Моторная координация
В физиологии действий моторная координация - это оркестрированное движение нескольких частей тела, как это необходимо для выполнения предполагаемых , таких как ходьба. Эта координация достигается путем корректировки кинематических и кинетических параметров, связанных с каждой частью тела, участвующей в предполагаемом движении. Модификации этих параметров обычно опираются на сенсорную обратную связь от одной или нескольких сенсорных модальностей (см. Мультисенсорную интеграцию ), таких как проприоцепция и зрение .
Характеристики
[ редактировать ]Большая степень свободы
[ редактировать ]Цель-направленное и скоординированное движение частей тела по своей природе является переменным, потому что существует много способов координации частей тела для достижения предполагаемой цели движения. Это связано с тем, что степени свободы (DOF) велики для большинства движений из-за многих связанных нейрохидокелетальных элементов . [ 1 ] Некоторые примеры незадачных движений-при указании [ 2 ] Или вставать с сидения. [ 3 ] Действия и движения могут быть выполнены несколькими способами, потому что синергизм (как описано ниже) может варьироваться без изменения результата. Ранняя работа Николай Бернштейн работала, чтобы понять, как была разработана координация при выполнении квалифицированного движения. [ 1 ] В этой работе он отметил, что между желаемыми движениями и моделями координации не было никаких отношений для одного к одному, чтобы выполнить это движение. Эта эквивалентность предполагает, что любое желаемое действие не имеет определенной координации нейронов, мышц и кинематики.
Сложность
[ редактировать ]Сложность моторной координации остается незамеченной в повседневных задачах, например, в задаче взять и залить бутылку воды в стакан. Эта, казалось бы, простая задача на самом деле состоит из нескольких сложных задач. Например, эта задача требует следующего:
(1) Правильно достигая бутылки с водой, а затем настройка руки таким образом, чтобы схватить бутылку.
(2) Применить правильное количество силы сцепления, чтобы схватить бутылку, не разбивая ее.
(3) Координация мышц, необходимых для подъема и сочленения бутылки так, чтобы вода могла быть вылита в стакан.
(4) Завершая действие, положив пустую бутылку обратно на стол.
Координация рук и глаз также требуется в вышеуказанной задаче. Существует одновременная координация между движением рук и глаз, что продиктовано многосенсорной интеграцией проприоцептивной и визуальной информации. [ 4 ] Требуются дополнительные уровни координации в зависимости от того, намеревается ли человек выпить из стакана, отдать его кому -то другому или просто положить на стол. [ 5 ]
Типы моторной координации
[ редактировать ]Межфильм
[ редактировать ]Координация межфильмы связана с тем, как координируются движения по конечностям. Например, в ходьбе координация между конечностями относится к пространственно-временным узорам и кинематике, связанной с движением ног. Предыдущая работа у позвоночных показала, что различные паттерны координации между конечностями, называемые походками , встречаются в разных диапазонах скорости ходьбы, чтобы минимизировать стоимость транспорта. [ 6 ] Как и позвоночные, Drosophila изменяет свою паттерн координации между скоростью. Тем не менее, эти паттерны координации следуют континууму, а не к отдельной походке. [ 7 ]
В двухнуальных задачах (задачи с участием двух рук) было обнаружено, что функциональные сегменты двух рук плотно синхронизированы. Одной из постулируемых теорий этой функции является существование более высокой «координационной схемы», которая вычисляет время, необходимое для выполнения каждой отдельной задачи, и координирует ее с использованием механизма обратной связи . Существует несколько областей мозга, которые, как установлено, способствуют временной координации конечностей, необходимых для бимануальных задач, и эти области включают премоторную кору (PMC), теменную кору , мезиальные моторные коры, в частности, дополнительную моторную область ( SMA), кора моторного моторного мотора (CMC), первичная моторная кора (M1) и мозжечок . [ 8 ]
Несколько исследований предположили, что координация между конечностями может быть смоделирована с помощью связанных фазовых осцилляторов , [ 9 ] [ 10 ] ключевой компонент архитектуры управления генератора центрального генератора (CPG) . В этой структуре координация между конечностями продиктована относительной фазой осцилляторов, представляющих конечности. В частности, генератор, связанный с определенной конечностью, определяет прогрессирование этой конечности через его цикл движения (например, цикл шага в ходьбе). В дополнение к движению относительного движения конечностей вперед, сенсорная обратная связь может быть включена в архитектуру CPG. Эта обратная связь также диктует координацию между конечностями, независимо изменяя движение конечности, на которое действует обратная связь.
