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第六部分 特殊主题
第27章 利用神经科学提升运动表现
运动员的身体如同一个管弦乐队，由许多不同的乐器组成，例如心脏、肌肉和肺。每个系统的表现对于整体表现来说都至关重要。因此，为了提升运动表现，运动员始终都要努力让自己的肌肉、心血管和呼吸系统产生适应。然而，运动员在训练期间经常忽略的一个系统是神经系统，这是一个驱动和协调其他身体系统的系统，就像管弦乐队的指挥一样。不管运动员的生物体整体上是否做好了表现的准备，不管他们此刻表现的好坏程度如何，也不管他们从损伤中恢复的速度如何，决定运动员学习快慢的都是神经系统。本章不仅会让科学训练师理解神经系统在表现方面发挥的作用，还会提供有关现代神经科学工具的信息，这些工具可以包含在训练计划中，用于评估、监测和改造神经系统，以实现运动员最佳的表现。
第1节 神经系统和大脑
运动员的生物体是一个遵循严格生物学定律的生命系统。神经系统负责向全身传递信号，根据这些定律指导和管理身体的动作。由大脑和脊髓组成的中枢神经系统，CNS，Central Nervous System，通过除大脑和脊髓以外的周围神经系统，PNS，Peripheral Nervous System，路径接收和传递信号。运动员可以利用对训练负荷如何影响CNS生理过程的理解，有效地得到优异成果，并避免诸如过度训练或者疾病、损伤带来的后果。在这方面，CNS功能状态的诊断以及探求提高其效率的方法对于训练科学来说是一个有前景的向。
小节1.1： 中枢神经系统的结构
神经元是CNS的结构和功能单元。一个神经元由细胞体、轴突和树突3个主要部分组成。细胞体包含了神经元的细胞核与细胞器，其可以为自身产生能量。单个轴突从细胞体上突出，像一根长导线。轴突束组成了神经，它们将信息传送到PNS。树枝状的树突从神经元的细胞体伸出，与其他神经元在称作突触的间隙连接处相连。协同在大脑内实现一项具体功能的一群互连神经元称作神经回路。神经回路进一步可以组成神经网络，为大脑中的分布式进程服务。
神经元利用电化学信号从神经系统的一个区域向另一个区域传递信息，以及在神经系统和其他系统之间交换信号。这些信号开始于神经元静止膜电位上的变化，静止膜电位是神经元静止时内部和外部之间的电位差。静止时，神经元处于极化状态，它们的静止膜电位是负电压，这是由细胞内外离子的不均匀分布造成的。当神经元膜由于电位上的短暂正突变而变成非极化状态时，它会释放或者发射一种名叫动作电位的电脉冲。动作电位沿着突触前神经元的轴突长度方向移动，从而将名叫神经递质的化学物质释放到与其他神经元树突相连的突触处（见图27.1）。神经递质由突触后神经元的受体接收，这里它们会触发一个突触后电位，PSP，Postsynaptic Potential，这是突触后神经元膜电位上的暂时变化。膜电位上的正变化会产生一种兴奋性PSP，它会提高接收神经元发射的动作电位的可能性，而膜电位的负变化会产生一种抑制性PSP，它会降低接收神经元发射的动作电位的可能性。
CNS的神经元由两类组织组成：灰质和白质。灰质主要由神经元的细胞体组成，并且是大脑中大部分处理过程出现的地方。大脑的外层由灰质组成。作为CNS的主导部分，它管理着最复杂的功能，例如意识、思考、讲话和记忆。相比之下，白质主要由在灰质中连接细胞体的轴突组成。
小节1.2： 中枢神经系统的功能
CNS的结构可以让它进行感知、处理信息，并对运动员外部环境和内部环境的改变做出响应，从而尽力连接、调节和最优化运动员的身体，以执行某项技能。更加具体地讲，以下是CNS的主要功能。
•主要功能1： 感知和分析作用在人体上的刺激。
•主要功能2： 调节和协调所有的组织和器官。
•主要功能3： 整合组织和器官。
•主要功能4： 组织人体运动。
•主要功能5： 确保身体对变化的环境情况做出适应。
•主要功能6： 根据当前的需求对人体行为进行系统的组织。
第2节 神经可塑性
在人生所有的阶段，人类神经系统都可以根据经历产生大幅的重组和改变。神经系统可以根据不断变化的环境情况，重新组织其结构性和功能性回路，这种先天能力称为神经可塑性。大脑中的神经可塑性变化包括，应不同的刺激，在状态、活动、神经元连接、神经以及神经网络上出现的变化。这些变化可以让人类在学习新技能的过程中形成新的、更加有效的连接，或者在损伤之后重建失去的连接。
神经可塑性依据的机制是突触增强和突触阻抑。突触增强指的是，因重复的激活，突触能力出现了短暂的增强。这种增强可以是由自然刺激源引起的，例如运动训练中涉及的随意肌的反复收缩；也可以是由人工刺激源引起的，例如电刺激。突触增强可以增大或减小突触后电位的大小，无论哪种情况都会根据具体的技能增强神经可塑性。根据持续时间这一特征，突触增强可以表现为两种形式。
•形式1：短时程突触增强，STP，Short-term Synaptic Potentiation，指的是突触传递的短暂强化，它是因神经递质释放量增加而产生的。短时程突触增强的持续时间为几毫秒到几分钟。
