圖片來源 @視覺中國
文 | 追問 NextQuestion
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，都涉及一種稱爲視覺運動的過程。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，其生态效度有限。
在現實世界中，大腦整合了複雜、動态、多模态的視覺運動線索，來指導運動的執行。研究人員已經發現，大腦頂枕皮層參與控制目标導向運動，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。爲了解現實世界中進行乒乓球運動時頂枕皮層的神經元活動，來自美國佛羅裏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、試驗間相位一緻性、事件相關電位和事件相關相位一緻性的差異。結果發現，與人類對戰相比，受試者與機器人對戰時擊球事件前後 θ 波段功率波動更大，事件相關電位的相間一緻性和偏轉更強，頂枕神經簇之間的事件相關一緻性更高。因此，研究者發現與和人類訓練相比，機器人運動訓練會産生不同的大腦動力學，大腦的活動變得更加的活躍。該成果發表在著名期刊 eNeuro 上。
▷圖注：論文封面。圖源：eNeuro 官網
乒乓球作爲一項反應性運動，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内感知、計劃、擊球。有研究報道，相較于非運動員，職業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，乒乓球運動幹預治療能夠減少認知能力下降，促進執行功能，提高精神敏銳度。研究乒乓球神經控制機制有助于深入了解其神經生理益處的原理。
本項研究中，37 名受試者的平均年齡爲 23.5 歲，均爲右利手，視力正常，身體健康，并具有熟練的乒乓球技能和豐富的經驗。在實驗中，被試均佩戴包含 120 個頭皮電極的 EEG 系統，腦電數據的采集頻率爲 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确性。
乒乓球對戰實驗分爲四個 15 分鍾的區間。在一個區間中，被試與人類球員進行 7.5 分鍾的對打，并與機器人進行三個連續 2.5 分鍾的對打。此外，機器人對打試次在靜止和運動兩種狀态之間交替進行。在靜止試次中，球的運動軌迹是可預測的，被試不必移動腳步擊球；在移動試次中，機器人向台面上的各個方向發球，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的神經元活動，包括：雙側額葉、雙側感覺運動區、雙側頂枕葉、輔助運動區、楔葉前葉、頂枕葉、楔葉。其中，研究者最主要關注的腦區是頂枕區（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（青色）、輔助運動區（黃色）、右側感覺運動區（暗紅色）、左側頂枕區（淺綠色）、楔葉前區（藍色）、右側頂枕區（紅色）、楔葉區（深綠色）。圖源：來自論文
随後，研究者對比了被試與人類球員和機器人對戰時頂枕區腦電活動情況。結果發現，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。與機器人對戰時楔前葉中 α 波的功率顯著高于與人類球員對戰時。此外，與機器人對戰和與人類球員對戰兩種試次中，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（中，品紅色）的功率譜。平均功率譜密度圖與 FOOOF 模型的非周期拟合爲灰色。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
研究者發現，在與人類球員對戰時，左側頂枕簇的事件相關譜擾動中，α 和 β 波的功率在接到球後的事件點表現爲事件相關的去同步，而在擊球前表現爲事件相關同步。與人類球員的試次相比，與機器人對戰時事件相關譜擾動表現出一些差異。具體表現爲：在被試接到球之前，頂枕簇出現了額外的 θ 和 α 波去同步；在乒乓球機器人送出球後約 500 ms，左頂枕團簇的相位間一緻性在 θ 和 α 波段增加。此外，與人類球員對戰相比，與機器人對戰時事件相關電位的偏轉和相位間一緻性更強，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
