當人們與世界互動時，不論是觀察移動的物體，或是自身移動時視野中周遭的變化，都涉及一種稱為視覺運動的過程。研究視覺運動的方法有很多，其中一種是腦電圖（EEG）。但傳統(tǒng)上，利用EEG研究視覺運動過程，需要在嚴格的實驗條件下進行，其生態(tài)效度有限。

(資料圖)

在現(xiàn)實世界中，大腦整合了復雜、動態(tài)、多模態(tài)的視覺運動線索，來指導運動的執(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導向運動，例如到達、抓取、捕捉、躲避物體等。乒乓球則是一項需要快速整合視覺運動的全身反應性運動。為了解現(xiàn)實世界中進行乒乓球運動時頂枕皮層的神經(jīng)元活動，來自美國佛羅里達大學的研究團隊進行了一項有趣的研究。他們使用高密度頭皮EEG定量分析運動時頂枕皮層的腦電動力學。

該研究分析了受試者與機器人打乒乓球時及與人類對戰(zhàn)時，頂枕源定位簇的功率譜密度、事件相關譜擾動、試驗間相位一致性、事件相關電位和事件相關相位一致性的差異。結果發(fā)現(xiàn)，與人類對戰(zhàn)相比，受試者與機器人對戰(zhàn)時擊球事件前后θ波段功率波動更大，事件相關電位的相間一致性和偏轉更強，頂枕神經(jīng)簇之間的事件相關一致性更高。因此，研究者發(fā)現(xiàn)與和人類訓練相比，機器人運動訓練會產(chǎn)生不同的大腦動力學，大腦的活動變得更加的活躍。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)

乒乓球作為一項反應性運動，可用于感覺運動整合、運動預期、物體攔截神經(jīng)控制機制的研究。并且，由于乒乓球比賽中對手之間的距離較短，運動員需在極短的時間內感知、計劃、擊球。有研究報道，相較于非運動員，職業(yè)運動員的反應速度更快，手部運動速度更快，視覺運動整合技能也更有效。此外，乒乓球運動干預治療能夠減少認知能力下降，促進執(zhí)行功能，提高精神敏銳度。研究乒乓球神經(jīng)控制機制有助于深入了解其神經(jīng)生理益處的原理。

本項研究中，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。在實驗中，被試均佩戴包含120個頭皮電極的EEG系統(tǒng)，腦電數(shù)據(jù)的采集頻率為500 Hz。實驗中使用的乒乓球拍的木棒手柄和乒乓球機器人上的慣性測量原件可以計算擊球事件的時間。同時，研究者錄制了所有實驗過程的視頻用以檢查命中事件的準確性。

乒乓球對戰(zhàn)實驗分為四個15分鐘的區(qū)間。在一個區(qū)間中，被試與人類球員進行7.5分鐘的對打，并與機器人進行三個連續(xù)2.5分鐘的對打。此外，機器人對打試次在靜止和運動兩種狀態(tài)之間交替進行。在靜止試次中，球的運動軌跡是可預測的，被試不必移動腳步擊球；在移動試次中，機器人向臺面上的各個方向發(fā)球，被試需要移動腳步進行擊球。

?圖注：乒乓球訓練實驗方案。圖源：來自論文

同時，研究者記錄了被試大腦皮層的多個腦區(qū)的神經(jīng)元活動，包括：雙側額葉、雙側感覺運動區(qū)、雙側頂枕葉、輔助運動區(qū)、楔葉前葉、頂枕葉、楔葉。其中，研究者最主要關注的腦區(qū)是頂枕區(qū)（左、右頂枕皮質、楔前葉和楔葉）。

?圖注：所有被試的皮質電偶極子。軸面（左）、矢狀面（中）和冠狀面（右）。左額葉（紫色）、右額葉（品紅色）、左側感覺運動區(qū)（青色）、輔助運動區(qū)（黃色）、右側感覺運動區(qū)（暗紅色）、左側頂枕區(qū)（淺綠色）、楔葉前區(qū)（藍色）、右側頂枕區(qū)（紅色）、楔葉區(qū)（深綠色）。圖源：來自論文

