行走是一項常被視為人類理所當然的活動。 人們通常認為自己可以同時進行”走路和嚼口香糖”等多任務處理，只需花費極少的腦力。 事實上，每條腿都可以在脊髓一側的控制下有節奏地獨立運動。然而，當遇到障礙或不對稱情況（如道路上的彎道）時，人腦協調步態的能力就顯得不那麼重要了。

大阪大學的一項新研究揭示瞭如何保持正常的行走步調，為改善腦外傷或其他神經問題患者的復健技術提供了啟示。

步態測量實驗。 圖片來源：2024 年，Arai 等人，行走過程中肢體間的協調並未受到嚴格控制，《通訊生物學》

這項研究最近發表在《通訊生物學》（Communications Biology）上，研究人員採集了健康患者在跑步機上行走的運動數據，這些數據偶爾會受到速度突然變化的干擾。 這導致反相關係的瞬間喪失，但隨著受試者調整行走運動的方向，反相關係很快就恢復了。

研究人員利用兩個耦合振盪器的數學模型（類似於由彈簧連接的兩個鐘擺）和貝葉斯推理方法對實驗數據進行了分析。 透過這種方法，研究人員計算出了代表大腦如何控制協調腿部運動的最可能函數。

為了進一步簡化問題，我們應用了相位還原理論，該理論假定受到擾動的系統會回到一個有規律的週期性解決方案，即極限週期。 “這項研究的主要作者新井孝弘說：”利用貝葉斯推理，我們能夠以定量的方式推斷出腿部協調的控制情況。

使用相位振盪器的肢體間協調控制模型。 圖片來源：2024 年，Arai 等人，行走過程中的肢體間協調並未受到嚴格控制

令人驚訝的是，研究人員發現，相對相位不會受到大腦的主動控制，直到與正確的反相位方向的偏差超過一定的閾值。 也就是說，在雙腿的相對位置偏離一定程度之前，大腦不會主動幹預協調雙腿的相對位置。 他們認為，不需要持續進行控制可以提高能量效率和機動性。

資深作者Shinya Aoi 說：『根據我們的模型，我們發現大腦既不會過度控制，從而限制我們克服障礙的能力，同時也會消耗大量腦力；也不會過度鬆懈，從而導致腿部過於不協調而跌倒。

肢體間協調的預期控制和估計控制。 圖片來源：2024 年，Arai 等人，行走過程中的肢體間協調並未受到嚴格控制

這項研究對於幫助老年人或因中風或帕金森氏症而受到神經系統影響的人改善行走能力可能非常重要。 它還可能有助於開發物理輔助工具，幫助人們更自然地行走。

編譯自/ SciTechDaily