《Experimental Brain Research》：A portable solution for simultaneous human movement and mobile EEG acquisition: readiness potential for basketball free-throw shooting
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摘 要：无线脑电图（Electroencephalography, EEG）技术的进步使得在日常情境中记录脑电活动成为可能。为更好地理解脑活动与自然行为之间的关系，有必要同步监测人体运动模式。本研究提出一种由两部智能手机组成的便携装置，可同时采集人体姿态与EE
摘 要：无线脑电图（Electroencephalography, EEG）技术的进步使得在日常情境中记录脑电活动成为可能。为更好地理解脑活动与自然行为之间的关系，有必要同步监测人体运动模式。本研究提出一种由两部智能手机组成的便携装置，可同时采集人体姿态与EEG信号。研究人员招募26名篮球运动员，每人完成120次罚球投篮。首先，研究人员考察该装置能否捕获随意动作前出现的准备电位（Readiness Potential, RP, 亦称Bereitschaftspotential）；其次，研究人员考察RP在罚球命中与未命中试次间是否存在差异。结果证实额中央区通道（尤其中央点Cz）存在RP，在动作起始前?400至0 ms出现显著负偏转（M±SE：?6.54±2.26 至 ?13.52±2.42 μV；z＝?2.53 至 ?3.92；FDR校正后p＝0.049 至 0.003；r＝0.50 至 0.77）。然而RP波幅与投篮命中率无关（所有FDR校正后p＞0.05；最大平均R2＝0.047，即解释方差4.7%）。离线探索性姿态分析表明38.5％受试者（10/26）成功与失败试次间存在个体特异性姿势差异，解释方差为4.5％（最大平均关键点R2＝0.045）。研究人员得出结论：由两部智能手机与头戴式无线EEG放大器组成的高便携、低成本、轻量化的采集装置，足以在实验室外监测复杂人体运动模式及相关的脑动态活动。
论文解读——《Experimental Brain Research》刊载研究
研究背景与立题依据
传统非侵入性功能性脑研究技术如功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）和脑磁图（Magnetoencephalography, MEG）对头部运动高度敏感，常规脑电图（Electroencephalography, EEG）亦易受运动伪迹干扰，导致大多数脑科学研究局限于静止、受控的实验环境，所获取的数据生态效度（Ecological Validity, EV）较低，难以推广至自然、主动及移动情境下的真实行为。尽管无线放大器与轻便硬件的发展使移动EEG（mobile EEG）逐步应用于行走、骑行、滑板等全身体动场景，并可记录感觉、认知与运动相关的脑电成分，但在自然情境下同步记录脑电与精细全身运动模式仍较少见。准备电位（Readiness Potential, RP，又称Bereitschaftspotential）是随意、自发动事前数百毫秒出现于额中央皮层的慢负漂移，反映运动动作准备阶段的皮层活动，既往多在简单按键任务中研究，少有在复杂闭链技巧性运动（如篮球罚球）中于自然环境下检测RP是否可被记录及其与运动表现的关系。因此，研究人员旨在验证一套基于智能手机的便携、低耗、同步多模态（EEG＋人体姿态＋惯性测量）采集方案，在篮球场实景中记录篮球罚球前的RP，并探究RP波幅及智能手机端MediaPipe姿态关键点（Pose Landmark）是否能区分罚球命中（hit）与未命中（miss）。
主要关键技术方法
研究人员招募26名右利手、有至少3年篮球经验的健康男性及女性运动员（年龄18～32岁，平均25.88岁），在篮球馆进行实验。采用32通道无线EEG放大器（Smarting Pro, mBrainTrain）以10–20系统布局记录EEG（采样率250 Hz，参考FCz、接地AFz），阻抗＜20 kΩ。一部Android智能手机（Samsung Galaxy S21 FE）通过Smarting Pro App同步录制EEG与视频；第二部同型号手机运行定制版MediaPipe Pose Landmark Detection（PLD）实时捕捉33个人体姿态关键点（15 Hz），并通过Lab Streaming Layer（LSL）接收右手腕佩戴的惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU；Movella DOT，60 Hz）三轴加速度/陀螺仪数据，两手机数据流经LSL Recorda同步存为可扩展数据格式（Extensible Data Format, XDF）文件。