當(dāng)人們與世界互動(dòng)時(shí)，不論是觀察移動(dòng)的物體，或是自身移動(dòng)時(shí)視野中周遭的變化，都涉及一種稱(chēng)為視覺(jué)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。研究視覺(jué)運(yùn)動(dòng)的方法有很多，其中一種是腦電圖（EEG）。但傳統(tǒng)上，利用EEG研究視覺(jué)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，需要在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行，其生態(tài)效度有限。

(資料圖)

在現(xiàn)實(shí)世界中，大腦整合了復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、多模態(tài)的視覺(jué)運(yùn)動(dòng)線索，來(lái)指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行。研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大腦頂枕皮層參與控制目標(biāo)導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)，例如到達(dá)、抓取、捕捉、躲避物體等。乒乓球則是一項(xiàng)需要快速整合視覺(jué)運(yùn)動(dòng)的全身反應(yīng)性運(yùn)動(dòng)。為了解現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行乒乓球運(yùn)動(dòng)時(shí)頂枕皮層的神經(jīng)元活動(dòng)，來(lái)自美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)有趣的研究。他們使用高密度頭皮EEG定量分析運(yùn)動(dòng)時(shí)頂枕皮層的腦電動(dòng)力學(xué)。

該研究分析了受試者與機(jī)器人打乒乓球時(shí)及與人類(lèi)對(duì)戰(zhàn)時(shí)，頂枕源定位簇的功率譜密度、事件相關(guān)譜擾動(dòng)、試驗(yàn)間相位一致性、事件相關(guān)電位和事件相關(guān)相位一致性的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與人類(lèi)對(duì)戰(zhàn)相比，受試者與機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)時(shí)擊球事件前后θ波段功率波動(dòng)更大，事件相關(guān)電位的相間一致性和偏轉(zhuǎn)更強(qiáng)，頂枕神經(jīng)簇之間的事件相關(guān)一致性更高。因此，研究者發(fā)現(xiàn)與和人類(lèi)訓(xùn)練相比，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練會(huì)產(chǎn)生不同的大腦動(dòng)力學(xué)，大腦的活動(dòng)變得更加的活躍。該成果發(fā)表在著名期刊eNeuro上。

?圖注：論文封面。圖源：eNeuro官網(wǎng)

乒乓球作為一項(xiàng)反應(yīng)性運(yùn)動(dòng)，可用于感覺(jué)運(yùn)動(dòng)整合、運(yùn)動(dòng)預(yù)期、物體攔截神經(jīng)控制機(jī)制的研究。并且，由于乒乓球比賽中對(duì)手之間的距離較短，運(yùn)動(dòng)員需在極短的時(shí)間內(nèi)感知、計(jì)劃、擊球。有研究報(bào)道，相較于非運(yùn)動(dòng)員，職業(yè)運(yùn)動(dòng)員的反應(yīng)速度更快，手部運(yùn)動(dòng)速度更快，視覺(jué)運(yùn)動(dòng)整合技能也更有效。此外，乒乓球運(yùn)動(dòng)干預(yù)治療能夠減少認(rèn)知能力下降，促進(jìn)執(zhí)行功能，提高精神敏銳度。研究乒乓球神經(jīng)控制機(jī)制有助于深入了解其神經(jīng)生理益處的原理。

本項(xiàng)研究中，37名受試者的平均年齡為23.5歲，均為右利手，視力正常，身體健康，并具有熟練的乒乓球技能和豐富的經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，被試均佩戴包含120個(gè)頭皮電極的EEG系統(tǒng)，腦電數(shù)據(jù)的采集頻率為500 Hz。實(shí)驗(yàn)中使用的乒乓球拍的木棒手柄和乒乓球機(jī)器人上的慣性測(cè)量原件可以計(jì)算擊球事件的時(shí)間。同時(shí)，研究者錄制了所有實(shí)驗(yàn)過(guò)程的視頻用以檢查命中事件的準(zhǔn)確性。

乒乓球?qū)?zhàn)實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)15分鐘的區(qū)間。在一個(gè)區(qū)間中，被試與人類(lèi)球員進(jìn)行7.5分鐘的對(duì)打，并與機(jī)器人進(jìn)行三個(gè)連續(xù)2.5分鐘的對(duì)打。此外，機(jī)器人對(duì)打試次在靜止和運(yùn)動(dòng)兩種狀態(tài)之間交替進(jìn)行。在靜止試次中，球的運(yùn)動(dòng)軌跡是可預(yù)測(cè)的，被試不必移動(dòng)腳步擊球；在移動(dòng)試次中，機(jī)器人向臺(tái)面上的各個(gè)方向發(fā)球，被試需要移動(dòng)腳步進(jìn)行擊球。

