鋼絲表演過程中的腦電動力學和“心流”的神經發(fā)生器

1. 研究背景

“心流”（Psychoogical flow）：伴隨非凡表現(xiàn)的一種獨特的心理狀態(tài)，后來普遍被定義為“處于狀態(tài)”中。人們普遍認為，這種特殊狀態(tài)產生于一種清楚的目標，這種目標需要行動和在專業(yè)技能和挑戰(zhàn)之間的完美匹配。這是一種獨特的感覺，伴隨著時間的變化，最常發(fā)生在從事高技能運動練習的人，冠軍運動員、音樂家。心流，也可被認為是一種特殊的意識狀態(tài)，需要參與意識神經相關的皮層區(qū)域。

我們假設，群體認同可能是一種突現(xiàn)的意識體驗，涉及NCC神經網絡中的特定招募。它的觀點是由這樣一種觀點支持的:大腦某些功能需要一個有效的連接網絡，一旦達到這種協(xié)調的復雜性，意識的突現(xiàn)特性就會發(fā)生，產生心流感覺。當這種感覺伴隨著或跟隨運動時，外在力和內在力之間的功能“交易”必須被持續(xù)地控制。心流感覺會在一種特定的生理狀態(tài)下出現(xiàn)：（1）適當?shù)闹袠徐o息狀態(tài)，包括記憶項目和動機，（2）最初的意圖必須通過下降的運動命令“翻譯”到肌肉，以產生力量和位移，（3）上升的軀體信號必須產生理想的反饋感覺，關閉動作和感覺的回路。

我們進一步想要研究前額葉和中顳葉的外顯系統(tǒng)與內隱系統(tǒng)之間的復雜對話，其中包括在線的自上而下的注意調節(jié)，以及基于皮質-基底節(jié)環(huán)的快速和直覺的內隱系統(tǒng)，促進基于技能的知識學習。由于對人類個體的獨特性越來越感興趣，我們最近開展了一項實驗研究，以尋找與心理學上的“心流”相對應的單一狀態(tài)的出現(xiàn)。盡管存在各種各樣與執(zhí)行全身動作有關的研究，但使用EEG記錄代表一個新的興趣領域。此外，高密度EEG加上源定位分析方法，用于檢測神經皮層和皮層下的發(fā)生器，為電生理學探索人類經歷的“心流”狀態(tài)鋪平了道路。

2. 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特的經驗，在一個培訓或重復會議的2天前，在公眾面前進行最終陳述。為了避免對訓練習慣的心理干擾，表演者在沒有任何實驗者的特別指示的情況下，以自己合適的節(jié)奏進行表演。在這種情況下，他可能會遇到像在公眾面前經歷的那種轟動。采用心流短量表(Flow Short Scale)進行心理測量，并通過視頻說明其表現(xiàn)。

2.2、實驗過程

圖1 . 實驗場景

在室外條件下的進行走鋼絲表演，并錄制整個實驗過程的視頻。

a實驗設置的時間表，包括交叉前(Pre-CR)和交叉后(Post-CR)休息時間。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米的高度穿過導線。在交叉(CR)中定義了四個不同的階段:b心流期(FLOW)、c預期問題期(EP)、d意外問題期(UP)和e應激期(STRESS)。白色箭頭表示鉤環(huán)的變化(c)，意外鉤環(huán)堵塞(d)，以及對這個問題的關注(e)。

2.4、數(shù)據(jù)采集和處理

EEG,EMG,EKG記錄：在獨特的鋼絲繩表演過程中，使用一個包含64個頭皮電極的彈性屏蔽帽(ANT的eegosports系統(tǒng))持續(xù)監(jiān)測腦電活動。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，肌電信號(用于檢測與真實運動相關的任何活動[脛骨前(TA)左右])，以及雙極型心電信號- II導聯(lián)結構的心電圖。使用EEGLAB軟件70、ASA軟件(ANT神經系統(tǒng))和內部基于MATLAB的工具進行在線數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

分析方法：

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

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

3. 實驗結果

圖2. 心不同條件下的心電信號分析結果圖

圖a-圖d，顯示的是心電信號，在整個實驗過程中的不同階段。圖e，顯示的是表演者在靜止時，11Hz的alpha波，在四種狀態(tài)下（心流期，預期問題期，意外問題，壓力應急期）。

圖3. 交叉前和交叉后休息期間的swLORETA結果

在delta,theta,alpha和beta頻帶的振蕩。分別在交叉前和交叉后180s內的分析結果，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alpha振蕩起源于雙側頂葉皮層(BA7)，而在交叉后休息時僅識別出左側頂葉上小葉(BA7)。它由包括右側中央后和邊緣回(BA40)和楔前葉(BA19)的網狀結構。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，右側角回(BA39)、邊緣上回(BA40)和左側頂葉下回(BA40)也被確認是 delta波發(fā)生器；中額回(BA8)和中央前回(BA9)被認為是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)形成的右側網絡產生。相反，在交叉后休息期間，只有右側頂葉回被識別為beta發(fā)生器.

圖4

對FLOW和STRESS期間左TA肌肉長脈沖激活的第一秒進行了事件相關光譜擾動(ERSP)分析，結果顯示，這兩個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(被認為是事件相關同步(ERS))的對比動力學，以及在應激過程中出現(xiàn)的β能量下降[被認為是與事件相關的去同步(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。

應用swLORETA進行腦電動力學分析，識別了兩個時段的右側左小腦丘、左副海馬(BA28)、運動前區(qū)和運動皮層(BA4/BA6)。另一方面，右側蒼白球、左側丘腦和右側BA41僅在FLOW中被識別，右側BA31僅在STRESS中被識別。

圖5. 四個期間的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的貢獻是雙側的，在右側額下皮層(BA46)也發(fā)現(xiàn)了一個新的區(qū)域。在 “心流”過程中，alpha發(fā)生器的網絡被包括左額上回(BA8)、右中央后軀體感覺皮層(BA2)和右顳上回(BA22)的另一個網絡所取代。在EP過程中，主要的alpha發(fā)生器是次級視覺皮層、左楔和右枕中皮層(BA19)，這是根據(jù)改變扣鉤的強烈視覺需求。在UP時，確定的alpha發(fā)生器包括右側顳中回(BA37)、島葉(BA13)和右側梭狀回(BA19)。在這一意外事件發(fā)生后，應激表現(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”。

4. 結論

本研究中使用swLORETA分析，一種是基于自我報告的心理狀態(tài)，另一種是基于運動命令的。兩種分析之間互補，能夠識別參與走鋼絲表演的運動控制的腦區(qū)，以及與表演相關的不同精神狀態(tài)時期。

在TA期間識別的腦電信號發(fā)生器在在心流期和應激壓力期間，同側小腦和對側感覺運動皮層施加的在線控制一致。

當腦電信號由TA活動觸發(fā)時，可以識別右側蒼白球，只在心流期間開始，這加強了心流期相對于應激壓力期的相同識別。

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

5、文獻名稱及DOI號

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