视觉运动中顶枕皮层的动力学奥秘。

当人们与世界互动时，不论是观察移动的物体，或是自身移动时视野中周遭的变化，都涉及一种称为视觉运动的过程。研究视觉运动的方法有很多，其中一种是脑电图（EEG）。但传统上，利用EEG研究视觉运动过程，需要在严格的实验条件下进行，其生态效度有限。

在现实世界中，大脑整合了复杂、动态、多模态的视觉运动线索，来指导运动的执行。研究人员已经发现，大脑顶枕皮层参与控制目标导向运动，例如到达、抓取、捕捉、躲避物体等。乒乓球则是一项需要快速整合视觉运动的全身反应性运动。为了解现实世界中进行乒乓球运动时顶枕皮层的神经元活动，来自美国佛罗里达大学的研究团队进行了一项有趣的研究。他们使用高密度头皮EEG定量分析运动时顶枕皮层的脑电动力学。

该研究分析了受试者与机器人打乒乓球时及与人类对战时，顶枕源定位簇的功率谱密度、事件相关谱扰动、试验间相位一致性、事件相关电位和事件相关相位一致性的差异。结果发现，与人类对战相比，受试者与机器人对战时击球事件前后θ波段功率波动更大，事件相关电位的相间一致性和偏转更强，顶枕神经簇之间的事件相关一致性更高。因此，研究者发现与和人类训练相比，机器人运动训练会产生不同的大脑动力学，大脑的活动变得更加的活跃。该成果发表在著名期刊eNeuro上。

▷图注：论文封面。图源：eNeuro官网

乒乓球作为一项反应性运动，可用于感觉运动整合、运动预期、物体拦截神经控制机制的研究。并且，由于乒乓球比赛中对手之间的距离较短，运动员需在极短的时间内感知、计划、击球。有研究报道，相较于非运动员，职业运动员的反应速度更快，手部运动速度更快，视觉运动整合技能也更有效。此外，乒乓球运动干预治疗能够减少认知能力下降，促进执行功能，提高精神敏锐度。研究乒乓球神经控制机制有助于深入了解其神经生理益处的原理。

本项研究中，37名受试者的平均年龄为23.5岁，均为右利手，视力正常，身体健康，并具有熟练的乒乓球技能和丰富的经验。在实验中，被试均佩戴包含120个头皮电极的EEG系统，脑电数据的采集频率为500 Hz。实验中使用的乒乓球拍的木棒手柄和乒乓球机器人上的惯性测量原件可以计算击球事件的时间。同时，研究者录制了所有实验过程的视频用以检查命中事件的准确性。

乒乓球对战实验分为四个15分钟的区间。在一个区间中，被试与人类球员进行7.5分钟的对打，并与机器人进行三个连续2.5分钟的对打。此外，机器人对打试次在静止和运动两种状态之间交替进行。在静止试次中，球的运动轨迹是可预测的，被试不必移动脚步击球；在移动试次中，机器人向台面上的各个方向发球，被试需要移动脚步进行击球。

▷图注：乒乓球训练实验方案。图源：来自论文

同时，研究者记录了被试大脑皮层的多个脑区的神经元活动，包括：双侧额叶、双侧感觉运动区、双侧顶枕叶、辅助运动区、楔叶前叶、顶枕叶、楔叶。其中，研究者最主要关注的脑区是顶枕区（左、右顶枕皮质、楔前叶和楔叶）。

▷图注：所有被试的皮质电偶极子。轴面（左）、矢状面（中）和冠状面（右）。左额叶（紫色）、右额叶（品红色）、左侧感觉运动区（青色）、辅助运动区（黄色）、右侧感觉运动区（暗红色）、左侧顶枕区（浅绿色）、楔叶前区（蓝色）、右侧顶枕区（红色）、楔叶区（深绿色）。图源：来自论文

随后，研究者对比了被试与人类球员和机器人对战时顶枕区脑电活动情况。结果发现，顶枕簇的功率谱密度图（PSD）均包含一个非振荡分量和一个振荡分量。与人类球员和机器人对战时振荡功率均主要位于顶枕簇的α和低β波段。但是，在人类球员试次中左侧顶枕皮层α波的功率显著高于机器人试次。与机器人对战时楔前叶中α波的功率显著高于与人类球员对战时。此外，与机器人对战和与人类球员对战两种试次中，右侧顶枕皮层和楔叶的功率无显著差异。