?圖注：乒乓球訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)方案。圖源：來(lái)自論文

同時(shí)，研究者記錄了被試大腦皮層的多個(gè)腦區(qū)的神經(jīng)元活動(dòng)，包括：雙側(cè)額葉、雙側(cè)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)、雙側(cè)頂枕葉、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、楔葉前葉、頂枕葉、楔葉。其中，研究者最主要關(guān)注的腦區(qū)是頂枕區(qū)（左、右頂枕皮質(zhì)、楔前葉和楔葉）。

?圖注：所有被試的皮質(zhì)電偶極子。軸面（左）、矢狀面（中）和冠狀面（右）。左額葉（紫色）、右額葉（品紅色）、左側(cè)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)（青色）、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)（黃色）、右側(cè)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)（暗紅色）、左側(cè)頂枕區(qū)（淺綠色）、楔葉前區(qū)（藍(lán)色）、右側(cè)頂枕區(qū)（紅色）、楔葉區(qū)（深綠色）。圖源：來(lái)自論文

隨后，研究者對(duì)比了被試與人類(lèi)球員和機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)時(shí)頂枕區(qū)腦電活動(dòng)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頂枕簇的功率譜密度圖（PSD）均包含一個(gè)非振蕩分量和一個(gè)振蕩分量。與人類(lèi)球員和機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)時(shí)振蕩功率均主要位于頂枕簇的α和低β波段。但是，在人類(lèi)球員試次中左側(cè)頂枕皮層α波的功率顯著高于機(jī)器人試次。與機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)時(shí)楔前葉中α波的功率顯著高于與人類(lèi)球員對(duì)戰(zhàn)時(shí)。此外，與機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)和與人類(lèi)球員對(duì)戰(zhàn)兩種試次中，右側(cè)頂枕皮層和楔葉的功率無(wú)顯著差異。

?圖注：與人類(lèi)球員（左，藍(lán)色）和機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)（中，品紅色）的功率譜。平均功率譜密度圖與FOOOF模型的非周期擬合為灰色。通過(guò)原始功率譜與非周期分量的差值計(jì)算得到的平坦光譜（右），人類(lèi)球員試次（藍(lán)色），機(jī)器人試次（品紅色）。圖源：來(lái)自論文

研究者發(fā)現(xiàn)，在與人類(lèi)球員對(duì)戰(zhàn)時(shí)，左側(cè)頂枕簇的事件相關(guān)譜擾動(dòng)中，α和β波的功率在接到球后的事件點(diǎn)表現(xiàn)為事件相關(guān)的去同步，而在擊球前表現(xiàn)為事件相關(guān)同步。與人類(lèi)球員的試次相比，與機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)時(shí)事件相關(guān)譜擾動(dòng)表現(xiàn)出一些差異。具體表現(xiàn)為：在被試接到球之前，頂枕簇出現(xiàn)了額外的θ和α波去同步；在乒乓球機(jī)器人送出球后約500 ms，左頂枕團(tuán)簇的相位間一致性在θ和α波段增加。此外，與人類(lèi)球員對(duì)戰(zhàn)相比，與機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)時(shí)事件相關(guān)電位的偏轉(zhuǎn)和相位間一致性更強(qiáng)，并且鎖相活動(dòng)明顯更多。

?圖注：與人類(lèi)球員和機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)的時(shí)頻特征比較。人類(lèi)球員試次（左）和機(jī)器人試次（中）的左側(cè)頂枕簇組平均結(jié)果。人類(lèi)球員試次和機(jī)器人試次之間的顯著差異（右）用橙色表示（p?

