大脑细胞的电活动信号记录下来，并经过放大后形成曲线图形。通过分析和解读脑电图，我们可以了解大脑在不同情况下的活动模式，以及与认知、情绪、运动等功能之间的关系。

黄登惠等[1]运用安静时自发的脑电图对运动员脑电图特征进行了一系列的研究。结果发现运动级别高的运动员神经活动比较稳定：女运动员脑电活动的间歇期较长，其保护抑制能力比男运动员强。另有学者研究发现，大强度负荷后运动员安静时脑电δ、θ、α1功率减少，而α2、α3、β功率增加，表现出大脑皮层兴奋性增强的脑电特征。

事件相关电位
事件相关电位（ERP）是人们对某种时间进行信息加工时，所诱发的一系列脑电活动在头皮上引起的电位变化。其影响因素主要包括两类，一类是与人的记忆、注意和智能相关；另外一类与外来的刺激因素（刺激的频率、强度和类型等）相关。它是一种有心理或语言因素参与的诱发电位，是观察人的大脑信息加工过程的重要途径。

Fontani等人[2]的研究表明使用ERP可评价高水平排球运动员的注意特征，同时还能对训练效果进行相应的评价。Hatfield等[3]使用ERP对运动员在进行智力活动时的脑电特征进行评估，认为事件相关电位可用于评价运动员的技术训练效果。而Kaseda等[4]的研究则表明，采用ERP评估优秀运动员的心理疲劳程度是可行的。

运动中或运动想象过程中的脑电信号

研究运动过程中，或运动想象过程中脑电信号的变化，是了解运动时大脑活动状况的一种方法。由于运动时，难以采集到可靠的脑电信号，因此研究者们采用一些可替代的范例来避免真实的强体力活动。

有研究表明：女排运动员进行自行车运动时脑电α波频率和波幅显著增加；射击运动员想象竞赛扣扳机期间，脑电a波指数，α波段功率谱能量发生变化，脑部活动加强，唤醒水平提高；运动员回忆跳高或跑步时的动作能使脑电α节律受到抑制。

脑电和脑电图在运动科研中的应用

运动技能评估和训练

王晓军等[5]通过观察不同训练阶段国家射击队运动员的脑电信号变化特征，认为脑电α类型可作为射击运动员训练监控的参考指标。周未艾等[6]利用脑电图和脑电地形图对优秀射击运动员进行训练监控，发现大部分队友中枢神经机能稳定，运动应激能力良好，发挥欠佳的运动员表现出注意力过度集中、紧张、敏感等问题。

运动意图识别

K. K. Ang 等人[7]的研究探讨了脑电图信号用于中风患者上肢康复机器人治疗中的运动意图识别，通过记录被试者的脑电信号，利用机器学习算法实现了对上肢运动意图的识别，并将其应用于脑控制的人机接口系统中。J. M. Antelis等[8]使用脑电信号解码上肢肌肉活动，以辅助中风康复训练。

运动控制异常研究

研究人员使用脑电图来研究帕金森病患者的运动控制异常。通过分析脑电图的频谱特征，他们发现帕金森病患者在运动执行过程中存在特定的大脑皮层活动异常，为该疾病的诊断和治疗提供了新的线索。

运动疲劳和注意力研究

研究人员使用脑电图来研究运动疲劳对注意力的影响。通过记录运动者在持续运动任务中的脑电图，他们发现随着疲劳程度的增加，注意力水平下降，并且脑电信号表现出特定的频谱特征，可以用作疲劳监测的指标。

神经外科医生在跑马拉松时使用便携式脑电进行全程监测

脑电应用于运动科研的挑战

虽然脑电技术在运动研究中具有广泛的应用前景，但同时也面临一些挑战，如：

噪声和伪迹干扰

脑电信号容易受到来自外界环境和身体运动的噪声和伪迹的干扰。运动过程中的肌肉活动、眼球运动和电源线干扰等因素都可能引起伪迹，使脑电信号难以清晰地分析。

定位和空间解析度

脑电技术的空间解析度相对较低，难以精确定位脑活动发生的具体脑区。

个体差异和特定性

人们在运动时会表现出个体差异和特定性，包括不同的运动策略、运动技能水平和运动神经控制方式等。这些差异会在脑电信号中体现，从而增加了解释和比较不同个体之间数据的复杂性。

解释脑电信号与运动之间的因果关系

脑电信号提供了关于大脑活动的时间特性，但并不能直接揭示因果关系。在解释脑电信号与运动之间的关联时，需要结合其他实验设计和分析方法，如事件相关电位（ERP）和功能连接性分析。

而面对这些挑战，脑电技术的不断发展和创新是至关重要的。改进的电极设计、信号处理算法和数据分析方法的应用，以及与其他神经影像技术的整合，将进一步推动脑电技术在运动研究中的应用，并有助于揭示运动控制和运动学习的神经机制。

便携式可移动脑电测试系统

荷兰的TMSi公司一直致力于提供高质量的数据和广泛应用场景的EEG脑电测试系统。TMSi科研成果SAGA脑电测试系统的灵活性达到前所未有的高度，除了可以用于桌面端固定检测，还可以作为便携式设备应用，无线数据传输功能和主动屏蔽技术可消除电源噪音干扰及导线扰动的影响，从而满足运动场景下的EEG脑电测试需求。

SAGA有32通道和64通道两个型号（更多通道可以定制），两种型号都有16个附加通道，1个单极通道，2个双极通道，3个三级通道和1个数字通道，可以连接多种生理传感器同步测试。并可扩展为高密度肌电测试系统。

SAGA脑电系统功能特点

一体式电极帽

电极和电极帽一体式设计，无须每次安装电极，在保证信号质量同时使设备安装和测试准备更加快捷和方便。