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不同腦波指標之意義及精準性運動表現之研究…

腦波測量具有與行為同步且高時間解析度的特性,通常為運動心生理學的測

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量手段之一。腦波頻率主要分為 Delta 節律 (0.5-3.5 Hz)、Theta 節律 (4-7.5 Hz)、

Alpha 節律 (8-12 Hz)、Beta 節律 (13-30 Hz) 以及 Gamma 節律 (36-44 Hz),上 述頻率段各自代表不同的心理狀態 (Ray, 1990)。透過腦波數據分析手段將分為 頻率面分析 (frequency domain analysis) 與時間面分析 (time domain analysis)。其 中,頻譜分析 (spectral analysis) 是頻率面分析中較常使用的腦波成分分析方式。

在精準性運動表現的腦波研究,往往想要探討動作準備期間心理歷程的變化,因 此透過頻譜功率圖 (spectral- power plot) 便能夠提供比較動作準備期間不同電極 位置與不同頻率段的平均功率差異,而不同的皮質區域與頻率皆有各自代表意義 來解釋動作執行前的心理歷程。

過去透過電生理在探討專家與生手在精準性運動的研究,發現與動作計畫與 身體知覺層面有關的 Fz 與 Cz Alpha 節律、注意力層面有關的 Fz 與 Pz theta 節 律、Cz、Pz SMR 節律、Pz、Oz、T3、T4 Alpha 節律。上述指標皆在精準性運動 探討不同技能水準階段的研究上具有區辨度,並代表不同的功能意義來解釋動作 執行前的心理歷程。因此以下為本文針對各個頻率段的功能意義與其指標在不同 精準性運動表現上的發現進行討論

一、動作計畫與身體知覺層面 (一) Fz 與 Cz Alpha 節律

Alpha 節律的活動其包含興奮與抑制模式。興奮模式為「丘腦-皮質」的溝通 會產生 Alpha 功率下降,亦指神經元興奮以及皮質的「活化增加」有關 (Goldman 等人,2002; Steriade & Llinas, 1988),即表示感覺動作與認知資訊的傳送與提取。

第二種為抑制模式「皮質-皮質」溝通,會使產生 Alpha 功率上升,此現象跟抑制 神經元的興奮以及皮質「活化降低」有關 (Pfurtscheller 等人,1996),並且會抑 制感覺動作與認知資訊傳送與提取 (Pfurtscheller & Lopes da Silva, 1999)。過去研 究指出 Alpha 節律需區分為 Alpha 1 與 Alpha 2,其主要原因在於此兩種節律在 執行動作-相關作業時,所代表的意義皆不同 (Pineda, 2008)。Alpha 1 主要在於執

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行與動作相關的作業時,與注意力的投入、皮質的覺醒程度和整合較為複雜的感 知覺過程有關,其主要活化的區域為動作皮質區 (motor cortex),包含:感覺動作 皮質區、前動作皮質區、頂葉皮質區 (Pfurtscheller 等人,2000)。Alpha 2 則是與 特定動作作業所需的神經系統以及感覺動作訊息處理歷程有關,其主要活化區域 為感覺動作皮質區 (Klimesch 等人,2007)。因此,此指標能夠測得動作準備時的 感覺動作的訊息處理歷程。

在擬定動作的計畫過程中,前額葉主要扮演執行 (控制) 動作計畫腦區。過 去研究顯示生手,因為對於該作業較不熟悉,因此需要依賴執行 (控制) 動作計 畫區來完成作業。因此比起高技能水準者有較大的活化現象 (Kim 等人,2014)。

在感覺動作網絡中,感覺動作皮質區的功能,包含連續性的動作控制、整合動作 與協調 (Schmidt & Lee, 2011; Walker, Kozlowski, & Lawson, 2007)。Alpha 節律位 於感覺動作皮質區被稱之為感覺動作 Mu 節律,其指標與感覺-動作輸入有關 (Pfurtscheller & Lopes da Silva, 1999),主要涉入自主動作控制。過去研究發現 Cz Alpha 節律在執行特定性視覺-動作 (visual-motor task )。Del Percio 等人 (2009) 研究招募 8 位射擊專家,探討專家在瞄準期間,Cz Alpha 2 節律的活動現象。根 據射擊項目的特性,當進入瞄準區域時,必須保持握槍力度與手腕等自我控制的 穩定,進一步力求瞄扣時機一致性。另外在準備射擊時,如果手部過度放鬆,可 能會導致在扣板機時,牽動其餘手指突然握緊而破壞動作穩定度。但如果手部過 度緊繃,會在扣壓扳機時限制手指活動而破壞動作控制品質。由此可見,執行射 擊作業時,只要能夠有效專注於動作控制的平穩與擊發時機,即可產生成功表現。

