フィギュアスケーターは、自然な反射神経を無視するように訓練しなければならない

今週月曜日、オリンピックのフィギュアスケートのアメリカ代表チームは、男子フリースケーティングでアダム・リッポン選手が見事な演技を見せたおかげで銅メダルを獲得した。リッポン選手の演技はそれほど難しいものではなく、競技中に転倒した2人の選手に上回られた。しかし、ほぼ完璧な演技で観客を魅了した。

競技の中でも最もアクロバティックな動きがない演技でも、見ていてかなり驚かされる。フィギュアスケーターは、私たちと同じ物理法則に従っているようには見えない。実際、彼らの技は、脳がバランスや複雑な動きを制御する仕組みを研究している科学者たちでさえ当惑させる。「テレビで見たら、止められない」とコロンビア大学ザッカーマン研究所の神経科学者ルイ・コスタは言う。「座って『まさか！』と思う」

しかし、彼と彼の同僚たちは、これらの一流アスリートの脳内で何が起こっているかについていくつかの考えを持っている。

フィギュアスケート選手が氷の上を滑れるようになるには、滑りやすい地面の上を動き回る際の生来の神経質さを脳が克服することを学ばなければならない。「この奇妙な地面の上にいると、通常の場合とは全く異なり、より極端なバランスのルールを学ばなければなりません」と、ザッカーマン研究所の神経科学者ネイト・ソーテル氏は言う。「ミスが許される余地はごくわずかです。」

私たちのほとんどは、リンクに足を踏み入れると、滑って後ろに傾き始めます。「私たちはまるで落ちていくように感じ、うまくいけば、前に傾いて体を安定させることで、後ろに倒れるのを素早く修正します」とソーテル氏は言います。これらの反射は、脳の小脳と呼ばれる部分によって制御されています。小脳は、頭がまっすぐになっていないという内耳からの信号を受け取ると、体を引っ張って戻すように筋肉に運動命令を出します。

「こうした反射神経は、私たちを守るために当然備わっていますが、アクロバットやフィギュアスケートの分野では適応的ではありません」とソーテル氏は言う。「フィギュアスケート選手は、どういうわけか、意図的にそうした動きをすることができ、［一見］楽々と、通常であれば直立姿勢に戻る反射神経を使わずに行うことができます。そこで疑問なのは、彼らはどうやってそれができるのかということです。」

ソーテル氏は、脳がどのようにして体の動きに関連する音や感覚を認識し、その後これらの感覚を遮断するかを研究している。ソーテル氏と研究チームは、脳の蝸牛背核と呼ばれる領域が、マウスのノイズキャンセリングヘッドホンのように機能し、水柱をなめるときにマウスが出す音に気を取られないようにしていることを発見した。この脳領域は、内耳からの聴覚メッセージと、脳の他の部分から発せられる運動コマンドのコピーを受信する。この領域が受信する音がマウスが水をなめるときに発せられた音である場合、ニューロンは沈黙する。これは、マウス自身の動作に関する情報を使用して、マウスが引き起こす可能性のあるノイズをキャンセルしていることを示す。

フィギュアスケート選手が新しい動きを学ぶとき、同様のプロセスが小脳で起こるとソーテル氏は言う。彼らの脳は、故意に後ろに傾くと、落下感覚が伴うことを予期することを学ぶのだ。

「こうした運動指令のコピーは小脳に送られ、それが小脳にこの動きが故意に行われたことを知らせるのです」とソーテル氏は言う。「氷の上で滑るという状況では、より高次の中枢から運動指令が送られることはありません。滑っているから何かしたほうがいい、という感覚情報だけがあるのです。」

練習を重ねることで、脳はその感覚を和らげ、スケーターが反射的に起き上がらないようにする。「実際に転ぶわけではないので、時間が経つにつれて、大丈夫、生き残れるということを脳が学習するのです」とソーテル氏は言う。

