打乒乓球時，對手突然改變發(fā)球旋轉(zhuǎn)，你揮拍落空——隨后幾個回合里，你的身體就能自動"校準(zhǔn)"，重新把球回?fù)舻綄γ媾_面上。這種看似簡單的運(yùn)動調(diào)整，背后藏著大腦對新運(yùn)動模式的快速適應(yīng)。這種運(yùn)動適應(yīng)在日常生活中無處不在：換一雙新鞋跑步、在結(jié)冰的路面上走路、更換不同重量的炒鍋炒菜，人體的運(yùn)動系統(tǒng)都需要迅速更新已有的運(yùn)動模型。過去的研究主要在實驗室里用簡單的力場干擾或視覺旋轉(zhuǎn)任務(wù)來研究這一過程，但這些高度控制的場景與真實運(yùn)動情境相距甚遠(yuǎn)——真實的運(yùn)動適應(yīng)涉及更復(fù)雜的認(rèn)知成分和策略調(diào)整。

能否在一個接近真實運(yùn)動的場景下，看看大腦到底是怎么一步步完成適應(yīng)的？德國萊比錫大學(xué)的研究團(tuán)隊用一臺乒乓球發(fā)球機(jī)器人，配合全腦功能近紅外光譜(fNIRS)技術(shù)，給出了答案。

發(fā)表在《Scientific Reports》上題為"Dynamic alterations in cortical activation during motor adaptation in table tennis using whole-brain fNIRS"的一項研究，使用全腦fNIRS系統(tǒng)記錄了56名被試在乒乓球運(yùn)動適應(yīng)任務(wù)中的皮層血流動力學(xué)變化，揭示了運(yùn)動適應(yīng)進(jìn)程中多個皮層區(qū)域激活的動態(tài)變化規(guī)律，并考察了擾動的時間順序（序列vs隨機(jī)）是否會影響皮層加工過程。

文章信息

研究共招募66名被試，排除10人后最終納入56名右利手健康志愿者（年齡22.30 ± 2.26歲，范圍19-27歲，25名女性）。所有被試均為乒乓球新手，利手評分（Edinburgh Handedness Questionnaire）均值為81.65 ± 1.90。被試被隨機(jī)分為序列組（n=29）和隨機(jī)組（n=27），兩組在年齡、性別、利手評分、每周運(yùn)動時間和精細(xì)運(yùn)動訓(xùn)練時間上均無顯著差異。

實驗使用app控制的乒乓球機(jī)器人向被試發(fā)球。在基線和washout階段，機(jī)器人發(fā)上旋球；在適應(yīng)階段，機(jī)器人改為發(fā)下旋球，形成運(yùn)動適應(yīng)中的擾動（如圖1）。每個block包含16個球（32秒），block間設(shè)置35-40秒的隨機(jī)間隔，整個實驗包含20個block。兩組被試均經(jīng)歷8次任務(wù)切換，序列組的切換模式為As-As-Al-Al-As-As（As為短球，Al為長球），隨機(jī)組則以隨機(jī)順序呈現(xiàn)。行為學(xué)指標(biāo)為目標(biāo)準(zhǔn)確性，使用高速攝像機(jī)記錄球落點(diǎn)，通過Kinovea軟件離線測量球落點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的歐氏距離。

圖1 實驗設(shè)置與方案

(a)乒乓球機(jī)器人在球臺上的位置，目標(biāo)以十字標(biāo)記，被試執(zhí)行反手擊球并佩戴fNIRS系統(tǒng)(b)球拍參考系，x方向平移運(yùn)動和繞橫軸y的運(yùn)動適應(yīng)(c)實驗流程，基線階段為上旋球，適應(yīng)階段為下旋球（擾動），最后五個block為washout階段恢復(fù)上旋球(d)每個block含16次試次（32秒），block間隔35-40秒