最后，研究者在θ、α和γ頻段發(fā)現(xiàn)了頂枕簇之間的事件相關(guān)相位一致性。其中，θ波的一致性發(fā)生在在乒乓球出現(xiàn)時(shí)和乒乓球出現(xiàn)后約250 ms。與機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)時(shí)所有的事件相關(guān)相位一致性比與人類(lèi)球員對(duì)戰(zhàn)中更高，但只有楔前葉和左/右頂枕葉之間的一致性顯示出統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。并且，在乒乓球出現(xiàn)時(shí)，與人類(lèi)球員對(duì)戰(zhàn)相比，與機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)時(shí)楔前葉與左側(cè)頂枕簇θ頻段的一致性更強(qiáng)；在乒乓球出現(xiàn)時(shí)和乒乓球出現(xiàn)后約250 ms，與人類(lèi)球員對(duì)戰(zhàn)相比，與機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)時(shí)楔前葉與右側(cè)頂枕簇θ頻段的一致性更強(qiáng)。

?圖注：與人類(lèi)球員和機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)試次的相位一致性。人類(lèi)球員試次（藍(lán)色，下對(duì)角線），機(jī)器人試次（品紅色，上對(duì)角線）。事件相關(guān)一致性顯著性增加為紅色（p?

也就是說(shuō)，研究發(fā)現(xiàn)大腦頂枕葉皮層中乒乓球擊球事件相關(guān)的動(dòng)力學(xué)，而且與人類(lèi)球員和機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)時(shí)頂枕葉皮層腦電動(dòng)力學(xué)存在差異。差異主要表現(xiàn)為：在擊球事件時(shí)，與機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)時(shí)的大腦θ波能量波動(dòng)比人類(lèi)球員對(duì)戰(zhàn)時(shí)更大；在與機(jī)器人對(duì)戰(zhàn)時(shí)，頂枕葉簇之間表現(xiàn)出更高的事件相關(guān)一致性。至于為什么球員在等待機(jī)器人發(fā)球時(shí)大腦會(huì)更加活躍？研究者推斷，這可能是因?yàn)闄C(jī)器并不會(huì)像人類(lèi)一樣揮動(dòng)球拍來(lái)提示他們下一步要往哪個(gè)方向擊球，這就會(huì)使球員用上百分百的精神勁以便能對(duì)機(jī)器人“隨機(jī)”的擊球方式給出快速的回應(yīng)。

不過(guò)有一點(diǎn)可以肯定，我們的大腦在處理這兩種體驗(yàn)的方式非常不同，這也意味著使用機(jī)器訓(xùn)練可能無(wú)法提供和與真實(shí)對(duì)手比賽相同的體驗(yàn)。

@Daniel P. Ferris

機(jī)器人在我們的生活中越來(lái)越常見(jiàn)。有些公司正在建造可以與人類(lèi)互動(dòng)的機(jī)器人，也有公司正在建造幫助老年人的社交輔助機(jī)器人，人類(lèi)與機(jī)器人之間的互動(dòng)不同于人類(lèi)與人類(lèi)之間的互動(dòng)。我們的長(zhǎng)期目標(biāo)是探索大腦如何對(duì)這些差異做出反應(yīng)。

這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)與另一個(gè)人比賽時(shí)，球員的神經(jīng)元協(xié)調(diào)工作，出現(xiàn)同步現(xiàn)象；當(dāng)球員面對(duì)機(jī)器人對(duì)手時(shí)，他們大腦中的神經(jīng)元彼此去同步。如果10萬(wàn)人在一個(gè)足球場(chǎng)內(nèi)，他們?nèi)吭谝黄饸g呼，這就像大腦同步，這是大腦放松的跡象。如果同樣的10萬(wàn)人都在和朋友聊天，他們之間的活動(dòng)不同步。在大多數(shù)情況下，大腦的不同步表明其正在進(jìn)行大量計(jì)算。

@Amanda Studnicki

乒乓球運(yùn)動(dòng)需要調(diào)動(dòng)多種感官——視覺(jué)、前庭、聽(tīng)覺(jué)，并為大腦中樞提供制定運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的信息。研究人員已經(jīng)對(duì)它的簡(jiǎn)單動(dòng)作進(jìn)行了研究，比如伸手和抓握等靜止任務(wù)。我們想探索的是大腦如何處理復(fù)雜動(dòng)作，如在空間中追蹤球和攔截球。因此，乒乓球運(yùn)動(dòng)正是完美選擇。我認(rèn)為使用機(jī)器人訓(xùn)練是很有價(jià)值的。并且，運(yùn)動(dòng)機(jī)器人將會(huì)在未來(lái)10年或20年內(nèi)進(jìn)化，我們可以看到更多的機(jī)器人供球員用于訓(xùn)練。

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