《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Neuromechanical characteristics of breaststroke in adolescent swimmers across different performance levels: a comparative analysis
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摘要
背景：蛙泳技术复杂且需要高度的神经肌肉协调性。由于肌肉协同（muscle synergies）描述了多块肌肉如何被组织成低维激活模块，它们为评估青春期神经肌肉控制的发展提供了功能性的解读。本研究旨在调查不同水平青少年蛙泳运动员的神经力学特征。方法：将26
摘要
背景：蛙泳技术复杂且需要高度的神经肌肉协调性。由于肌肉协同（muscle synergies）描述了多块肌肉如何被组织成低维激活模块，它们为评估青春期神经肌肉控制的发展提供了功能性的解读。本研究旨在调查不同水平青少年蛙泳运动员的神经力学特征。方法：将26名男性青少年蛙泳运动员分为精英组（n=13）和业余组（n=13）。在五次25米最大努力蛙泳试次中，收集二维水下视频和16块肌肉的同步表面肌电图（surface EMG）。主要结局指标包括离散关节角度、最小协同数、解释方差（VAF）、空间权重（spatial weightings）和时间激活系数（temporal activation coefficients）。组间差异采用独立样本t检验或Mann-Whitney U检验、FDR校正的空间权重比较、SPM1D分析激活曲线以及Cohen's d效应量进行评估。结果：在v2时刻，精英组表现出更大的髋关节屈曲角度（43.78° ± 6.92° vs. 34.39° ± 11.32°，P = 0.018，d = 1.00）、更小的膝关节屈曲角度（122.93° ± 8.77° vs. 128.93° ± 4.84°，P = 0.041，d = -0.85）以及更小的髋关节外展角度（36.28° ± 7.19° vs. 45.22° ± 7.87°，P = 0.006，d = -1.19）。两组间的VAF相似（91.27% ± 0.69% vs. 91.20% ± 0.73%，P = 0.583，d = 0.10），而精英组所需的最小协同数更少（5.42 ± 0.72 vs. 6.03 ± 0.66，P < 0.001，d = -0.88）。FDR校正的空间权重分析和SPM1D分析表明，SYN2和SYN4是区分两组的主要模块，其时间差异集中在从滑行后期到内划阶段。结论：与运动表现相关的差异主要反映在滑行阶段的下肢姿态和推进相关阶段的协同控制上。在可比较的VAF条件下，更少的最小协同数表明高水平运动员具有更强的协同整合能力。这些发现将青少年蛙泳表现与任务特异性的多肌肉协调联系起来。
论文解读文章
**研究背景与问题**
蛙泳是四种竞技游泳姿势中技术最复杂、协调性要求最高的泳姿，其推进力来源于不连续且对称的水下手臂划水和腿部蹬夹动作，这种运动模式导致身体重心产生较大的周期内速度波动（intra-cyclic velocity variation，IVV）和显著的形状阻力。因此，蛙泳是四种竞技泳姿中速度最慢的。高水平蛙泳表现不仅依赖于优化的肢体运动学，更在很大程度上取决于中枢神经系统在极短时间窗口内对上、下肢协调的精确时空调控。青春期是中枢神经系统突触修剪和髓鞘形成的关键时期，也是神经肌肉控制发展和运动技能巩固的重要窗口。然而，实践中这一年龄段的训练往往依赖教练的主观观察和外在指令，难以识别与游泳表现相关的内在神经肌肉协调模式，导致许多具备初步技术基础的青少年在向更高水平发展时陷入僵化的运动模式和代偿性发力策略。
以往对蛙泳表现的研究主要集中在宏观运动学和动力学变量上，例如通过三维动作捕捉和系绳力量测量系统评估划臂运动学和机械效率。但这些方法主要将人体视为生物力学输出系统，主要量化游泳者与水体环境相互作用的外部表现，对运动产生背后的神经肌肉协调模式和肌肉激活动力学的洞察有限。为了研究水下阶段的内部肌肉激活，表面肌电图（surface electromyography，sEMG）被引入该领域，但早期EMG研究多依赖定性描述或局部电生理特征的孤立分析，不仅忽视了多块肌肉之间的复杂动态耦合，也使跨个体的定量比较变得困难。此外，虽然腿部蹬夹在蛙泳推进中起决定性作用，但关于下肢激活模式的定量EMG研究，尤其是涉及上肢与下肢整合协调的研究仍然匮乏。