腦功能數(shù)據(jù)使用全腦fNIRS系統(tǒng)采集，配備32個LED光源和32個探測器，形成106個標(biāo)準(zhǔn)測量通道，另有8個短距離探測器用于排除顱外血流干擾（如圖2）。采樣頻率為10.1725 Hz。使用QT-NIRS工具進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評估，排除18名被試后剩余38人，其中81.8%的通道數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。信號處理方面，原始光強(qiáng)信號先轉(zhuǎn)換為光密度變化，再通過小波濾波校正運(yùn)動偽跡，之后進(jìn)行3 Hz低通濾波，最后通過修改的Beer-Lambert定律將衰減變化轉(zhuǎn)換為氧合血紅蛋白（HbO）和脫氧血紅蛋白（HbR）濃度變化。統(tǒng)計分析采用非參數(shù)閾值自由集群增強(qiáng)方法（TFCE），設(shè)集群閾值p = 0.05，進(jìn)行10,000次置換檢驗。同時使用Polar M430運(yùn)動手表記錄心率以排除運(yùn)動強(qiáng)度混淆。

圖2 運(yùn)動適應(yīng)過程中所使用的fNIRS配置示意圖。發(fā)射器以紅色圓點(diǎn)表示，接收器則以藍(lán)色圓點(diǎn)表示，黃色圓點(diǎn)則代表106個測量通道的中心位置（各通道間的距離為35.8 ± 3.9毫米）

研究結(jié)果

1.行為學(xué)結(jié)果

混合方差分析顯示，序列和隨機(jī)兩種擾動類型產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)倪\(yùn)動適應(yīng)表現(xiàn)（交互作用不顯著，p = 0.054），而時間主效應(yīng)高度顯著（F(2.54, 136.92) = 147.06, p < 0.001, ηp2 = 0.73），表明目標(biāo)準(zhǔn)確性隨適應(yīng)階段發(fā)生了顯著變化。

事后檢驗揭示了典型的適應(yīng)過程：擾動出現(xiàn)時目標(biāo)誤差急劇增大（均差?114.14 mm, p < 0.001），隨后在早期適應(yīng)階段顯著恢復(fù)（均差68.18 mm），晚期適應(yīng)進(jìn)一步降低（均差27.13 mm）。當(dāng)擾動消失時出現(xiàn)明顯后效應(yīng)——球落點(diǎn)反向偏長（均差?46.53 mm），隨后在washout階段迅速恢復(fù)。擾動出現(xiàn)時大部分球打得過短，而擾動消失后大部分球打得過長，誤差方向相反（如圖3）。適應(yīng)曲線呈典型指數(shù)衰減，隨機(jī)組R2 = 0.91，序列組R2 = 0.66。

圖3 通過乒乓球?qū)嶒瀬碓u估運(yùn)動適應(yīng)性。(a) 點(diǎn)圖展示了在干擾出現(xiàn)初期（A1階段）、適應(yīng)后（A10階段）以及適應(yīng)后效應(yīng)階段（W1階段）目標(biāo)誤差的分布情況 (b) 點(diǎn)圖和折線圖

2.fNIRS血流動力學(xué)結(jié)果

TFCE非參數(shù)集群置換分析進(jìn)一步證實，序列和隨機(jī)練習(xí)引發(fā)了相似的皮層加工變化（交互作用和擾動類型主效應(yīng)均不顯著），而運(yùn)動適應(yīng)階段的主效應(yīng)高度顯著（p < 0.001）。在脫氧血紅蛋白（HbR）方面，早期適應(yīng)階段的皮層激活較基線顯著增加（p < 0.001），涉及76個通道的廣泛腦區(qū)集群，涵蓋左側(cè)初級感覺皮層（S1L）、雙側(cè)背外側(cè)前額葉（dlPFC）、左側(cè)輔助運(yùn)動區(qū)（SMA）、雙側(cè)顳上回（STG）等（如圖4a）。從早期適應(yīng)到晚期適應(yīng)，皮層激活顯著降低（p < 0.001），涉及50個通道（如圖4b）。綜合各階段比較，適應(yīng)相關(guān)變化腦區(qū)依次為dlPFC（雙側(cè)）、SMA（左側(cè)）、S1（雙側(cè)）、SPC（右側(cè)）、M1（左側(cè)）等（如圖4c）。含氧血紅蛋白（HbO）呈現(xiàn)相同趨勢：早期適應(yīng)較基線顯著增加（85個通道），晚期適應(yīng)較早期顯著降低（102個通道），適應(yīng)相關(guān)變化區(qū)域集中在顳上回、布洛卡區(qū)、初級感覺皮層和前額葉。

