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四肢发达头脑简单?NO!运动员的大脑比你更快!

科普中国-科普融合创作与传播 2019-07-23

  出品:科普中国

  制作:王飞(中国科学院神经科学研究所)

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  一次又一次,运动员们用他们满身的肌肉和敏捷的身手征服了我们,让我们感受到了人体的极限和运动之美。不过,有人说运动员们都是些‘四肢发达,头脑简单’的人。只要他们训练出一身肌肉,流淌足够的汗水,奥运冠军就会成为他们的了。其实,奥运会不单单是身体的竞技,更是头脑的比拼。运动员们的头脑并不比科学家们的要差劲,从某些方面来说,奥运冠军都有一颗‘最强大脑’。

  

  (图片来源:Veer图库)

  药不能乱吃,话不能乱说。我们既然这样说,一定是有理有据。先让我们看看奥林匹克格言吧。1913年经顾拜旦提议,经国际奥委会批准,奥林匹克的宪章中写明:“更快,更高,更强”是奥林匹克运动宗旨。用我们的话说,那就是三个字:快,准,狠。一个运动员只要达到了这三点,才有可能获得奖牌。而这三点的达到,不仅仅是有一身的肌肉就可以的,还需要人体神经系统的高度发达才能实现。今天就让我们了解下大脑是如何达到“快”的目标的。

  如何快速反应?多感觉整合

  又有人要说了,快还不简单,有一双大长腿,卯足了劲儿跑就是了。其实,对于田径项目专业选手而言,能够快速对开始信号响应才是王道。在专业比赛中,起跑时反应慢了0.1秒,就是致命的打击。那运动员的大脑是如何快速反应的呢?

  奥运会田径赛场上,各国运动员各就各位,等待发令枪响。随着一声枪响,一股白烟冒出,紧张激烈的比赛由此开始。我们都知道光速比声速快,所以运动员只要看白烟就行了,其实不然。

  奥运会采用的发令枪,枪响后同时发生三件事情:

  1.起跑线旁的扩音器播放声音,确保运动员听到起跑令;

  2.发令枪发出闪光,让运动员们看到开始的信号;

  3.发令枪通过后面的线缆向计时装置发送起跑脉冲。

  

  奥运会用的发令枪和起跑线旁的扩音器(王飞 绘制)

  正是因为这个设计,参赛选手不仅要对起跑的声音有反应,也要时刻关注发令枪产生的白烟。起跑线旁扩音器播放的声音传递听觉刺激,在同一时间闪光传递视觉刺激,大脑对这两个信号加以整合,迅速做出反应。听觉与视觉刺激在时间和空间上的叠加造成了1+1>2的效果,这就是运动员大脑反应快的奥秘。

  在脑科学中,大脑会整合多种感觉信号的输入,最终得到更为精准和快速的反应,这种效应叫做多感觉整合。研究表明,多感觉整合存在于上丘脑、高级联合皮层等多个脑区。多种感觉通道的相互作用,不仅是单感觉功能区到多感觉功能区的前馈联结,还存在多感觉功能区对单感觉功能区的反馈联结。而运动员就是在日复一日的训练中,使得这些脑区的功能得到加强,进而拥有了一颗更为发达的感觉大脑。

  其实多感觉整合在日常生活中很常见,比如我们先看见闪电再听到雷声会感觉雷声很响亮。如果我们闭上眼睛,只听雷声,你就感觉不到那么响亮的雷声了。

  开车时为什么不让接打手机?因为本来视觉系统和听觉系统在很好得合作,以便对道路和汽车的变化做出及时的反应。而一旦你接打手机,不仅对道路判断的听觉信号输入会大打折扣,过度的分心甚至会影响你视觉的判断。有研究称,开车接打手机会导致对突发事件反应延时长达0.5秒,这就是多感觉输入之间的相互干扰造成的。

  所以,知道大脑多感觉整合的效应,不仅能帮助运动员拿到好成绩,对于我们日常生活也有很大帮助。

  注意力决定成败

  除了多感觉整合,良好的注意力也极为重要。

  相信很多人会对历届奥运会比赛中运动员的抢跑行为印象深刻,有些运动员还因为抢跑犯规,被剥夺了比赛资格。

  抢跑,是指运动员在发令枪响前或听到枪响后到做出起跑反应小于0.1秒的情况。

  那为什么有的运动员还没等发令枪开始,就起跑了?