•形式2： 长时程突触增强，LTP，Long-term Synaptic Potentiation，指的是突触后神经元激活的长时间强化，它是因突触神经元高强度、反复激活而产生的。长时程突触增强在CNS的所有部位都能够观察到，不过它在海马区中尤为显著，海马区是一个重要的大脑记忆区。长时程突触增强可以持续几小时到几天。
突触阻抑或突触疲劳，指的是突触能力的弱化。突触阻抑通常由以下因素引起。
•引起因素1： 神经递质耗尽。
•引起因素2： 突触后神经元对神经递质的敏感性降低，导致突触后去极化水平最低。
•引起因素3： 代谢产物和废物的增加。
•引起因素4： pH值的变化，过度激发同一条神经路径会形成酸性环境。
作为神经可塑性的基础，突触阻抑和突触增强是培养任何技巧的基础，包括运动员适应训练和实现最佳表现的能力。
第3节 认知功能和表现
现代运动员都在不遗余力地优化自己的身体素质，总是在寻找下一个将给他们带来梦寐以求的表现优势的工具。然而，不管科技如何发展，专家断言，大部分竞技体育项目中的精英表现并未提升：创造世界纪录的频率比原来更低了，这表明相比于过去的记录，表现提升的幅度更小。为了打破这种表现停滞，运动员需要重新考虑自己的训练，以更少地关注自己的身体，而要更多地关注自己的大脑。
小节3.1： 运动的运动皮质控制
骨骼肌收缩这一动作必须由动作电位触发，而动作电位主要由称作运动皮质的大脑区域释放。要是没有这些来自大脑皮质的信号，骨骼肌就是包覆在结缔组织上的静态蛋白质纤维束而已。
运动神经元是将电信号从运动皮质输送到肌肉纤维的信使，刺激肌纤维通过收缩产生力量。沿着大脑和脊髓延伸到肌肉上的神经元路径称作皮质脊髓束。大脑沿着这条路径上的运动神经元将信号发送给肌肉，就像电源通过充电线将电流发送给计算机一样。综合起来，一个运动神经元与其激发的肌纤维称作运动单元。许多运动单元往往会共同工作来激发所有的肌纤维，以做出完整的肌肉收缩动作。
小节3.1.1： 神经驱动
肌肉从运动神经元接收到所有激发动作电位的总和被称作神经驱动。神经驱动决定一块肌肉是否收缩及其收缩时的功率。大脑根据它从肌肉感官输入中接收到的反馈，随着时间的变化对神经驱动进行调节，以此来调节肌肉耐力。为了增加或减少神经驱动，大脑可以在一个称作运动单元调动的过程中，调节发射动作电位的运动单元数量。或者，大脑可以不用调动更多的运动单元，而是通过提高运动单元的发射率来增加神经驱动。当然，大部分竞技体育需要的不仅是持续的原动力：大脑还会通过调节运动单元募集的时机来指导肌肉控制和协调。重要的是，大脑驱动运动的这一事实并不意味着，运动员可以完全放弃自己的身体训练。由于神经驱动同时涉及大脑和肌肉的激活，所以两者必须结合起来加以训练。
小节3.1.2： 重复和动作技能习得
训练大脑的最佳方式是重复。重复会激活突触增强和突触阻抑机制，这两种机制可以在大脑中产生神经可塑性的变化。因此，当运动员们练习一项技能时，他们要强化该技能中涉及的神经路径，以让自己变得尽可能高效。大量研究表明，动作技能训练可以增加控制该技能的大脑区域中的灰质数量。大脑中的这些可塑性变化可以增加或增强运动员执行一项技能时的功率、控制以及耐力。
随着运动员通过重复来微调技能的执行方式，技能会从处于显性控制状态，此时运动员必须积极地思考和监测表现，过渡到处于隐性控制状态，此时运动员几乎不用想就可以自动地执行一项技能。有利于这种过渡的是大脑激活方式上的变化，即由涉及运动皮质的显性回路变成了由大脑中被称作基底核的深部结构所控制的隐形系统。当动作技能处于隐性控制状态时，运动员称它为肌肉记忆。肌肉记忆存在于肌肉中是一个常见的误解:它实际上存在于大脑中神经连接的能力上。肌肉不可以学习或者记忆，但是大脑可以。这种技能随时间变得更加不受意识驱动，并且变得更加自动的过程被称作动作技能学习。
小节3.2： 竞技体育中对运动的认知控制
驱动肌肉激活只是大脑在表现方面所发挥作用的冰山一角。虽然运动神经元可以解释运动员的运动方式，但是它们无法解释，在动态、应激诱导并且复杂的竞技体育情境中，运动员是如何适应性地进行运动的。运动员利用许多其他的大脑过程或者认知功能，来接收、处理和存储来自外部的实时反馈，并根据这些反馈做出行动。
—个称作前额叶皮质，PFC，Prefrontal Cortex，的大脑区域，通过指导和监测包括注意力、抑制和记忆在内的认知功能，来维持大脑中的认知控制。位于大脑前部的PFC与竞技表现中涉及的其他大脑区域具有广泛的联系，包括大脑的运动和感觉区域。正如通过重复，运动员的大脑可以学会更加有效地指导肌肉运动一样，它也可以学会更好地指导这些认知功能。因此，运动员在神经元和在涉及PFC及其他任务相关大脑区域的神经网络中占比较高的灰质之间表现出了更多的联系。
小节3.2.1： 注意力、抑制和记忆
