花样滑冰运动员必须训练自己忽视自己的自然反应

本周一，美国奥运花样滑冰队夺得了一枚铜牌，这在一定程度上要归功于亚当·里彭在男子自由滑比赛中的精彩表现。他的表演并不是最具挑战性的，比赛中摔倒的两名选手得分超过了他。但他近乎完美的表演仍然吸引了观众。

即使没有这项运动最具杂技性的动作，表演也相当令人惊叹。花样滑冰运动员看起来不像我们其他人一样遵循相同的物理定律。事实上，他们的技巧甚至让研究大脑如何控制平衡和复杂运动的科学家感到困惑。哥伦比亚大学扎克曼研究所的神经学家鲁伊·科斯塔说：“我在电视上看到它，我无法停止观看。”“你坐在那里，你会想，‘不可能！’”

不过，他和他的同事对于这些顶尖运动员的大脑中发生的事情有一些想法。

在花样滑冰运动员能够在冰面上滑行之前，他的大脑必须学会克服在湿滑地形上移动时天生的胆怯感。“你处在这种陌生的地面上，你必须学习与正常情况截然不同、更为极端的平衡规则，”扎克曼研究所的神经学家内特·索特尔说。“容错空间非常小。”

大多数人踏上溜冰场时都会滑倒，并开始向后倾斜。“我们感觉好像要摔倒了，我们迅速向前倾斜并稳定身体，希望能纠正向后摔倒的姿势，”索特尔说。这些反射由大脑中称为小脑的部分控制。当小脑收到内耳发出的信号，告知它我们的头部没有直立时，小脑就会向我们的肌肉发出运动指令，让我们的身体猛地站起来。

“这些反射……是为了保护我们而存在的，但在杂技和花样滑冰中却不具备适应性，”索特尔说。“花样滑冰运动员能够故意做出这些动作，[似乎]毫不费力，而且不需要通常让他们恢复直立姿势的反射。所以问题是，他们是如何做到这一点的？”

索特尔研究大脑如何学会识别与身体自身运动有关的声音或感觉，然后排除这些感觉。他和他的团队发现，大脑中一个叫做背侧耳蜗核的区域可以充当老鼠的降噪耳机，防止老鼠舔水龙卷时发出的声音分散它们的注意力。这个大脑区域接收来自内耳的听觉信息以及大脑其他部分发出的运动指令副本。如果它接收到的声音是由老鼠舔水产生的，它的神经元就会保持安静。这表明它利用有关啮齿动物自身行为的信息来抵消它们可能引起的任何噪音。

索特尔说，当花样滑冰运动员学习新动作时，他们的小脑中也会发生类似的过程。他们的大脑学会了预期当他故意向后倾斜时会伴随有跌倒的感觉。

“这些运动指令的副本可以传送到小脑，这就可以向小脑表明这个动作是故意的，”索特尔说。“在冰上滑倒的情况下，没有来自更高级中枢的运动指令……只有感觉信息告诉你你正在滑倒，你最好做点什么。”

通过练习，大脑会抑制这种感觉，这样滑冰者就不会本能地直立起来。“你实际上并没有摔倒，所以大脑会随着时间的推移学会没事的，你会活下来的，”索特尔说。

最终，花样滑冰运动员将学会跳跃和旋转，并且能够流畅地完成这些动作。这些过渡点是滑冰运动员经常会失误的地方。“但通过练习，你可以把所有这些单独的动作串联起来，就像一个动作一样，”科斯塔说。

他研究大脑如何学会将复杂的动作组合在一起。他测量了人们弹钢琴时的大脑活动。每次按下琴键之前，运动皮层和基底神经节都会出现一阵活动，这有助于启动和控制动作。当人们学习新的旋律时，每个音符前的活动高峰就会消失，直到只在第一个和最后一个音符之前出现。

当花样滑冰运动员踏上溜冰场参加比赛时，他们的大脑不需要规划每一个微小的动作；科斯塔说，启动动作的爆发可能出现在表演的开始，而不是每个动作之前。

一种叫做“组块”的过程可以帮助他们将动作联系在一起。这类似于我们回忆电话号码的方式，将电话号码分成三到四位数字的组，使其更易于管理。基本上，溜冰者将要执行的每个复杂动作的指令都来自运动皮层的不同部分。基底神经节接收这些信号。如果它们以相同的顺序反复出现，它就会开始将它们分组，这样执行第一个动作就会自动触发其余动作。随着时间的推移，它将一系列跳跃、旋转和步法整合成整个动作。

有时，滑冰运动员会在其中一个动作上失误。“如果出现问题，他们可能会犯下大错，”科斯塔说。“但有时他们只是犯了一点小错误，跳跃并不完美，但他们仍然能在几毫秒内回到正轨。”

大脑的某些部分密切关注着每个动作的执行情况。然而，科学家们并不真正了解这是如何发生的，也不清楚大脑的哪些部分参与其中。“你的大脑如何回溯过去，找出问题的确切原因？”索特尔想知道。“它如何计算出正确的错误信号，然后用它来真正纠正动作？”

另一个谜团是花样滑冰运动员的大脑与其他人有何不同。学习取决于我们大脑加强不同神经元之间联系的能力。但是，当滑冰运动员学习如何做两周半跳或贝尔曼旋转时发生的细微变化并不是我们拥有非侵入性技术可以观察到的。

然而，如果我们用 fMRI（一种测量血流变化的成像技术）来观察花样滑冰运动员的大脑，我们可能会看到一些独特的行为。当科学家在人们玩视频或记忆游戏时对他们的大脑进行成像时，他们发现不同区域的活动同步爆发。科斯塔说，在花样滑冰运动员中，运动皮层和基底神经节之间可能存在大量相关活动。

“如果能知道花样滑冰运动员的大脑里发生了什么，那就太好了，”他说。但是，“由于花样滑冰的复杂性，我们不会直接研究它。”相反，神经科学家会研究这些令人费解的绝技的简单版本。

这是因为花样滑冰是一项极限运动，人类对这项运动的掌握程度很高。“人类是学习运动技能最出色的动物之一，”索特尔说。虽然长洲未来的三周半跳难度极高，但即使是拿起玻璃杯或爬梯子等日常动作也相当复杂。

“人们努力让机器人做一些协调的事情，踢足球，但结果可能比二年级甚至幼儿园的球队都差得多，”索特尔说。“这说明问题运动有多么困难。”