不确定性和时间压力下的运动决策研究

2025-02-11 Tue
不确定性和时间压力下的运动决策研究学术背景在日常生活中，动物和人类经常需要在多个可能的行动选项中选择一个最合适的动作。然而，面对目标的不确定性和时间压力时，如何规划和执行这些动作仍然是一个未完全解决的神经科学问题。传统的观点认为，大脑在面对目标不确定性时，会通过竞争或综合多个部分准备好的运动计划来选择最终的动作。然而，另一种观点则认为，大脑只会为每个时刻选择并优化一个单一的运动计划，而所有的决策都在运动规划之前完成。
为了区分这两种假设，Samuele Contemori和Timothy J. Carroll在论文中设计了一项实验，研究在目标不确定性条件下，人们如何规划和执行动作。特别是在时间压力下，人们是否会“平均”多个潜在动作的运动动力学（motor averaging），还是选择单一优化的运动计划。这项研究对于理解运动决策的神经机制具有重要意义。
论文来源本论文由澳大利亚昆士兰大学人类运动与营养科学学院的运动表现研究中心（Centre for Sensorimotor Performance, School of Human Movement and Nutrition Sciences, The University of Queensland）的研究人员Samuele Contemori和Timothy J. Carroll共同完成。论文于2025年1月发表在《Journal of Neurophysiology》上，题为“Motor decision-making under uncertainty and time pressure”。
研究流程研究设计研究基于Alhussein和Smith（2021）的实验范式，进行了一些关键修改。参与者需要在不确定最终目标的情况下，立即启动朝向两个相反目标的伸臂动作。为了增加时间压力，参与者必须在目标呈现后500毫秒内启动动作，平均反应时间控制在250毫秒左右。通过施加相反的旋力场（curl force fields），研究者将伸臂动作的动态特征与不同的目标方向关联起来。
参与者与实验设置实验共有24名健康右撇子成年人参与，最终17人完成了完整的学习任务。实验使用二维平面机械臂（vBot）进行，参与者通过视觉反馈控制手臂动作。实验中，目标分为中心目标和左右侧目标，每个目标方向都关联着不同的旋力场。参与者需要在不同的实验阶段进行单目标和双目标伸臂任务。
实验阶段实验分为三个阶段：基线阶段、训练阶段和测试阶段。
基线阶段：参与者进行两轮单目标熟悉化任务，每轮45次，随后进行双目标任务。
训练阶段：参与者进行七轮单目标任务，每轮60次，期间随机插入通道力场（channel force field）测试。
测试阶段：参与者进行六轮任务，每轮80次，包括单目标和双目标任务，主要评估新学习的伸臂动态在双目标条件下的表现。
数据分析研究者记录了参与者的运动学（kinematic）和动力学（dynamic）数据，分析了对旋力场的适应程度，以及目标不确定性和时间压力对伸臂动态的影响。通过接收者操作特征（ROC）分析和线性混合效应模型（LMEM），研究者评估了不同目标条件下伸臂动态的差异。
主要结果目标不确定性对反应时间的影响研究发现，无论单目标还是双目标条件下，参与者的反应时间（RT）没有显著差异，表明动作启动时间与目标是否提前知悉无关。然而，在双目标条件下，伸臂的初始方向往往介于两个潜在目标之间，表明参与者在没有明确目标的情况下会采取中间策略。
伸臂动态的选择研究的关键发现是，在双目标条件下，参与者的伸臂动态仅与中心目标的动态一致，而非两个侧目标的动态平均。即使在反应时间最短的情况下，伸臂动态也未表现出对侧目标动态的“平均”现象。这一结果支持了“动作选择在下游完成”的假设，即伸臂动态的规划发生在目标选择之后，而非通过并行准备多个运动计划来实现。
时间压力下的运动学习研究还发现，时间压力显著影响了参与者的运动学习效果。尽管参与者成功适应了旋力场，但与无时间压力的实验相比，适应程度较低（约50%的理想补偿力）。这表明，时间压力降低了运动学习的效率，但不改变伸臂动态的选择机制。
结论本研究揭示了在目标不确定性和时间压力下，伸臂动态的规划发生在动作选择的下游，而非通过平均多个潜在动作的动态来实现。这一发现支持了“单一运动计划优化”假设，即大脑在目标选择后才会指定具体的运动动态。研究不仅深化了我们对运动决策神经机制的理解，还为未来研究提供了新的实验范式。
研究亮点时间压力的引入：研究通过严格控制反应时间，首次在目标不确定性条件下探讨了时间压力对运动决策的影响。
伸臂动态的选择机制：研究通过旋力场的实验设计，明确区分了“动态平均”和“单一动态优化”两种假设。
运动学习的效率：研究揭示了时间压力对运动学习的负面影响，为进一步研究运动学习的时间依赖效应提供了重要参考。
其他有价值的信息研究还探讨了多目标条件下的神经机制，提出了一种可能的解释：大脑可能会将虚拟中心目标视为一个竞争选项，从而在双目标条件下优先选择中心目标的动态。这一观点为未来的神经机制研究提供了新的思路。
这项研究通过精心设计的实验和深入的数据分析，为理解运动决策在不确定性和时间压力下的控制机制提供了重要的科学依据。