  其实可能不是他有意要违反规则,而是在那种紧张的情况下,注意力极度提升,外界一点风吹草动就会被他认为是开跑的信号。而这个注意力错误就导致了博尔特被罚下,自此与冠军无缘。

  所以,除了日常的体能训练外,注意力的训练对于运动员也极其重要。他们需要适应在嘈杂环境下,尤其是大赛中高度紧张的情况下,集中注意力,准确判别开始信号。射击运动员则更需要在整个参赛过程中时刻保持注意力的集中,所以我们就会看到张梦雪、易思玲等奥运冠军在赛场上异常“冷漠”的表情了。

  注意在大脑中是由三个网络构成的:警觉网络,定向网络和执行网络。有研究表明,注意力的定向网络由大脑内侧额顶叶的脑区负责。集中注意力时,额叶脑区先兴奋,之后顶叶的脑区也参与其中,导致了对视觉输入信号的加强。而运动员要想取得好成绩,其注意的神经网络就要锻炼的很发达。

  

  集中注意时活动的脑区和随时间变化情况(王飞 绘制)

  注意力是如此重要,如果心不在焉,在考场和跑道上都会表现不佳。所以不要认为运动员们学习起来肯定不如你,虽然他们每天看似只是叱咤在运动场上,但是当他们坐下来时,专注力很可能非常高。

  俄罗斯教育家乌申斯基曾指出:“注意,是我们心灵的惟一门户,意识中的一切,必然都要经过它才能进来。”注意力决定我们对感觉输入的取舍,也决定了我们是否要采取行动,因此注意力往往决定了事情的成败。

  比专注更牛的技能——预测

  当然,要想达到更快的反应,运动大神们有更为绝密的技巧。喜欢看足球比赛的同学们也许会知道,这个技巧就是预测。

  其实预测是大脑完成的一件非常复杂的任务。足球场上,守门员别看不能乱跑,可是起了关键的作用。尤其在点球大战时,守门员的表现,极大程度上得决定了整场比赛的输赢。而一个好的守门员,往往在射手开球之前,就已经预测出球要向那个方向踢。

  

  守门员提前预测球踢出的方向(王飞 绘制)

  点球时,球距离球门的距离很短,而专业射手踢出的球速度又极快,已经大大超出人的反应速度。这时候,不仅需要守门员眼观六路,定神凝气,更重要的就是凭借自己的经验对射手的动作进行预测。所以,有经验的守门员往往是通过对射手跑动时的动作提前判断球的走向,而没有经验或者判断失误的守门员,会向着球相反的方向扑过去,不是他们反应不及时,是他们大脑中预测出现了错误。

  

  预测失误的守门员扑向球相反的方向(王飞 绘制)

  在动物界里,预测对于一个物种的生存至关重要。例如蜥蜴要提前知道飞行的虫子的轨迹,以便快速伸出舌头吃到好吃的。这就像奥运会上飞碟射击项目一样,运动员要朝着飞碟运动的前方射击才有可能击中。

  科学家们对大脑如何对运动物体进行预测进行了深入的研究。贝叶斯理论就是一种基于前期经验的预测模型,其不仅充分利用先验信息,而且将预测模型与普通回归模型的预测结果进行比较,最后做出更优的结论。例如,飞碟射击运动员会根据飞碟发出时的方向,预测之后的飞行轨迹。当射出的子弹没有打中飞碟时,他就会调整自己的预测期望,得到一个新的预测轨迹。这样,经过数百次甚至上千次的训练后,在他的大脑中就有一幅清晰的飞碟飞行的轨迹了。

  由此看来,运动员确实需要一颗强大的大脑才能指挥其身体赢得比赛。在躯体强大的同时,头脑的丰盈更显得重要。

  参考文献:

  1、https://pixabay.com 

  2、Janelle Weaver.(2007). The Neural Cascade of Attentional Control.PLoS Biology ,5(1):e27-e28

  3、Stephen M. Deban and David B. Wake. (1997). Salamander with a ballistic tongue .Nature,389(4):27-28

责任编辑:王超

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