大脑如何计算出身体运动的最优模式？一项神经系统运动学习的新发现

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身体如何适应新的动作？一项研究为神经系统如何学习新的动作提供了新的线索，并可能为定制的康复和运动训练及医疗保健的可穿戴系统的广泛应用，提供新的信息。

一项研究身体如何适应新动作的研究为神经系统如何学习提供了新的线索，并可能有助于为广泛的应用提供信息，从定制的康复和运动训练到医疗保健的可穿戴系统。这项研究发表在本周的Current Biology杂志上。

    潜意识中的身体适应性“我们经常经历身体和环境的变化。也许你喜欢周六早上的长跑——随着跑步长度的增加，你的肌肉可能会疲劳。也许你选择在度假时在海滩上跑步——与城市里的人行道相比，沙滩可能不平坦、松散。虽然我们可能会意识到这些变化已经发生，但我们可能不会意识到我们的身体如何适应这些变化。”
这项研究的资深作者、Simon Fraser大学（SFU）教授、SFU运动实验室主任Max Donelan表示：“我们的大脑如何计算出如何最优地移动我们的身体？事实证明，这对神经系统来说可能是一个具有挑战性的问题，因为我们有数百块每秒可以协调数百次的肌肉——有更多可能的协调模式可供选择，可不像是下棋一样单纯前后左右移动。”
    神经系统的运动学习研究

Max Donelan研究运动学习的神经科学家团队与斯坦福大学的机械工程师团队合作设计了人类-机器人系统。他们一起跟踪研究参与者穿着外骨骼的行走特征。

研究人员发现，神经系统通过首先探索和评估许多不同的协调模式，解决了学习新的运动协调模式的问题。这种身体的探索表现为跨越多个运动、关节和肌肉水平的变异性的普遍增加。

有了经验，神经系统就能适应运动的特定方面，同时减少这些方面的可变性。研究人员还发现，这些适应性变化总体上改善了运动，使步行的能量成本降低了约25%。

这项研究的主要作者、运动实验室的前研究生Sabrina Abram说：“我们利用外骨骼帮助行走创造了新的环境，然后研究了人们如何探索新的动作并学习更优化的动作。”参与者在六天的时间里体验了这种情况下的步行，每个人都有大约30个小时的实验室运动时间，合著者Katherine Poggensee收集了大量数据。

图片来源：斯坦福大学生物机械电子实验室

Sabrina Abram补充说，虽然神经系统似乎受益于在许多不同的协调模式中进行第一次搜索，但随着时间的推移，减少这种搜索空间也会使神经系统受益。这是因为继续在已经减少能量的协调模式中进行搜索会反过来增加能量成本，并在已经很具有挑战性的问题——即找出最好的移动方式上上进一步增加难度。

    应用价值及研究意义

了解大脑如何搜索并计算出最优地移动身体的方式对于跑步者来说很重要，对于在新的地形中导航，以及从脊柱损伤或脑卒中的恢复中患者也是如此。

例如，了解身体何时适应了新的训练方案，可以帮助教练确定运动员应该在哪个时间点过渡到学习新技能。这对设计外骨骼和假肢等可穿戴系统也很有用，因为它有助于学习，然后评估人们对一系列设计的最佳反应。

“我们都想以最好的方式行动。对于健康人来说，在适当的环境下，大脑似乎可以做到这一点。而对于那些从伤害中恢复的人来说，我们可能会通过更好地了解神经系统是如何学习适应的，来了解如何最好地从伤害中恢复运动”，Max Donelan说。

内容来源：

https://medicalxpress.com/news/2022-05-brain-body.html

来源：BME康复工程分会

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