为克服孤立肌肉分析的局限并提供神经肌肉协调的整体理解，肌肉协同（muscle synergy）理论被越来越多地应用于运动控制领域。该理论认为中枢神经系统并非独立控制每块肌肉，而是招募预定义的低维模块（协同）同时激活多组肌肉，从而有效解决多关节运动中的冗余问题。通过非负矩阵分解（non-negative matrix factorization，NMF），可将冗余的sEMG信号分解为空间结构（spatial weightings）和时间激活系数（temporal activation coefficients），从而揭示潜在的神经控制策略并量化复杂的神经肌肉协调模式。肌肉协同理论已在地面运动及自由泳等连续性水上任务中提供了重要见解，但对于技术结构高度复杂且运动节奏明显不连续的蛙泳，其背后的协同控制机制仍了解不足。现有证据表明，在相对简单的运动任务中，运动水平差异不一定改变潜在肌肉协同的空间结构；而在应对蛙泳复杂动态的水动力约束时，中枢神经系统可能表现出更显著的任务特异性调节。Vaz等人（2016）在成人蛙泳运动员的定量研究中发现，虽然精英运动员和初学者的协同空间结构高度相似，但在时间激活特征上存在显著差异；初学者在关键推进肌（如胸大肌、股直肌）以及负责整体手臂-腿部协调的核心协同的激活时间上明显提前。这种时间偏移被认为是初学者水下协调效率降低的重要机制。然而，这种运动水平依赖的协同时序重组在经历快速神经发育和运动技能巩固的青少年中如何表现尚缺乏系统研究。特别值得关注的是，青春期特有的发育可塑性是否会导致与成人游泳者不同的肌肉协同网络特征。
因此，本研究旨在探究不同水平青少年蛙泳运动员的神经力学特征。研究人员假设组间差异在肌肉协同的时间激活模式和外部的运动学协调上更为明显，同时也会探索空间肌肉权重上可能的任务特异性差异。
**关键技术与方法**
本研究采用以下主要关键技术方法：1）基于二维水下视频的运动学分析：使用Dartfish软件在预设关键事件（v1-v5）提取离散关节角度（肩关节外展角、肘关节屈曲角、髋关节屈曲角、膝关节屈曲角、踝关节背屈/跖屈角、髋关节外展角）。2）表面肌电图（sEMG）采集与处理：在16块目标肌肉上放置防水EMG传感器（2000 Hz），信号经50 Hz陷波滤波、20-400 Hz带通滤波、全波整流及10 Hz低通平滑后，采用动态峰值归一化和三次样条插值进行时间归一化（每周期404个数据点）。3）肌肉协同提取：通过非负矩阵分解（NMF）将预处理后的EMG信号矩阵（每位受试者10个周期平均值）分解为空间权重矩阵（W）和时间激活系数矩阵（H），以全局解释方差（VAF）首次达到90%确定所需最小协同数。4）K-means聚类匹配：将所有受试者的空间权重向量聚类为6个基本协同模块（SYN1-SYN6）。5）统计比较：离散变量采用独立样本t检验或Mann-Whitney U检验，空间权重用Benjamini-Hochberg FDR校正，时间激活曲线用一维统计参数映射（SPM1D）进行组间比较，效应量用Cohen's d表示。样本来源：2025年5月从浙江师范大学和浙江体育职业技术学院游泳队招募26名男性青少年蛙泳运动员（精英组13人，业余组13人，年龄12-14岁）。
**研究结果**
**3.1 运动学**
不同水平青少年蛙泳运动员在v2时刻下肢关节角度存在显著组间差异。精英组髋关节屈曲角度显著大于业余组（43.78° ± 6.92° vs. 34.39° ± 11.32°，P = 0.018，Cohen's d = 1.00），膝关节屈曲角度显著小于业余组（122.93° ± 8.77° vs. 128.93° ± 4.84°，P = 0.041，Cohen's d = -0.85），髋关节外展角度显著小于业余组（36.28° ± 7.19° vs. 45.22° ± 7.87°，P = 0.006，Cohen's d = -1.19）。在上肢关节（v1和v4）及踝关节角度上未发现显著组间差异。
