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慢動(dòng)作可以減緩疲勞出現(xiàn)？鋼琴演奏中神經(jīng)肌肉控制策略與疲勞的研究
慢動(dòng)作可以減緩疲勞出現(xiàn)？鋼琴演奏中神經(jīng)肌肉控制策略與疲勞的研究
慢動(dòng)作可以減緩疲勞出現(xiàn)？
鋼琴演奏中神經(jīng)肌肉控制策略與疲勞的研究
引言
在日常工作中，你是否會因久坐而感到腰酸背痛？在閑暇運(yùn)動(dòng)中，你是否會因重復(fù)性動(dòng)作而感到肌肉酸痛？這些不適往往是肌肉疲勞導(dǎo)致的，通常由長時(shí)間練習(xí)引起。對鋼琴家而言，肌肉疲勞是演奏中不可避免的問題，甚至?xí)?dǎo)致肌肉相關(guān)疾病。盡管許多專業(yè)鋼琴家在演奏年限、每日練習(xí)量、握力、慣用手和年齡等方面相當(dāng)，他們的疲勞的產(chǎn)生速率卻不盡相同。先前研究表明，疲勞產(chǎn)生可能受不同神經(jīng)肌肉控制策略的影響。因此，比對不同耐力特征鋼琴家的神經(jīng)肌肉控制策略，有助于找到延緩疲勞的關(guān)鍵因素。
加拿大蒙特利爾大學(xué)運(yùn)動(dòng)機(jī)能學(xué)與體育活動(dòng)科學(xué)學(xué)院運(yùn)動(dòng)模擬與建模實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列研究。通過研究在鋼琴疲勞演奏任務(wù)中，不同鋼琴家的肌電（EMG）激活水平變異性與運(yùn)動(dòng)學(xué)變異性的差異，揭示了鋼琴家采用的神經(jīng)肌肉控制策略差異，可能解釋了肌肉疲勞發(fā)展的原因。
圖1 文章封面
研究方法
該研究招募了49名鋼琴演奏家， 并要求其完成兩項(xiàng)鋼琴演奏任務(wù)（“數(shù)字任務(wù)”與“和弦任務(wù)”）。在過程中采集上肢肌電、關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)、疲勞誘發(fā)時(shí)間等數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)前至少五天，研究人員將兩項(xiàng)任務(wù)所需樂譜發(fā)送給參與者，分別為夏爾-路易·哈農(nóng)的《The Virtuoso Pianist》第7練習(xí)前兩小節(jié)，以及李斯特降B小調(diào)第二敘事曲S.171第119小節(jié)的三音和弦序列。并要求他們在實(shí)驗(yàn)當(dāng)天能夠準(zhǔn)確且自如地演奏這兩段曲目。
參與者被要求在不中斷的情況下以隨機(jī)順序完成“數(shù)字任務(wù)”和“和弦任務(wù)”，兩項(xiàng)任務(wù)之間給予了15分鐘的休息時(shí)間。數(shù)字任務(wù)要求快速重復(fù)彈奏 16 音序列，和弦任務(wù)要求彈奏復(fù)雜和弦序列，這兩種任務(wù)都需要較高的肌肉激活水平和準(zhǔn)確性，能加速肌肉疲勞的發(fā)展，便于研究人員觀察不同耐力鋼琴家在疲勞狀態(tài)下的神經(jīng)運(yùn)動(dòng)策略差異。為增加EMG激活水平并誘發(fā)肌肉疲勞，要求參與者以快速且響亮的方式演奏。節(jié)奏由節(jié)拍器控制，并通過放置在參與者左耳的耳機(jī)傳達(dá)。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控音量，鋼琴前方放置了一個(gè)顯示屏，便于參與者及時(shí)調(diào)整演奏力度。在演奏過程中，每30秒通過Borg主觀疲勞感知評估量表監(jiān)測一次參與者的主觀用力感受評分（RPE）。如果參與者連續(xù)兩次評分達(dá)到或超過7分，或者連續(xù)演奏達(dá)到12分鐘，則終止任務(wù)。
圖2 前臂表面的電極特寫（A）和前臂上7×7電極陣列及其下方肌肉分布示意圖（B）
參與者均佩戴了49個(gè)單極肌電電極，電極之間間隔2厘米，按照7×7矩陣排列，置于右側(cè)手腕屈肌和伸肌上（見圖2）。并且，參與者還在右側(cè)肱二頭肌、肱三頭肌、前三角肌、外側(cè)三角肌以及斜方肌上各佩戴了兩個(gè)單極電極，電極間距為2厘米。
此外，參與者還佩戴了17個(gè)慣性測量單元（IMUs），分別安裝在雙足、小腿、大腿、骨盆、軀干、頭部、雙肩、上臂、前臂和手部，以獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。同時(shí)，在鋼琴凳后左側(cè)1.5米處放置了一臺數(shù)字聲級計(jì)，用于監(jiān)測演奏過程中的聲強(qiáng)水平。
演奏任務(wù)結(jié)束后，依據(jù)兩項(xiàng)演奏任務(wù)的耐力表現(xiàn)，也即任務(wù)終止時(shí)間，采用K均值聚類算法和輪廓系數(shù)方法注1將參與者分為短耐力組和長耐力組，兩組輪廓系數(shù)（silhouette coefficient）分別為0.90和0.88。
單極肌電信號通過與鄰近單極肌電信號相減后得到雙極肌電信號。隨后經(jīng)過陷波濾波、帶通、零對齊得到初步肌電信號。之后，進(jìn)行全波整流獲得EMG激活水平，并根據(jù)任務(wù)中的幅值的平均值進(jìn)行歸一化，從而進(jìn)行組內(nèi)變異性計(jì)算。關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)通過XSENS MVN軟件提取，并進(jìn)行時(shí)間歸一化處理。