人类确实无法将自己的意识或注意力引导到外部环境中的所有信息上。要想在体育运动中取得成功，运动员必须学会如何快速地将注意力集中到最相关的信息上，还要抑制或者克制分析。有两个有利于注意力和抑制的机制：自下而上的处理过程和自上而下的处理过程。
自下而上的处理过程可以快速、自动地识别出环境中"与众不同"物体，例如当其他所有物体都静止时，一个正在移动的球。而自上而下的处理过程刻意地将注意力引导到与目标相关的物体上，例如一个静止但可以接到传球的空位运动员。由于竞技体育是目标驱动的，所以自上而下的处理能力可以区分初级运动员与专业级运动员。PFC与其他与具体任务相关的大脑区域合作来指导自上而下的处理过程，从而确定需要什么样的信息以及信息是否暂时存储在工作记忆中。从工作记忆中，信息可以被进一步巩固成为长期记忆，这种情况下，它可以在未来用于指导如何引导注意力。
小节3.2.2： 流畅状态
界定巅峰表现的一种全身心专注于任务的状态，被称作流畅状态。心理学家米哈伊契克森米哈赖是第1位探索流畅状态概念的人，他宣称流畅状态具有9个维度的特征：具有明确的目标、具有明确的反馈、具有合适的技能水平与挑战比、行动和意识相融合、对任务的专注度很高、具有控制感、自我意识消失、时间扭曲以及自我目标的体验。苏珊杰克逊博士及其同事已经证实这些维度的特征与巅峰表现有关。进入流畅状态的特征是，在任务表现期间大脑活动的区域和类型发生了变化。处于流畅状态的大脑会表现出一种称作瞬时脑前额叶功能低下的现象，大脑前部区域中的活动短暂地减少。这表示流畅状态具有自动性，因为控制脱离了由PFC和运动皮质掌控的大脑显性系统，转向了隐性系统。
大脑中的流畅状态还与神经元交流方式的变化有关。当许多神经元同步发射动作电位时，大脑活动会产生一种看起来像波一样的脉冲。科学家将这些脑电波划分成了与不同功能项相联系的不同频率范围。
研究显示，在技能执行期间体验到流畅状态的个体在感觉动作律动，SMR，Sensorimotor Rhythm，上表现出了增加，SMR是在大脑感觉运动区域中观察到的一种特殊的脑电波模式。较强的SMR信号表明运动皮质的活动较少，意味着技能更大程度上处于隐性控制之下。因此，这种SMR的改变反映了流畅状态的自动性和专长性特征。
第4节 认知训练应用
正如运动员利用工具来理解、监控和训练他们的心血管、肌肉和呼吸系统的表现一样，他们也可以在他们的训练计划中加入认知训练工具。如今，运动员可以利用神经科学工具和方法来记录他们的大脑活动，刺激他们的大脑和肌肉，训练他们的视觉注意力，并构建心理训练计划。
小节4.1： 脑电图和神经反馈
运动员并不清楚他们体内众多有助于他们提升运动表现的内在过程。生物反馈是作为一种利用科学技术来为运动员的这些过程提供直观展示的方法而出现的，例如他们的HR和摄氧量。运动员可以利用这种信息塑造自己的内在过程，以实现最佳的表现。运动员越来越多地用于增强自己表现的一种生物反馈类型是有关大脑中神经活动的信息，或者叫神经反馈。
小节4.1.1： 竞技体育中的神经反馈训练
脑电图，EEG，Electroencephalogram，技术可以让运动员在计算机上实时地查看自己的脑电波。在运动员执行基本的心理任务时，一种称作神经反馈训练，NFT，Neurofeed-back Training，的方法利用EEG记录他们的脑电波，并就他们的脑电波能够表明他们任务表现的哪些方面，为他们提供反馈，如图27.2所示。这种反馈通常采取的形式有语音反馈、视觉反馈或者二者的结合。例如，在执行任务时展现出"最佳的"脑电波模式时，运动员可能会听到令人愉快的语音。通过观察和专家指导，运动员学习将不同的内部状态与他们相应的脑电波模式联系起来，从而学习如何改变脑电波模式，以更加适应任务表现。NFT是否成功，应当通过脑电波活动的变化以及任务表现与NFT干预前记录的基线数据的比较来度量。
小节4.1.2： 神经反馈训练的功效
有关NFT对竞技表现功效的研究得到了不一致的成果。研究发现，SMR的NFT可以显著优化高尔夫球推杆和步枪射击的表现，对体操能力则不然。同样，据发现，α波NFT对射箭运动的表现有利，对网球却不然。结果的变异性反映出了所开展的研究中涉及的NFT方案、运动项目、运动员技能水平的多样性。由于每个运动员都具有不同的大脑，并且每项运动都会产生不同的认知需求，因此，随着未来会为具体项目和个体运动员制订方案，NFT的功效势必会增强。
小节4.2： 经颅磁刺激
EEG可以让运动员观察他们大脑中出现的活动，不同的神经刺激可以用来改变神经系统中的活动。磁刺激，MS，Magnetic Stimulation，指的是，利用磁场无创地刺激CNS、PNS或者人体骨骼肌。磁刺激的工作原理是电磁感应，即放置在磁场中的导体会产生电流。
经颅磁刺激，TMS，Transcranial Magnetic Stimulation，是MS的一种具体形式，它利用通过头皮施加的磁脉冲，刺激大脑和皮质脊髓束。将TMS用于人类大脑的方法是由巴克及其同事于1985年在谢菲尔德大学开创的。对大脑的TMS已经被证明是一种有效、无痛且安全的工具，可以用于调节人类神经系统中的过程。
