本周一，美国奥运花样滑冰队部分得益于亚当·里彭在男子自由滑项目中的精彩表现，获得了一枚铜牌。他的表演并非最具挑战性，让两位比赛中摔倒的选手 得分高于 他。但其近乎完美的执行仍然吸引了观众。
即使是没有运动中最具杂技性的动作的表演也非常引人注目。花样滑冰选手看起来似乎并不遵循和我们一样的物理定律。事实上，他们的技能甚至让研究大脑如何控制平衡和复杂运动的科学家们感到困惑。“我在电视上看到，我关不掉，”哥伦比亚大学扎克曼研究所的神经科学家 Rui Costa 说。“你坐在那里，想着，‘不可能！’”
他和他的同事们对这些精英运动员的大脑中发生的事情有一些想法。
在花样滑冰选手 滑过冰面 之前，他们的大脑必须学会克服对在湿滑地面上移动的天然恐惧。“你身处在一个奇怪的表面上，你必须学会一套非常不同且比正常情况更极端的平衡规则，”扎克曼研究所的另一位神经科学家 Nate Sawtell 说。“容错空间非常小。”
当我们大多数人踏上冰面时，我们会滑倒并开始向后倾斜。“我们感觉自己要摔倒了，然后我们会迅速、希望地通过向前倾斜并稳定身体来纠正这种向后摔倒，”Sawtell 说。这些反射是由大脑的一个叫做小脑的部分控制的。当它接收到来自内耳的信号，告诉它我们的头没有直立时，小脑就会向我们的肌肉发出运动指令，使我们的身体猛地直立起来。
“这些反射……有其合理的原因是为了保护我们，但在杂技和花样滑冰的语境下并不适应，”Sawtell 说。“花样滑冰选手不知何故能够有目的地做出这类动作，[似乎]毫不费力，而且没有那些通常会让他们恢复直立姿势的反射。所以问题是，他们是如何做到的？”
Sawtell 研究大脑如何学会识别与身体自身运动相关的声音或感觉，然后将这些感觉过滤掉。他和他的团队 发现，大脑中一个叫做背侧耳蜗神经核的区域可以像一副降噪耳机一样在小鼠身上发挥作用，防止它们被舔水槽时发出的声音分心。这个大脑区域接收来自内耳的听觉信息以及大脑其他部分发出的运动指令的副本。如果它接收到的声音是由小鼠舔水造成的，它的神经元就会保持静默。这表明它利用了关于啮齿动物自身行为的信息来抵消它们可能产生的所有噪音。
Sawtell 说，当花样滑冰选手学习新动作时，他们的大脑中会发生类似的进程。他们的大脑学会预期，当他故意向后倾斜时，会伴随着一种摔倒的感觉。
“这些运动指令的副本可以发送到小脑，这正是告诉小脑该动作是故意的，”Sawtell 说。“在冰面滑倒的情况下，没有来自高级中枢的运动指令……只有感觉信息告诉你正在滑倒，你最好对此做些什么。”
通过练习，大脑会减弱这种感觉，这样滑冰选手就不会本能地猛地站起来。“你实际上并没有摔倒，所以大脑会随着时间的推移学会，没关系，你会挺过来的，”Sawtell 说。
最终，花样滑冰选手将学会跳跃和旋转而不退缩，甚至能够无缝地将这些动作一个接一个地完成。这些过渡点是滑冰选手经常摔倒的地方。“但通过练习，你就像把所有这些单独的动作联系起来，好像它们是一个整体，”Costa 说。
他研究大脑如何学会将复杂的动作组合起来。他测量了人们弹奏钢琴时的大脑活动。在按下每个琴键之前，运动皮层和基底神经节会有一系列活动爆发，这有助于启动和控制运动。当人们学习一首新旋律时，在每个音符之前出现的活动峰值会消失，直到它只出现在第一个和最后一个音符之前。
Costa 说，当花样滑冰选手进入冰场比赛时，他们的大脑就不需要计划每一个细微的动作了；启动运动的活动爆发可能出现在节目的开始，而不是在每个动作之前。
一个叫做 组块（chunking） 的过程帮助他们将动作连接在一起。这类似于我们如何将电话号码分成三到四位数字的组来更容易记忆。基本上，滑冰选手要执行的每一个复杂动作的指令都来自运动皮层的不同部分。基底神经节接收这些信号。如果它们以相同的顺序一次又一次地出现，它就开始将它们分组，以便第一个动作的完成会自动触发其余的动作。随着时间的推移，它将一系列跳跃、旋转和步伐巩固成完整的节目。
有时，滑冰选手会在这些动作中的一个上失误。“当事情出错时，可能会非常糟糕，”Costa 说。“但有时只是有点不对，跳跃不那么完美，他们仍然能在几毫秒内回到正轨。”
大脑的某个部分会密切关注每个动作的执行情况。然而，科学家们并不真正了解这是如何发生的，也不知道大脑的哪些部分参与其中。“你的大脑如何回溯时间，找出问题的确切原因？”Sawtell 问道。“它如何计算出正确的错误信号，然后利用它来实际纠正运动？”
同样神秘的是，花样滑冰选手的大脑可能与其他人有何不同。学习取决于我们大脑强化不同神经元之间连接的能力。但是，当滑冰选手学习双轴跳或贝尔曼旋转时发生的精细变化，是我们目前无法无创观察的技术所能实现的。
然而，如果我们用 fMRI（一种测量血流量变化的成像技术）来观察花样滑冰选手的大脑，我们可能会看到一些独特的行为。当科学家们在人们玩视频或记忆游戏时对他们的大脑进行成像时，他们看到了不同区域同步活动的爆发。Costa 说，在花样滑冰选手身上，运动皮层和基底神经节之间很可能有大量相关的活动。
“了解花样滑冰选手的大脑里发生了什么会很棒，”他说。然而，“我们不直接研究花样滑冰，因为它的复杂性。”取而代之的是，神经科学家们研究他们那些令人费解的壮举的更简单的版本。
这是因为花样滑冰是人类本来就具有超凡能力的技能的极端展示。“人类将是那些在学习运动技能方面最令人惊叹的动物之一，”Sawtell 说。虽然 Mirai Nagasu 的三周跳 落地非常困难，但即使是捡起玻璃杯或爬梯子等日常动作也非常复杂。
“人们努力让机器人做协调的动作和踢足球，结果比任何二年级甚至幼儿园的队伍都差得多，”Sawtell 说。“所以这说明了运动是一个多么困难的问题。”