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

?圖注：與人類球員（左，藍色）和機器人對戰(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。通過原始功率譜與非周期分量的差值計算得到的平坦光譜（右），人類球員試次（藍色），機器人試次（品紅色）。圖源：來自論文

研究者發(fā)現(xiàn)，在與人類球員對戰(zhàn)時，左側頂枕簇的事件相關譜擾動中，α和β波的功率在接到球后的事件點表現(xiàn)為事件相關的去同步，而在擊球前表現(xiàn)為事件相關同步。與人類球員的試次相比，與機器人對戰(zhàn)時事件相關譜擾動表現(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；在乒乓球機器人送出球后約500 ms，左頂枕團簇的相位間一致性在θ和α波段增加。此外，與人類球員對戰(zhàn)相比，與機器人對戰(zhàn)時事件相關電位的偏轉和相位間一致性更強，并且鎖相活動明顯更多。

?圖注：與人類球員和機器人對戰(zhàn)的時頻特征比較。人類球員試次（左）和機器人試次（中）的左側頂枕簇組平均結果。人類球員試次和機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)時和乒乓球出現(xiàn)后約250 ms。與機器人對戰(zhàn)時所有的事件相關相位一致性比與人類球員對戰(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)計學上的顯著差異。并且，在乒乓球出現(xiàn)時，與人類球員對戰(zhàn)相比，與機器人對戰(zhàn)時楔前葉與左側頂枕簇θ頻段的一致性更強；在乒乓球出現(xiàn)時和乒乓球出現(xiàn)后約250 ms，與人類球員對戰(zhàn)相比，與機器人對戰(zhàn)時楔前葉與右側頂枕簇θ頻段的一致性更強。

?圖注：與人類球員和機器人對戰(zhàn)試次的相位一致性。人類球員試次（藍色，下對角線），機器人試次（品紅色，上對角線）。事件相關一致性顯著性增加為紅色（p?

也就是說，研究發(fā)現(xiàn)大腦頂枕葉皮層中乒乓球擊球事件相關的動力學，而且與人類球員和機器人對戰(zhàn)時頂枕葉皮層腦電動力學存在差異。差異主要表現(xiàn)為：在擊球事件時，與機器人對戰(zhàn)時的大腦θ波能量波動比人類球員對戰(zhàn)時更大；在與機器人對戰(zhàn)時，頂枕葉簇之間表現(xiàn)出更高的事件相關一致性。至于為什么球員在等待機器人發(fā)球時大腦會更加活躍？研究者推斷，這可能是因為機器并不會像人類一樣揮動球拍來提示他們下一步要往哪個方向擊球，這就會使球員用上百分百的精神勁以便能對機器人“隨機”的擊球方式給出快速的回應。

不過有一點可以肯定，我們的大腦在處理這兩種體驗的方式非常不同，這也意味著使用機器訓練可能無法提供和與真實對手比賽相同的體驗。

@Daniel P. Ferris

機器人在我們的生活中越來越常見。有些公司正在建造可以與人類互動的機器人，也有公司正在建造幫助老年人的社交輔助機器人，人類與機器人之間的互動不同于人類與人類之間的互動。我們的長期目標是探索大腦如何對這些差異做出反應。

這項研究發(fā)現(xiàn)，當與另一個人比賽時，球員的神經(jīng)元協(xié)調工作，出現(xiàn)同步現(xiàn)象；當球員面對機器人對手時，他們大腦中的神經(jīng)元彼此去同步。如果10萬人在一個足球場內，他們全部在一起歡呼，這就像大腦同步，這是大腦放松的跡象。如果同樣的10萬人都在和朋友聊天，他們之間的活動不同步。在大多數(shù)情況下，大腦的不同步表明其正在進行大量計算。

@Amanda Studnicki

乒乓球運動需要調動多種感官——視覺、前庭、聽覺，并為大腦中樞提供制定運動計劃的信息。研究人員已經(jīng)對它的簡單動作進行了研究，比如伸手和抓握等靜止任務。我們想探索的是大腦如何處理復雜動作，如在空間中追蹤球和攔截球。因此，乒乓球運動正是完美選擇。我認為使用機器人訓練是很有價值的。并且，運動機器人將會在未來10年或20年內進化，我們可以看到更多的機器人供球員用于訓練。

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