TMS的工作方式是激活或者抑制磁脉冲目标区域下面组织中的神经元。正因如此，IMS通过电导性、兴奋性和抑制来加以评估，这会在本部分后面进行讨论。对于神经学、神经生理学以及神经精神病学方面的科学研究和临床应用来说，TMS具有广泛的诊断和治疗能力。虽然TMS在医疗科学和研究中的应用很广泛，但是针对TMS在运动与训练科学中的应用所做的研究很有限。人们针对将TMS应用于运动员开展了研究，这些研究专注于考察运动皮质兴奋性上面与训练相关的变化、疲劳对皮质脊髓的影响、顶级运动表现的神经特征以及优化损伤恢复。
大部分有关运动的研究都涉及将TMS用于运动皮质的一个具体部位，以达到激发或者抑制运动神经元的目的。不同的运动皮质部位映射的是不同的身体部位，这意味着，专家可以通过利用TMS刺激控制某块肌肉的运动皮质部位，引起该肌肉的收缩。因此，TMS的效果可以通过测量以运动诱发电位，MEP，Motor Evoked Potential，为表现形式的肌肉响应来加以评估。MEP是目标骨骼肌收缩的生物电活动之和，这些骨骼肌收缩是应施加到运动皮质中相应区域，脊髓或周围神经的单个TMS脉冲而出现的（见图27.3）。
小节4.2.1： 经颅磁刺激 测量的基本原理
TMS需要设备来产生电磁刺激，还需要设备来测量刺激的效果。用于ms的磁刺激器包括高电流脉冲发生器，它通过电线与磁刺激线圈连接在一起。线圈置于试验对象的头皮上方，即其潜在目标大脑区域的上方。然后，脉冲发生器驱动电流流过线圈，从而产生强度为几特斯拉的磁脉冲，特斯拉是度量电磁感应强度的单位。磁场会消除下方神经组织的极性，从而激活神经系统中的神经元和神经网络。在运动研究中，这种激活可以通过产生的MEP加以测量。MEP可以被连接到表面肌电图sEMG的电极检测到并加以记录，sEMG会记录肌肉收缩产生的电活动。计算机监测仪可以可视化记录MEP，并进行进一步的分析。
小节4.2.2： 经颅磁刺激 关键的生理指标
通过电导性、兴奋性和抑制这3个指标，运动皮质的TMS被用来评估皮质脊髓束的功能。
小节4.2.2.1： 电导性
皮质脊髓系统的电导性指的是运动皮质和脊髓之间动作电位的流通性。它通过应用TMS出现的MEP延迟、MEP幅值、MEP持续时间及目标肌肉的MEP形式，以及通过中枢运动传导时间加以评估（见图27.4）。
•MEP延迟是从应用IMS到目标肌肉中出现MEP经过的时间，由EMG进行记录，并且以毫秒为单位进行度量。
•MEP幅值是MEP波距离平衡位置的最大位移。峰间幅值指的是MEP峰值和MEP谷值的间距值。
•MEP持续时间是MEP从开始起点到结束的时间。
•MEP形式反映了MEP不同的正相位和负相位特征，即双相、三相等。
在健康的个体身上，ms可以用来记录来自几乎任何骨骼肌的MEP。在临床实践中，手腕、手臂、胫部和脚部肌肉是最为常见的目标部位。磁刺激强度对MEP幅值具有显著的影响，较高的磁强度会激发出较大的MEP幅值。由于MEP会发生变化，专家的标准做法是记录5至6组MEP数据，并选择幅值最大和延迟最小的一组作为测量结果。正常情况下，该MEP幅值为2至5毫伏。
通常，MEP的大小反映了由磁刺激激活的皮质脊髓运动神经元的数量。下面的生理指标决定了目标肌肉产生的MEP的大小。
•在脊髓中，因TMS而被调动的运动单位数。
•因TMS而被激发不止一次的运动神经元数。
•因TMS而被激发的运动神经元的同步性。
两个必须加以控制的因素是试验对象的姿势和身高，因为它们会影响MEP的大小。
研究显示，相比于非运动员，运动员具有更短的MEP延迟和更大的MEP幅值，这与测量指标上的表现提升有关，例如反应时间。中枢运动传导时间，CMCT，Central Motor Conduction Time，是中枢脉冲从运动皮质传递到脊髓根所需的时间。CMCT反映的是皮质脊髓束的连接性，更快的传导表明更强的连接性。测量CMCT尤为有用，因为它是一种稳定、可再现的参数，个体内波动对该参数没有显著的影响。为了获取CMCT，操作人员首先要实施针对所选目标肌肉的皮质和节段磁刺激。从该刺激中记录了多组MEP数据之后，操作人员选择延迟最小的皮质MEP和延迟最大的节段MEP。计算CMCT的方式是从皮质时间中减去节段延迟时间。正常情况下，手臂的CMCT范围是4.3至10.6毫秒，而腿部的CMCT为11至20.8毫秒。教练员和运动员可以利用CMCT上的变化作为训练有效性的指标。研究显示，相比于强度适中的连续训练，高强度间歇训练在强化CMCT方面更加有效。
小节4.2.2.2： 兴奋性
皮质脊髓束的兴奋性意指激活它所需的能量，可以通过测量大脑中的运动阈值来进行计算。
运动阈值，MT，Motor Threshold，指的是在10至20次测试中，有50%的次数在目标骨骼肌上产生最小幅值的MEP时，所需的运动皮质磁刺激最低强度。MT在临床上很重要，因为它可以用来为个体确定安全的TMS量。此外，记录在运动皮质中的MT也可以用来估计其他大脑区域的兴奋性。
