技能運(yùn)動(dòng)中的腦電動(dòng)力學(xué)和“心流”的神經(jīng)發(fā)生器的作用機(jī)制

01 研究背景

“心流”（Psychoogical flow）：伴隨非凡表現(xiàn)的一種獨(dú)特的心理狀態(tài)，后來普遍被定義為“處于狀態(tài)”中。人們普遍認(rèn)為，這種特殊狀態(tài)產(chǎn)生于一種清楚的目標(biāo)，這種目標(biāo)需要行動(dòng)和在專業(yè)技能和挑戰(zhàn)之間的完美匹配。這是一種獨(dú)特的感覺，伴隨著時(shí)間的變化，最常發(fā)生在從事高技能運(yùn)動(dòng)練習(xí)的人，冠軍運(yùn)動(dòng)員、音樂家。心流，也可被認(rèn)為是一種特殊的意識(shí)狀態(tài)，需要參與意識(shí)神經(jīng)相關(guān)的皮層區(qū)域。

我們假設(shè)，群體認(rèn)同可能是一種突現(xiàn)的意識(shí)體驗(yàn)，涉及NCC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的特定招募。它的觀點(diǎn)是由這樣一種觀點(diǎn)支持的:大腦某些功能需要一個(gè)有效的連接網(wǎng)絡(luò)，一旦達(dá)到這種協(xié)調(diào)的復(fù)雜性，意識(shí)的突現(xiàn)特性就會(huì)發(fā)生，產(chǎn)生心流感覺。當(dāng)這種感覺伴隨著或跟隨運(yùn)動(dòng)時(shí)，外在力和內(nèi)在力之間的功能“交易”必須被持續(xù)地控制。心流感覺會(huì)在一種特定的生理狀態(tài)下出現(xiàn)：（1）適當(dāng)?shù)闹袠徐o息狀態(tài)，包括記憶項(xiàng)目和動(dòng)機(jī)，（2）最初的意圖必須通過下降的運(yùn)動(dòng)命令“翻譯”到肌肉，以產(chǎn)生力量和位移，（3）上升的軀體信號(hào)必須產(chǎn)生理想的反饋感覺，關(guān)閉動(dòng)作和感覺的回路。

我們進(jìn)一步想要研究前額葉和中顳葉的外顯系統(tǒng)與內(nèi)隱系統(tǒng)之間的復(fù)雜對(duì)話，其中包括在線的自上而下的注意調(diào)節(jié)，以及基于皮質(zhì)-基底節(jié)環(huán)的快速和直覺的內(nèi)隱系統(tǒng)，促進(jìn)基于技能的知識(shí)學(xué)習(xí)。由于對(duì)人類個(gè)體的獨(dú)特性越來越感興趣，我們最近開展了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究，以尋找與心理學(xué)上的“心流”相對(duì)應(yīng)的單一狀態(tài)的出現(xiàn)。盡管存在各種各樣與執(zhí)行全身動(dòng)作有關(guān)的研究，但使用EEG記錄代表一個(gè)新的興趣領(lǐng)域。此外，高密度EEG加上源定位分析方法，用于檢測(cè)神經(jīng)皮層和皮層下的發(fā)生器，為電生理學(xué)探索人類經(jīng)歷的“心流”狀態(tài)鋪平了道路。

02 研究方法

2.1、被試

被試是一名專業(yè)人士，他接受了參與這種獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)，在一個(gè)培訓(xùn)或重復(fù)會(huì)議的2天前，在公眾面前進(jìn)行最終陳述。為了避免對(duì)訓(xùn)練習(xí)慣的心理干擾，表演者在沒有任何實(shí)驗(yàn)者的特別指示的情況下，以自己合適的節(jié)奏進(jìn)行表演。在這種情況下，他可能會(huì)遇到像在公眾面前經(jīng)歷的那種轟動(dòng)。采用心流短量表(Flow Short Scale)進(jìn)行心理測(cè)量，并通過視頻說明其表現(xiàn)。

