基于虚拟现实技术的训练对足球运动员的预期大脑功能及认知技能的影响

《Biological Psychology》：Effects of virtual reality-based training for soccer players on anticipatory brain functions and cognitive skills

本研究通过随机对照试验，评估虚拟现实（VR）专项训练对青少年半精英级足球运动员认知表现和预期脑功能的影响。实验组在常规训练基础上增加每周一次VR训练，结果显示实验组前额叶皮层预期脑活动（pN成分）提升40%，辅助运动区运动准备电位（BP）显著增强，且认知任务反应速度和准确性优于对照组，证实VR技术可优化认知预期处理并提升运动表现。

　　这项研究聚焦于虚拟现实（VR）技术在年轻半职业足球运动员认知训练中的应用，探索其对认知表现和预判脑功能的影响。通过事件相关电位（ERP）方法，研究人员分析了实验组和对照组在八周训练后的脑活动变化。实验组在每周常规训练之外，还接受了VR训练，结果显示实验组在前额叶皮层的预判脑活动显著增强，具体表现为前额叶负性（pN）ERP成分增加了40%。这一结果表明，VR训练能够有效提升足球运动员的预判能力，从而增强其认知表现。此外，实验组在运动前动机电位（BP）方面也表现出更大的变化，这反映了其在运动准备阶段的脑活动增强。

在体育领域，卓越的表现不仅依赖于生理能力，如有氧耐力，还涉及心理特质，如自我效能感，以及特定技能，如技术与战术水平（Sarmento等，2018）。近年来，研究者们越来越关注认知因素对运动表现的影响，包括普遍认知功能（如执行功能）和运动特定认知技能（如快速决策能力）（Voss等，2010；Williams等，2020）。执行功能作为认知系统的重要组成部分，对于运动员在动态环境中处理复杂信息、做出快速反应具有关键作用。然而，传统的足球训练往往缺乏对这些高级认知技能的系统性培养，尤其是在执行功能方面（Scharfen & Memmert, 2021）。

足球运动员需要在高压环境下快速处理大量信息，并作出决策。这种能力不仅体现在对场上情况的即时反应，还涉及对未来事件的预判。例如，在拦截类运动中，运动员通常表现出更快的认知处理速度和视觉运动反应性，而在策略性运动中，如足球，运动员则展现出更强的执行控制能力（Wang等，2023）。这表明，不同类型的运动对运动员的认知需求存在差异，而足球运动员需要在多个信息源之间进行整合，并在短时间内做出最佳决策。这种能力被称为“比赛智能”（game intelligence），它可以通过基于游戏的活动进行培养，如小规模比赛（Stratton等，2004）。

“比赛智能”在足球训练中具有重要价值，因为它能够提升运动员的战术创造力和决策能力。研究表明，运动员在训练中如果能够识别环境中的预判线索，他们就更有可能做出出人意料的决策，从而提升战术表现（Abernethy等，2012；Memmert, 2015a）。这种能力不仅有助于球员在比赛中占据优势，还能增强团队的协作效率。例如，世界顶级球员如梅西能够做出出人意料的选择，从而增加队友进球的可能性（Williams等，2019）。这种认知与行为上的优势，使球员能够更好地“阅读比赛”，形成有效的预判期望。

尽管传统足球训练方法在提升运动员的体能和技能方面效果显著，但其在认知训练方面的应用却相对有限。近年来，一些研究尝试将认知训练与运动训练相结合，如多成分训练（multi-component training, CMDT），这种训练模式通过同时进行运动和认知任务，有效提升了运动员的普遍认知表现和运动特定能力（Lucia等，2022, 2023a, 2023b, 2024a）。然而，这些训练方法往往需要在训练场上使用交互设备，这可能会受到场地限制和现实环境的影响，使得训练效果难以完全复制比赛情境（Dallaway等，2021）。

虚拟现实技术为解决这一问题提供了新的可能性。VR具有高度沉浸性和交互性，能够模拟真实比赛场景，使运动员在训练中接触到与比赛相似的刺激。这种技术不仅能够克服传统训练场地的限制，还能提供更加可控和可重复的训练环境。例如，Casella等（2024a, 2024b）的研究表明，VR训练能够显著提升非运动员的预判脑活动，这为VR在足球训练中的应用提供了理论依据。研究者们进一步假设，将CMDT原则融入VR训练，可以有效提升足球运动员的预判能力，并优化其运动表现。