测量运动阈值时，肌肉可以处于静息状态，即静息MT，或者正在执行轻度的收缩，即活动MT，用力强度大约为最大自主等长收缩，MVIC，Maximal Voluntary Isometric Contraction，的20%，MVIC指的是运动员可以产生的用于收缩肌肉的最大力量。为了计算静息MT，要将最小MEP幅值设置在50微伏以上，而为了测量活动运动阈值，所需的最小MEP幅值是100微伏。肌电图被用来测量骨骼肌肉的放松程度和激活程度。
测量MT的第1步是，在目标肌肉处于放松状态的时候，确定最佳的位置和磁线圈在头顶上方的方向。最佳的位置将会最好地针对运动皮质中控制目标肌肉的"热点"，即刺激的最理想位置。当操作人员可以用最小的刺激强度，可靠地产生一致的MEP时，他们便会知道自己已经精确地在运动皮质中确定了目标肌肉的"热点"。强度设置以刺激器最大输出的35%开始，按照增量的方式进行增加和减少，直到刺激强度达到在20次诱发MEP的尝试中，不到10次的MEP得以记录的水平。此时，MT的计算方式为当前的磁强度力口1%。根据TMS技术特征，MT为40%至80%，而腿部肌肉的MT始终高于手臂肌肉。这是由运动皮质的解剖和功能特点导致的：皮质中的手臂运动表征要大于腿部运动的表征。研究显示，按静息、运动阈值的下限，rMT，Resting Motor Threshold，计算时，与非运动员相比，运动员表现出了较强的皮质兴奋性。这种兴奋性的增强与由较短反应时间加以量化的更佳表现相关。通过MT进行皮质兴奋性的评估对于理解运动员的损伤恢复也有用处。例如，接受了前交叉韧带重塑手术的运动员在手术2周后表现出了较高的rMT。
小节4.2.2.3： 抑制
CNS中的抑制机制通过测量一种称作肌肉收缩静息期的现象来加以评价。在由随意肌收缩产生的EMG活动出现初始激增之后，有一个短暂的静息期，在此期间，尽管收缩在持续，但是记录不到生物电活动。当EMG活动重新开始时，该阶段就会结束。人们认为静息期的第1个部分反映的是脊髓中的抑制机制，而静息期的第2部分反映的是大脑的抑制。
TMS可以用来产生该静息期。静息期的持续时间随着磁诱导强度的提高而延长。在利用TMS刺激运动皮质之后，我们会观察到皮质静息期，CSP，Cortical Silent Period，而在刺激周围神经之后会观察到周围静息期，PSP，Peripheral Silent Period。通常，CSP的测量从TMS产生MEP的末端开始，到EMG上绝对生物电静默的末端结束，这被称为等值线，或者返回到恒定不变的EMG基线为止。人们认为较短的静息期代表较少的抑制，而较长的静息期代表更多的抑制。这使得皮质静息期可以作为一个用以度量损伤和运动之后的皮质性抑制的重要指标。例如，研究显示，肌肉疲劳会让静息期增加30%。此外，TMS研究已经证明，遭受脑震荡后即刻和长达30年之后，脑震荡的运动员表现出了较长的CSP，表明皮质性抑制的增强。通过TMS诱发的CSP测得的抑制与采用EEG得到的潜在脑电波模式有关。具体而言，CSP的持续时间与大脑中α振荡的相对功率有关。鉴于α波通常与兴奋性的减弱和抑制的增强有关，这为CSP背后的抑制机制提供了进一步的支持。
小节4.2.3： 经颅磁刺激参数
TMS方案和神经调节效果会因下列技术特征而异。
小节4.2.3.1： 经颅磁刺激脉冲特征
人们采用不同的TMS模式开展IMS单一刺激、成对刺激或者一系列脉冲，即反复经颅磁刺激，rTMS，Repetitive TMS。单一TMS和成对TMS主要用于理解皮质脊髓的功能。rTMS可以调节皮质兴奋性，所以它可以用于治疗，包括疼痛、运动系统疾病、中风、多发性硬化症、癫痫、抑郁和精神分裂症的治疗。高频HMS可以增强受刺激区域的兴奋性，而低频rTMS可以抑制它。
TMS脉冲还会在时间跨度、频率和数量上有所变化。脉冲通过不同类型的波形（见图27.5）进行传送，波形的变化取决于每个脉冲中的正弦整波数。单相波形在针对预期的区域方面精度很高，并且很安静，而且几乎不产生热量，但是难以用来记录皮质性响应。相比之下，双相和多相波形更加适合皮质刺激，但是不太精确且声音较大，还会产生较多的热量。
小节4.2.3.2： 经颅磁刺激线圈
不同的TMS线圈结构会产生不同的磁场特征，从而可以用于不同的目的。磁场强度的大小范围通常为1.0至2.5特斯拉，但是可以高达4特斯拉。如今有70多种不同结构的TMS线圈可供使用，两种最常用的结构如图27.6所示。
•单线圈是原始类型的TMS线圈。这种线圈非常流行，并且广泛用于刺激运动皮质和脊髓。这种线圈的局限在于缺乏对激活结构的聚焦性。随着线圈直径的减小，激活精度会提高，但是磁强度往往会降低，原因是线圈将变得过热。
•双线圈由并排放置的两个线圈组成。最大磁强度位于该线圈的中间，两个线圈在这里相交。该线圈通常用于大脑映射，因为它可以精确地确定激活区域，并且提供比单线圈更深层的大脑刺激。
小节4.2.4： 采用经颅磁刺激的益处
