运动想象发展和本体感受整合:综述和实验



1.背景

先前研究从5到9岁的儿童身上,观察到的运动想象表现与儿童的某种能力相关,这种能力是逐步控制本体感觉,以控制动作的能力。 本研究旨在了解儿童是否可以在运动想象过程中,将本体感觉信息与来源于其他感官的信息整合,5至9岁儿童的运动想象表现的发展,是否可能与将本体感受和其他感觉信息整合的能力增强相关。

2.综述

运动想象是指在不执行任何身体动作的情况下在心理上预演特定运动动作的能力(Jeannerod,1994; Mulder,Zijlstra,Zijlstra和Hochstenbach,2004)。 正如Jeannerod(2001)指出的那样,人体运动的模拟可能伴随着有意识的(显性运动想象)或无意识的(内隐运动想象)体验。

在成年人中进行的许多功能性神经影像学研究表明,在运动想象的显性和隐式形式以及运动执行过程中都牵涉到共享的神经结构,包括顶叶和额叶皮层,补充运动区,前运动和初级运动皮层,基底神经节和小脑。 (有关的综述,请参见Decety,1996年; Fadiga和Craighero,2004年; Jeannerod,2001年)。 显性运动和内隐运动所涉及的中心结构有局部重叠也表明,运动想象和运动执行具有相似的运动控制机制。

实际上,运动想象与生成一个模型的能力密切相关,这个模型是涉及到预测性运动控制的相反的/逆向的,和向前的内部模型。(Papaxanthis,Pozzo,Skoura和Schieppati,2002; Wolpert和Flanagan,2001)。 其中,逆向模型确定实现某些想实现的运动,所需的适当运动命令。 当将运动命令发送到效应器时,这些运动命令的传出副本会被生成,并将其发送到向前的内部模型。 传出的副本将会允许运动系统能够预测自发运动,并先于自发运动的感觉结果行动。然后将该感觉预测与(通过执行运动提供的)感觉反馈相比较,以觉察到感觉错误。 而在运动想象期间,运动实际上没有执行时,正向模型会(根据逆模型提供的适当但受阻的运动命令)提供准确的感官预测(Papaxanthis,Pozzo,2002; Wolpert&Flanagan,2001)。 通过这种方式,运动想象可以被定义为一种内部动力学状态,它与被试使用内部模型预测动作的感觉结果的能力有关(Gabbard,Caçola和Bobbio,2011; Grush,2004; Papaxanthis,Pozzo,2002)。 根据此陈述可以断定,在运动想象任务中的表现,可能取决于我们提供给被试的感觉传入。 (补充1:运动系统的三个模型:内部模型、逆向模型、前向模型)

根据心理测时法范例(mental chronometry paradigm),其中一些研究比较了在无负荷和额外的轻微负荷条件下(例如,在承受1或1.5公斤负荷的情况下,进行周期性的肩部运动)的真实和心理持续时间(Gentili,Cahouet,Ballyy和Papaxanthis,2004; Papaxanthis,Schieppati,Gentili和Pozzo,2002年; Slifkin,2008)。 这些研究的结果表明,在无负荷以及有负荷的情况下,实际和心理持续时间之间存在匹配,这表明成年被试能够整合负荷的本体感受反馈,并做运动想象。(Slifkin,2008)。这里实际的真实的身体运动和运动想象是否存在对等关系,取决于给定动作的负载与效应器系统最大容量的接近程度,也就是不能重载,在重载的情况下(例如,背负着20%体重的背包),逆向模型提供的运动命令将不完整,从而通过向前的模型产生不确定的感觉预测(Munzert,Blischke和Krüger,2014; Slifkin,2008)。 (补充2 心理测时法)

除了肌肉运动知觉的和本体感受的传入外,其他研究也表明运动想象可能还需要同时使用视觉和听觉(Annett,1995; Fourkas,Ionta和Aglioti,2006; Mizuguchi,Nakata,Uchida和Kanosue,2012; Munzert,Lorey,&Zentgraf,2009; Stevens,2005)。 基于干扰任务的研究表明,当对被试进行视觉干扰时,运动想象效率会受到损害,当向被试提供与真实动作一致的视觉或听觉提示时,运动想象效率得到改善(Smyth&Waller,1998; Stevens,2005;Conson,Sarà,Pistoia和Trojano,2009; Heremans等,2009)(这几句是自己总结合成的综述)。 综上所述,这些研究表明,在成年人中,运动想象同时涉及不同的感觉成分(本体感受,视觉和听觉)。

