脑岛:奥运冠军的大脑不简单!

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所有的运动精英都刻苦训练,技术精湛,在比赛中反应敏锐。但金牌得主与同样刻苦的第十名的区别在哪里?《科学美国人》文章介绍,或许大脑深层一个微小的结构使赢家更胜一筹。

近期的研究表明,脑岛皮层可以使短跑选手比他的对手们跑得更有效率一点。该区域还可以使拳击手做好准备,更好地躲开对手将要打来的一拳;可以帮助跳水运动员计算其旋体位置,从而在碰到水面时几乎不击起水花。这一通常被称作脑岛(insula)的结构,可以帮助神枪手一边用手指扣动扳机,同时敏锐地瞄准靶心;也可以帮助篮球运动员在自由投球线上集中注意力,忽略篮板后面的粉丝们的尖叫声和挥舞的臂膀。

根据一项新理论,脑岛通过预测运动员将来的感觉来发挥这些作用。加州大学圣地亚哥分校的一个研究组织OptiBrain 中心(Center)和海军健康研究中心(Naval Health Research Center)的研究人员认为运动员拥有高度协调的脑岛,它可以极其精确地预测身体在下一刻的感觉。对未来身体状况的这一预测模式指挥大脑的其他区域作出反应,而且这些反应比其他选手和长期坐在电视前的人更能满足将来的要求。

图片来源 Netter's neuroanatomy

图片来源 Netter’s neuroanatomy

这种清晰的意识使奥运会选手机智地激活他们的肌肉,比普通人游得更快、跑得更远、跳得更高。在2012年已发表的论文所涉及的实验中,运动精英的大脑扫描似乎在脑岛的运转方面与普通被试的差异最明显。如今不断涌现的证据也表明这一大脑区域可以通过正念冥想法加以训练——这对奥运会选手和周末运动的人等是一个好消息。

巅峰表现

受到呐喊助威的粉丝们、现场解说和名利陷阱的限制,职业运动沦为一个简单的概念:令人着迷的运动员是达到特定运动目标的专家。他们游刃有余地完成了体育壮举,不多浪费一滴汗水。

这样的表现完全是大脑运转的结果。比如,运动皮层和记忆系统将多年的训练进行编码。在加速神经元联系的保护鞘外层里,聚集着产生电反射的神经纤维。从运动的角度理解大脑是OptiBrain中心的精神病学家马丁•普拉斯(Martin Pualus)及其同事的目标。他们认为脑岛可能是在融合高级认知与一些身体状态的中枢,保证肌肉和骨骼在投掷标枪和跳高旋转落地中适当运行,“我们痴迷的是当人们得到预示坏事将要发生的线索时会作何反应。”普拉斯说。“表现更佳的人能够利用预测线索调整自己,恢复均衡状态。”

脑岛只比金橘稍大,是大脑皮层的一部分。大脑皮层是大脑外层厚厚的灰质褶皱。脑岛多褶皱,位于皮层的内里,好像一把小小的日式扇子整齐地嵌入大脑内。脑岛常被看作是内感受或者身体内部状态感觉的所在。

脑岛之所以产生内感受是因为它维护全身器官和组织的联络。比如,脑岛中一些神经元对肠内的隆隆声起反应,而其他神经元则会因牙疼而兴奋。为了管理身体各部分汇入的信息,脑岛与对决策起关键作用的前扣带皮层密切合作,评估并区分出主次信息。一个多世纪以来,人们提出假设,认为这种对身体信号的未经加工的表征是情绪的起源。 脑岛对所有的事情都起关键作用的看法乍看之下似乎毫无意义。它与决策、预测、守时、唱歌、上瘾、说话甚至意识等各种大脑功能都有关系。在2011年的一项研究中,脑岛和前扣带皮层在脑成像实验中是最常被激活的区域,所以就更难分辨二者的主要功能。

然而,脑岛对运动才能具有关键作用的事实是十多年来被慢慢证实的。Barrow神经研究所的神经解剖专家克莱格(A. D. Craig)于20世纪90年代后期绘制了痛觉和温度觉经由脊索传递到大脑的路线图。他发现这些路线都到达脑岛,于是他提出了一个假设:大脑的一个主要功能就是帮助身体保持平衡或均衡状态。比如说,身体内部的温度通常保持在一个小范围内,当脑岛觉察到大的波动,就会促使我们喝凉水、躲在荫凉下或停止活动以使体温恢复到令人舒适的区间。而且,当老鼠的脑岛被科学家损伤后,他们监管身体的能力就受到损害。

