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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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中大聯同理大及西悉尼大學研究發現人體神經系統產生更高效能跑步方法的機制

跑步是與生俱來的技能,大多數人毋須多加思考便懂得奔跑。有些人或會定期跑步鍛鍊身體,甚至會認真地接受專業訓練,以完成馬拉松賽事。看起來簡單的跑步動作,其實隱藏複雜的生物力學機制,通過協調控制大腦和脊髓內複雜的神經網絡來完成。

 

來自香港中文大學(中大)醫學院生物醫學學院及蔡永業腦神經科學中心、香港理工大學(理大),以及澳洲西悉尼大學的科研人員,最近發現人體神經系統配備了一種機制,可以根據身體狀態和以往的跑步經驗,靈活地調節身體的運動指令,繼而作出不同的跑步方式。相關發現剛於《自然通訊》(Nature Communications)上發表。研究人員期望藉此制定訓練策略,設計出有較高效能的跑步方法。

 

Prof Vincent Cheung & research team

來自中大、理大,以及澳洲西悉尼大學的科研人員,最近發現人體神經系統配備了一種機制,可以根據身體狀態和以往的跑步經驗,靈活地調節身體的運動指令,繼而作出不同的跑步方式。相關發現剛於《自然通訊》(Nature Communications)上發表。右起:中大醫學院生物醫學學院助理教授張智鈞教授、中大醫學院內外全科醫學士畢業生張文斐醫生,以及理大康復治療科學系兒童物理治療師及助理教授陳昭縈博士。

 

透過機器學習(Machine Learning)揭示人類跑步的神經運動基礎

 

為了研究神經系統如何控制不同年齡和訓練階段人士的跑步情況,研究團隊招募了多組健康的志願參加者,包括學齡前兒童、疏於運動的成年人、訓練中的成年跑手,以至經驗豐富的精英馬拉松運動員。參加者在平地或跑步機上跑步時,他們多組肌肉的電流活動及身體向地面施加的力量都會被記錄。收集數據後,研究團隊使用一種複雜的機器學習演算法,於數據庫中找出會同步變得活躍的多組肌肉,亦即是「肌肉協同」。

 

研究文章的主要作者、中大醫學院生物醫學學院助理教授張智鈞教授表示:「由於肌肉活動源自大腦和脊髓,『肌肉協同』可作為一個切入點,讓我們瞥見人類神經系統如何操控運動。『肌肉協同』被認為是神經運動的基礎,其功能就如英文字母,可以被神經系統靈活地重組,從而引起不同動作。我們的目標是分析這些協同模式如何隨著不同的年齡群組和培訓模式而產生變化。」

 

「肌肉協同」會隨着兒童成長逐漸分解和重組

 

是次研究的共同作者、理大康復治療科學系兒童物理治療師及助理教授陳昭縈博士,進一步解釋這項研究發現對兒童的重要性。她指出,兒童的體格結構與成人大為不同,例如他們的肌肉較弱,姿勢平衡的發展亦未夠成熟。「我們發現,一些學齡前兒童發育期間,他們原有的『肌肉協同』會分解,並逐漸重組成需要較少肌肉的新一套『肌肉協同』。」

陳博士補充:「從生物力學的角度來看,學齡前兒童擁有的『肌肉協同』絕對適合他們未完全發育的體格。」

 

馬拉松運動員學習嶄新的「肌肉協同」以跑得更好

 

除了發育,成年跑手亦可以透過訓練造成「肌肉協同」的重組。研究團隊發現,數月至數年的訓練或會令未受訓前的一些特定「肌肉協同」合併為包含更多肌肉的組合。值得注意的是,在成年人中,特定的協同合併模式與跑步效能的增強或減弱,有着密切關連。

 

Prof Roy Cheung

張子熙教

 

研究文章的共同主要作者、西悉尼大學健康科學學院教授張子熙教補充:「我們注意到一些資深跑手表現失準,實際上是因為他們用了會降低效能的合併模式來跑。我們的分析結果,或許揭示了這些跑手在訓練時不經意地組合了這些效能較低的肌肉模式。他們倘若要成為表現更好的精英跑手,便要學會抑制這些模式。」張教授參與是次研究時,為理大康復治療科學系的副教授。

 

曾以中大內外全科醫學士課程醫科生身分成為研究文章共同第一作者、並與團隊一同收集及分析絕大部分數據的張文斐醫生亦指出:「研究人員日後可利用這次研究的發現,設計跑步訓練計劃或設備,幫助跑手更容易掌握具高效能的肌肉合併模式,從而幫助他們更輕鬆地長時間跑步。假如你正在為下一次馬拉松賽事進行訓練,那麼你不僅在訓練心血管的健康,其實也在訓練你的大腦。」

是次發表的研究分別由中大醫學院Faculty Innovation Award及香港研究資助局支持。研究其餘參與者包括理大的章瀚文博士及陳柔姍小姐,以及中大的夏翠蔚博士。研究全文可參閱:https://www.nature.com/articles/s41467-020-18210-4

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