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头脑简单,四肢能真的发达吗?

发布时间:2021-04-01 10:06 来源:科学世界

  很多人误以为只有身体才是运动的关键,但若要进行灵活的运动,脑中各个区域的运转是必不可少的。正是依靠作为司令塔的脑向肌肉发送适当的指令,我们才能够活动手脚。而且,相较于普通运动员,一流运动员的大脑使用更加高效。

  灵巧的活动

  专业的足球运动员绝对可以说得上是腿部运动的高手,比如巴西国家队的内马尔就以灵巧而精确的带球过人而为人所赞叹。通过研究,让包括内马尔在内的7名实验对象在脑中想象通过假动作带球过人的情景,并测定了他们的脑活动。结果显示,内马尔的脑中与运动相关的多个区域都开始活动。而对西班牙乙级联赛的职业足球运动员进行相同的实验时,则看不到内马尔脑中那样的活动。

  内马尔等人的脑活动

  图中表现的是内马尔在脑中想象运用不同假动作带球过人时测定出来的活动区域,是以能够将脑活动图像化的MRI(磁共振成像)装置的实验资料为基础绘制的。与西班牙乙级联赛的运动员的脑活动相比,发现其范围更广,活动更强。

  内马尔的脑中,除了从记忆中提取运动并实行的网络(紫色)外,还有在选择与切换各种假动作(运动的种类)时活动的网络(蓝色)和准备具体运动程序的区域(黄色)在进行强烈的活动。

  研究认为内马尔的脑中有各种各样假动作的运动程序,从而能够为适应不同的状况进行选择与切换,并有很强的将其实现的能力。在实际运动时,擅长运动的人的脑就能高效工作,这样才能进行准确而不拖泥带水的动作。

  运动的指令

  在实际跑动的时候,没有人会考虑先将大腿向前移动,然后再放下膝盖,使脚落地……这些细节,我们在无意识间就会完成。

  跑动时,产生基本节奏的中枢是脑干和脊髓。最初是从初级运动区等大脑皮层的运动区发送运动的指令,一旦跑动起来,节奏的中枢就会发送信号,使跑动得以持续下去。

  运动的指令(电信号)会从初级运动区等处的神经元出发,沿脊髓向下,传递给运动神经元(运动神经细胞)。运动神经元从脊髓延伸至肌肉,分别向所负责的肌肉传输指令。坐骨神经的运动神经元能长达1米,将指令一直传达到脚尖。

  运动神经元将来自脑的信号分发给肌肉

  本图描绘了运动指令(电信号)的传输路径,同时也表现了“跑动”的一连串动作所涉及的肌肉(1~3)

  1摆动手臂与腿

  跑动时,我们会一边将一侧手臂向后(前)摆动,一边将另一侧的脚向后踏地(同侧的腿则向前伸出)。

  2。在空中将大腿向前移动

  位于大腿前方的股直肌和从脊柱经由骨盆与大腿骨相连的腰大肌会收缩,使大腿向前运动。此外,大腿内侧的内收肌会使膝关节弯曲。

  3。着地一侧的大腿向后发力

  位于臀部的臀大肌和大腿内侧的腘绳肌会收缩,在身体浮在空中时,使大腿向后运动,从而使身体向前推进。

  这些肌肉一旦接收到运动的指令后,就会根据脑干与脊髓的信号进行周期性的收缩。

  指令从初级运动区的神经元(紫色)出发,通过作为电信号通道的轴突沿脊髓一路向下。初级运动区的神经元会与将轴突延伸至肌肉的运动神经元(红色)相连。电信号到达运动神经元后,就会分别传向不同肌肉,引发收缩。

  运动的开始与停止

  抑制不需要的活动,完美地保持站或坐的姿势,这并非是理所当然的事情,而是人体出色运动机能的一部分。与这一机能相关的是大脑基底核。

  图像为大脑半球的截面,截面的大致位置如上图左下插图所示(左右图像并非是完全相同位置的截面)。上图展示的是进行了防腐处理的标本,其中大脑基底核的位置已用红色圈出,包括尾状核、壳核、苍白球、黑质和与黑质相邻的底丘脑核。