相比于其他无创神经刺激类型，将TMS用于诊断、恢复和训练科学研究具有许多益处，具体如下。
•益处1： 磁场可以自由、无变化地穿过解剖结构。这使它可以激活位于远端、相当深处或者紧紧包裹在骨骼或肌肉中的神经组织。
•益处2： TMS不会带来疼痛或者不适，与无创电刺激的情况一样。TMS不需要皮肤提前为刺激做好准备，并且可以在距离皮肤一定距离的位置应用。
•益处3： 用于TMS的磁线圈可以相对于头部自由移动，从而可以快速识别出最理想的刺激点。
•益处4： TMS可以对皮质兴奋性进行更加直接的评估，因为在健康个体身上，它几乎总是可以在目标肌肉上诱发MEP。
•益处5： 正在开展的研究指出了未来TMS在用于增强身体素质和优化运动系统神经肌肉特征方面的巨大潜力。
然而，TMS需要使用相当专业和价格昂贵的设备，并且为了确保试验对象的安全，必须由训练有素的专业人士进行监督。
小节4.3： 表现中视觉技能的要素
运动员通过选择将注意力集中于其上的信息，以及他们的大脑对该信息的解读或者感知来指导运动。由于大多数运动项目需要在动态的空间内对身体运动进行精确控制，所以视觉是运动员赖以指导自己表现的主要感觉。在整个视觉运动整合过程中，运动员利用大脑中的视觉过程来指导运动系统计划和执行动作。
小节4.3.1： 感知动作 运动员如何对比赛做出响应
视觉信息处理按照层级的方式进行，从非常低层级、自下而上地处理基本特征，到高层级、自上而下地处理PFC。来自视网膜的信息首先转变成电信号，被传递到大脑后部的视觉区域。大脑这一区域的不同神经元组通过调整，对视觉刺激的不同基本特征做出强烈的响应，例如直线方向或者颜色。这些基本的视觉特征被提取之后，信息沿着两条可能的路径进行分散，大脑随之开展更加复杂的特征分析。
腹侧路径通过将基本特征归类为连贯的整体来识别物体是什么。神经科学中的术语"腹侧"指的是大脑下部，信息从该路径中流过（见图27.7）。相比之下，背侧路径沿着大脑上部传导有关物体在空间中所处位置的信息。两种路径最终都会将信息送回PFC，以指导注意力的分配、运动计划的设计和执行。
小节4.3.2： 感知动作 运动员如何预判比赛中将要发生的事情
通过多年的练习，顶级运动员大脑中将感知目标与适合他们项目的动作联系起来的路径会增强。对于一个给定的运动项目来说，这些感知-动作联系通常以相同的时间序列出现，这一事实可以让运动员调节自己的大脑活动，预判接下来将要发生的事情。通过将针对预期特征而调整的神经元基线活动增加高达40%，PFC甚至可以在感知目标出现之前就发出这些注意力预期信号。此外，视觉目标预判的标志是α节律的改变。简而言之，通过按照接下来在比赛序列中最有可能出现的动作来分配自己的视觉注意力，顶级运动员的大脑会让他们为预期动作做好准备。这种视觉注意力预期的微调在顶级网球运动员的比赛中尤为明显。通过观察对手挥拍的速度、角度和方向，像塞雷娜威廉斯这样的顶级网球运动员能够预估出对手最有可能将球打在球场上的位置。威廉斯将立即根据该信息采取行动，甚至在对手还未完成挥拍动作之前，就开始朝着预估的位置移动。当对手完成挥杆时，接着在追踪球在空中飞行轨迹的过程中，威廉斯就能够更新她的预估。
小节4.3.3： 动作和感知的协调
运动员通俗地将视觉运动整合称作协调性。克里斯蒂亚诺罗纳尔多在欧洲冠军联赛四分之一决赛上，皇家马德里队对阵尤文图斯队的比赛中，上演了倒钩进球，该进球是顶级运动员利用视觉运动整合来根据比赛的视觉线索协调身体运动的绝佳示例。该进球由罗纳尔多的队友发起。该队友沿场边向前场运球，并将球从空中横传到球场中间，而罗纳尔多此时正背对球门，站在这里等待。对正在移动的球和运动的识别，需要罗纳尔多大脑中有关"是什么"的腹侧路径来将基本特征处理成连贯的整体。当球从空中飞向罗纳尔多时，他大脑中有关"在哪里"的背侧路径参与进来，以追踪球在空中的位置。最终，根据球的位置以及他以往的经验，在恰到好处的时刻，罗纳尔多将神经驱动发送给肌肉，以驱动他的身体形成向后翻转的姿势。这种翻转姿势导致他的右脚与球接触在一起，从而让球飞入球门的右上角。主场球队的球迷极少会为客队的进球鼓掌，然而，在该壮举中表现出来的极度轻松的视觉运动整合引发了两队球迷的喝彩。
小节4.3.4： 视觉注意力追踪是体育专业技能的一项指标
通过利用视线追踪工具来监测被测者所看的地方，神经科学家就能够比较初学者和专家引导自己视觉注意力的方式。当运动员查看一个场景时，他们的双眼会像射灯一样快速围绕它移动，期间会短暂地停留几次，以专注于或者注视他们确定为重要的点。研究显示，运动发起前，运动员注视的时机、持续时间和稳定度是各类不同体育项目中专业级表现的一个特征。
静眼期指的是，在发起一项运动前，运动员在最后一个注视点上的持续时间。例如，静眼期正好出现在运动员击打棒球之前，注视球的时候。研究显示，相比于初级运动员，这个最后的注视时期在顶级运动员身上出现得较早，并且持续时间大约要长60%。静眼期较早的出现和较长的持续时间让顶级运动员有更多的时间组织自己的神经回路，以获得更佳的表现。鉴于顶级运动员面临着快速的比赛节奏和高度的信息要求，这一点至关重要。例如，罗杰费德勒发球的平均速度为130英里每时。为了能够成功地将这种速度的发球击回去，运动员必须准备好在三分之一秒的时间内做出行动。