注1：輪廓系數(shù)作用：輪廓系數(shù)是一種評估聚類質(zhì)量的指標(biāo)，能衡量數(shù)據(jù)點(diǎn)在同一簇內(nèi)的緊密度以及與其他簇的分離度，其值介于 -1 和 1 之間，越接近 1 表示聚類效果越好。
研究結(jié)果
該研究將鋼琴演奏與肌電、運(yùn)動(dòng)學(xué)監(jiān)測設(shè)備相結(jié)合，高科技與經(jīng)典藝術(shù)碰撞，探究了神經(jīng)肌肉控制策略與肌肉疲勞的關(guān)系，為克服肌肉疲勞、預(yù)測肌肉疲勞相關(guān)疾病發(fā)生提供了高質(zhì)量證據(jù)。
該研究發(fā)現(xiàn)，短耐力組在兩項(xiàng)演奏任務(wù)中，EMG變異性注2增加較多，而長耐力組則沒有變化或明顯下降。此外，相較長耐力組，短耐力組在數(shù)字任務(wù)中肱二頭肌、前側(cè)三角肌與外側(cè)三角肌的EMG變異性增加得更多（圖3左圖）。值得注意的是，這一結(jié)果與先前研究中EMG變異性對抗疲勞發(fā)展的保護(hù)作用(Farina et al., 2008)或疲勞導(dǎo)致EMG變異性減少(Bailey et al., 2021)的結(jié)果部分相悖。然而，在高精確度的任務(wù)如鋼琴演奏中，EMG變異性的增加可能會影響運(yùn)動(dòng)精度。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，長耐力組的非疲勞鋼琴家保持較低水平的EMG激活變異性可能是為了減緩進(jìn)一步的疲勞發(fā)展。
圖3 (A)數(shù)字任務(wù)中EMG變異性變化。 使用顏色映射表示ANOVA結(jié)果的p值，包括組與時(shí)間的交互作用（左側(cè)）、組的主效應(yīng)（中間）和時(shí)間的主效應(yīng)（右側(cè)）。BI為肱二頭?。籘R為肱三頭??；AD為前三角?。籐D為外側(cè)三角?。籗T為上斜方肌。
注2：EMG 變異性即肌電圖信號的變異性，用于反映肌肉活動(dòng)時(shí)電信號的變化情況。在肌肉收縮過程中，運(yùn)動(dòng)單員的募集和放電模式會有所不同，從而導(dǎo)致 EMG 信號產(chǎn)生波動(dòng)，這種波動(dòng)就是 EMG 變異性的體現(xiàn)。
另一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)來自加速度分析，在數(shù)字任務(wù)中，大多數(shù)關(guān)節(jié)段的加速度變異性隨著時(shí)間增加而增加（見圖4），而在和弦任務(wù)中，前臂和手部的加速度變異性隨著時(shí)間增加而減少（見圖5）。此外，軀干加速度變異性在和弦任務(wù)中的加速度變異性比數(shù)字任務(wù)高出四倍（見圖4和圖5 Thorax），表明鋼琴家在和弦任務(wù)中更多地使用了軀干運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生按鍵速度。這可能是由于和弦任務(wù)由快節(jié)奏和需較大幅度的運(yùn)動(dòng)的段落組成。因此，為了保持較高的演奏水平，鋼琴家的加速度變異性空間非常小。若加速度變異性在某些關(guān)節(jié)段有所增加，可理解為因疲勞引起的部分“控制失調(diào)”，這種控制失調(diào)可能直接影響了加速度變異性。總而言之，加速度變異性在疲勞的影響下在兩項(xiàng)演奏任務(wù)中朝不同的方向發(fā)展，這可能是疲勞引起的結(jié)果，而非為了阻止疲勞繼續(xù)發(fā)展的神經(jīng)肌肉控制策略。
圖4 數(shù)字任務(wù)中，啟動(dòng)階段（Initiation）和任務(wù)結(jié)束/中期階段（Term./Mid.）加速度幅度的四分位數(shù)間距。
圖5 和弦任務(wù)中，啟動(dòng)階段（Initiation）和任務(wù)結(jié)束/中期階段（Term./Mid.）加速度幅度的四分位數(shù)間距。
結(jié)論與展望
總之，該研究驗(yàn)證了結(jié)束任務(wù)所需時(shí)間對鋼琴家EMG激活和加速度變異性的直接影響，突出了不同耐力特征的鋼琴家之間的神經(jīng)肌肉控制策略差異，這些差異可能與肌肉疲勞相關(guān)疾病相關(guān)。而關(guān)節(jié)角度變異性可能對疲勞發(fā)展有保護(hù)作用。后續(xù)研究可探究鋼琴家耐力訓(xùn)練對EMG激活和運(yùn)動(dòng)學(xué)變異性的影響，以優(yōu)化肌肉疲勞相關(guān)疾病的直接干預(yù)方案。
原文鏈接
Goubault, E., Turner, C., Mailly, R. et al. Neuromotor variability partially explains different endurance capacities of expert pianists. Sci Rep 13, 15163 (2023).
作者及研究團(tuán)隊(duì)介紹
該項(xiàng)工作的作者為Etienne Goubault，現(xiàn)就職于加拿大舍布魯克大學(xué)。該研究由加拿大蒙特利爾大學(xué)運(yùn)動(dòng)機(jī)能學(xué)與體育活動(dòng)科學(xué)學(xué)院運(yùn)動(dòng)模擬與建模實(shí)驗(yàn)室、加拿大蒙特利爾圣賈斯汀醫(yī)院研究中心、跨學(xué)科大腦與學(xué)習(xí)研究中心（加拿大蒙特利爾）和蒙特利爾大學(xué)音樂學(xué)院合作完成。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
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