《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Motor imagery enhances performance beyond the imagined action
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這篇研究發現運動想象（MI）不僅能提升想象動作的表現，還能促進相關聯的外顯動作學習。通過實驗，證實 MI 可助力運動適應，且其神經振蕩變化與適應能力相關。該成果為體育訓練和康復治療提供了新的理論依據和實踐方向。
一、研究背景
運動想象（Motor Imagery，MI）指在沒有實際身體動作執行的情況下，對運動進行心理模擬或演練的過程。過往研究表明，執行動作與想象動作在多個方面存在相似性，如時間特征、相關心臟和呼吸活動、激活的腦結構以及神經反應等，這意味著二者可能共享某些機制 。同時，MI 在多種場景中都展現出對運動表現提升的積極作用，像實驗室運動任務（序列學習、力量和平衡任務等）、神經和肌肉骨骼損傷后的康復，以及體育訓練等領域。
從大腦層面來看，功能磁共振成像（fMRI）和腦磁圖研究發現，MI 和實際執行動作時，運動相關區域（包括運動前皮質、輔助運動區、頂葉區域和小腦網絡等）會出現重疊激活，支持了二者共享神經底物的觀點。并且，訓練干預研究顯示，MI 能誘導與身體練習相當的皮質可塑性 。
然而，以往關于 MI 的研究大多聚焦于特定目標運動的心理演練所引發的行為和大腦反應，而日常生活中的運動通常是由多個個體運動組成的序列。例如在體育項目里，預備動作雖不一定在生物力學上具有優勢，但能為后續特定的肌肉激活、節奏或時機做準備。另外，運動適應是指運動系統根據環境或身體變化調整輸出的過程，已有研究發現，特定的先前運動能幫助參與者更好地適應干擾力場中的目標運動�；诖�，本研究提出疑問：當序列中的先前運動是想象而非實際執行時，是否也存在類似的促進機制？
二、研究方法
- 參與者：招募 65 名 18 - 35 歲的志愿者，最終樣本為 60 名（30 名女性，30 名男性），均為右利手，視力正�；虺C正后正常，無已知神經、感知或運動障礙。研究獲得當地倫理委員會批準，參與者均簽署知情同意書。
- 實驗設備與刺激：實驗在 Kinarm 外骨骼實驗室進行，該設備可在水平二維平面以 1000Hz 的頻率追蹤手臂運動。同時使用 60 個被動電極（遵循國際 10 - 20 系統）測量腦電圖（EEG），4 個電極測量眼電圖（EOG），2 個雙極電極測量心電圖（ECG），8 個雙極電極測量右臂和肩部肌肉（肱橈肌、肱三頭肌外側頭、胸大肌、三角肌后束）的肌電圖（EMG），所有生物信號采樣率為 2500Hz。
- 實驗任務與流程
- 分組：參與者隨機分為對照組、主動組和 MI 組。
- 伸手任務：參與者進行右臂伸向目標的任務，共 60 個塊，包括 6 個基線塊、50 個適應塊和 4 個消退塊，每個塊有 16 個正常試驗和 2 個夾緊試驗。在適應階段的正常試驗中，速度相關的卷曲力場會干擾從中間目標到最終目標的伸手運動，力場方向取決于提示目標相對于最終目標的位置。主動組進行兩次連續的外顯伸手動作；MI 組想象第一次伸手動作，隨后進行一次主動的最終伸手動作；對照組僅進行一次伸手動作。
- 定時檢查任務：所有參與者都進行此任務，包含兩次伸手動作：從提示到中間目標，再從中間目標到最終目標，共兩個塊，每個塊 24 次試驗。
- 想象握拳任務：僅 MI 組參與者進行此任務。在實驗后期，參與者坐在 Kinarm 機器人中，右手置于中間目標位置，看到白色固定十字變為紅色時，想象盡可能用力地握拳 3 秒，紅色變回白色時放松，該序列重復 40 次。由于新冠疫情限制，部分參與者未進行此任務，最終該任務樣本為 16 名參與者。