  大脑基底核与皮层运动区等大脑皮层的多个区域相接,使得信号得以循环。这些循环起到发出运动指令的开关作用,并受大脑基底核的操控“开启”(返回皮层运动区的信号增加的状态)或“关闭”(返回的信号减少的状态)。

  信号从皮层运动区(大脑皮层)进入到大脑基底核的壳核和尾状核(合称为纹状体)及底丘脑核。大脑基底核有多条路径可以收发信号,信号会由苍白球的一部分与黑质的一部分发出,经由丘脑返回至皮层运动区。科学家们认为这一循环与运动的启动和停止机制有关。

  被称为肌张力障碍的运动障碍病症就是因为脑的问题所引起的,常发病于儿童期或30~50岁。患者身体会不受控制地不断扭曲,这是由大脑基底核负责的运动停止机能异常所引发的疾病。肌张力障碍患者身体的一部分会停不下来地扭转,甚至会导致骨骼变形。

  相反,开关“开启”的机能出现异常的病症叫做帕金森病。主要发病于50~70岁,会致使身体运动减少。弯腰驼背的身姿和手指弯曲的双手是发病的特征,是由于黑质的一部分神经元大量缺失导致的。会出现诸如想要走路却迈不出步子(步态冻结)的症状。但是,如果加上类似在脚尖前画出一条线并让患者越过这条线之类的视觉信息的刺激时,患者就能够迈出步子,所以真正的原因并非是丧失了运动指令的发出机能或是肌肉衰竭。

  运动的微调

  为了在摇晃的地铁上保持站立的姿势,我们就必须根据速度的变化和摇晃的方向取得细微的平衡;在行走时,为了不被障碍物绊倒,我们也会对落脚的位置进行适当的调整。像这种动作的微调,就是由小脑负责完成的。

  小脑会接收稍早的感觉信号与随后将要实行的指令,并会将它们回传给大脑。这时,就会对预测的指令进行微调。小脑在最后的紧要关头对动作进行微调的能力是有个人差异的。比如说专业的棒球击球手可以在投手投出的球到达的最后0.4秒时调整球棒,这一秘密也许也在于小脑。

  图像是将小脑左右二等分的截面。小脑和大脑一样有褶皱,分为表面的小脑皮层(灰质)与内部的髓质(白质)。上图的显微镜图像是小脑的代表性构造。成人的小脑重量为120~150克。

  小脑会接收来自大脑皮层的运动指令和全身的体感信息,随后就会一边微调一边进行动作,比如说击球。

  运动的学

  刚开始学习棒球的时候,大家都会觉得自己的动作很不灵活,但在不断练习之后,我们就会渐渐掌握合适的姿势,也能够以更快的速度投球与挥棒了。一般来说像这样运动的学习,我们就是靠“身体来记住”的,而其关键就在于小脑的神经元。

  小脑的体积不过脑整体的10%,但脑中的神经元大部分位于小脑。大脑皮层的神经元约为200亿个左右,而小脑的神经元可达700亿甚至1000亿个,其中大多数是很小的颗粒细胞,通过名为平行纤维的轴突与另一种名为浦肯野细胞的神经元相连,传输信号。小脑的神经回路不同于大脑皮层,非常薄,仅有3层。但是考虑到颗粒细胞的数量,足以弥补皮层较薄的缺点。

  以棒球的挥棒击球为例,当挥空或是没能以球棒中心击中球时,脑干的一部分(下橄榄核)神经元会经由名为攀缘纤维的轴突将误差信号送至浦肯野细胞。来自下橄榄核的信号显示的就是运动的预测(例子中理想的击球轨道)与结果(例子中实际的击球轨道)之间的误差。接收到误差信号后,就会抑制来自平行纤维的不必要的输入,从而抑制多余的动作。


本图描绘了小脑皮层信号传递流的变化(1~3)

  1颗粒细胞将信号传递给浦肯野细胞

  2。误差信号进行反馈

  3。抑制输入

  这被认为是人能够做出流畅动作的机制。浦肯野细胞(绿色)会从脑干下橄榄核伸展出的攀缘纤维(橙色)接收表示预测与实际动作间差距的误差信号。来自攀缘纤维的输入会抑制来自颗粒细胞平行纤维(紫色)的输入,去除其信号从而抑制多余的动作。

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