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运动变异性主要源于神经信号的空间和时间噪声，本研究提出运动命令的精确计时是重要因素，通过单关节伸展、周期性力量输出及左右手比较实验验证，发现非惯用手肌肉时间变异性更大。
高木淳|伊藤翔|五味宏明
NTT通信科学实验室，日本神奈川县厚木市森之里3-1，243-0198
摘要
动作之间的差异使得顶尖运动员也无法每次都完成完美的动作。虽然神经感觉输入和运动输出的幅度波动被认为是造成这种差异的主要原因，但越来越多的证据表明，这些因素仅解释了观察到的变异性的其中一小部分。我们提出，相当大的一部分变异性是由于运动指令的时机不精确所致。这一理论最好地解释了在离散和周期性动作中观察到的位置和力度的变化。此外，我们还发现非主导手臂肌肉的时机变异性大于主导手臂，这表明用手习惯与左右手指令时机的变异性之间存在关联。我们的理论为理解运动变异性提供了一个统一的计算视角，这对于研究运动控制至关重要。
引言
运动员和音乐家以他们快速而精确的技艺令我们惊叹。我们了解大脑如何通过“组块化”（Rhodes等人，2004年）、高效的神经表征（Krakauer等人，2019年）或预先准备（Zimnik和Churchland，2021年）来加速动作，但通过练习减少动作变异性的过程尚未得到充分理解。那么，动作变异性的来源是什么呢？当移动一个关节时，主动肌和拮抗肌会依次激活，以加速或减速关节并使其停在目标位置。由于每次动作的肌肉活动时间序列不同，人类无法重复地以完全相同的精度执行相同的动作。这种每次动作的肌肉活动变异性的来源可能是空间上的，也可能是时间上的；前者影响肌肉活动的幅度，后者则改变其时间激活模式，或者两者兼而有之。
已经研究了两种类型的空间变异性。首先，主动肌和拮抗肌的活动幅度可能会因信号依赖性噪声（SDN）而波动，其幅度会随着激活规模的增加而增大（Harris和Wolpert，1998年）。其次，在计划动作目标时，由于空间噪声（SN），不同次试之间的动作幅度也可能有所不同（Gordon等人，1994年）。在这里，我们还考虑了两种形式的时机变异性（TV）：计划中的肌肉活动持续时间可能在不同次试之间被无意中延长或缩短，导致某些次试的动作比其他次试更快或更慢。这种持续时间噪声（DN）会影响动作的持续时间，从而导致动作之间的变异性（Meyer等人，1982年；van Beers等人，2004年）。我们还考虑了另一种类型的TV，即不同次试之间主动肌和拮抗肌的相对时机发生变化。这种指令时机变异性（CTV）可能导致主动肌和拮抗肌的不必要重叠，从而产生动作变异（Takagi和Gomi，2024年；Takagi和Honda，2025年）。
为了探究肌肉活动中的空间噪声、时间噪声或两者的组合是否能够解释每次动作的变异性，我们进行了三项实验。在第一项实验中，我们测量了离散的单关节伸展动作中的肌肉活动和位置变异性。第二项实验研究了肌肉活动与对固定把手施加的周期性力度的变异性之间的关系。第三项实验则评估了左右手臂在圆周运动中的时机变异性，以探讨这些变量是否与用手习惯有关。
方法部分
所有实验均在日本NTT通信科学实验室进行。这些研究已获得NTT通信科学实验室伦理委员会的批准，所有参与者在参与前均签署了书面知情同意书（前两项实验的批准号为R05-014，第三项实验的批准号为R03-011）。
肘部伸展实验结果
为了验证各理论的预测，我们观察了15名健康参与者用左肘向目标进行伸展动作时的力度变异性（图1a）。手的运动轨迹遵循经典观察到的钟形速度时间序列（图1b，中间左侧面板）。我们通过计算从动作开始到结束的欧几里得距离来获取每次动作的幅度（详见方法部分），然后计算其标准差
讨论
对肌肉活动峰值时机的详细分析及其与离散动作和周期性动作中力度变异性的关系表明，中枢指令时机的变异性是导致动作变异性的重要因素。动作之间的差异已被归因于由于动作计划的幅度和持续时间波动而产生的错误指令，以及动作执行过程中的噪声。动作变异性还可能
作者贡献声明
高木淳：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。伊藤翔：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论设计、概念构建。五味宏明：撰写——审稿与编辑、可视化、实验监督、方法论设计、实验设计、概念构建。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的研究结果。