結果也發現成功表現時在右側頂葉區與左側中央區 Alpha 2 節律有較大的同步化 現象,即表示有最佳/自動化的視覺-動作訊息處理歷程。總體來說,在動作計畫 與身體知覺層面,如能因應該作業項目的特性需求,較不依賴執行 (控制) 動作 計畫腦區,使產生適切的感知覺訊息處理狀態,即能充分準備提升動作準備期間 的動作控制品質,進而有效的執行動作並產生流暢的行為表現 (王國鑌、陳泰廷、

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黃崇儒、洪聰敏,2015)。

二、注意力層面

(一) Fz 與 Pz Theta 節律

Fz Theta 節律與認知資源分配有關,特別是在注意力歷程 (內化注意力、持 續性注意力)(Sauseng 等人,2007)。當執行的作業情境需要注意力時,Fz Theta 節律會呈現出活化現象 (Ishihara & Yoshii, 1966)。在解剖生理上,當注意力投入 時,Osaka 等人 (2007) 發現前扣帶皮質、背側前額皮質區與上頂葉區 等區域 會活化,即表示可能與工作記憶中的注意力有關。因此推測 Fz Theta 節律的活 化,可能是來自於前扣帶迴 (Gevins 等人,1997),或者是前扣帶迴與前額皮質 區的交互作用所調節產生 (Asada 等人,1999)。更進一步,在心理歷程上,過去 研究發現 Fz Theta 波可能代表工作記憶的需求程度與意志控制由上而下 (top-down) 的注意力歷程 (Buschman & Miller, 2007; Doppelmayr 等人,2008)。當有 意識的注意力控制涉入,將會提升 Fz Theta 功率 (Cohen, 2011)。預設模式網絡 (default mode network) 對於有 意 識 的 行 為 或 動 作 執 行 扮 演 極 為 重 要 的 角 色 。 尤 其 讓 持續性注意力的水準保持在最理想化的範圍之中。此外,預設模式網絡 的活化程度與前額 theta 活動呈現負相關 (Scheeringa 等人,2008)。此外,過去 研究指出,Pz Theta 節律能夠測得個體對於作業難度上的動作與認知需求。

Fournier 等人 (1999) 指出隨著作業的難度增加, Pz Theta 功率也隨之增加 (Dolce & Waldeier, 1974)。在精準性運動研究上,Doppelmayr 等人 (2008) 研究 發現在步槍射擊準備期間,專家比生手顯著較高的 Fz Theta 功率。即表示專家能 夠提取先前經驗來去選擇與作業相關的訊息並使注意力投入。反觀,生手沒有過 去的經驗,因此無法有效的去選擇作業相關的訊息。更進一步,專家在動作執行 過程中比生手產生更高的 Fm Theta 功率。同樣地,Haufler 等人 (2000) 也發現,