2.2、實(shí)驗(yàn)過程

圖1 . 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

在室外條件下的進(jìn)行走鋼絲表演，并錄制整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的視頻。

a實(shí)驗(yàn)設(shè)置的時(shí)間表，包括交叉前(Pre-CR)和交叉后(Post-CR)休息時(shí)間。走鋼索者配備了腦電帽，包括EKG、EOG和EMG電極，在正常工作條件下，在15米的高度穿過導(dǎo)線。在交叉(CR)中定義了四個(gè)不同的階段:b心流期(FLOW)、c預(yù)期問題期(EP)、d意外問題期(UP)和e應(yīng)激期(STRESS)。白色箭頭表示鉤環(huán)的變化(c)，意外鉤環(huán)堵塞(d)，以及對(duì)這個(gè)問題的關(guān)注(e)。

2.3、數(shù)據(jù)采集與處理

EEG,EMG,EKG記錄：在獨(dú)特的鋼絲繩表演過程中，使用一個(gè)包含64個(gè)頭皮電極的彈性屏蔽帽(ANT的eegosports系統(tǒng))持續(xù)監(jiān)測(cè)腦電活動(dòng)。采樣頻率為512 Hz，分辨率為22 bits(71.5 mV/bit)。EEG數(shù)據(jù)記錄在放置在被試背包中的平板電腦上。所有電極均參照CPz電極。此外，還記錄了水平眼電信號(hào)，肌電信號(hào)(用于檢測(cè)與真實(shí)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的任何活動(dòng)[脛骨前(TA)左右])，以及雙極型心電信號(hào)- II導(dǎo)聯(lián)結(jié)構(gòu)的心電圖。使用EEGLAB軟件70、ASA軟件(ANT神經(jīng)系統(tǒng))和內(nèi)部基于MATLAB的工具進(jìn)行在線數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

分析方法：根據(jù)視頻觀察和表演者的報(bào)告，將腦電數(shù)據(jù)分為六個(gè)時(shí)段：兩個(gè)休息時(shí)段(交叉前和交叉后)和交叉期間的四個(gè)時(shí)段。穿越被分為預(yù)期的生命線改變之前，當(dāng)表演者報(bào)告處于心流狀態(tài)中（心流期穿越，F(xiàn)LOW）；更換鉤環(huán)的時(shí)間(預(yù)期問題，EP)；鎖扣卡住的時(shí)間段(意外問題，UP)；以及當(dāng)表演者報(bào)告仍有壓力時(shí)(正念交叉期，壓力)。心電分析結(jié)果證實(shí)了這些劃分。

腦電數(shù)據(jù)的分析有：EEG分析，ERSP分析，swLORETA分析，EEG源分析。

03 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2. 心不同條件下的心電信號(hào)分析結(jié)果圖

圖a-圖d，顯示的是心電信號(hào)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的不同階段。圖e，顯示的是表演者在靜止時(shí)，11Hz的alpha波，在四種狀態(tài)下（心流期，預(yù)期問題期，意外問題，壓力應(yīng)急期）。

圖3. 交叉前和交叉后休息期間的swLORETA結(jié)果

在delta,theta,alpha和beta頻帶的振蕩。分別在交叉前和交叉后180s內(nèi)的分析結(jié)果，白色箭頭表示不同的布魯?shù)侣鼌^(qū)。根據(jù)swLORETA，在交叉前休息時(shí)alpha振蕩起源于雙側(cè)頂葉皮層(BA7)，而在交叉后休息時(shí)僅識(shí)別出左側(cè)頂葉上小葉(BA7)。它由包括右側(cè)中央后和邊緣回(BA40)和楔前葉(BA19)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。頂葉皮層(BA7)也被鑒定為交叉前休息期間delta和theta振蕩的發(fā)生器。在此條件下，右側(cè)角回(BA39)、邊緣上回(BA40)和左側(cè)頂葉下回(BA40)也被確認(rèn)是 delta波發(fā)生器；中額回(BA8)和中央前回(BA9)被認(rèn)為是theta波發(fā)生器。在交叉前休息期間，beta振蕩主要由頂下回(BA40)、顳上橫回(BA39)和中央后回(BA3)形成的右側(cè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。相反，在交叉后休息期間，只有右側(cè)頂葉回被識(shí)別為beta發(fā)生器.