为了验证这一假设，本研究采用了一种基于VR的CMDT训练方法，对年轻半职业足球运动员进行了为期八周的训练。实验组在每周的常规训练之外，还接受了VR训练，而对照组则仅进行常规训练。研究通过ERP技术分析了运动员的脑活动变化，结果显示实验组在预判脑活动方面表现出显著增强，而对照组则没有类似的变化。此外，实验组在认知任务中的反应速度和准确性也有所提升，这表明VR训练能够有效促进运动员的认知表现。

研究结果表明，VR训练不仅能够提升运动员的预判脑活动，还能增强其在动态环境中的决策能力。这种提升可能源于VR训练对执行功能的刺激，如前额叶皮层和运动前区的活动增强。执行功能在运动表现中扮演着关键角色，它包括注意力控制、抑制控制、工作记忆和计划能力等。这些功能的增强有助于运动员在比赛中更快速、更准确地做出决策，从而提升整体表现。

此外，研究还发现VR训练在提升运动员的认知表现方面具有显著优势。传统的训练方法往往难以全面模拟比赛中的复杂情境，而VR技术能够提供更加真实和多样的训练环境。例如，VR训练可以模拟不同类型的对手行为、不同的比赛场景以及各种突发情况，使运动员在训练中获得更加丰富的认知刺激。这种训练方式不仅能够提高运动员的反应速度和准确性，还能增强其在高压环境下的适应能力。

然而，VR训练也存在一定的局限性。研究表明，VR环境可能会对运动学习产生负面影响，尤其是在长期运动记忆和技能迁移方面（Juliano等，2022）。因此，在设计VR训练方案时，需要平衡认知负荷，以确保运动员在训练中能够获得有效的学习体验，而不会因过度负荷而影响运动表现。Kubr等（2024）的研究建议，VR训练应结合运动员的个体差异，采用适当的训练强度和频率，以最大化其认知和运动训练效果。

为了评估VR训练对运动员认知表现的影响，研究采用了ERP技术进行分析。ERP能够以毫秒级的精度检测大脑活动，从而揭示运动员在任务准备和运动执行阶段的神经机制。在认知反应任务（如Go/No-go范式）中，pN和BP两个ERP成分分别反映了预判认知功能和运动准备状态（Di Russo等，2019）。研究结果显示，实验组在训练后pN成分显著增强，这表明其在任务准备阶段的预判能力得到了提升。同时，BP成分的增强也表明实验组在运动准备阶段的神经活动更加活跃，这可能与其更高的运动效率和反应速度有关。

此外，研究还发现实验组在反应时间（RT）方面表现出显著改善。与对照组相比，实验组的反应时间减少了，这表明其在认知任务中的反应速度得到了提升。这种提升可能源于VR训练对运动员认知系统的刺激，使其在处理信息和做出决策时更加高效。而对照组的反应时间没有明显变化，这说明传统训练方法在提升运动员反应速度方面存在一定的局限性。

研究还指出，VR训练在提升运动员的战术创造力方面具有潜在价值。战术创造力是指运动员在比赛中根据实际情况灵活调整策略的能力，这种能力对于足球运动员尤为重要。通过VR训练，运动员可以在模拟环境中反复练习不同的战术情境，从而增强其对复杂比赛情况的适应能力。这种训练方式不仅能够提升运动员的反应速度和准确性，还能培养其在高压环境下的决策能力，使其在比赛中更具灵活性和创造力。

总的来说，这项研究通过结合VR技术和CMDT原则，探索了在足球训练中引入认知训练的可能性。研究结果表明，VR训练能够有效提升运动员的预判脑活动和认知表现，这为未来的足球训练提供了新的思路。然而，VR训练的设计和实施仍需进一步优化，以确保其在提升运动员认知能力的同时，不会对运动表现产生负面影响。未来的研究可以进一步探讨VR训练对不同年龄段和不同水平运动员的影响，以及如何在实际训练中更好地整合VR技术，以实现最佳的训练效果。