研究显示，静眼停留，即从静眼期到正要发起运动之前，运动员目光的跟进的稳定度能够预测对手的专长。这表明，专业级运动员已经针对专注和持续视觉注意力，最优化了自己的中枢神经网络。运动员可以利用眼球追踪和视觉反馈来训练自己的静眼能力。
小节4.3.5： 动作想象和表现
生理视觉技能并不是能够增强运动表现的唯一视觉技能。动作想象训练，MIT，Motor Imagery Training，指的是，实际上没有运动，而是想象执行一项运动的心理过程。MIT涉及的诸多视觉和运动大脑区域与运动员用身体执行一项技巧时激活的大脑区域相同。这意味着，随着时间的推移，MIT可以引发大脑结构和功能的可塑性变化，从而提高学习和掌握动作技能的速度。然而，人们认为MTT不如身体训练有效，因为它不会根据来自肌肉和感官的反馈进行调节。例如，研究显示，只进行MIT可以让等长收缩力量提高22%，相比之下，身体力量训练可以让其提高30%。此外，MIT无法取代身体训练：心理练习可以激活和强化某项技能的神经表征，而身体训练对于建立该表征来说是必不可少的。
21世纪第2个10年期间的研究显示，运动员应当将MTT用于复杂的技能训练，因为功效会随着任务难度的提高而增强。此外，运动员应当将MIT限制在60次重复想象以内，因为研究显示，超过这一次数，精度会降低。或者，为了防止精度降低，运动员可以交叉进行MIT和身体训练。研究显示，对于困难的任务来说，包含50%至75%的MIT和25%至50%的身体训练的训练课实现了最大限度的技能提升。
第5节 放松和再生
运动员都知道，为了让肌肉用更强壮的组织进行自我修复，高强度运动后的休息至关重要。然而，为了让大脑能够继续以适应的方式驱动肌肉持续进行高水平的表现，放松和再生一样很重要。压力和疲劳会长期或短期地损害大脑功能，从而导致过度训练和身心疲惫。通过合适的放松和恢复，压力和疲劳的这些负面效应都是可以避免和逆转的。
小节5.1： 应激以及大脑结构与功能的损害
当运动员面临的生理或心理需求会扰乱他们维持体内稳定状态的能力时，他们就会体会到应激。身体对应激的响应由体内所谓的下丘脑-脑垂体-肾上腺轴，HPA，Hypothalamic-pituitary-adrenal Axis，来完成。顾名思义，这条轴涉及两个大脑区域，下丘脑和脑垂体，以及身体的肾上腺之间的反馈循环。激活这条轴会导致应激激素的产生，加快HR、呼吸和体内燃料的分解。
应激水平低时，这些改变实际上可以提升认知表现。然而，持续或长期的高应激水平会通过一种被称作应激引起的神经可塑性的现象，导致大脑结构产生负面变化。应激引起的可塑性尤其会影响PFC，从而降低神经元激活，并损害连接性。
小节5.2： 疲劳和大脑功能
每个人都知道，疲劳是持续高水平表现的死敌。虽然大部分运动员都熟悉肌肉的外周性疲劳，但是很少有人知道阻碍大脑在表现中发挥其作用的其他两类疲劳。
中枢性疲劳指的是用于神经驱动的大脑机制疲劳引起的表现降低。与外周性疲劳类似，中枢性疲劳是由身体在功能上不再处于最理想状态的反馈引起的，例如氧气水平降低和能量耗尽(见图27.8)。这种反馈会导致抑制性的"停止"信号被发送到运动皮质，这会减弱神经驱动，从而让身体返回内稳定状态。中枢性疲劳可以根据MVIC的减弱加以识别。根据运动强度、持续时间和类型，大脑从中枢性疲劳中恢复可能需要30秒至30分钟。
除了中枢性和外周性疲劳会导致运动表现下降之外，由认知控制过程疲劳引起的脑力疲劳也会妨碍表现。在神经层面上，脑力疲劳的个体在PFC中会表现出β波功率的增加和θ波功率的增加，表明持续的注意力增加和自上而下的控制能力减弱。此外，脑力疲劳还与PFC和其他大脑区域之间的通信减弱有关。
小节5.3： 减轻、防止应激和疲劳的放松、再生工具
如今的运动员有大量可以利用的工具，帮助他们从应激和疲劳中恢复，并且保护他们免受应激和疲劳，这样他们便能表现出自己的最佳状态。然而，足够的睡眠和合适的营养按理来说仍然是运动员工具箱中最为重要的表现工具。
小节5.3.1： 睡眠
虽然睡眠期间身体可能会"离线"，但是大脑十分活跃，它在重新组织自己的回路，并指导身体的修复和强化。快速眼动睡眠，REM，Rapid Eye Movement，是对动作技能和视觉学习进行记忆强化的一段时间，通过记忆强化，记忆得以巩固，并被整合到了长期记忆之中。在运动员清醒时执行一项动作任务期间观察到的相同的大脑活动模式在睡眠期间会被重新激活，这表明这项任务的记忆被重放。在这段时间内，随着记忆被强化来反映学习情况，大脑活动模式会发生变化。有些研究人员将这些出现在大脑中的功能和结构变化称作依赖于睡眠的可塑性。