关于运动想象发展的大多数研究都调查了儿童时期这种能力与年龄相关的变化。 这些研究表明,运动想象能力出现在5至7岁之间,并在儿童和青少年时期逐渐完善,通常在9岁左右就可以观察到运动想象发展的微调,反映了运动模型之一的内部模型有轻微改良,这种发展趋势可以与产生和使用参与预测性运动控制的内部作用模型的不断发展的能力联系起来。 预测性运动控制的发展与在进行外显运动时,在5至10岁时,整合视觉和本体感受输入的能力有紧密联系。根据Contreras-Vidal(2006)的观点,直到至少7岁,儿童的本体感受敏锐度依旧很弱,使学龄前儿童无法准确整合本体感受反馈,来纠正他们正在进行的运动。 使用被动运动任务的研究,揭示了对于本体感觉敏锐度,最快的改善发生在5至7岁之间。 在大约7岁时,儿童开始适当地使用本体感觉信息来在线控制运动,但是主要依靠视觉反馈来纠正运动。如Chicoine等人所述(1992年),在8或9岁以下,传入信息的不同来源彼此独立处理。仅在大约9岁时,发生了从视觉依赖到信息多感官并用的转变,以控制正在进行的动作,从而使视觉和本体感觉的矫正运动相一致。因此,儿童期预测性运动控制的逐步改善,可能反映了将本体感受传入与视觉整合的能力增强(Chicoine等,1992; von Hofsten&Rösblad,1988)。

据作者所知,只有一项研究调查了使用感官控制运动的发展趋势是否会影响儿童想象中的运动的准确性(Guilbert,Molina,&Jouen,2016)。这项研究评估了轻微负荷的本体感受反馈是否会改变5岁,7岁和9岁儿童的运动想象表现,被试所承受的负荷等于其体重的5%。结果显示,在5岁以下的儿童中,佩戴外部负载会导致运动想象能力下降,而在7岁的儿童中则没有影响,9岁的儿童的能力得到改善。这种结果模式被解释为揭示了从5到9岁观察到的运动想象表现与儿童的某种能力相关,这种能力是逐步控制本体感觉传入来控制动作的能力。更准确地说,只有到7岁时,儿童才能适当地开始使用本体感受反馈来纠正正在进行的运动,从而能够在运动想象期间唤起本体感受。正如在Guilbert等人的研究中一样(2016年),只添加了本体感觉信息,使得想象专注于运动感觉,因此无法理解本体感觉信息是否可以在运动想象过程中与其他感官信息来源整合。 为了扩展Guilbert等人的研究,当前的研究旨在了解在5到9岁之间观察到的运动想象程度与某种能力有关,这种逐渐增长的能力是将本体感受传入和与想象的运动有关的视觉和听觉信息整合起来的能力。

3.方法和材料

为了实现此目标,我们比较了接受视觉和听觉输入(VA状况)或视觉,听觉,本体感觉输入(VAP条件)的96位儿童(分别为32位5岁,32位7岁和32位9岁儿童)的运动想象表现,通过基于步行任务的心理测时范式来评估运动想象能力。 在此实验中,所有儿童需要完成两个运动条件:执行条件(用自己的身体走路)和化身条件(看着屏幕上以自己的步行速度走路的化身走路时,想象自己在走路);所有被试都在三个不同的距离(2、4和6 m)上执行了上述两个运动条件。每个年龄段的被试被分为两个实验组。两个实验组分别执行VA 和VAP条件。这些不同的操作产生了3 ✖2✖ 2✖3混合因子设计,其中包括年龄(5岁,7岁或9岁)和实验条件(VAP或VA)作为被试间变量和运动(实际运动或化身)和距离(2、4或6 m)作为被试内变量。其中,VAP条件下化身也携带挎包。 所有孩子都需要先执行运动条件,然后再执行化身条件。即被试在执行了三个执行试验之后,执行了三个化身试验(见图2)。因此,在此实验中无法平衡运动和运动想象的呈现顺序。然而,一些研究表明,在成年人(Papaxanthis,Schieppati等,2002)和儿童(Guilbert等,2016; Molina等,2008)中,时间对应关系并不依赖于任务呈现顺序(实际运动先于或后于模拟运动)。

图1

图2

PS.实验结束时,询问孩子们是否在任务中计数了化身的步数。该实验中的所有儿童从未报告过使用这种数字策略。

4.数据分析和结果

被试执行的动作和化身的动作之间的时间对应关系被视为儿童从模拟运动能力的指标。测试运动持续时间分布的正态性(Shapiro–Wilk检验)和方差的等效性(Levene检验),以控制参数分析可用于评估运动想象表现。为了确定在化身任务期间显性运动的持续时间是否与隐性运动的持续时间相关,针对每个年龄组(5岁,7岁或9岁)和每种实验条件(VAP或VA),考虑到所有距离计算了皮尔逊相关性。然后,使用Fisher的r-z转换来测试被试组之间执行的和化身的步行运动持续时间之间的相关大小是否不同。最后,对被试年龄因素(年龄,5岁,7岁或9岁)和实验条件(VAP或VA)做为被试间因素,将运动(真实的运动,或化身运动)和距离(2、4和6 m)作为被试内因素来研究各组被试的运动想象,进行3×2×2×3混合模型方差分析。使用计划的比较分析了预期的相互作用,而通过Tukey事后测试评估了非预期的相互作用。