- 問卷調查：實驗結束后，參與者填寫問卷，一方面了解他們是否注意到力場方向和提示位置之間的特定模式，另一方面讓 MI 組參與者對想象伸手動作的難易程度進行主觀評分。
三、研究結果
- 運動學結果
- 適應情況：在適應階段開始時，伸手軌跡會朝著力場方向彎曲。主動組在適應階段結束時能夠調整伸手動作以抵消力場影響，而對照組的伸手動作仍受到較大干擾。關鍵發現是，MI 組也表現出了適應，但適應程度較弱，在適應階段結束后，伸手軌跡仍有明顯彎曲。通過計算最大垂直誤差（Maximal Perpendicular Error，MPE）發現，主動組和 MI 組在適應階段的 MPE 變化顯著，且主動組的 MPE 變化最大，MI 組次之，對照組最小。在消退階段，主動組的后效應最強，MI 組次之，對照組幾乎沒有后效應。
- 預測補償：在夾緊試驗中測量力場補償（Force Field Compensation，FFC）發現，各實驗組的 FFC 適應模式與 MPE 相似，表明想象與力場方向相關的先前運動能夠實現運動適應，盡管不如實際進行先前運動那么有效。
- 定時檢查任務結果
- 反應時間與停留時間：在定時檢查任務中，所有組開始向中間目標伸手的速度相似。但分析在中間目標的停留時間發現，主動組在中間目標的停留時間比 MI 組和對照組都短，MI 組的停留時間也比對照組短。這表明 MI 組能夠將混合序列訓練應用于完整序列的執行，形成了兩個關聯運動的表征。
- 速度融合：對伸手動作速度融合的分析結果與停留時間分析結果一致，主動組的伸手動作融合程度最高，MI 組高于對照組，說明混合序列訓練有助于提高兩個伸手動作的執行效率，減少動作間的速度下降。
- 運動想象期間的神經振蕩變化
- 想象握拳任務中的 EEG 變化：在想象握拳任務中，觀察到在對側感覺運動皮層的電極上，α 和 β 頻段出現事件相關去同步（Event - Related Desynchronization，ERD），這與先前研究結果相符。
- 伸手任務中的 EEG 變化：在更復雜的伸手任務中，未觀察到典型的側向化運動想象模式，可能是由于想象、計劃和執行運動的神經活動重疊。比較對照組、MI 組和主動組的功率變化，發現差異主要出現在任務不同的時間窗口以及伸手動作完成并給予反饋之后。
- 想象握拳任務的 EEG 預測運動適應
- 綜合分析：將 3 個行為適應指標（適應階段 MPE 的變化、基線和消退階段 MPE 的變化、適應階段結束時的 FFC）線性組合成一個整體誤差減少指標，測試其與想象握拳任務中每個時間 - 頻率 bin 的相關性。結果發現，誤差變化與功率變化呈負相關，該相關性主要由 2 - 3.7 秒的功率變化驅動，涉及 α 和 β 頻段，在 C3 和 F3 通道最為顯著。負相關意味著更大的振蕩功率增加與更大的誤差減少（即更強的性能改善）相關。
- 峰值分析：對通道 C3 中個體 α 峰值 ERD 和 ERS 值與誤差減少的相關性分析表明，峰值 ERD 與誤差減少無顯著相關性，而峰值 ERS 與誤差減少強相關，基于 ERD 和 ERS 峰值差異的整體振蕩反應指標也與誤差減少相關。這表明想象握拳任務中更強的 ERS 和 α 頻段功率的更強整體調制都能預測伸手任務中的運動適應性能。
- 源重建分析：源重建結果顯示，在 ERS 時間窗口（2.5 - 3 秒），最強的負相關性主要出現在左后中央和額上區域；在想象握拳任務完成后的時間窗口（3 - 3.5 秒），最強的負相關性出現在左后中央和前中央區域。
- 伸手任務的 EEG 和運動想象主觀評分與運動適應的關系：在伸手任務中，未發現想象運動期間的振蕩活動與運動適應性能之間存在顯著相關性，可能是由于運動想象和運動計劃 / 執行過程重疊，掩蓋了振蕩動力學與適應性能之間的關系。同時，也未發現 EEG 功率與適應性能之間的關系，且運動想象的主觀生動性評分與運動表現或神經數據無關，這表明主觀評分可能無法可靠地反映與運動表現相關的運動想象方面。