最終的に、フィギュア スケーターはためらうことなくジャンプしたり回転したりできるようになり、これらの動作を次から次へとシームレスに実行できるようになります。これらの移行ポイントは、スケーターがしばしばつまずく場所です。「しかし、練習すると、個々の動作がすべて 1 つの動作であるかのようにリンクされます」とコスタは言います。

彼は、脳が複雑な動きを組み立てる方法をどのようにして学ぶのかを研究している。彼は、ピアノを弾く人の脳の活動を測定した。鍵盤を押すたびに、運動皮質と基底核が急激に活動し、動きを開始し、制御する。人が新しいメロディーを学ぶと、各音符の前の活動の急増は消え、最初の音符と最後の音符の前だけになる。

フィギュアスケート選手が競技のためにリンクに足を踏み入れる頃には、彼らの脳は細かい動作をすべて計画する必要はなく、動きを始動させる活動の爆発は各要素の前ではなく、演技の冒頭で起こるかもしれないとコスタ氏は言う。

チャンキングと呼ばれるプロセスは、スケーターの動きを結びつけるのに役立ちます。これは、電話番号を3桁または4桁のグループに分けて覚え、扱いやすくするのと似ています。基本的に、スケーターが行う複雑な動作の各部分の指示は、運動皮質のさまざまな部分から送られます。大脳基底核はこれらの信号を受け取ります。同じ順序で何度も発生すると、大脳基底核はそれらをグループ化し、最初の動作を実行すると残りの動作が自動的にトリガーされるようにします。時間が経つにつれて、一連のジャンプ、スピン、ステップがルーチン全体に固定されます。

時々、スケーターはこれらの要素の 1 つでつまずくことがあります。「物事がうまくいかないと、ひどい結果になることがあります」とコスタは言います。「しかし、時には少しだけうまくいかなくて、ジャンプが完璧でなくても、数ミリ秒以内に軌道に戻ることができます。」

脳の一部は、これらの動作がどれだけうまく実行されているかに細心の注意を払っています。しかし、科学者たちは、これがどのように起こるのか、また脳のどの部分が関係しているのかを実際には理解していません。「脳はどのようにして時間を遡り、問題の原因を正確に突き止めるのでしょうか？」とソーテル氏は疑問に思います。「脳はどのようにして正しい種類のエラー信号を計算し、それを使って実際に動作を修正するのでしょうか？」

また、フィギュアスケート選手の脳が他の選手とどう違うのかも謎だ。学習は、脳がさまざまなニューロン間の接続を強化する能力に依存している。しかし、スケーターがダブルアクセルやビールマンスピンのやり方を習得するときに起こる微細な変化は、非侵襲的に観察できる技術がない。

しかし、血流の変化を測定する画像技術である fMRI を使ってフィギュア スケーターの脳をのぞいてみると、何か特徴的な行動が見られるかもしれません。科学者がビデオ ゲームや記憶ゲームをしている人の脳を画像化すると、さまざまな領域で同期した活動の爆発が見られました。フィギュア スケーターの場合、運動皮質と基底核の間には多くの関連した活動があると思われます、とコスタ氏は言います。

「フィギュアスケート選手の脳内で何が起こっているかを知ることができれば素晴らしいことです」と彼は言う。しかし、「複雑なため、フィギュアスケートを直接研究することはありません」。その代わりに、神経科学者は彼らの驚異的な技のより単純なバージョンを研究している。

なぜなら、フィギュアスケートは、人間がもともと優れた親和性を持つ技術を極限まで披露する競技だからだ。「人間は運動技能を習得するのが最も得意な動物の1つでしょう」とソーテル氏は言う。長洲未来選手のトリプルアクセルは着地が異常に難しいが、グラスを拾ったりはしごを登ったりといった日常的な動作でさえかなり複雑だ。

「人々はロボットに協調的な動作やサッカーをさせようと一生懸命努力しますが、結果はおそらく2年生や幼稚園のチームよりはるかに悪いです」とソーテル氏は言う。「これは問題動作がいかに難しいかを物語っています。」