專家在瞄準期間 Fz Theta 功率比生手還高,並認為專家能夠有效提取過去的經驗 使注意力能有效的投入。

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(二) Cz、Pz SMR 節律

SMR 是由中央溝前的主要動作區與中央溝後的體感皮質所共同發出的頻率 段 (Seemüller 等人,2012)。此指標也可能扮演知覺訊息處理歷程中的「過濾器」

角色 (Bauer 等人,2006; Cheng, Hung, 等人,2015)。SMR 其功率大小與感覺動 作皮質之活動呈負相關 (Sterman, 1996)。SMR 可作為整合對動作執行有幫助的 外在知覺訊息與提升注意力品質之指標。SMR 除了受到腹側基底丘腦神經核與 感覺動作皮質區交互作用的調節之外。當體感訊息與觸覺刺激被誘發時,也會調 節 SMR 功率。SMR 指標除了測量體感動作訊息的涉入程度之外,可能還涉及注 意力涉入的品質 (Osaka 等人,2007)。當 SMR 功率增加時與過濾不必要的知覺 訊息有關 (Kober 等人,2015),係指減少對動作知覺訊息處理的外在干擾,使知 覺敏感度與注意力提升 (Egner & Gruzelier, 2001),進而促進精細動作的表現 (Ros 等人,2009)。過去研究指出當 SMR 功率越大,代表肌肉處於一個「放鬆的 狀態」(Sterman & Friar, 1972)。此外 Lemon 與 Griffiths (2005) 發現在動作準備 期,SMR 功率的增加會降低體感與動作訊息的干擾,減少或抑制體感訊息輸入 皮質 (Kober 等人,2015) ,進而提升個體的注意力與知覺敏感度。因此,此指 標與注意力有相當程度的關聯性。Cheng 等人 (2015) 發現飛鏢專家選手投擲飛 鏢前的 SMR 功率會大於新手,推論專家在執行飛鏢投擲時,相較新手,是處於 放鬆且趨近自動化的狀態。然而,透過此指標來探討運動場域的研究還處於萌芽 階段,因此 SMR 功率大小與運動表現之間的關係,未來則有待進一步探討。

(三) Pz、Oz、T3、T4 Alpha 節律

過去研究顯示頂葉扮演視覺系統及感覺動作皮質活化的調節角色,此迴路稱 之為背側視覺迴路 (dorsal visual pathway),其主要功能將視覺訊息與體感訊息的 輸入進行整合 (Chretien, Ehrler, & Dufour, 2010)。Pz Alpha 代表體感訊息的歷程。

當 Pz Alpha 功率增加時,代表不需要使用過多的視覺-空間注意力資源來處理特 定作業的訊息 (Romei, Gross, & Thut, 2010)。

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枕葉皮質區對於精準性項目,如射擊、射箭,在瞄準期間扮演能夠抑制外在 干擾,並維持視覺注意力的重要角色 (Loze 等人,2001)。這可能與導向性網絡 有關,從眼動模型 (oculomotor model) 來解釋。在瞄準期間,如能在眾多的線索 刺激中,還能保持與作業相關線索的清晰度 (如,穩定進入瞄準區、將視力收回 近處並確認準星與靶心呈一直線、維持圓形的完整性),並抑制無關線索的干擾 物 (如,準星和靶子中心以外事物),即能保持較佳的視覺-空間訊息傳入的品質,

將干擾影響降到最低 (Born & Kerzel, 2011),進而產生成功表現。在機制上,當 外在事件刺激出現時,該刺激訊息會經由視網膜傳送至枕葉視覺區,並進一步傳 送至次要視覺皮質區做訊息加工處理。Oz Alpha 功率增加,表示該皮質的活化程 度 減 少 ,使 得 視覺 線索 的 訊 息處 理 歷程 較不 需 花 費過 多 資源 (Könönen &

Partanen, 1993),也就是說,在瞄準目標的過程中,個體能夠減少對於外在視覺線 索的注意力投入,便產生更多趨近自動化流暢動作的程式來執行視覺-動作作業。

在組內好壞表現比較,Loze 等人 (2001) 招募六位空氣手槍專家執行射擊作業,

發現在成功表現射擊前一秒顯示出較大的 Oz Alpha 功率,即表示在成功射擊的 過程中,能更有效排除外在的干擾。這樣的發現在專家與生手上也看得見,Haufler 等人 (2000) 發現射擊專家瞄準期間比起生手有較高的 Oz Alpha,即表示生手對 於作業的熟悉程度較低,無法有效分辨與作業相關的訊息,因此會花費較多的神 經資源來擷取外在訊息。這也符合 (Schmidt & Lee, 2011) 所提出動作執行前,

如果產生過多不必要的視覺訊息處理過程將會干擾動作的執行假說。由此可見,

專家在動作瞄準過程中,能有效抑制與作業不相關的外在線索干擾,即可減少過 多的神經資源花費,使專注於當下的作業的心理狀態,進而產生成功表現 (Loze 等人,2001)。

左顳葉皮質區掌管主司語言。過去研究指出 T3 Alpha 功率逐漸上升時,與

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