脑科学研究的医学教学论文提纲

论文题目：体育专业大学生力竭运动后EEG功率谱的变化及其与运动能力的相关性研究

摘要：研究目的:脑电作为一种非侵入性的可监测生物电信号是当前科学研究的重要内容之一,借助脑电信号探索大脑内复杂的神经活动,对脑科学研究具有重要意义。脑电初期的研究更多的应用于临床医学,而与运动实践相结合的研究较少。本文选取功率谱这一脑电信号的关键指标,观察静息态功率谱的不同频率波段能量的变化,其中包含着能够反映大脑基本生理功能的信息,包括大脑皮层的椎体细胞的活跃度以及神经中枢的疲劳程度。因此,本研究通过建立力竭运动模型,观察力竭运动对体育专业大学生脑电功率谱能量变化的影响和变化特点并分析导致其变化的可能原因,旨在为运动性疲劳的判定提供生物电信号的参考;此外,还探索了其与不同运动能力之间可能存在的相关性,为大学生体育教学与运动实践提供参考。研究方法:选取体育专业大学生（18名男生,10名女生）为实验对象。采用运动跑台布鲁斯（Bruce）方案进行力竭运动,并于运动前、运动后、次日晨对其进行静息态脑电（EEG）的功率谱测试,包括δ、θ、α、β和γ五个主要波段的能量值的变化;同时,检测其运动疲劳相关的生理指标,包括客观指标血氧饱和度、心率、反应时、闪光融合频率和主观指标自我感觉疲劳量表（RPE）。此外,利用不同功率自行车对实验对象进行运动能力的测试,其中有氧运动能力和无氧运动能力测试分别采用奥斯特兰德（Astrand）列线图法和温盖特（Wingate）法;测试指标包括代表有氧运动能力的最大摄氧量（VO2max）,代表无氧运动能力的最大无氧功率和平均无氧功率。脑电信号的数据处理采用MATLAB（R2013b）软件与eeglab1300b工具包进行处理和分析;相关性采用Pearson法将不同运动能力指标与静息态EEG的五个波段的功率谱能量均值进行相关性分析,数据导入SPSS软件进行统计学分析。研究结果:1.脑电信号检测结果组间比较:男生运动后静息态功率谱能量均值在F3脑区的θ、α、β和γ波段和C3脑区的α波段显著低于女生（p＜0.05）,表明力竭运动模型静息态功率谱在性别上存在差异性。组内比较:（1）对力竭运动模型三种状态下的静息态功率谱能量均值两两对比发现,前后对比男生β、γ波能量均值显著下降,而女生γ波能量均值显著下降;运动前和次日晨对比,男生θ、β波能量均值显著降低,而女生δ、θ、α波能量均值显著降低;运动后和次日晨对比,男生δ、θ、α波能量均值显著降低,而女生δ、0、β波能量均值显著降低。说明力竭运动导致静息态功率谱能量均值减小,经过休息仍未恢复到运动前安静水平。（2）运动前后对比男生δ波的F3脑区、β波的FZ、F3、F4、C3脑区、γ波的FZ、C3脑区和女生的γ波C3脑区呈现差异性;运动前与次日晨对比发现男生θ波的F4脑区、β波的FZ、CZ、F4、C3、C4脑区和女生δ波的F3脑区、α波的F4、C3、C4脑区、β波的F4、CZ、C3、C4脑区、γ波的C3脑区呈现差异性;运动后与次日晨对比发现男生δ波的F3、C4脑区、θ波的FZ、F3、F4、C4脑区、α波的F4脑区和女生δ波的F3脑区、θ波的F3、F4、C3脑区、α波的FZ、F4、C3、C4脑区、β波的C3、C4脑区呈现差异性。说明男生左侧大脑受力竭运动影响较大,女生右侧大脑受力竭运动影响较大;力竭运动不同阶段,大脑受其影响的部位也不一致。2.不同运动能力指标检测结果:未发现男女VO2max之间存在显著性差异（p＞0.05）,而男生的平均和最大无氧功率均显著性高于女生（p＜0.05）。3.疲劳相关指标测试结果:男女力竭运动后平均反应时均极显著性高于运动前（p＜0.01）,未发现男女的平均正确运动时间在运动前后具有显著性差异（p＞0.05）;男女力竭运动后闪光融合频率均极显著性低于运动前（p＜0.01）,且女生运动前后变化差值大于男生,疲劳程度达到轻度疲劳。男女力竭运动后血氧饱和度均显著性低于运动前（p＜0.05）;运动后心率较运动前极显著性增加（p＜0.01）,力竭时刻心率均达到其最大心率的95%。RPE得分随着运动跑台等级的升高而增大,在力竭即刻受试者均达到18-19得分水平。说明通过对疲劳主客观指标的监测,受试者达到力竭状态。4.相关性分析结果:男生的VO2max越高,运动后其F4脑区的δ波能量均值越大,r=0.638（p＜0.01）;女生的 VO2max 越高,运动前其 CZ（r=0.670）、C3（r=0.661）脑区的 δ波和C3脑区的θ（r=0.663）、α（r=0.710）波能量均值越大;男生最大无氧功率越高,运动后其C4脑区的δ波能量均值越小,r=-0.479（p＜0.05）;男生平均无氧功率越高,运动后C4脑区的五个波段的能力均值均越小。此外,男生除θ波外的次日晨其他波段能量均值与心率均有呈现显著正相关的脑区,且主要集中于额区和中央区;θ波段的能量均值与运动后心率呈现显著正相关;而女生力竭运动前后心率主要与γ波段能量均值存在相关。男女的平均反应时前测结果与运动后中央区存在相关性,男生主要是与左侧脑区慢波相关,而女生主要是与右侧脑区快波相关;男生闪光融合频率结果也与部分脑区慢波存在相关性。研究结论:（1）力竭运动模型的静息态能功率谱能量均值在性别上存在差异,力竭运动后男生在各频段能量均值较女生低;男女各组静息态功率谱能量均值在力竭运动后脑区的变化存在一致性,左侧脑区受力竭运动影响较右侧明显;在力竭运动后不同波段的变化不一致,男生β、γ波显著降低,δ波显著增加,而女生只有γ波显著降低;各波段能量值经过一夜的休息未能恢复到运动前状态。不同脑区受机体疲劳后的变化规律不同,可以通过观察额区和中央区的左右侧脑电信号的变化来判断力竭运动对受试者的影响。（2）力竭运动导致神经系统疲劳有关的主客观指标的变化,包括平均反应时的延长、闪光融合频率的下降、心率的提高、血氧饱和度的下降以及RPE值随力竭程度的加深逐渐提高。疲劳的发生降低了神经的灵敏性和兴奋性,借助反应时、闪光融合频率、心率、血氧饱和度和RPE值能够有效的判断机体是否达到力竭状态及神经系统疲劳的程度。（3）男生的VO2max与运动后的前额右侧脑区δ波能量均值呈正相关,而女生的VO2max与运动前的中央区慢波能量均值呈负相关;男生的平均、最大无氧功率均与运动后C4脑区能量均值呈负相关,而女生只有平均无氧功率与运动后前额右侧脑区δ波呈正相关。此外,各疲劳相关指标与EEG存在潜在的相关性,但不具规律性,可将其作为辅助性的参考指标应用于未来涉及此类实验研究。综上所述,力竭运动会致使身体机能下降,违背了科学训练的原则,因此在训练中要尽量避免一次性力竭运动,减少其对机体的损伤;将EEG指标与生理生化指标相结合共同应用于大学生体育教学与训练实践,使其得以健康发展。