运动扰乱了身体内部的状态。克莱格说:“我们做任何事情都要计算会损耗多少能量,脑岛似乎就是负责这个的”。通过预测某些行为将如何影响身体,大脑会促使我们采取行动,在大的波动发生之前将其平息。

2004年一项极具说服力的研究清晰地表明内感受能力的差别有对应的解剖学差异。英格兰苏塞克斯大学的雨果•克里奇莱(Hugo Critchley)要求被试在不测脉搏的情况下估算他们的心跳。估算最精确的人其脑岛更活跃,有更多的灰质。最后一点很关键,因为它表明脑岛的实际大小与内感受能力直接相关。这种神经映射与职业小提琴手的情况相似,职业小提琴手的手指在大脑运动皮层中的映射区域大于业余拉小提琴的。

OptiBrain 中心的研究人员提出假设,他们认为运动员需要密切关注心跳等感觉,要能够分辨出重要的感觉,忽略无关紧要的感觉。“大多数NBA球员都是运动精英。但其中一些人更是出类拔萃。这并不是说科比•布莱恩特(Kobe Bryant)或德里克•罗斯(Derrick Rose)有更多的能量,而是说他们选择在决定成败的关键动作中消耗能量。”圣地亚哥医疗保健系统老运动员事务所的临床心理学家埃兰•西蒙斯(Alan Simmons)如是说。

未雨绸缪

为了检验身体状况很棒的人是否具有超凡的内感受能力,并研究这一超凡能力是如何表现的,普拉斯和西蒙斯最近召集了一群运动精英,让他们在仪器限制其呼吸的情况下躺在扫描仪下,参加认知测验。众所周知,呼吸急促是一种不愉快的感觉,它能极大地刺激脑岛。

普勒斯和西蒙斯测试了10名世界顶级冒险比赛项目的选手,其中有男有女,他们从事的是野外挑战赛,如登山、游泳、长跑和划艇等。他们让这10名选手和另外11名健康的控制组被试戴上鼻夹,躺在扫描仪下,通过一个管子呼吸。在通过核磁共振成像仪时,要求被试注意屏幕上的左右箭头,然后按下指示箭头方向的键钮。研究人员还偶尔调整气流使被试的呼吸明显变得更加困难。屏幕颜色的改变提示被试呼吸将变得更加吃力。不过,屏幕颜色的改变并不总能准确地预测呼吸难度。

在实验的各个阶段,脑岛都处于不同程度的激活状态。在不受干扰的情况下,即屏幕颜色不改变,被试不需要用力吸气时,健康的控制组被试在整个研究的箭头测验中,与冒险比赛选手表现的一样好。但当需要预测或经历呼吸障碍时,冒险比赛选手成绩更好。实际上,扰乱他们的内感受体验提高了他们的成绩。另外,选手们在预测呼吸障碍时更多的大脑区域被激活,而在经历呼吸障碍时则不然。这似乎说明选手们的大脑更好地利用了线索,并做好准备,从而获得了认知优势。当挑战来临,即呼吸更吃力时,他们的脑岛相对比较平静。

普拉斯团队另一项发表于2012年的研究支持了这一发现。该团队试图研究运动精英的认知灵活度。这一技能,即在对立的要求之间轻松转换,是智力的重要标志。但是,在紧张的情景下,认知敏锐能力会直线下降。海豹特遣队(Navy SEALs)和游骑兵(Army Rangers)的实验表明,对抗会对反应时间、警惕性、学习能力、记忆和推理能力造成损伤。而对奥运会选手而言,在战火中保持优雅也是他们的一大目标。

海豹特遣队(Navy SEALs)图片来源:www.sealswcc.com

海豹特遣队(Navy SEALs)图片来源:www.sealswcc.com

为了观察认知灵活度是如何表现的,西蒙斯要求10名海豹特遣队队员和11名健康的男性平民在大脑扫描仪下完成一项简单的任务。海豹特遣队具有很棒的运动能力,他们受过训练,能够应对身体上、精神上和情绪上的巨大压力。这项任务要求被试观察屏幕上的绿色或红色图形,之后会出现一张极具情绪色彩的图片。当被试看到圆形时按下一个键钮,看到正方形时按下另一个键钮。绿色图形预示着即将出现一张情绪积极的图片(如儿童玩耍),红色图形暗示接下来是下一张情绪消极的图片(如战争)。要测验的是被试识别图形的速度和准确率。

