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棒球場上的腦科學:直球?變化球?──WBC經典賽系列文(2)

棒球場上的打擊,是一件很困難的任務。我曾有一個體育老師用這麼一句話來形容棒球打者:「在世界上有哪一個職業,失敗率高達七成,卻可以領高薪呢?」當然啦,在中華職棒這個常常出現15:15這種網球般比數的奇妙聯盟,或許好的打擊者打擊率必須要來到3成5才行,但即使如此,一個好的中華職棒打者的失敗率依然高達6成5。

一個打者,要能夠把球打得好,除了打擊本身的技巧之外,選球也是另一個很重要的因素。而選球又可以分成兩個部分,一個是選擇你想攻擊的球路,例如教練常常會要打者「挑直球打」,另一個則是判斷球會不會進入好球帶。

而過去關於棒球打擊的研究,也剛好在「判斷球種」和「判斷好壞球」上有所著墨,本文就要先來介紹「當一個打者在判斷球種時,他的大腦會出現哪些變化呢?」

直球?變化球?

根據我所讀到的論文,實驗者通常會挑選「直球V.S.曲球」或是「直球V.S.曲球V.S.滑球」來做為刺激的材料,而滑球和曲球也是棒球場上最常見的兩種球路。

先來看看在分辨這三種球路的時候,打者所需耗費的時間吧。要分辨一顆球是什麼球路,很重要的一個因素,就是這顆球移動的速度,以及變化的角度。

很直覺的,要分辨一顆球是直球、曲球或滑球,最容易被分辨出來的應該是直球,Sherwin等人在2012年所發表的一篇論文就證實了這一點,他們策劃了一系列的腦電圖(Electroencephalography, EEG)研究,從六名受試者(五男一女,均沒有參與過職業棒球或大學棒球的訓練)腦神經的訊號可以發現,快速球比其他兩種球路更快被區分出來。

除此之外,由於這三種球路的軌跡及速度都有所差異,被辨識出來的時間點也有所不同,因此受試者在區辨這三種球路時的大腦反應模式可以說是截然不同[1],不過更細節的部分,由於太過複雜,因此就不在本篇文章細談了,有興趣的人可以找出原論文來讀看看。

判斷球種與揮擊時的大腦變化

然而,當一個打者分辨出一種球路是直球、曲球或滑球之後,他們接下來會怎麼做呢?當然就是攻擊它啦!這一個研究團隊後續又做了另一份研究[2],他們以三名美國大學棒球聯賽第一級(NCAA Division I)的大學棒球隊球員做為受試者,讓他們觀看468個模擬球路(快速球、曲球、控制組,其中控制組是電腦隨機模擬出來的球路,該球路不符合牛頓物理定律的球路軌跡),這個研究分成兩個部分,其中一個是腦電圖的研究,另一個則是功能性磁振造影(fMRI,functional magnetic resonance imaging)的研究。

腦電圖和功能性磁振照影最大的差別就是,腦電圖可以測量到每一毫秒的大腦電波變化,但是沒辦法精確地掌握這些腦電波的變化是來自於哪一個腦區;而功能性磁振照影雖然只能每兩秒鐘掃描一次,但是卻可以測量到很精細的大腦變化。因此,結合這兩種研究,便能夠精確地掌握到,打者在選擇攻擊的球種時,在不同時間上,大腦反應的區域有何不同。

其中腦電圖的研究結果發現,在棒球從投手的手中出手後500ms左右時,打者的大腦反應會來到高峰,這可能反應出打者出手的時機點(以投手板到本壘板的距離18.44公尺而言,該實驗的模擬球路中的速球球速為83mph,換算成我國常用的km/hr後,則是133kph左右,而一顆時速133公里的球,從投出到進入本壘板,所需時間大約是496ms,因此在出手後500ms前後所出現的大腦反應高峰,可能正代表著打者出手的時間點)。

而第二次的大腦反應高峰則是在球出手後900ms時,這可能代表著打者針對剛剛所做的判斷進行反思,因而產生了第二個大腦反應的極大期。

那麼,這兩個大腦反應的極大期,大腦到底在做些什麼呢?這個團隊又用了功能性磁振造影來對大腦在判斷球路時的腦區變化做了研究,研究結果顯示,無論受試者看到的是直球、曲球或是滑球,大腦中對應到的反應區域大多都分布在後半部,而這些區域和視覺處理與動作處理有關,其中包含了參與複雜影像視覺編碼的舌回(lingual gyrus)[3]、辨識物體的側枕葉皮質(lateral occipital cortex,LOC)[4]、解釋視覺圖像的布羅德曼分區(Brodmann)第18腦區[5]、負責注意力和多功能整合的布羅德曼分區第19腦區[6],以及有助於覺察運動中物體的顳葉中區(middle temporal,MT,又稱視覺皮質第五區,V5)[7]。

而前面提到的第二個神經訊號大量反應的時期,也就是球出手後900ms的反應極大期,在fMRI的研究中則發現,這和上額葉(superior frontal)、副扣帶迴(paracingulate gyri)的反應有關,這些腦區會在受試者正確辨識出球路之後活化,它們負責的功能則是正向顯著事件(positive salient events)[8]和內省(introspection)[9],白話一點來說就是「受試者很肯定地認為,剛剛所做的判斷應該是正確無誤的!」。