关键词：脑电信号;大学生;力竭运动;运动能力;相关性分析

学科专业：体育硕士（专业学位）

摘要

Abstract

1. 前言

1.1 脑电的概述

1.1.1 脑电的发展

1.1.2 脑电产生的机制

1.1.3 脑电信号的分类与特点

1.1.4 脑电信号的采集、处理与分析方法

1.1.5 其他脑科学研究方法

1.2 脑电信号的研究现状

1.3 运动与脑电

1.4 力竭性运动的影响

1.4.1 对循环系统的影响

1.4.2 对运动系统的影响

1.4.3 对神经系统的影响

1.5 选题依据

1.6 研究目的及意义

1.7 研究技术路线

2. 研究对象与方法

2.1 研究对象

2.1.1 研究对象的筛选

2.1.2 研究对象基本情况

2.2 研究方法

2.2.1 文献资料法

2.2.2 实验法

2.3 统计学分析

3. 研究结果

3.1 力竭运动模型的验证

3.1.1 力竭运动时间与疲劳主观感觉量表测试结果

3.1.2 疲劳相关生理指标的测试结果

3.2 不同运动能力比较

3.3 力竭运动对脑电功率谱的影响测试结果

3.3.1 力竭运动模型运动前脑电信号的比较

3.3.2 力竭运动模型运动后脑电信号的比较

3.3.3 力竭运动模型次日晨脑电信号的比较

3.4 力竭运动对男生脑电信号的影响

3.4.1 不同脑区δ波段的能量均值变化对比

3.4.2 不同脑区θ波段的能量均值变化对比

3.4.3 不同脑区α波段的能量均值变化对比

3.4.4 不同脑区β波段的能量均值变化对比

3.4.5 不同脑区γ波段的能量均值变化对比

3.5 力竭运动对女生脑电信号的影响

3.5.1 不同脑区δ波段的能量均值变化对比

3.5.2 不同脑区θ波段的能量均值变化对比

3.5.3 不同脑区α波段的能量均值变化对比

3.5.4 不同脑区β波段的能量均值变化对比

3.5.5 不同脑区γ波段的能量均值变化对比

3.6 力竭运动模型下的脑电信号变化特征的相关性分析

3.6.1 不同运动能力与脑电信号的相关性分析

3.6.2 反应时,闪光融合频率与脑电信号的相关性分析

3.6.3 血氧饱和度,心率与脑电信号的相关性分析

4.讨论与分析

4.1 力竭运动对疲劳相关指标的影响

4.1.1 力竭运动对反应时、闪光融合频率指标的影响

4.1.2 力竭运动对生理指标的影响

4.1.3 力竭运动对RPE的变化分析

4.2 力竭运动对静息态EEG的影响

4.2.1 力竭运动对静息态EEG不同脑区的影响及其变化分析

4.2.2 力竭运动对静息态EEG波段的影响及其变化分析

4.3 力竭运动模型静息态EEG与不同运动能力相关性分析的讨论

5. 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参考文献

致谢