太极拳左右腿单侧蹬伸期间时间局域化的神经肌肉组织特征

《Journal of Biomechanics》：Time-localized neuromuscular organization during left- and right-leg Taijiquan unilateral push-off

　　

摘要

单侧下肢勾踢动作需要姿势控制、重心转移和肢体运动的协调调控，但左右肢体的肌肉协同模式是否以相似方式组织尚不清楚。本研究考察了陈式太极拳蹬一跟动作过程中依赖条件和时间定位的神经肌肉组织方式。15名男性精英太极拳运动员进行了左右腿勾踢试次，同步记录了来自12条下肢肌肉的双侧表面肌电信号、三维运动学和地面反作用力。使用非负矩阵分解提取肌肉协同。采用数据驱动聚类识别组水平肌肉权重模式，使用激活中心和半高宽量化时间特征，并使用一维统计参数映射检验匹配激活波形之间的差异。采用探索性岭正则化典范相关分析并结合滞后扫描考察协同激活与力学变量之间潜在的时间关联。左腿勾踢条件保留了两个反复出现的组水平模式，右腿条件保留了三个。两个模式在条件之间相互匹配，而右腿条件中额外识别出一个未匹配的组水平模式。匹配模式在归一化运动周期后段表现出时间定位的激活差异。右腿条件的激活通常更晚且时间上更集中，而左腿条件表现出更宽的激活。探索性rCCA仅在左腿条件中发现了具有统计学支持的时间关联。这些发现表明组水平肌肉协同模式和激活时机存在条件相关差异，但不足以确立固定的肢体特异性控制或严格的稳定—推进功能划分。

引言

肌肉协同被提出通过有限的模块协调肌肉来降低运动控制的维度（Bizzi and Cheung, 2013, Cheung and Seki, 2021, Tresch and Jarc, 2009）。每个模块包含一个空间肌肉权重向量和一个随时间变化的激活系数（d'Avella et al., 2006, Ivanenko et al., 2004）。因此，整合肌电和力学数据可能比单独使用任一领域提供更广泛的运动组织描述（Aoi et al., 2019, Lambert-Shirzad et al., 2017, Merel et al., 2019）。协同组成和激活时机随运动速度、环境约束、扰动、运动过渡和适应而变化（Brüll et al., 2024, Fazzari et al., 2024, Lagos-Hausheer et al., 2024, Liu and Gutierrez-Farewik, 2023, Oshima et al., 2022, Rimini et al., 2017, Santuz et al., 2020a, Yokoyama et al., 2016）。激活中心（CoA）和半高宽（FWHM）描述协同主要活跃的时间及其激活持续时间（Mileti et al., 2020, Santuz et al., 2020a）。然而，来自运动研究的结果不能假定直接适用于太极拳专项任务。

太极拳研究主要涉及平衡、关节力学、肌肉活动、下肢负荷和步态（Hong and Li, 2007, Law and Li, 2022, Wu and Millon, 2008）。武术踢法研究则强调冲击力、速度和踢击肢体力学（Falco et al., 2009, Vagner et al., 2023）。这些发现并不能直接描述陈式蹬一跟动作，该动作在没有外部冲击的情况下完成，并融合了控制性重心转移、单腿支撑、勾踢执行、肢体转换和姿势恢复。运动熟练度和训练可改变肌肉协同结构和时机（Brüll et al., 2024, Jakubowitz et al., 2024, Kaufmann et al., 2024, Santuz et al., 2020b, Sylos-Labini et al., 2022, Torricelli et al., 2020）。因此，考察肌肉协同并结合同步的运动学和动力学变量可能识别蹬一跟过程中的时间共变，尽管此类关联无法确立单个协同直接控制特定力学功能。

尽管左右腿蹬一跟试次名义上是对称条件，但解剖侧别、腿部优势、训练历史和个体技术可能产生不同的神经肌肉组织方式。本研究所有参与者均为右腿优势；因此，右腿勾踢（RHK）代表右侧/优势腿执行，左腿勾踢（LHK）代表左侧/非优势腿执行。解剖侧别与优势无法分离。

本研究考察了右腿优势精英运动员在蹬一跟过程中依赖条件和时间定位的神经肌肉组织方式。我们提取了参与者水平的协同，识别了反复出现的组水平肌肉权重模式，使用CoA和FWHM量化激活时机，使用一维统计参数映射（SPM）检验匹配波形，并使用岭正则化典范相关分析（rCCA）探索滞后对齐的力学变量关联。我们假设LHK和RHK在组水平肌肉权重组织和激活时机上存在差异。

节选摘要

参与者与伦理

15名男性精英太极拳运动员参与研究（年龄17.83 ± 3.12岁；身高175.21 ± 3.45厘米；体重59.32 ± 4.48千克；训练经验8.15 ± 2.85年）。他们练习蹬一跟9.08 ± 4.78年，曾参加主要赛事，并能一致地完整完成该动作。基于已报告的下肢神经肌肉不对称效应（Bond et al., 2017），先验G*Power 3.1双尾配对样本t检验（dz = 0.80, α = 0.05, power = 0.80）计算

NMF秩、组水平模式组织和肌肉权重组成

参与者水平的NMF秩在两种条件下均从三到六。左腿勾踢条件（LHK）的平均秩为4.80 ± 1.01，右腿勾踢条件（RHK）为5.20 ± 0.86，配对差异不显著（p = 0.348）。10个LHK数据集和14个RHK数据集同时满足总VAF标准（≥0.90）和最小肌肉特异性VAF标准（≥0.80）。对于剩余的5个LHK和1个RHK数据集，使用标记的参与者特异性秩进行了选择

讨论

本研究识别了蹬一跟过程中依赖条件和时间定位的神经肌肉组织方式。参与者水平的NMF秩在LHK和RHK之间无差异，但组水平聚类保留了两个反复出现的LHK模式和三个RHK模式，包括一个未匹配的RHK模式。匹配模式在肌肉权重和周期后段激活上存在差异，RHK轮廓通常更晚且更窄。探索性rCCA仅在LHK中具有统计学支持。因此，这些条件

结论

蹬一跟表现出条件相关的反复出现的组水平肌肉权重模式和激活时机差异。保留了两个LHK和三个RHK模式家族，但这并不代表参与者水平秩的一致差异。匹配模式在周期后段存在差异，RHK激活更晚且更集中，而LHK激活更宽。rCCA仅在LHK中获支持；RHK估计值仍为描述性的。由于侧别与优势混淆，这些发现

伦理声明

涉及人类的研究符合《赫尔辛基宣言》中关于人体研究的规定，研究经武汉体育学院伦理委员会批准（编号：2024048）。研究按照当地立法和机构要求进行。参与者本人的法定监护人/亲属提供了书面知情同意书。

CRediT作者贡献声明

张晓培：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、项目管理、方法论、调查、数据管理、概念化。贾梦瑶：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、验证、数据管理、概念化。贺阳英：撰写—审阅与编辑、方法论、经费获取、形式化分析、概念化。马勇：撰写—审阅与编辑、监督、方法论、经费获取，

资助

本研究由武汉体育学院东湖学者资助计划、湖北省教育厅科学研究计划（项目编号：Q20244101）、湖北省自然科学基金与中国体育创新发展联合基金（项目编号：2025AFD643）以及湖北省高等学校"十四五"优势特色学科（群）建设项目（项目编号：2021–05）资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢武汉体育学院各位同事和学生运动员对本研究的慷慨支持与贡献。

张晓培|贾梦瑶|贺阳英|马勇|黄瑞丰|王兆一|刘甘