圖4

對(duì)FLOW和STRESS期間左TA肌肉長(zhǎng)脈沖激活的第一秒進(jìn)行了事件相關(guān)光譜擾動(dòng)(ERSP)分析，結(jié)果顯示，這兩個(gè)周期之間存在顯著差異。在TA激活后的前100 ms，觀察到在“心流”過程中，額中央電極上的β振蕩(14 25 Hz)與功率增加(被認(rèn)為是事件相關(guān)同步(ERS))的對(duì)比動(dòng)力學(xué)，以及在應(yīng)激過程中出現(xiàn)的β能量下降[被認(rèn)為是與事件相關(guān)的去同步(ERD)]。此外，在TA激活400-500 ms期間，觀察到在“心流”期間的α (10 Hz) ERS，但在STRESS期間沒有。

應(yīng)用swLORETA進(jìn)行腦電動(dòng)力學(xué)分析，識(shí)別了兩個(gè)時(shí)段的右側(cè)左小腦丘、左副海馬(BA28)、運(yùn)動(dòng)前區(qū)和運(yùn)動(dòng)皮層(BA4/BA6)。另一方面，右側(cè)蒼白球、左側(cè)丘腦和右側(cè)BA41僅在FLOW中被識(shí)別，右側(cè)BA31僅在STRESS中被識(shí)別。

圖5. 四個(gè)期間的swLORETA alpha振蕩

在交叉前休息期間，alpha發(fā)生器主要位于頂葉皮層(BA7)。然而，在交叉期間，BA7的貢獻(xiàn)是雙側(cè)的，在右側(cè)額下皮層(BA46)也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的區(qū)域。在 “心流”過程中，alpha發(fā)生器的網(wǎng)絡(luò)被包括左額上回(BA8)、右中央后軀體感覺皮層(BA2)和右顳上回(BA22)的另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)所取代。在EP過程中，主要的alpha發(fā)生器是次級(jí)視覺皮層、左楔和右枕中皮層(BA19)，這是根據(jù)改變扣鉤的強(qiáng)烈視覺需求。在UP時(shí)，確定的alpha發(fā)生器包括右側(cè)顳中回(BA37)、島葉(BA13)和右側(cè)梭狀回(BA19)。在這一意外事件發(fā)生后，應(yīng)激表現(xiàn)為左額上回(BA9)、右顳葉邊緣上回(BA40)和右額下回(BA46)作為alpha發(fā)生器的“招募”。

04 結(jié)論

本研究中使用swLORETA分析，一種是基于自我報(bào)告的心理狀態(tài)，另一種是基于運(yùn)動(dòng)命令的。兩種分析之間互補(bǔ)，能夠識(shí)別參與走鋼絲表演的運(yùn)動(dòng)控制的腦區(qū)，以及與表演相關(guān)的不同精神狀態(tài)時(shí)期。

在TA期間識(shí)別的腦電信號(hào)發(fā)生器在在心流期和應(yīng)激壓力期間，同側(cè)小腦和對(duì)側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)皮層施加的在線控制一致。

當(dāng)腦電信號(hào)由TA活動(dòng)觸發(fā)時(shí)，可以識(shí)別右側(cè)蒼白球，只在心流期間開始，這加強(qiáng)了心流期相對(duì)于應(yīng)激壓力期的相同識(shí)別。

總的來說，這些發(fā)現(xiàn)支持了這樣的觀點(diǎn)，即“心流”狀態(tài)伴隨著額外的EEG發(fā)生器(白球)的“招募”，這與那些已經(jīng)和技能運(yùn)動(dòng)的在線控制(小腦和副海馬)相關(guān)的EEG發(fā)生器不同。

05 參考文獻(xiàn)及DOI號(hào)

Leroy,A., & Cheron, G..(2020). EEG dynamics and neural generators of psychological flow during one tightrope performance. Scientific Reports, 10(1).

DOI：10.1038/s41598-020-69448-3