前瞻性姿势控制源自一种用于运动准备的预测与优化策略

身体如何为突发晃动做准备

想象你站在即将启动的列车上。你无需思考，就会紧绷某些肌肉并微微前倾，以免失去平衡。这项研究探讨人们如何提前准备身体以应对预期的扰动，比如脚下地面倾斜，并检验这些安静的调整是否可以被解释为大脑对未来的预测与高效的运动规划。

地面移动前的细微前倾

在实验中，志愿者站在一个可以缓慢抬起脚趾、将身体向后推的平台上。有时平台在没有警告的情况下倾斜；有时则通过一声短促的提示音告知倾斜将在约两秒后开始。有了这个提前提示，许多参与者在地面实际移动前就将体重向前转移。身体重心——表示体重集中位置的一个点——向脚趾方向移动了几厘米，身体由此产生的倾斜有助于减少平台开始移动后摆动的程度。

小腿肌肉出乎意料的作用

当身体向前倾时，直觉上可能认为小腿前侧的肌肉会牵引身体向前。然而，研究者发现关键角色是小腿后侧的大腓肠肌。随着提示音后重心向前移动，该肌肉的活动逐渐增强，而胫骨前侧肌肉大多保持安静。乍看之下这很令人费解，因为腓肠肌在踝部产生的是向后的牵引力。数据表明，身体重心向前移动得越多，这个产生向后作用的肌肉就越强烈地被激活。

让重力承担一部分工作

为理解这一反直觉模式，研究团队借鉴控制工程的思想，构建了一个简化人体的计算模型。在该模型中，两个连接的刚性段站在可倾斜的地面上，由虚拟肌肉驱动。一个控制系统持续预测未来几秒内身体的运动，并选择能在尽可能少的努力下保持身体稳定的肌肉信号。当模型“知道”即将出现向后的地面倾斜时，它自然产生了与人类志愿者相同的行为：重心向前移动，模拟的小腿肌肉活动增强，尽管该肌肉的牵引方向是向后。模型显示，通过先短暂放松某些肌肉，重力可以像温和的倒下那样使身体向前倾斜，然后腓肠肌可以作为制动器，在地面真正倾斜前将身体在一个更安全的位置接住。

高效规划，而不只是反射

研究者还考察了控制系统规则变化如何影响这些准备动作。当肌肉用力不被罚分时，模型更多依赖主动牵拉来维持姿势；当系统被要求节能时，出现的策略是利用重力，主要通过被动倾倒将身体向前移动，并用腓肠肌防止坍塌。前移的幅度取决于模型预期的扰动大小，但它并不将身体锁定在一个固定姿势；相反，在不同起始站姿下产生了相似量级的前移。对模型的额外调整还再现了地面开始移动后出现的快速、类反射的肌肉爆发，表明预测性规划与快速反射可以协同工作。

这对平衡与健康的重要性

总体而言，研究支持这样的观点：前瞻性姿势控制源于大脑预测即将变化的能力，并选择利用重力有利一面的肌肉模式同时保持平衡。神经系统并非仅在地面移动时被动反应，而是提前静默调整姿势，转移重心并调节肌肉活动，使即将到来的扰动更易应对。理解这些预测策略有助于解释为何某些神经系统疾病（如影响小脑的疾患或帕金森病）会导致站立和行走困难，并可能为恢复身体对突发情况准备能力的训练或康复方法提供指导。

引用: Funato, T., Ogawa, M., Konosu, A. et al. Anticipatory postural control emerges from a predictive and optimized strategy for movement preparation. Commun Biol 9, 629 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-10016-2

关键词: 姿势控制, 平衡, 预期运动, 重力与运动, 运动控制