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    花樣滑冰一場比賽旋轉上百圈,羽生結弦們為何轉不暈?

    來源:北大醫療腦健康官網     
    2022年03月01日
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      在北京冬奧會花樣滑冰男單自由滑決賽中,美籍華裔選手陳巍完成了5個四周跳,并以總分 218.63 分的成績獲得冠軍。

      花樣滑冰,集藝術美感和體育動感于一身,又被稱作“冰上芭蕾”。

      在重大花滑比賽中,要取得好的名次,高品質的旋轉和跳躍動作很重要。根據此前的統計,在時長4分半的比賽中,花滑運動員們平均要轉近百圈。

      不過,作為普通觀眾,我好奇的是:在冰面上開啟超級陀螺模式轉轉轉的時候……花樣滑冰選手們是怎么做到不頭暈的?

      前庭系統反應是關鍵

      花滑選手要優雅、連貫地完成滑行、起跳、旋轉和落地等一系列動作,背后涉及復雜的生物力學、平衡控制和多個感覺運動系統的協調。

      其中,要在完成各項動作時的同時保持精妙的平衡,這需要內耳的前庭系統(Vestibular system)參與。

      前庭系統是負責人體自身平衡感和空間感的感知系統,也是保證人在復雜運動中維持協調與平衡能力的重要結構基礎。從解剖結果看,它由內耳中三個大致相互垂直的半圓管和耳石器官組成,可以分別感受旋轉和直線運動引發的相關刺激信號,進而觸發人的前庭-眼動反射(vestibulo-ocular reflex,以下簡稱“ VOR”),進而保證人們運動時眼中景象保持相對穩定。

      比如,人在看東西時,VOR會發揮“自動防抖”作用,利用內耳中的感受器分辨運動方向和幅度,并把這些信息傳遞給眼睛周圍的肌肉,讓眼球與頭部運動方向相反,抵消運動帶來的晃動。

    頭向一側轉動時,眼睛自動轉向另一側

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      那些需要整合多種復雜動作的體育運動,比如花樣滑冰、芭蕾,都會強烈刺激前庭系統。那研究者要如何評估與量化這些刺激呢?總不能讓運動員比賽時,綁著各種檢測設備去滑冰和跳躍吧

      ……

      沒關系,可以在實驗環境中來模擬。具體來說,就是被試對象坐在一個有著特殊旋轉功能的椅子上,同時戴上眼球運動捕捉裝置。

      在黑暗環境中,椅子的突然旋轉會誘發眼球震顫。通過量化椅子的旋轉速度、眼球運動速度等參數,可以間接評估VOR的反應性。

      在多個評估指標中,最常用也最重要的當屬VOR增益,也就是眼球轉動速度和頭部旋轉速度的比值。比如,在有固定點的光線下進行測試時,VOR增益應接近于1,也就是說,在響應頭部旋轉時產生的相等和相反的眼球旋轉,有利于穩定注視。

      一般來說,VOR增益越低,意味著前庭反應越不“靈敏”,換句話說,在同樣的旋轉刺激下,花滑選手的眼球轉動幅度更小,也更不容易發生頭暈。

      各種旋轉時不頭暈,可能在于前庭系統“變遲鈍”……

      在模擬實驗過程中,恰到好處地利用這個高科技的椅子評估VOR的功能,如何設置旋轉的參數,也大有學問。

    大有學問

      旋轉椅子示意圖,垂直旋轉(左)和傾斜后旋轉(右丨參考文獻[8]

      首先,椅子的不同放置方式,可刺激不同的平衡感受器。比如,椅子垂直放置時,旋轉可刺激被試的半圓管;而先把椅子適度傾斜,然后再旋轉,可以刺激耳石器。

      另外,椅子的旋轉速度設置也非常巧妙,只有設置不同的旋轉速度和旋轉加速度,才能全方位評估VOR。

      最常見的旋轉有兩種方式,正弦旋轉和梯形旋轉:正弦旋轉,就是先圍繞一個方向先加速、后減速,再圍繞反方向先加速后減速,根據旋轉時間和旋轉角速度的繪制圖形,類似正弦波動曲線;同樣,梯形旋轉,則是先加速到既定速度,然后維持勻速旋轉,這樣得出的數據圖形類似梯形。

    類似梯形

      在正弦旋轉實驗和梯形旋轉實驗中,花滑選手VOR增益更低丨參考文獻[8]