(1) 实际运动与化身运动相关性分析

在VA状况(r = .56,p <.001)和VAP状况(r = .56,p <.001)下,观察到5岁儿童的实际行走时间与化身行走时间之间存在显着相关性。 对于VA情况(r = .79,p <.001)和VAP情况(r = .86,p <.001)的7岁儿童,以及在VA条件(r = .90,p <.001)和VAP条件(r = .86,p <.001)下的9岁儿童,都是如此。 因此,无论儿童的年龄大小和实验条件如何,虚拟化身行走的持续时间都与真实行走的持续时间相关,并涉及到了所有距离。 在VA状态下,实际运动与化身运动之间的相关性:五岁儿童<七岁儿童<九岁儿童; 在VAP条件下,实际运动与化身运动之间的相关性:五岁儿童<七岁儿童≈九岁儿童。

(2) 运动持续时间的分析

实际和虚拟角色的步行时间都随着距离的增加而增加;在两种运动条件下,运动持续时间随距离的增加而增加,距离与运动条件(真实和虚拟角色)之间没有相互作用。运动条件和年龄之间存在显着的相互作用,化身运动的持续时间长于实际运动的持续时间,但这种影响随被试的年龄而变化。在5岁儿童中,化身的行走时间比真实的行走时间长得多,F(1,90)= 24.89,p <.001;在7岁的儿童中,化身的行走时间比实际的步行时间更长,F(1,90)= 8.52,p <.01;在9岁儿童中,实际运动的持续时间与化身运动的持续时间没有显着差异。 运动条件与实验条件之间存在显着的相互作用,与VA条件相比,VAP条件下真实和虚拟角色运动持续时间之间的差异更为明显:当儿童需要负载重物时,实际的步行时间比化身的步行时间短,但是,当没有对孩子施加任何负荷时,真实和虚拟角色的运动持续时间没有差异。 运动条件,年龄和实验条件之间存在显著三向交互作用: 在5岁儿童中,VAP条件下,虚拟化身的行走时间明显大于实际行走时间,而VA条件下,虚拟化身的行走时间与实际行走时间没有差异;在7岁儿童中观察到了类似的模式,在VAP条件下,化身的行走时间明显长于实际的行走时间,而当孩子没有承受负荷时,化身与实际运动持续时间之间没有差异;在9岁的孩子中,无论是VAP还是VA,化身的行走时间都与实际行走时间没有差异。

5.讨论

5岁儿童在运动想象过程中难以整合来自多个感官来源(视觉,听觉和本体感觉)的信息,在9岁以上可以将本体感受与其他感官整合来控制运动。在这个年龄段,运动想象可能同时需要本体感受,视觉和听觉成分,方式类似于成年人。

5.1 讨论中值得标记的理论和假设

当前研究的目的是检验5至9岁之间的运动想象改善的发生,是否可能与将本体感受的传入与其他感觉信息来源整合的能力增强相关。为了达到这个目标,我们比较了两组儿童的运动想象表现。 结果表明,当向幼儿提供不同的感觉信息时,他们在运动想象过程中难以整合来自这些多个感官来源(视觉,听觉和本体感觉)的信息。这里有一个假设,正如Godoi和Barela(2008)指出的那样,这种困难的根源可能在于忽略(降低权重)无关的输入(即本体感受输入),而将注意力集中在可靠的输入(即视觉和听觉输入)上或在于增加相关信息的能力,这两种能力二者择其一。在先前的研究中,Guilbert等人(2016年)表明,只有从7岁开始,儿童便会整合负荷的本体感受反馈,并想象在没有其他任何感官提示的情况下走过不同的距离。同样,Molina等人(2008)发现只有当任务指示强迫他们去感觉自己的动作的本体感受后果时,运动想象才出现在7岁儿童中,而5岁儿童在这种情况下却无法显示任何运动想象能力。 到7岁时,尽管据报导本体感觉敏锐度有所改善,但儿童并未将此感觉来源与视力整合,而是主要使用视力来随时校正运动(Bard&Hay,1983)。我们的结果表明,在7岁时,视力和/或听觉也可以为运动想象提供强有力的支持。 但是,如果任务指导强迫儿童完全得、专门得要感觉到自己动作的本体感觉的结果/重要性(consequences),有时运动想象有时会以动作的感觉为中心(Molina等,2008)。 因此,在7岁的儿童中,运动想象可能与视觉和/或听觉结果中的一个有关,或者与针对上下文的想象动作的本体感受结果有关。 在9岁儿童中的运动想象表现没有差异。在这个年龄段,运动想象可能同时需要本体感受,视觉和听觉成分,方式类似于成年人。

多个感官反馈的集成是前馈控制的关键组成部分,它基于给定身体当前状态下对动作的感官结果的预测。因为运动想象基于准确地想象身体部位在空间中的位置的能力,所以这种能力必然取决于身体图式(body schema)的构建。 (补充3 前馈控制;补充4 身体图式)