出品：科普中國(guó)

制作：王飛（中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

雖然東京奧運(yùn)會(huì)已經(jīng)閉幕，但全球頂級(jí)運(yùn)動(dòng)員們展現(xiàn)出的力量之美、運(yùn)動(dòng)之美，依然縈繞在我們的腦海中。特別是運(yùn)動(dòng)員們超快的反應(yīng)速度，更是給大家留下了深刻的印象。

蘇炳添在東京奧運(yùn)會(huì)上的矯健身姿（圖片來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)）

比如，在東京奧運(yùn)田徑男子100米半決賽中，中國(guó)短跑名將蘇炳添以9秒83的成績(jī)打破亞洲紀(jì)錄，他當(dāng)時(shí)的起跑反應(yīng)時(shí)間僅為0.124秒。頂級(jí)運(yùn)動(dòng)員們，是如何實(shí)現(xiàn)“快速反應(yīng)”的呢？這離不開(kāi)頂級(jí)的身體和大腦的協(xié)同合作。

如何快速反應(yīng)？多感覺(jué)整合

對(duì)于田徑項(xiàng)目專(zhuān)業(yè)選手而言，快速響應(yīng)開(kāi)始信號(hào)的能力非常重要。

在專(zhuān)業(yè)比賽中，起跑時(shí)反應(yīng)慢了0.1秒，都會(huì)造成成績(jī)的差距。那運(yùn)動(dòng)員的大腦是如何快速反應(yīng)的呢？

田徑賽場(chǎng)上，各國(guó)運(yùn)動(dòng)員各就各位，等待發(fā)令槍響。隨著一聲槍響，一股白煙冒出，緊張激烈的比賽由此開(kāi)始。我們都知道，光速比聲速快，所以會(huì)想當(dāng)然地認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)員只要看白煙就行了，其實(shí)不然。

奧運(yùn)會(huì)用的發(fā)令槍和起跑線(xiàn)旁的擴(kuò)音器(圖片來(lái)源：作者繪制)

奧運(yùn)會(huì)采用的發(fā)令槍槍響后，會(huì)同時(shí)發(fā)生三件事情：

1.起跑線(xiàn)旁的擴(kuò)音器播放聲音，確保運(yùn)動(dòng)員聽(tīng)到起跑令；

2.發(fā)令槍發(fā)出閃光，讓運(yùn)動(dòng)員們看到開(kāi)始的信號(hào)；

3.發(fā)令槍通過(guò)后面的線(xiàn)纜向計(jì)時(shí)裝置發(fā)送起跑脈沖。

運(yùn)動(dòng)員起跑 （圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

正是因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)，參賽選手不僅要對(duì)起跑的聲音有反應(yīng)，還要時(shí)刻關(guān)注發(fā)令槍產(chǎn)生的白煙。

起跑線(xiàn)旁擴(kuò)音器播放的聲音會(huì)傳遞聽(tīng)覺(jué)刺激，在同一時(shí)間，閃光會(huì)傳遞視覺(jué)刺激，大腦則對(duì)這兩個(gè)信號(hào)加以整合，迅速做出反應(yīng)。

聽(tīng)覺(jué)與視覺(jué)刺激在時(shí)間和空間上的疊加，造成了1+1>2的效果，這就是運(yùn)動(dòng)員大腦反應(yīng)快的奧秘了。

在腦科學(xué)中，大腦會(huì)整合多種感覺(jué)信號(hào)的輸入，最終得到更為精準(zhǔn)、快速的反應(yīng)，這種效應(yīng)叫做多感覺(jué)整合。研究表明，多感覺(jué)整合存在于上丘腦、高級(jí)聯(lián)合皮層等多個(gè)腦區(qū)。多種感覺(jué)通道的相互作用，不僅是單感覺(jué)功能區(qū)到多感覺(jué)功能區(qū)的前饋聯(lián)結(jié)，還存在多感覺(jué)功能區(qū)對(duì)單感覺(jué)功能區(qū)的反饋聯(lián)結(jié)。