Внутривея
[ редактировать ]Внутренняя координация включает в себя организацию движения сегментов конечностей, которые составляют одну конечность. Эта координация может быть достигнута путем контроля/ограничения совместных траекторий и/или крутящих моментов каждого сегмента конечностей, как это необходимо для достижения общего желаемого движения конечности, как продемонстрировано моделью совместного пространства. [ 11 ] В качестве альтернативы, координация внутри конечности может быть достигнута, просто контролируя траекторию конечного эффекта, такого как рука. Примером такой концепции является минимальная модель, предложенная Невиллом Хоганом и Тамар Флэш , [ 12 ] что предполагает, что параметр, который управляет нервной системой, является пространственным путем руки, гарантируя, что она максимально плавно. Франческо Лаккванити , Карло Терзуоло и Паоло Вивиани показали, что угловая скорость кончика ручки варьируется в зависимости от мощности кривизны пути в две трети ( Закон о мощности в две трети ) во время рисования и почерков. [ 13 ] Закон о мощности в две трети совместим с минимальной моделью, а также с центральными генераторами шаблонов . Впоследствии было показано, что центральная нервная система посвящена его кодированию. [ 14 ] [ 15 ] Важно отметить, что стратегии управления для движения направленного цели зависят от задач. Это было показано путем тестирования двух разных условий: (1) субъекты перемещали курсор в руку к цели, и (2) субъекты перемещают свою свободную руку к цели. Каждое условие показало разные траектории: (1) Прямой путь и (2) изогнутый путь. [ 16 ]
Глаз
[ редактировать ]Координация глаз связана с тем, как координируются движения глаз и влияют на движения рук. Предыдущая работа связала с движением глаз в моторном планировании целенаправленного движения рук. [ 17 ]
Изучение моделей координации
[ редактировать ]На следующих страницах рекомендуется понимание того, как изучаются или адаптированы паттерны координации
[ редактировать ]- Моторное обучение
- Моторная адаптация
- Управление двигателем , внутренняя модель и сенсорная моторная связь
Количественная оценка координации между конечностями и внутрисайной
[ редактировать ]Связанные теории моторной координации
[ редактировать ]Мышечная синергия
[ редактировать ]Николай Бернштейн предложил существование синергии мышц как нервную стратегию упрощения контроля множественных степеней свободы. [ 1 ] Функциональная мышечная синергия определяется как паттерн коактивации мышц, рекрутированных одним сигналом нервного командования. [ 18 ] Одна мышца может быть частью множественной мышечной синергии, и одна синергия может активировать несколько мышц. Синергизм изучается, а не вынужден, как моторные программы, и организованы в зависимости от задачи. Другими словами, вполне вероятно, что синергия структурирована для определенного действия, а не для возможных уровней активации самих компонентов. Работа от Эмилио Биззи предполагает, что сенсорная обратная связь адаптирует синергизм в соответствии с поведенческими ограничениями, но может отличаться в зависимости от опыта. [ 19 ] Синергизм позволяет контролировать компоненты для конкретной задачи с помощью одного сигнала, а не независимо. Поскольку мышцы движения, контролирующего конечности, связаны, вполне вероятно, что ошибка и изменчивость также используются, обеспечивая гибкость и компенсируя ошибки в отдельных компонентах двигателя. Текущий метод поиска мышечной синергии заключается в использовании статистического и/или когерентного анализа на измеренных сигналах EMG ( электромиографии ) различных мышц во время движений. [ 20 ] Уменьшенное количество контрольных элементов (мышечное синергизм) объединяется, чтобы сформировать континуум активации мышц для гладкого моторного контроля во время различных задач. [ 21 ] [ 22 ] Направленность движения влияет на то, как выполняется моторная задача (т.е. шагая вперед по сравнению с шагом назад, каждый использует разные уровни сокращения в разных мышцах). [ 23 ] Более того, считается, что мышечная синергизм ограничивал количество степеней свободы , ограничивая движения определенных суставов или мышц (синергизм сгибания и удлинителя). Тем не менее, биологическая причина мышечной синергии обсуждается. [ 24 ] В дополнение к пониманию координации мышц, мышечная синергия также сыграла важную роль в оценке моторных нарушений, помогая выявить отклонения в типичных моделях движения и основных неврологических расстройств. [ 25 ]
Неконтролируемая гипотеза многообразии