      2008年,法國卡昂大學的研究人員,邀請了11名花滑選手和11名對照者,在正弦旋轉實驗和梯形旋轉實驗中,分別比較了兩組間VOR增益的差異。

      結果發現,和對照組相比,花滑選手組的VOR增益均明顯降低,也就是說,在同樣的旋轉刺激下,與那些有運動習慣、但不涉及強烈前庭刺激的對照者相比,花滑選手們的眼球轉動幅度更小,也更不容易發生頭暈。

      之后,研究者將椅子適度傾斜后,再旋轉,可強烈刺激耳石器而誘發頭暈。在這個“頭暈”刺激實驗中,花滑選手的頭暈評分也明顯低于對照組。

      這些結果表明,長時間的花滑訓練,讓前庭系統逐漸習慣了頭部的空間變化刺激(habituation),因此VOR對這些刺激變得“遲鈍”,就更不容易頭暈,進而順利實現高水平的姿勢和平衡控制。

      不頭暈,訓練技巧也重要

      花滑選手在研究中展示出的前庭功能可塑性,也適用于其他特殊的工作人群,比如航天員、海軍,芭蕾舞演員。

      比如法國太空醫學研究所的科研人員曾對航天員進行為期10次專業而系統的訓練,即主要通過特制的椅子旋轉來刺激前庭系統。結果發現,和訓練前相比,這些航天員的眼球震顫幅度減少、VOR反應降低,也更不容易頭暈。

      要做到完成精妙的動作時不頭暈,除了訓練的數量,一些特別的技巧也很重要。

      通常,最容易發生頭暈的環節,出現在突然轉動或突然停止時。所以,花滑選手通常會逐步加速或逐步減速,避免頭部位置的瞬間、急劇變化。

      此外,當眼睛看到的事物和前庭系統的信息相互沖突時,容易誘發暈動現象。但大腦有強大的可塑性,前庭與知覺認知之間會相互影響。

      所以,在訓練中,花滑選手頭部旋轉時,會刻意訓練自己盯著一個固定點、或想象正前方有個固定視覺靶點,使頭和眼的配程度得到調節,降低VOR反應性,并藉此來減緩頭暈。

      “庖丁解牛,久練而技近乎道。”頂尖花滑選手們固然都有著不錯的天資,但他們長期的訓練和技巧打磨,也可以幫助克服“轉圈容易頭暈”這一基礎條件性反射,換句話說,轉著轉著……就習慣了。

      怎么樣,多轉+盯著固定點轉,一些花滑訓練的小技巧,您學會了嗎?

      參考文獻

      [1]Pfeiffer C, Serino A, Blanke O. The vestibular system: a spatial reference for bodily self-consciousness. Front Integr Neurosci. 2014;8. doi:10.3389/fnint.2014.00031

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      [4]Shiozaki T, Ito T, Wada Y, Yamanaka T, Kitahara T. Effects of Vestibular Rehabilitation on Physical Activity and Subjective Dizziness in Patients With Chronic Peripheral Vestibular Disorders: A Six-Month Randomized Trial. Front Neurol. 2021;12:656157. doi:10.3389/fneur.2021.656157

      [5]Clément G, Deguine O, Parant M, Costes-Salon MC, Vasseur-Clausen P, Pavy-LeTraon A. Effects of cosmonaut vestibular training on vestibular function prior to spaceflight. Eur J Appl Physiol. 2001;85(6):539-545. doi:10.1007/s004210100494

      [6]Tanguy SG, Quarck GM, Etard OM, Gauthier AF, Denise P. Are otolithic inputs interpreted better in figure skaters? Neuroreport. 2008;19(5):565-568. doi:10.1097/WNR.0b013e3282f9427e

      [7]Tanguy S, Quarck G, Etard O, Gauthier A, Denise P. Vestibulo-ocular reflex and motion sickness in figure skaters. Eur J Appl Physiol. 2008;104(6):1031-1037. doi:10.1007/s00421-008-0859-7

      [8]Brey RH, McPherson JH, Lynch RM (2008b) Technique, interpretation, and usefulness of whole body rotational testing. In: Jacobson GP, Shepard NT (eds) Balance function assessment and management. Plural, San Diego, pp 281–317

      rey RH, McPherson JH, Lynch RM (2008b) Technique, interpretation, and usefulness of whole body rotational testing. In: Jacobson GP, Shepard NT (eds) Balance function

      assessment and management. Plural, San Diego, pp 281–317

      作者:蔡夢飛

      編輯:麥芽楊

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