动作起始（movement onset）由手腕IMU加速度阈值法反向推算确定，并以右手腕与右眼y坐标交点作为"set?point"时间参照。EEG预处理含分段、联合概率伪迹拒斥、扩展Infomax独立成分分析（Independent Component Analysis, ICA）结合ICLabel自动标记去除心电/肌电/眼电/工频噪声成分，重参考至TP9/TP10，分段为动作前?2.5 s至动作后+1 s并以?2.5～?2 s基线校正。RP在Cz、C3、C4、Fz、FC1、FC2通道评估，按100 ms分bin取均值，以Wilcoxon符号秩检验评估偏离基线情况，FDR校正多重比较。命中与未命中差异采用逐试次点二列相关（point?biserial correlation）计算R2解释方差，同样FDR校正；姿态关键点坐标亦做相同点二列相关分析。
研究结果
Movement onset validation（动作起始验证）
以手腕IMU定义之动作起始时刻，对MediaPipe 33个身体关键点加速度幅值做Wilcoxon检验加二项检验，确认左右手腕及手指关键点在此刻出现显著加速（p＜0.05，FDR校正），证明PLD信号与IMU定义之动作起始时间吻合，多模态时间同步有效。
Presence of the RP（RP的存在性）
组平均ERP在额中央区呈现典型RP负偏转，始于约?1000 ms，在Cz通道?400～0 ms四个连续100 ms时段均显著负于零（?6.54 μV至?13.52 μV逐步变负；FDR p＝0.049～0.003），其他额中央通道（C3、C4、FC1、FC2、Fz）除C4仅?100～0 ms显著外均从?400 ms起显著。个体水平57.7％受试者Cz呈负向RP，其余呈正向偏移或近零，提示较大个体差异但仍可在组水平检出RP。证实便携智能手机＋移动EEG装置可在自然全身体动（篮球罚球）前捕获经典RP。
Relationship between RP amplitudes and performance（RP波幅与投篮表现的关系）
逐试次点二列相关显示，所有受试者及所有时间bin（?1500～0 ms）中RP单试次波幅与命中/未命中标签均无显著相关（所有FDR校正后p＞0.05），最大解释方差R2＝0.047（4.7％）。组水平命中与未命中试次平均RP波形无差异。表明在本研究业余至半专业水平样本中，罚球前RP幅值不能预测或区分单次投篮成败。
Relationship between human pose and performance（人体姿态与投篮表现的关系）
对33个姿态关键点xyz坐标逐试次点二列相关发现，26人中10人（38.5％）在特定时间窗（预备期至执行期）存在个别关键点（尤右上臂/腕y坐标、左右手指x/y坐标、肩肘）显著与命中与否相关（FDR p＜0.05），但整体解释方差低（最大平均R2＝0.045，4.5％），且效应具高度个体特异性——成功试次倾向于起始时腕部相对髋部更低、set?point时腕抬更高，提示正确"dip"与抬腕set?point姿势关联较高命中率，但无固定群体共性模式。
讨论与结论总结
既往RP与运动表现关系多在专家?新手比较中间接推断，而本研究直接检验同一受试者内单次罚球前RP与当场投篮结果之关联，未发现RP幅值可区分命中与未命中，可能源于样本技能水平异质（命中率18.1％～82.6％，平均51.9％）、RP主要反映运动准备而非最终执行精微调控、或全身体动中RP受残余噪声及个体策略差异掩盖。姿态分析揭示部分受试者具个体特有姿势?表现关联，强调篮球投篮准确性具个体生物力学特征，未来宜结合关节角度、释放时机及三维运动解析做个体化分析。研究人员指出该便携装置（双智能手机＋头戴无线EEG＋单IMU）借助LSL实现多模态时间同步，可在非实验室环境下有效记录自然复杂动作前皮层准备活动（RP）及全身姿态，填补了Mobile Brain/Body Imaging（MoBI）在低成本、高生态效度采集方案上的空白，为运动神经科学、神经工效学及临床康复场景中脑?体耦合研究提供可行工具。限制包括技能水平跨度大、单目2D姿态缺失深度信息、未纳入眼动及球轨迹、EEG运动后段因强运动伪迹未分析等。
综上，研究人员得出结论：该便携、低成本设置（两部智能手机＋头戴无线EEG放大器）足以在实验室外同步监测复杂人体运动模式及相关脑动态，首次在自然情境下篮球罚球任务中检测到准备电位（RP），且RP幅值与罚球成败无显著关联，而部分受试者存在个体特异性姿势差异关联投篮结果。此方案为未来生态有效的脑?体同步研究奠定基础。