 判斷正確與錯誤,大腦反應也會有所不同

有趣的是,這份實驗也針對受試者判斷正確與判斷錯誤時的大腦變化進行比較,結果發現,當受試者判斷正確時,他們的大腦神經變化,會顯著地活化處理高階視覺反應的MT和側枕葉皮質(LOC) ,以及關於動作控制和處理的蒼白球(globus pallidus)和殼核(putamen) [7],還有牽涉到自我獎勵的額葉極區(frontal pole regions),且這些腦區的啟動,是不需要經過意識控制的!也就是說,他們的大腦會很自動地從辨認出球路切換到準備揮棒的模式裡,不需要經過大腦思考,這也是為什麼大聯盟傳奇名將Yogi Berra會說:「打者是不能一邊思考,一邊好好地打擊的(you can’t think and hit at the same time)。」。

反之,當受試者無法對該球種做出正確判斷時,他們便不會啟動預備揮棒的動作區,反而是啟動了位於前額葉的布羅德曼腦區第10腦區[1][2]。前額葉是關於思考與決策的腦區,而布羅德曼腦區第10腦區最主要的功能正是處理困難的認知作業(task difficulty)[10]。這可能是因為受試者有看到這些球,但資訊並未傳到更高階的視覺紀錄區或是正確編碼(如MT、LOC),因此受試者感到很困惑,因而啟動了負責思考的大腦區域,試圖想出剛剛看到的到底是哪一種變化球。

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這樣的研究結果,不免讓我聯想到我打棒球的經驗,其實打者在選擇球路作攻擊時,常常是一種很自然的身體反應,從投手台角投球的那一剎那,到擊中球為止,其實打者是沒有什麼時間仔細思考該如何揮棒、何時揮棒的,而是一種連貫「判斷—揮擊」的動作,這正好呼應了實驗研究的結果。

順帶一提,雖然實驗當中並沒有提到這一點,不過我認為,當一個打者被一顆球凍結住,站著不動遭到三振時,很有可能就是因為,他來不及對眼前的球路做出反應,因而未能啟動他下意識的動作區域吧。

我變!我變!我變變變!

在最後,關於變化球和打者反應之間的另一個有趣研究,則是針對「投手的球種越多,會對打者造成什麼樣的影響」為主題進行研究的,結果發現,當一個投手的球種越多時,打者得動用到越多的腦區聯合起來來分辨球路,而非增加某一特定腦區的活動量來分辨球種;除此之外,當投手球種到達三種時,和只有兩種時相比,打者能夠正確區分球種的機率就會掉到5成左右,且反應時間雖未達顯著差異,但會隨著球路越多,而有越來越慢的趨勢[11]。

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因此,如果你想成為一個讓打者摸不著頭緒的投手,即便你無法和達比修一樣練成一手七彩變化球,但實驗告訴你,只要有兩種變化球,就足以讓打者有一半的機率猜不透你想投什麼球了!

 

參考文獻

  1. Sherwin, J.Muraskin, & P.Sajda(2012)You can’t think and hit at the same time: neural correlates of baseball pitch classification. Front Neurosci, 6: p. 177.
  2. Muraskin, J.Sherwin,& P.Sajda(2013)A System for Measuring the Neural Correlates of Baseball Pitch Recognition and Its Potential Use in Scouting and Player Development. Sports Analytics Conference.
  3. Machielsen, W.C., et al., FMRI of visual encoding: reproducibility of activation. Hum Brain Mapp, 2000. 9(3): p. 156-64. 17.
  4. Grill-Spector, K., et al., The lateral occipital complex and its role in object recognition. Vision Res, 2001. 41(10-11): p. 1409-22. 19. Hyvarinen, J., et al., Early visual deprivation alters modality of neuronal responses in area 19 of monkey cortex. Neurosci Lett, 1981. 26(3): p. 239-43
  5. Kaas, J.H., Theories of visual cortex organization in primates: Areas of the third level. Extrageniculostriate Mechanisms Underlying VisuallyGuided Orientation Behavior, 1996. 112: p. 213-221. 18.
  6. Tootell, R.B.H., et al., Functional-Analysis of Human Mt and Related Visual Cortical Areas Using Magnetic-Resonance-Imaging. Journal of Neuroscience, 1995. 15(4): p. 3215-3230. 21.
  7. Marchand, W.R., et al., Putamen coactivation during motor task execution. Neuroreport, 2008. 19(9): p. 957-60.
  8. Euston, D.R., et al., The role of medial prefrontal cortex in memory and decision making. Neuron, 2012. 76(6): p. 1057-70.
  9. Goldberg, I.I., et al., When the brain loses its self: Prefrontal inactivation during sensorimotor processing. Neuron, 2006. 50(2): p. 329-339.
  10. Philiastides, M.G., et al., EEG-informed fMRI reveals spatiotemporal characteristics of perceptual decision making. Journal of Neuroscience, 2007. 27(48): p. 13082-13091.
  11. Ryu, J.Kim, A.Ali, W.Kim & S.J. Radlo (2015) Changes in baseball batters’ brain activity with increased pitch choice. Journal of Integrative Neuroscience, Vol. 14, No. 3369–381.

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關於作者

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到了大學之後接觸心理學,發現心理學不也是這樣的東西嗎?隨著線索一步一步的探索,在最悲傷的事情裡面找回力量,在最脆弱的傷痕裡面找回希望。也許心理學沒辦法給我們世界的真相,但是它卻能帶領我們,去選擇這個世界的模樣。

我是貓心偵探,很喜歡貓。貓是一種很奇特的動物,兼顧孤傲與溫柔,就如同心理師一般,在和個案保持界線的同時,溫柔的陪伴個案成長。

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