和机器人打乒乓时，我们的大腦会变得更兴奋？

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图片来源 @视觉中国

文 | 追问 NextQuestion

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，其中一种是腦电图（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，大腦整合了复杂、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，大腦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腦电动力学。

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腦动力学，大腦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，腦电数据的采集频率为 500 Hz。实验中使用的乒乓球拍的木棒搖桿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腦皮层的多个腦区的神经元活动，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腦区是顶枕区（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腦电活动情况。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。