与健康的平民相比,当图形颜色红绿交替变化时,精英士兵有更多的血液流过脑岛和其他几个大脑区域。简而言之,他们更能意识到接下来图片从积极到消极或相反的转换,并调动相应的大脑结构调节情绪和内感受反应。他们能更迅速地做好准备,应对身体内部的变化,从而为大脑赢得时间缓和反应。

综合来看,这些研究表明极具运动才能的人在预测内感受的变化时,无论是情绪变化还是生理变化,其脑岛都更为活跃。

“大脑里有一个区域可以预测反应并使你的身体做好准备应对这一反应,我觉得这的确是意义重大。”德克萨斯大学西南医学中心的生理学家强•威廉姆孙(Jon Williamson)说道,“若一个正在爬山的运动员可以预测流向肌肉的血量,他就可以表现得更好。”

要把所有顶级运动员拉进脑成像试验室并非易事,所以目前的研究都是小规模的,仍需要大规模的实验来验证这些发现。尽管如此,这些研究结果支持了以前的发现,证实了脑岛在预测未来中发挥了作用,不管是预测拳击手拳头的疼痛,还是考虑是否购买一件超出自己支付能力的东西。

西蒙斯认为这些证据表明:脑岛并不为当前服务,而是为未来服务。“我们对来自生理、认知和环境中的信息作出反应,”他说。“当我们把这些信息整合在一起时,它就已经成为过去。”预测未来的能力也会适得其反,造成一些失调现象,如神经性厌食症。神经性厌食症是滞后的身体意识与认为现在的食量会改变未来身体形象的想法综合作用的结果。“期望成了绊脚石,”西蒙斯说。饮食障碍和创伤后应激障碍患者的脑扫描图的确显示出他们的脑岛活动与健康被试的脑岛活动有差异,说明这一区域受到了损伤。

德国运动员 Jana Berezko-Marggrander 在2012年伦敦奥运会上表演带操。图片来源:london2012.com

德国运动员 Jana Berezko-Marggrander 在2012年伦敦奥运会上表演带操。图片来源:london2012.com

训练你的内感受能力

胸怀抱负的运动员或受脑岛障碍困扰的人没有理由不希望内感受能力是可以训练的。正念冥想法鼓励人们协调当下的想法、情绪和身体感受。这一源于佛教的训练的目标是提高对感觉的意识并缓和对感觉的反应。OptiBrain中心的研究人员已经初步收集了一些数据,只不过暂未发表。这些数据表明接受正念训练的健康被试和士兵在压力情景下的认知成绩——就像呼吸障碍任务中测验的认知成绩——有所提高,并且在应对挑战时情绪反应更少,而且脑岛活跃程度也相应变化。

对运动员的小规模研究也显示出该训练的好处。比如,研究表明当下意识提高了篮球运动员在罚球线上的成功率。意大利基耶蒂大学(University of Chieti)的运动心理学家克劳迪奥•罗巴扎(Claudio Robazza)亲眼目睹了正念训练和其他相似的方法如何挑选出成功的运动员。他已在意大利奥林匹克射击队供职6年,射击是一项极耗脑力的运动,对在高强度压力下仍能瞄准靶子的人最有利。“情绪状态能够反应身体变化,心跳加快,肌肉紧张加强,呼吸急促,所有这些都会导致成绩变化并影响最终结果,”罗巴扎说,“运动员当然就需要意识到他们的反应。”

成千上万的人从体育馆观众席俯瞰,成万上亿的人在电视机前观看,奥运会选手很有可能窒息。当下的压力会引起许多生理反应,干扰最训练有素的运动员的表现。在脑岛的帮助下,清楚地意识到自己的身体状况可以使冠军警觉到肌肉紧张或呼吸短促,不给它们破坏自己表现的机会。作为身体与大脑的联络区,脑岛是运动精英腾飞的跳板。

来源 Scientific American – A Single Brain Structure May Give Winners That Extra Physical Edge

作者:Sandra Upson

 

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