▷图注：与人类球员（左，蓝色）和机器人对战（中，品红色）的功率谱。平均功率谱密度图与FOOOF模型的非周期拟合为灰色。通过原始功率谱与非周期分量的差值计算得到的平坦光谱（右），人类球员试次（蓝色），机器人试次（品红色）。图源：来自论文

研究者发现，在与人类球员对战时，左侧顶枕簇的事件相关谱扰动中，α和β波的功率在接到球后的事件点表现为事件相关的去同步，而在击球前表现为事件相关同步。与人类球员的试次相比，与机器人对战时事件相关谱扰动表现出一些差异。具体表现为：在被试接到球之前，顶枕簇出现了额外的θ和α波去同步；在乒乓球机器人送出球后约500 ms，左顶枕团簇的相位间一致性在θ和α波段增加。此外，与人类球员对战相比，与机器人对战时事件相关电位的偏转和相位间一致性更强，并且锁相活动明显更多。

▷图注：与人类球员和机器人对战的时频特征比较。人类球员试次（左）和机器人试次（中）的左侧顶枕簇组平均结果。人类球员试次和机器人试次之间的显著差异（右）用橙色表示（p < 0.05）。图源：来自论文

最后，研究者在θ、α和γ频段发现了顶枕簇之间的事件相关相位一致性。其中，θ波的一致性发生在在乒乓球出现时和乒乓球出现后约250 ms。与机器人对战时所有的事件相关相位一致性比与人类球员对战中更高，但只有楔前叶和左/右顶枕叶之间的一致性显示出统计学上的显著差异。并且，在乒乓球出现时，与人类球员对战相比，与机器人对战时楔前叶与左侧顶枕簇θ频段的一致性更强；在乒乓球出现时和乒乓球出现后约250 ms，与人类球员对战相比，与机器人对战时楔前叶与右侧顶枕簇θ频段的一致性更强。

▷图注：与人类球员和机器人对战试次的相位一致性。人类球员试次（蓝色，下对角线），机器人试次（品红色，上对角线）。事件相关一致性显著性增加为红色（p < 0.05）。图源：来自论文

也就是说，研究发现大脑顶枕叶皮层中乒乓球击球事件相关的动力学，而且与人类球员和机器人对战时顶枕叶皮层脑电动力学存在差异。差异主要表现为：在击球事件时，与机器人对战时的大脑θ波能量波动比人类球员对战时更大；在与机器人对战时，顶枕叶簇之间表现出更高的事件相关一致性。至于为什么球员在等待机器人发球时大脑会更加活跃？研究者推断，这可能是因为机器并不会像人类一样挥动球拍来提示他们下一步要往哪个方向击球，这就会使球员用上百分百的精神劲以便能对机器人“随机”的击球方式给出快速的回应。

不过有一点可以肯定，我们的大脑在处理这两种体验的方式非常不同，这也意味着使用机器训练可能无法提供和与真实对手比赛相同的体验。


作者自评

@Daniel P. Ferris

机器人在我们的生活中越来越常见。有些公司正在建造可以与人类互动的机器人，也有公司正在建造帮助老年人的社交辅助机器人，人类与机器人之间的互动不同于人类与人类之间的互动。我们的长期目标是探索大脑如何对这些差异做出反应。

这项研究发现，当与另一个人比赛时，球员的神经元协调工作，出现同步现象；当球员面对机器人对手时，他们大脑中的神经元彼此去同步。如果10万人在一个足球场内，他们全部在一起欢呼，这就像大脑同步，这是大脑放松的迹象。如果同样的10万人都在和朋友聊天，他们之间的活动不同步。在大多数情况下，大脑的不同步表明其正在进行大量计算。

@Amanda Studnicki

乒乓球运动需要调动多种感官——视觉、前庭、听觉，并为大脑中枢提供制定运动计划的信息。研究人员已经对它的简单动作进行了研究，比如伸手和抓握等静止任务。我们想探索的是大脑如何处理复杂动作，如在空间中追踪球和拦截球。因此，乒乓球运动正是完美选择。我认为使用机器人训练是很有价值的。并且，运动机器人将会在未来10年或20年内进化，我们可以看到更多的机器人供球员用于训练。