奥运是身体的竞赛，更是头脑的比拼
2021/8/16 17:00:00 中国科普博览
虽然东京奥运会已经闭幕，但全球顶级运动员们展现出的力量之美、运动之美，依然萦绕在我们的脑海中。特别是运动员们超快的反应速度，更是给大家留下了深刻的印象。
苏炳添在东京奥运会上的矫健身姿(图片来源：人民日报)
比如，在东京奥运田径男子100米半决赛中，中国短跑名将苏炳添以9秒83的成绩打破亚洲纪录，他当时的起跑反应时间仅为0.124秒。顶级运动员们，是如何实现“快速反应”的呢？这离不开顶级的身体和大脑的协同合作。
Part.1
如何快速反应？多感觉整合
对于田径项目专业选手而言，快速响应开始信号的能力非常重要。
在专业比赛中，起跑时反应慢了0.1秒，都会造成成绩的差距。那运动员的大脑是如何快速反应的呢？
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，所以会想当然地认为，运动员只要看白烟就行了，其实不然。 
奥运会用的发令枪和起跑线旁的扩音器(图片来源：作者绘制)
奥运会采用的发令枪枪响后，会同时发生三件事情：
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。
运动员起跑 (图片来源：Veer图库)
正是因为这个设计，参赛选手不仅要对起跑的声音有反应，还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会传递听觉刺激，在同一时间，闪光会传递视觉刺激，大脑则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了。
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、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。
雷声和闪电通过多感觉整合进入人脑(图片来源：Veer图库)
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，但如果我们闭上眼睛，只听雷声，就会感觉雷声没那么响亮了。
还有一项交通规则也和多感觉整合有关，那就是开车时不让接打手机。因为，本来视觉系统和听觉系统在默契地合作，以便对道路和汽车的变化做出及时的反应。而一旦你接打手机了，不仅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。
Part.2
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。
相信很多人会对运动员的抢跑行为印象深刻，部分抢跑者还会因为犯规被剥夺比赛资格。
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，这可能不是他有意要违反规则，而是在紧张的情况下，注意力极度提升，将外界一点风吹草动误判为开跑的信号所致。
所以，除了日常的体能训练外，注意力的训练对运动员也极其重要。他们需要适应嘈杂环境，以及大赛中高度紧张的情况，去集中注意力，准确判别开始信号。
而射击运动员则更需要在整个参赛过程中，时刻保持集中注意力，所以我们就会看到杨倩等奥运冠军在赛场上非常冷静的表情了。 
杨倩在东京奥运会女子10米气步枪决赛赛场上(图片来源：央视截图)
“注意力”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，神经网络就要锻炼得很发达。
集中注意时活动的脑区和随时间变化情况(图片来源：作者绘制)
注意力太重要了，如果心不在焉，无论是考场上，还是跑道上，都会表现不佳。
俄罗斯教育家乌申斯基曾指出：“注意力，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。”注意力决定了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。
Part.3
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，那就是预测。
其实，预测是大脑完成的一件非常复杂的任务。足球场上，别看守门员不能在场内叱咤风云，其实在紧要关头，守门员至关重要。点球大战时，守门员的表现，极大程度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，就能够对球的方向做出预判。
守门员需提前预测球的方向(图片来源：Veer图库)
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，已经大大超出常人的反应速度。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。这不一定是反应不及时，而是他们大脑中的预测出现了错误。
在动物界里，“预测”能力对生存至关重要。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美味佳肴。这就好比奥运会上飞碟射击项目，运动员要朝着飞碟运动的未来轨迹射击才有可能击中。 
图片来源：Veer图库
科学家们对大脑如何对运动物体的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，它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，在他的大脑中就会有一幅清晰的飞碟飞行的轨迹了。
由此看来，体育竞技需要大脑与身体的充分配合。大家在生活中也不妨多多运动，在体育活动中强健自己的体魄和大脑。
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
出品：科普中国制作：王飞
作者单位：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(本文中标明来源的图片已获得授权)
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