四、研究討論
- 運動想象的作用機制：本研究表明，運動想象可以帶來超出目標運動本身表現提升的益處。通過將運動想象融入部分執行的運動序列中，訓練這種混合序列一方面有助于選擇期望的運動反應，另一方面可以將訓練效果轉移到外顯序列的生產中。這支持了功能等效模型，即運動想象涉及生成完整的運動計劃，只是在執行階段被抑制使用。想象的運動序列可以激活前向模型，預測相關的假設感覺結果，從而幫助個體應對序列中后續出現的力場干擾。
- 運動想象與實際運動的差異：盡管運動想象和實際運動在某些方面存在相似性，但二者仍有明顯區別。例如，運動想象期間一個腦區的活動增加并不一定意味著實際運動時該區域活動也會增加。本研究中觀察到，執行運動想象的參與者的適應性能低于實際執行整個伸手序列的參與者，可能是因為運動想象期間的神經激活較弱，對后續運動執行和混合序列學習的影響較小。有研究表明，運動想象主要激活初級運動皮層（M1）的淺層，而實際運動則激活淺層和深層，M1 深層的激活對大鼠的運動學習似乎至關重要，這可能解釋了本研究中觀察到的適應性能差異。
- 神經振蕩的意義：α 和 β 頻段的 ERD 通常被認為反映皮質興奮性，是運動系統皮質和脊髓參與的生物標志物，運動表現的改善通常與增強的 ERD 相關 。在運動想象中，實際運動和想象運動的 ERD 模式高度相似，表明它們具有共享的神經基礎。而 ERS 則在想象運動結束時出現，尤其是在 β 頻段，可能反映了感覺運動系統的重置、神經處理效率的提高或從想象動作中的脫離。本研究中，想象握拳任務中的 ERS 與伸手任務中的運動適應性能相關，可能是因為成功的運動適應需要執行功能的參與，而更強的 ERS 可能反映了在想象過程中執行控制的充分參與，進而與更好的適應性能相關。
- 相關腦區的作用：想象握拳任務中振蕩功率與運動適應之間的相關性在空間上廣泛分布，涉及對側感覺運動和前額葉區域。腹側運動前皮層（PMv）在編碼手部動作和物體操作相關動作中起關鍵作用，在運動想象研究中常被激活，其激活可能與存儲運動概念、運動準備、模擬或維持運動想象與實際運動執行的邊界等過程有關。背外側前額葉皮層（DLPFC）在運動想象中也持續被報道有活動，可能與高級控制過程有關，既參與運動抑制，也與適應性認知控制相關 。此外，成功的運動適應還需要軀體感覺皮層的參與，想象握拳后的振蕩活動同步可能反映了形成和更新運動記憶的能力，這也有助于解釋觀察到的相關性模式。
- 研究的應用與展望：本研究結果為體育訓練和康復治療開辟了新的可能性。例如，在中風恢復過程中，患者通常上肢大運動技能（如手臂伸展）比精細運動技能（如手指運動）恢復得更早。通過訓練由外顯伸手和想象抓握（或反之）組成的混合序列，可能借助運動想象對目標抓握運動的促進作用（如刺激與實際運動相同的神經通路、促進大腦可塑性）來幫助患者重新學習抓握運動。而且，經過練習，先前的伸手運動可以提示特定的（想象的）抓握運動，進一步促進學習過程。未來研究需要確定哪些類型的運動適合應用混合序列干預，以及最佳的訓練方法。同時，還應明確個體差異和有效干預的先決條件，通過功能成像研究更精確地描繪不同腦區在運動想象、適應和序列生產過程中的作用，以及它們對混合序列學習的貢獻。另外，由于本研究中想象運動的主觀生動性與表現改善或神經相關性無關，未來需要探索更有效的方法來評估運動想象的效果。
綜上所述，本研究證明了結合外顯和想象運動的混合序列能夠顯著提高對干擾力場擾動的適應能力。運動想象不僅可以提升想象動作的表現，還能改善相關聯的外顯動作的表現。并且，建立了運動適應能力與無關運動想象任務中觀察到的神經振蕩動力學之間的明確聯系，強調了個體運動想象能力差異的重要性，為未來基于運動想象的運動適應研究和應用提供了重要參考。