而運(yùn)動(dòng)員就是在日復(fù)一日的訓(xùn)練中，使得這些腦區(qū)的功能得到加強(qiáng)，進(jìn)而擁有了一顆更為發(fā)達(dá)的感覺(jué)大腦。

雷聲和閃電通過(guò)多感覺(jué)整合進(jìn)入人腦（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

其實(shí)，多感覺(jué)整合在日常生活中很常見(jiàn)。比如，我們先看見(jiàn)閃電再聽(tīng)到雷聲，會(huì)感覺(jué)雷聲很響亮，但如果我們閉上眼睛，只聽(tīng)雷聲，就會(huì)感覺(jué)雷聲沒(méi)那么響亮了。

還有一項(xiàng)交通規(guī)則也和多感覺(jué)整合有關(guān)，那就是開(kāi)車(chē)時(shí)不讓接打手機(jī)。因?yàn)?，本?lái)視覺(jué)系統(tǒng)和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)在默契地合作，以便對(duì)道路和汽車(chē)的變化做出及時(shí)的反應(yīng)。而一旦你接打手機(jī)了，不僅道路判斷的聽(tīng)覺(jué)信號(hào)輸入會(huì)大打折扣，過(guò)度的分心甚至?xí)绊懩阋曈X(jué)的判斷。

有研究稱(chēng)，開(kāi)車(chē)接打手機(jī)會(huì)導(dǎo)致對(duì)突發(fā)事件反應(yīng)延時(shí)長(zhǎng)達(dá)0.5秒，這就是多感覺(jué)輸入之間的相互干擾造成的。

注意力決定成敗

除了多感覺(jué)整合，良好的注意力也極為重要。

相信很多人會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的搶跑行為印象深刻，部分搶跑者還會(huì)因?yàn)榉敢?guī)被剝奪比賽資格。

搶跑，是指運(yùn)動(dòng)員在發(fā)令槍響前，或聽(tīng)到槍響后到做出起跑反應(yīng)小于0.1秒的情況。

那為什么有的運(yùn)動(dòng)員還沒(méi)等發(fā)令槍開(kāi)始，就起跑了？

其實(shí)，這可能不是他有意要違反規(guī)則，而是在緊張的情況下，注意力極度提升，將外界一點(diǎn)風(fēng)吹草動(dòng)誤判為開(kāi)跑的信號(hào)所致。

所以，除了日常的體能訓(xùn)練外，注意力的訓(xùn)練對(duì)運(yùn)動(dòng)員也極其重要。他們需要適應(yīng)嘈雜環(huán)境，以及大賽中高度緊張的情況，去集中注意力，準(zhǔn)確判別開(kāi)始信號(hào)。

而射擊運(yùn)動(dòng)員則更需要在整個(gè)參賽過(guò)程中，時(shí)刻保持集中注意力，所以我們就會(huì)看到楊倩等奧運(yùn)冠軍在賽場(chǎng)上非常冷靜的表情了。

楊倩在東京奧運(yùn)會(huì)女子10米氣步槍決賽賽場(chǎng)上（圖片來(lái)源：央視截圖）

“注意力”在大腦中是由三個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的：警覺(jué)網(wǎng)絡(luò)，定向網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。

有研究表明，注意力的定向網(wǎng)絡(luò)由大腦內(nèi)側(cè)額頂葉的腦區(qū)負(fù)責(zé)。集中注意力時(shí)，額葉腦區(qū)先興奮，之后頂葉的腦區(qū)也參與其中，導(dǎo)致了對(duì)視覺(jué)輸入信號(hào)的加強(qiáng)。而運(yùn)動(dòng)員要想取得好成績(jī)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就要鍛煉得很發(fā)達(dá)。