[ редактировать ]Другая гипотеза предполагает, что центральная нервная система не устраняет избыточную степень свободы , а вместо этого использует их для обеспечения гибкой и стабильной производительности моторных задач за счет изменчивости моторики. Гипотеза неконтролируемого коллектора (UCM) дает возможность количественно определить «мышечную синергию» в этой структуре. [ 26 ] Эта гипотеза определяет «синергию» немного иначе, чем указано выше; Синергия представляет организацию элементарных переменных (степени свободы), которая стабилизирует важную переменную производительности. Элементная переменная - это наименьшая разумная переменная, которую можно использовать для описания интересующей системы на выбранном уровне анализа, а переменная производительности относится к потенциально важным переменным, создаваемым системой в целом. Например, в задаче с множественной суставом, углы и позиции определенных соединений являются элементными переменными, а переменные производительности являются координатами конечной точки руки. [ 26 ]
Эта гипотеза предполагает, что контроллер (мозг) действует в пространство элементарных переменных (то есть вращения, разделяемые плечами, локтем и запястью в движениях рук) и выбирает возможные коллекторы (т.е. наборы угловых значений, соответствующих конечной позиции ) Эта гипотеза признает, что изменчивость всегда присутствует в движении, и она классифицирует ее на два типа: (1) плохая изменчивость и (2) хорошая изменчивость. Плохая изменчивость влияет на важную переменную производительности и вызывает большие ошибки в результате моторной задачи, а хорошая изменчивость сохраняет задачу производительности неизменной и приводит к успешному результату. Интересный пример хорошей изменчивости наблюдался в движениях языка, которые ответственны за производство речи. [ 27 ] Уровень жесткости для тела языка создает некоторую изменчивость (с точки зрения акустических параметров речи, таких как формант), но эта изменчивость не ухудшает качество речи. [ 28 ] Одним из возможных объяснений может быть то, что мозг работает только для уменьшения плохой изменчивости, которая препятствует желаемому результату, и он делает это за счет увеличения хорошей изменчивости в избыточной области. [ 26 ]
Другие соответствующие страницы
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный в Бернштейн Н. (1967). Координация и регулирование движений. Pergamon Press. Нью-Йорк. OCLC 301528509
- ^ Домкин, Д.; Laczko, J.; Jaric, S.; Йоханссон, Х.; Латаш, ML. (Март 2002 г.). «Структура совместной изменчивости в задачах бимануальных направлений». Exp Brain Res . 143 (1): 11–23. doi : 10.1007/s00221-001-0944-1 . PMID 11907686 . S2CID 16726586 .
- ^ Scholz, JP.; Schöner, G. (Jun 1999). «Концепция неконтролируемого коллектора: определение управляющих переменных для функциональной задачи». Exp Brain Res . 126 (3): 289–306. doi : 10.1007/s002210050738 . PMID 10382616 . S2CID 206924808 .
- ^ Солтер, Дженнифер Э.; Лори Р. Вишарт; Тимоти Д. Ли; Доминик Саймон (2004). «Восприятие и моторный вклад в бимануальную координацию». Нейробиологические буквы . 363 (2): 102–107. doi : 10.1016/j.neulet.2004.03.071 . PMID 15172094 . S2CID 17336096 .
- ^ Вайс, П.; Жаннерород, М. (апрель 1998 г.). «Получите понимание координации» . Новости Physiol Sci . 13 (2): 70–75. doi : 10.1152/physiologyonline.1998.13.2.70 . PMID 11390765 . S2CID 2465996 .
- ^ Александр, RM (1989-10-01). «Оптимизация и походки в локомоции позвоночных» . Физиологические обзоры . 69 (4): 1199–1227. doi : 10.1152/physrev.1989.69.4.1199 . ISSN 0031-9333 . PMID 2678167 .
- ^ ДеАнджелис, Брайан Д; Заватоне-Вет, Джейкоб А; Кларк, Дэймон А (2019-06-28). Калабрезе, Рональд Л (ред.). «Различная структура координации конечностей в ходячей дрозофиле» . элиф . 8 : E46409. doi : 10.7554/elife.46409 . ISSN 2050-084X . PMC 6598772 . PMID 31250807 .
- ^ Swinnen, Sp.; Vangheluwe, S.; Wagemans, J.; Coxon, JP.; Goble, DJ.; Ван Имп, а.; Sunaert, S.; Peeters, R.; Вендерот, Н. (февраль 2010 г.). «Общие нейронные ресурсы между навыками координации левого и правого межсетека: нейронный субстрат абстрактных моторных представлений» . Нейроамиж . 49 (3): 2570–80. doi : 10.1016/j.neuroimage.2009.10.052 . PMID 19874897 . S2CID 17227329 .
- ^ Proctor, J.; Kukillaya, RP; Холмс, П. (2010-11-13). «Фазовая нейромеханическая модель для локомоции насекомых: стабильность подачи и проприоцептивной обратной связи» . Философские транзакции Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки . 368 (1930): 5087–5104. BIBCODE : 2010RSPTA.368.5087P . doi : 10.1098/rsta.2010.0134 . PMID 20921014 . S2CID 8511489 .
- ^ Haken, H.; Келсо, JA.; Bunz, H. (1985). «Теоретическая модель фазовых переходов в движениях рук человека» (PDF) . Биол Киберн . 51 (5): 347–56. Citeseerx 10.1.1.170.2683 . doi : 10.1007/bf00336922 . PMID 3978150 . S2CID 14960818 .
