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花样滑冰一场比赛旋转上百圈,羽生结弦们为何转不晕?

来源:北大医疗脑健康官网     
2022年03月01日
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  在北京冬奥会花样滑冰男单自由滑决赛中,美籍华裔选手陈巍完成了5个四周跳,并以总分 218.63 分的成绩获得冠军。

  花样滑冰,集艺术美感和体育动感于一身,又被称作“冰上芭蕾”。

  在重大花滑比赛中,要取得好的名次,高品质的旋转和跳跃动作很重要。根据此前的统计,在时长4分半的比赛中,花滑运动员们平均要转近百圈。

  不过,作为普通观众,我好奇的是:在冰面上开启超级陀螺模式转转转的时候……花样滑冰选手们是怎么做到不头晕的?

  前庭系统反应是关键

  花滑选手要优雅、连贯地完成滑行、起跳、旋转和落地等一系列动作,背后涉及复杂的生物力学、平衡控制和多个感觉运动系统的协调。

  其中,要在完成各项动作时的同时保持精妙的平衡,这需要内耳的前庭系统(Vestibular system)参与。

  前庭系统是负责人体自身平衡感和空间感的感知系统,也是保证人在复杂运动中维持协调与平衡能力的重要结构基础。从解剖结果看,它由内耳中三个大致相互垂直的半圆管和耳石器官组成,可以分别感受旋转和直线运动引发的相关刺激信号,进而触发人的前庭-眼动反射(vestibulo-ocular reflex,以下简称“ VOR”),进而保证人们运动时眼中景象保持相对稳定。

  比如,人在看东西时,VOR会发挥“自动防抖”作用,利用内耳中的感受器分辨运动方向和幅度,并把这些信息传递给眼睛周围的肌肉,让眼球与头部运动方向相反,抵消运动带来的晃动。

头向一侧转动时,眼睛自动转向另一侧

  头向一侧转动时,眼睛自动转向另一侧 | solvelearningdisabilities.com

  那些需要整合多种复杂动作的体育运动,比如花样滑冰、芭蕾,都会强烈刺激前庭系统。那研究者要如何评估与量化这些刺激呢?总不能让运动员比赛时,绑着各种检测设备去滑冰和跳跃吧

  ……

  没关系,可以在实验环境中来模拟。具体来说,就是被试对象坐在一个有着特殊旋转功能的椅子上,同时戴上眼球运动捕捉装置。

  在黑暗环境中,椅子的突然旋转会诱发眼球震颤。通过量化椅子的旋转速度、眼球运动速度等参数,可以间接评估VOR的反应性。

  在多个评估指标中,最常用也最重要的当属VOR增益,也就是眼球转动速度和头部旋转速度的比值。比如,在有固定点的光线下进行测试时,VOR增益应接近于1,也就是说,在响应头部旋转时产生的相等和相反的眼球旋转,有利于稳定注视。

  一般来说,VOR增益越低,意味着前庭反应越不“灵敏”,换句话说,在同样的旋转刺激下,花滑选手的眼球转动幅度更小,也更不容易发生头晕。

  各种旋转时不头晕,可能在于前庭系统“变迟钝”……

  在模拟实验过程中,恰到好处地利用这个高科技的椅子评估VOR的功能,如何设置旋转的参数,也大有学问。

大有学问

  旋转椅子示意图,垂直旋转(左)和倾斜后旋转(右丨参考文献[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,椅子垂直放置时,旋转可刺激被试的半圆管;而先把椅子适度倾斜,然后再旋转,可以刺激耳石器。

  另外,椅子的旋转速度设置也非常巧妙,只有设置不同的旋转速度和旋转加速度,才能全方位评估VOR。

  最常见的旋转有两种方式,正弦旋转和梯形旋转:正弦旋转,就是先围绕一个方向先加速、后减速,再围绕反方向先加速后减速,根据旋转时间和旋转角速度的绘制图形,类似正弦波动曲线;同样,梯形旋转,则是先加速到既定速度,然后维持匀速旋转,这样得出的数据图形类似梯形。

类似梯形

  在正弦旋转实验和梯形旋转实验中,花滑选手VOR增益更低丨参考文献[8]

  2008年,法国卡昂大学的研究人员,邀请了11名花滑选手和11名对照者,在正弦旋转实验和梯形旋转实验中,分别比较了两组间VOR增益的差异。

  结果发现,和对照组相比,花滑选手组的VOR增益均明显降低,也就是说,在同样的旋转刺激下,与那些有运动习惯、但不涉及强烈前庭刺激的对照者相比,花滑选手们的眼球转动幅度更小,也更不容易发生头晕

  之后,研究者将椅子适度倾斜后,再旋转,可强烈刺激耳石器而诱发头晕。在这个“头晕”刺激实验中,花滑选手的头晕评分也明显低于对照组。

  这些结果表明,长时间的花滑训练,让前庭系统逐渐习惯了头部的空间变化刺激(habituation),因此VOR对这些刺激变得“迟钝”,就更不容易头晕,进而顺利实现高水平的姿势和平衡控制。

  不头晕,训练技巧也重要

  花滑选手在研究中展示出的前庭功能可塑性,也适用于其他特殊的工作人群,比如航天员、海军,芭蕾舞演员。

  比如法国太空医学研究所的科研人员曾对航天员进行为期10次专业而系统的训练,即主要通过特制的椅子旋转来刺激前庭系统。结果发现,和训练前相比,这些航天员的眼球震颤幅度减少、VOR反应降低,也更不容易头晕

  要做到完成精妙的动作时不头晕,除了训练的数量,一些特别的技巧也很重要。

  通常,最容易发生头晕的环节,出现在突然转动或突然停止时。所以,花滑选手通常会逐步加速或逐步减速,避免头部位置的瞬间、急剧变化。

  此外,当眼睛看到的事物和前庭系统的信息相互冲突时,容易诱发晕动现象。但大脑有强大的可塑性,前庭与知觉认知之间会相互影响。

  所以,在训练中,花滑选手头部旋转时,会刻意训练自己盯着一个固定点、或想象正前方有个固定视觉靶点,使头和眼的配程度得到调节,降低VOR反应性,并藉此来减缓头晕。

  “庖丁解牛,久练而技近乎道。”顶尖花滑选手们固然都有着不错的天资,但他们长期的训练和技巧打磨,也可以帮助克服“转圈容易头晕”这一基础条件性反射,换句话说,转着转着……就习惯了。

  怎么样,多转+盯着固定点转,一些花滑训练的小技巧,您学会了吗?

  参考文献

  [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

  [2]Hanes DA, McCollum G. Cognitive-vestibular interactions: A review of patient difficulties and possible mechanisms. :18.

  [3]Day BL, Fitzpatrick RC. The vestibular system. Current Biology. 2005;15(15):R583-R586. doi:10.1016/j.cub.2005.07.053

  [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:蔡梦飞

  编辑:麦芽杨

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