集中注意時(shí)活動(dòng)的腦區(qū)和隨時(shí)間變化情況（圖片來(lái)源：作者繪制）

注意力太重要了，如果心不在焉，無(wú)論是考場(chǎng)上，還是跑道上，都會(huì)表現(xiàn)不佳。

俄羅斯教育家烏申斯基曾指出:“注意力，是我們心靈的惟一門(mén)戶(hù)，意識(shí)中的一切，必然都要經(jīng)過(guò)它才能進(jìn)來(lái)?！弊⒁饬Q定了我們對(duì)感覺(jué)輸入的取舍，也決定了我們是否要采取行動(dòng)，因此，注意力往往決定了事情的成敗。

比專(zhuān)注更牛的技能——預(yù)測(cè)

當(dāng)然，要想達(dá)到更快的反應(yīng)，運(yùn)動(dòng)大神們有更為絕密的技巧，那就是預(yù)測(cè)。

其實(shí)，預(yù)測(cè)是大腦完成的一件非常復(fù)雜的任務(wù)。足球場(chǎng)上，別看守門(mén)員不能在場(chǎng)內(nèi)叱咤風(fēng)云，其實(shí)在緊要關(guān)頭，守門(mén)員至關(guān)重要。點(diǎn)球大戰(zhàn)時(shí)，守門(mén)員的表現(xiàn)，極大程度決定了整場(chǎng)比賽的輸贏。而一個(gè)好的守門(mén)員，往往在射手開(kāi)球之前，就能夠?qū)η虻姆较蜃龀鲱A(yù)判。

守門(mén)員需提前預(yù)測(cè)球的方向（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

點(diǎn)球時(shí)，球距離球門(mén)的距離很短，而專(zhuān)業(yè)射手踢出的球速度又極快，已經(jīng)大大超出常人的反應(yīng)速度。這時(shí)候，不僅需要守門(mén)員眼觀六路，定神凝氣，更重要的就是憑借自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)射手的動(dòng)作進(jìn)行預(yù)測(cè)。

所以，有經(jīng)驗(yàn)的守門(mén)員往往是通過(guò)對(duì)射手跑動(dòng)時(shí)的動(dòng)作提前判斷球的走向，而沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)或者判斷失誤的守門(mén)員，會(huì)向著球相反的方向撲過(guò)去。這不一定是反應(yīng)不及時(shí)，而是他們大腦中的預(yù)測(cè)出現(xiàn)了錯(cuò)誤。

在動(dòng)物界里，“預(yù)測(cè)”能力對(duì)生存至關(guān)重要。例如，蜥蜴要提前知道飛行的蟲(chóng)子的軌跡，以便快速伸出舌頭吃到美味佳肴。這就好比奧運(yùn)會(huì)上飛碟射擊項(xiàng)目，運(yùn)動(dòng)員要朝著飛碟運(yùn)動(dòng)的未來(lái)軌跡射擊才有可能擊中。

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

科學(xué)家們對(duì)大腦如何對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的預(yù)測(cè)進(jìn)行了深入的研究。貝葉斯理論就是一種基于前期經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)模型，它不僅充分利用先驗(yàn)信息，而且將預(yù)測(cè)模型與普通回歸模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，最后做出更優(yōu)的結(jié)論。

例如，飛碟射擊運(yùn)動(dòng)員會(huì)根據(jù)飛碟發(fā)出的方向，預(yù)測(cè)之后的飛行軌跡。當(dāng)射出的子彈沒(méi)有打中飛碟時(shí)，他就會(huì)調(diào)整自己的預(yù)測(cè)期望，得到一個(gè)新的預(yù)測(cè)軌跡。這樣，經(jīng)過(guò)數(shù)百次甚至上千次的訓(xùn)練后，在他的大腦中就會(huì)有一幅清晰的飛碟飛行的軌跡了。

由此看來(lái)，體育競(jìng)技需要大腦與身體的充分配合。大家在生活中也不妨多多運(yùn)動(dòng)，在體育活動(dòng)中強(qiáng)健自己的體魄和大腦。

參考文獻(xiàn):

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

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