新模型解释了“边走边嚼口香糖”的大脑原理

　　

散步是一项经常被认为是理所当然的活动。大多数人通常认为他们可以同时“边走边嚼口香糖”，几乎不需要付出任何脑力劳动。事实上，每条腿都可以独立于另一条腿有节奏地运动，由其一侧的脊髓控制。然而，人类大脑协调步态的能力，使步行者的两条腿彼此相差半步，称为“反相位关系”，当出现障碍物或不对称时，比如路径上的曲线，就不是那么微不足道了。更好地了解如何维持正常的步行节奏可能会为经历过脑外伤或其他神经系统问题的患者带来更好的康复技术。

在最近发表在《通讯生物学》(Communications Biology)上的一项研究中，大阪大学(Osaka University)的研究人员捕获了在跑步机上行走的健康患者的运动学数据，这些患者偶尔会因速度突然变化而受到干扰。这导致了反相位关系的短暂丧失，但随着受试者重新定向他们的行走运动，它很快就恢复了。该实验的数据是用两个耦合振荡器的数学模型(类似于用弹簧连接的两个钟摆)和贝叶斯推理方法进行分析的。这种方法使研究人员能够计算出最可能的功能，代表大脑如何应用其控制来协调腿部运动。

为了进一步简化问题，采用了相位缩减理论，该理论假设受摄系统返回到一个正则周期解，称为极限环。该研究的主要作者Takahiro Arai说：“使用贝叶斯推理使我们能够以定量的方式推断腿部协调的控制。”

令人惊讶的是，研究人员发现，直到与正确的反相方向的偏差超过一定的阈值，大脑才会主动控制相对相位。也就是说，大脑不会主动干预来协调腿的相对位置，直到它们在一定程度上不同步。他们认为，不需要持续的控制可以提高能源效率和机动性。

资深作者Shinya Aoi说:“基于我们的模型，我们发现大脑既没有过度控制，这将限制我们越过障碍的能力，也会消耗大量的脑力，也没有过度松懈，这可能导致当腿变得太不协调时摔倒。”

这项研究可能有助于改善老年人的行走能力，或者是那些经历过中风或帕金森病的神经系统影响的人。它还可能导致物理辅助设备的发展，帮助人们更自然地走路。