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https://www.med.cuhk.edu.hk/press-releases/a-joint-study-by-cuhk-polyu-and-western-sydney-university-discovers-how-the-nervous-system-of-human-runners-generates-more-energetically-efficient-running-forms
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中大联同理大及西悉尼大学研究发现人体神经系统产生更高效能跑步方法的机制

跑步是与生俱来的技能,大多数人毋须多加思考便懂得奔跑。有些人或会定期跑步锻炼身体,甚至会认真地接受专业训练,以完成马拉松赛事。看起来简单的跑步动作,其实隐藏复杂的生物力学机制,通过协调控制大脑和脊髓内复杂的神经网络来完成。

 

来自香港中文大学(中大)医学院生物医学学院及蔡永业脑神经科学中心、香港理工大学(理大),以及澳洲西悉尼大学的科研人员,最近发现人体神经系统配备了一种机制,可以根据身体状态和以往的跑步经验,灵活地调节身体的运动指令,继而作出不同的跑步方式。相关发现刚於《自然通讯》(Nature Communications)上发表。研究人员期望藉此制定训练策略,设计出有较高效能的跑步方法。

 

Prof Vincent Cheung & research team

来自中大、理大,以及澳洲西悉尼大学的科研人员,最近发现人体神经系统配备了一种机制,可以根据身体状态和以往的跑步经验,灵活地调节身体的运动指令,继而作出不同的跑步方式。相关发现刚於《自然通讯》(Nature Communications)上发表。右起:中大医学院生物医学学院助理教授张智钧教授、中大医学院内外全科医学士毕业生张文斐医生,以及理大康复治疗科学系儿童物理治疗师及助理教授陈昭萦博士。

 

透过机器学习(Machine Learning)揭示人类跑步的神经运动基础

 

为了研究神经系统如何控制不同年龄和训练阶段人士的跑步情况,研究团队招募了多组健康的志愿参加者,包括学龄前儿童、疏於运动的成年人、训练中的成年跑手,以至经验丰富的精英马拉松运动员。参加者在平地或跑步机上跑步时,他们多组肌肉的电流活动及身体向地面施加的力量都会被记录。收集数据后,研究团队使用一种复杂的机器学习演算法,於数据库中找出会同步变得活跃的多组肌肉,亦即是「肌肉协同」。

 

研究文章的主要作者、中大医学院生物医学学院助理教授张智钧教授表示:「由於肌肉活动源自大脑和脊髓,『肌肉协同』可作为一个切入点,让我们瞥见人类神经系统如何操控运动。『肌肉协同』被认为是神经运动的基础,其功能就如英文字母,可以被神经系统灵活地重组,从而引起不同动作。我们的目标是分析这些协同模式如何随著不同的年龄群组和培训模式而产生变化。」

 

「肌肉协同」会随着儿童成长逐渐分解和重组

 

是次研究的共同作者、理大康复治疗科学系儿童物理治疗师及助理教授陈昭萦博士,进一步解释这项研究发现对儿童的重要性。她指出,儿童的体格结构与成人大为不同,例如他们的肌肉较弱,姿势平衡的发展亦未够成熟。「我们发现,一些学龄前儿童发育期间,他们原有的『肌肉协同』会分解,并逐渐重组成需要较少肌肉的新一套『肌肉协同』。」

陈博士补充:「从生物力学的角度来看,学龄前儿童拥有的『肌肉协同』绝对适合他们未完全发育的体格。」

 

马拉松运动员学习崭新的「肌肉协同」以跑得更好

 

除了发育,成年跑手亦可以透过训练造成「肌肉协同」的重组。研究团队发现,数月至数年的训练或会令未受训前的一些特定「肌肉协同」合并为包含更多肌肉的组合。值得注意的是,在成年人中,特定的协同合并模式与跑步效能的增强或减弱,有着密切关连。

 

Prof Roy Cheung

张子熙教

 

研究文章的共同主要作者、西悉尼大学健康科学学院教授张子熙教补充:「我们注意到一些资深跑手表现失准,实际上是因为他们用了会降低效能的合并模式来跑。我们的分析结果,或许揭示了这些跑手在训练时不经意地组合了这些效能较低的肌肉模式。他们倘若要成为表现更好的精英跑手,便要学会抑制这些模式。」张教授参与是次研究时,为理大康复治疗科学系的副教授。

 

曾以中大内外全科医学士课程医科生身分成为研究文章共同第一作者、并与团队一同收集及分析绝大部分数据的张文斐医生亦指出:「研究人员日后可利用这次研究的发现,设计跑步训练计划或设备,帮助跑手更容易掌握具高效能的肌肉合并模式,从而帮助他们更轻松地长时间跑步。假如你正在为下一次马拉松赛事进行训练,那么你不仅在训练心血管的健康,其实也在训练你的大脑。」

是次发表的研究分别由中大医学院Faculty Innovation Award及香港研究资助局支持。研究其余参与者包括理大的章瀚文博士及陈柔姗小姐,以及中大的夏翠蔚博士。研究全文可参阅:https://www.nature.com/articles/s41467-020-18210-4

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