虽然REM睡眠对于大脑的重组尤为重要，但是非快速眼动，NREM，Nonrapid Eye Movement，睡眠对于身体恢复活动来说是一段至关重要的时间。此时大脑通过从脑垂体中释放生长激素来促进肌肉的生长和修复，脑垂体是大脑底部的一种豆状结构。大脑还会触发代谢过程中涉及的其他激素的释放。
对于运动员来说，这意味着睡眠是他们的艰苦工作获得收益的时刻。不需要任何额外的练习，练习之后的几晚好觉就可以带来动作技能表现的提升。相反，失眠会阻碍这种学习强化，通过加速疲劳的出现，损害竞技表现，削弱认知功能，并且扰乱注意力和记忆过程国网。由于学习和身体复原对于运动员来说至关重要，所以专家建议运动员得到的睡眠应当多于普通人。然而，研究表明，几乎有三分之一至二分之一的精英运动员称自己睡眠质量不佳。运动员可以利用对睡眠-清醒周期影响因素的理解，或者生物节律来改善自己的睡眠质量。
光线是生物节律最为重要的环境决定因素之一。眼睛对光线的检测会向大脑发出应当处于清醒状态的信号。当眼睛探测到较弱的光线时，大脑中称作松果体的区域会释放褪黑激素，这是一种促使人们产生睡意的重要激素。由于蓝光会抑制褪黑激素的生成，所以运动员在睡觉前应当避免接触来自电子设备的蓝光，并且力争让自己的房间变得尽可能黑暗。体温也会随着生理节奏发生变化。当人们睡着时，他们的下丘脑会让体温降低高达2摄氏度。为了促进体温的这种降低，运动员应当睡在温度为16至21摄氏度的房间内，并且在睡觉前应当限制运动，因为这会让体温升高。
小节5.3.2： 营养
合适的营养对运动员大脑的重要程度与对身体的重要程度一样。饮食会影响重要的大脑过程，包括神经元之间的通信、神经递质的生成以及突触可塑性。如果具有足够的糖原，大脑会优先使用碳水化合物作为主要的能量源；然而，当没有足够可用的糖原时，大脑会燃烧酮类脂肪来提供能量。这是流行的低碳、高脂酮性饮食的基础。虽然适用于运动员的最佳饮食仍然是一个备受争论的主题，但是专家一致认为，运动员应当摄入含有抗氧化剂的食物，这类食物可以防止神经退化，神经元结构或功能的损坏。顾名思义，抗氧化剂会防止体内的分子受到由氧化或者失去电子而导致的损坏。脂类、蛋白质以及DNA的核酸都会失去电子变成一种叫自由基的不稳定分子，自由基具有不成对的电子。抗氧化剂通过向自由基献出自身的一个电子，防止自由基窃取电子。当抗氧化剂不足以缓冲自由基时，人体会出现一种叫氧化应力的情况，这种情况会减弱大脑的可塑性。由于高强度的运动会增加生成的自由基，所以运动员需要摄入额外的富含抗氧化剂的食物来防止氧化应力。
小节5.4： 运动员准备度评估
降低运动员表现能力的因素与有助于恢复运动员表现能力的因素之间的平衡决定了运动员的功能状态。功能状态是一种高度敏感和精确的生理指标，它客观地描述了运动员的身体对包括训练负荷在内各种应激源做出的独特的短期和长期适应。每位教练员的目标应当是，通过评估运动员的准备状态，改善运动员对功能状态的管理。
准备度是运动员目前的功能状态，它决定了运动员后续的表现。最优的准备状态表明，运动员已经完全适应了环境需求，从而可以发挥自己的全部表现潜力。相反，次优的准备状态会阻止运动员发挥自己的全部潜力。评估运动员功能状态的传统方法之所以未获成功，是因为它们没有考虑具体的身体系统，而这些系统会产生形成目前功能状态的适应过程。度量身体各个系统的准备度可以解决这个问题。生物反馈工具可以用来帮助运动员理解自己的身体系统是如何反映自己的表现的。
例如，身体心脏系统的准备度可以通过心率变异性，HRV，Heart Rate Variability，加以评估，HRV是运动员两次心跳间隔时间的变异程度。HRV反映了心脏系统中再生过程的质量。过高或者过低的HRV表明心脏系统未在最佳范围内工作，从而反映出在对训练负荷适应期间的一种高张状态以及不完整的恢复过程。虽然最佳范围内的波动是可以接受的，但是最佳范围内的较高数值表示一种更加有效的恢复过程。
第6节 本章小结
传统上，运动员专注于训练自己的肌肉、肺脏和心血管系统，然而这种针对竞技表现的传统做法忽略了控制身体每项动作的一个身体部分，大脑。由前额叶皮质和运动皮质控制的大脑过程会驱动肌肉适应性地控制动作的爆发力、精度和持续时间，以实现最佳的表现。由于大脑具有可塑性，运动员通过训练可以强化潜在的神经路径，据此来让这些过程做好准备。因此，人们通过神经回路上由训练引发的结构和功能变化，包括灰质数量的增加、更好的运动传导性以及增强视觉注意力自上而下调节，可以识别出专业级运动员。诸如EEG、神经反馈和TMS的认知训练工具可以用来最优化训练计划，其依据是对大脑中出现的活动的理解。为了让运动员充分利用这些训练工具，他们需要确保为自己的大脑提供所需的能量和休息，以进行恢复和从表现需求中吸取教训。未来几年这些基于大脑的工具的不断改进，在帮助运动员突破顶级水平的运动项目中形成的无形限制方面，具有巨大的潜力。
第27章 结束
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截图时间：22/7/2024