**3.2 肌肉协同**
**3.2.1 最小肌肉协同数与解释方差**
当全局VAF首次达到预设阈值90%时，精英组和业余组的VAF值分别为91.27% ± 0.69%和91.20% ± 0.73%，无显著差异（P = 0.583）。但精英组所需的最小协同数（5.42 ± 0.72）显著少于业余组（6.03 ± 0.66），P < 0.001，Cohen's d = -0.88。
**3.2.2 协同的空间权重与时间激活特征**
通过空间权重比较发现，SYN2和SYN4是区分两组的主要模块。在SYN2（下肢主导的多关节协调）中，精英组在TB、PD、LT、BF和GMAX上有更高权重（校正P均<0.001），业余组在BB、AD、RA、TA和VM上有更高权重（校正P均<0.05）。在SYN4（上肢推进与躯干协调）中，精英组在AD、ES、LD、RA、PM、TA和GMAX上有更高权重（校正P<0.05），业余组在PD和LT上有更高权重（校正P<0.001）。其他协同也显示部分肌肉权重差异。
SPM1D时间激活曲线分析显示，所有六个基本协同的激活系数均存在显著组间差异（P均<0.05）。差异时间区间主要分布在从滑行后期到内划阶段，其中SYN2的差异区间覆盖23-28、94-140、153-306和326-403（归一化数据点索引），SYN4的差异区间覆盖85-135、176-293和301-403。SYN1、SYN3、SYN5和SYN6的差异区间则更多分布在恢复-滑行或滑行-外划的过渡阶段。
**讨论与结论讨论**
本研究通过比较精英组与业余组在完整蛙泳周期中的运动学、肌肉协同结构和时间激活模式，探究了不同水平青少年蛙泳运动员的神经力学特征。主要发现如下：第一，组间运动学差异主要体现在v2时刻，精英组表现出更大的髋关节屈曲角、更小的膝关节屈曲角和更小的髋关节外展角。第二，精英组完成完整蛙泳周期所需的最小肌肉协同数显著少于业余组。第三，神经肌肉的时空差异主要分布在从滑行后期到内划阶段，其中SYN2和SYN4是区分不同水平青少年蛙泳运动员的主要协同模块，分别反映了下肢主导的多关节协调和上肢推进与躯干协调。
运动学结果提示，组间差异并非分布于整个划水周期，而是集中在v2时刻的下肢关节姿态。精英组更小的髋关节外展角意味着其下肢更贴近身体纵轴，有利于减少滑行阶段的阻力；同时更大的髋屈曲和更小的膝屈曲角度组合表明其下肢构型并非简单的更大幅度回收，而是一种不同于业余组的关节协调模式。这与高水平蛙泳运动员为减少阻力而采用较窄腿部回收模式的观点一致。
在肌肉协同方面，尽管两组在达到90% VAF时重构精度相似，但精英组所需协同数更少，表明其在进行相同任务时具有更高的协同整合程度。根据Bernstein运动自由度理论，熟练运动控制的一个显著特征是高维系统的有效组织；较少的最小协同数不一定意味着运动更简单，而是反映了更整合的模块化组织，使高水平运动员能更高效地协调多块肌肉，这可能与技术经济性更高有关。
SYN2和SYN4的时间差异最连续且最广泛，表明神经肌肉差异主要集中于推进相关阶段。SYN2的差异从滑行后期开始，而不仅仅局限于推进结束，提示不同水平运动员的差异不仅与下肢力量产生有关，还与下肢募集时机如何与上肢运动节律耦合有关。SYN4的差异主要分布在外划和内划阶段，精英组在该模块中更强调躯干相关肌肉的参与，表明其推进时的神经肌肉组织不限于局部上肢力量产生，更可能体现为整合上肢推进与躯干协调的模式。而业余组则更依赖局部后肩肌肉的募集。
SYN1和SYN3分别反映姿势维持和上肢抓水准备相关的协同特征，两组在LT、ES、AD、LD等肌肉权重上的差异提示其姿势控制和上肢准备阶段的肩部控制策略不同。SYN5和SYN6的差异主要体现在恢复-滑行和滑行-外划的过渡阶段，反映了不同水平运动员在阶段转换时的局部神经肌肉调节差异，但其解释重要性低于SYN2和SYN4。
研究局限性包括：样本量较小、仅纳入男性青少年、二维视频分析无法完全表征三维运动或直接量化阻力/推进力、未评估生物成熟度。未来研究应纳入更大样本（含不同性别和更广年龄范围）、三维运动分析、水动力学评估及成熟度指标。
**结论翻译**
不同水平的青少年蛙泳运动员在手臂划水阶段的上肢运动学参数相似，而其关键技术差异出现在与手臂-腿部协调相关的滑行阶段。
精英组所需的最小肌肉协同数少于业余组，表明其在完成相同技术任务时具有更高的肌肉协同整合程度。
不同水平青少年蛙泳运动员之间的神经肌肉时空差异主要集中在从滑行后期到内划阶段。
SYN2和SYN4是区分不同水平青少年蛙泳运动员的主要协同模块，分别代表滑行阶段的下肢主导协调和外划、内划阶段的上肢推进与躯干协调。
