行走是一项经常被视为人类理所当然的活动。 人们通常认为自己可以同时进行"走路和嚼口香糖"等多任务处理，只需花费极少的脑力。 事实上，每条腿都可以在脊髓一侧的控制下有节奏地独立运动。然而，当遇到障碍或不对称情况（如道路上的弯道）时，人脑协调步态的能力就显得不那么重要了。
大阪大学的一项新研究揭示了如何保持正常的行走步调，为改善脑外伤或其他神经问题患者的康复技术提供了启示。
步态测量实验。 图片来源：2024 年，Arai 等人，行走过程中肢体间的协调并未受到严格控制，《通讯生物学》
这项研究最近发表在《通信生物学》（Communications Biology）上，研究人员采集了健康患者在跑步机上行走的运动数据，这些数据偶尔会受到速度突然变化的干扰。 这导致反相关系的瞬间丢失，但随着受试者调整行走运动的方向，反相关系很快就恢复了。
研究人员利用两个耦合振荡器的数学模型（类似于由弹簧连接的两个钟摆）和贝叶斯推理方法对实验数据进行了分析。 通过这种方法，研究人员计算出了代表大脑如何控制协调腿部运动的最可能函数。
为了进一步简化问题，我们应用了相位还原理论，该理论假定受到扰动的系统会返回到一个有规律的周期性解决方案，即极限周期。"这项研究的主要作者新井孝弘说："利用贝叶斯推理，我们能够以定量的方式推断出腿部协调的控制情况。
使用相位振荡器的肢体间协调控制模型。 图片来源：2024 年，Arai 等人，行走过程中的肢体间协调并未受到严格控制
令人惊讶的是，研究人员发现，相对相位不会受到大脑的主动控制，直到与正确的反相位方向的偏差超过一定的阈值。 也就是说，在双腿的相对位置偏离一定程度之前，大脑不会主动干预协调双腿的相对位置。 他们认为，不需要持续进行控制可以提高能量效率和机动性。
资深作者 Shinya Aoi 说："根据我们的模型，我们发现大脑既不会过度控制，从而限制我们克服障碍的能力，同时也会消耗大量脑力；也不会过度松懈，从而导致腿部过于不协调而摔倒。"
肢间协调的预期控制和估计控制。 图片来源：2024 年，Arai 等人，行走过程中的肢体间协调并未受到严格控制
这项研究对于帮助老年人或因中风或帕金森病而受到神经系统影响的人改善行走能力可能非常重要。 它还可能有助于开发物理辅助工具，帮助人们更自然地行走。
编译自/SciTechDaily