圖4 打乒乓球過程中，適應(yīng)性因素對血流動力學(xué)反應(yīng)的影響

3.混淆變量控制

心率數(shù)據(jù)顯示兩組之間無顯著差異（p = 0.211），雖然適應(yīng)階段心率較基線有所升高（p < 0.001），但將心率作為協(xié)變量納入模型后fNIRS結(jié)果依然顯著，說明皮層激活變化獨(dú)立于心率改變。心理學(xué)問卷方面，被試的注意力和疲勞水平在實驗前后均未發(fā)生顯著變化，兩組之間在所有心理學(xué)指標(biāo)上也無顯著差異。

這項全腦fNIRS研究在運(yùn)動特異性乒乓球情境中揭示了運(yùn)動適應(yīng)過程的皮層激活動態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)背外側(cè)前額葉皮層（dlPFC）和初級感覺皮層（S1）、左側(cè)輔助運(yùn)動區(qū)（SMA）和左側(cè)初級運(yùn)動皮層（M1），以及右側(cè)頂上皮層（SPC）和右側(cè)頂下皮層（IPC），在運(yùn)動適應(yīng)進(jìn)程中展現(xiàn)出動態(tài)激活變化。具體而言，皮層血流動力學(xué)響應(yīng)在早期適應(yīng)階段普遍增強(qiáng)，隨著適應(yīng)進(jìn)展逐漸降低。這一模式與既往理論模型和實驗室證據(jù)高度一致——大腦在面對運(yùn)動擾動時調(diào)動大量認(rèn)知資源進(jìn)行策略調(diào)整和感覺運(yùn)動映射更新，而隨著新的內(nèi)部模型逐步建立，認(rèn)知需求降低，皮層激活也相應(yīng)下降。序列和隨機(jī)練習(xí)產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)男袨楸憩F(xiàn)和皮層激活模式，這一發(fā)現(xiàn)支持了動作計劃重建假說——無論擾動是否可預(yù)測，被試每次擊球都需要重新構(gòu)建運(yùn)動計劃，從長時記憶中提取信息，因此兩種練習(xí)方式的認(rèn)知負(fù)荷相當(dāng)。

研究也存在一些局限：

1.fNIRS只能檢測皮層血流動力學(xué)變化，無法探測對運(yùn)動適應(yīng)同樣至關(guān)重要的皮層下結(jié)構(gòu)（如基底節(jié)和小腦深部核團(tuán)）

2.研究缺乏運(yùn)動學(xué)觀測數(shù)據(jù)（如球拍傾斜角度），而這類信息可能提供關(guān)于實際運(yùn)動適應(yīng)的更多細(xì)節(jié)?；€到早期適應(yīng)階段的變化不僅反映了球旋轉(zhuǎn)方向的改變，也包含了球速變化帶來的適應(yīng)需求

3.使用機(jī)器人發(fā)球雖然提高了實驗標(biāo)準(zhǔn)化程度，但也在一定程度上限制了任務(wù)的生態(tài)效度——真實比賽中球員還需要預(yù)判對手下一步的動作。

這項研究將運(yùn)動適應(yīng)的神經(jīng)機(jī)制研究從簡單實驗室任務(wù)拓展到了復(fù)雜的運(yùn)動情境中，證明了fNIRS在運(yùn)動場景中的可行性，也為運(yùn)動訓(xùn)練中的神經(jīng)反饋干預(yù)提供了潛在靶點(diǎn)。

原文信息及鏈接

研究團(tuán)隊介紹

關(guān)于維拓啟創(chuàng)

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