- ^ Soechting, Jf; Lacquaniti, F. (1981). «Инвариантные характеристики движения наоборот в человеке» . J Neurosci . 1 (7): 710–20. doi : 10.1523/jneurosci.01-07-00710.1981 . PMC 6564198 . PMID 7346580 . S2CID 7978546 .
- ^ Flash, T.; Хоган, Н. (июль 1985). «Координация движений рук: экспериментально подтвержденная математическая модель» . J Neurosci . 5 (7): 1688–703. doi : 10.1523/jneurosci.05-07-01688.1985 . PMC 6565116 . PMID 4020415 .
- ^ Lacquaniti, Francesco; Терзуоло, Карло; Вивиани, Паоло (1983). «Закон, относящийся к кинематическим и фигурным аспектам рисования движений». Acta Psychologica . 54 (1–3): 115–130. doi : 10.1016/0001-6918 (83) 90027-6 . PMID 6666647 . S2CID 5144040 .
- ^ Schwartz, AB (июль 1994). «Прямое кортикальное представление рисования». Наука . 265 (5171): 540–2. Bibcode : 1994sci ... 265..540s . doi : 10.1126/science.8036499 . PMID 8036499 .
- ^ Dayan, E.; Casile, A.; Levit-Binnun, N.; Giese, MA.; Хендлер, Т.; Flash, T. (Dec 2007). «Нейронные представления кинематических законов движения: доказательства связи с действием-восприятием» . Proc Natl Acad Sci USA . 104 (51): 20582–7. Bibcode : 2007pnas..10420582d . doi : 10.1073/pnas.0710033104 . PMC 2154474 . PMID 18079289 .
- ^ Li, y.; Левин, О.; Forner-Cordero, A.; Swinnen, sp. (Jun 2005). «Взаимодействие между межпользой и координацией внутрилимбов во время производительности бимануальных многочисленных движений». Exp Brain Res . 163 (4): 515–26. doi : 10.1007/s00221-004-2206-5 . PMID 15657696 . S2CID 22090590 .
- ^ Liesker, H.; Brenner, E.; Smets, JB. (Август 2009 г.). «Объединение глаз и руки в поиске неоптимально» . Exp Brain Res . 197 (4): 395–401. doi : 10.1007/s00221-009-1928-9 . PMC 2721960 . PMID 19590859 .
- ^ Torres-Oviedo, G.; MacPherson, JM.; Тин, LH. (Сентябрь 2006 г.). «Мышечная организация синергии надежна по различным постуральным возмущениям». J Нейрофизиол . 96 (3): 1530–46. doi : 10.1152/jn.00810.2005 . PMID 16775203 .
- ^ Чунг, VCK; Д'Велла, А.; Tresch, Mc.; Биззи Э. (июль 2004). «Центральный и сенсорный вклад в активацию и организацию мышечной синергии во время естественного моторного поведения» . J Neurosci . 25 (27): 6419–34. doi : 10.1523/jneurosci.4904-04.2005 . PMC 6725265 . PMID 16000633 .
- ^ Boostra TW, Danna-Dos-Santos A, Xie HB, Roerdink M, Stins JF, Breakspear M (2015). «Мышечные сети: анализ связи активности ЭМГ во время постурального контроля» . SCI Rep . 5 : 17830. Bibcode : 2015natsr ... 517830b . doi : 10.1038/srep17830 . PMC 4669476 . PMID 26634293 .
- ^ Д'Велла, А.; Saltiel, P.; Биззи Э. (март 2003 г.). «Комбинации мышечной синергии при построении естественного моторного поведения». Nat Neurosci . 6 (3): 300–8. doi : 10.1038/nn1010 . PMID 12563264 . S2CID 2437859 .
- ^ Иваненко, YP; Poppele, Re; Lacquaniti, F. (апрель 2004 г.). «Пять основных моделей активации мышц объясняют мышечную активность во время локомоции человека» . J Physiol . 556 (1): 267–82. doi : 10.1113/jphysiol.2003.057174 . PMC 1664897 . PMID 14724214 .
- ^ Torres-Oviedo, G.; Тин, LH. (Октябрь 2007 г.). «Мышечная синергия, характеризующая человеческие постуральные реакции». J Нейрофизиол . 98 (4): 2144–56. doi : 10.1152/jn.01360.2006 . PMID 17652413 .
- ^ Tresch, Mc.; Джарк А. (декабрь 2009 г.). «Дело за и против мышечного синергизма» . Curr Opin Neurobiol . 19 (6): 601–7. doi : 10.1016/j.conb.2009.09.002 . PMC 2818278 . PMID 19828310 .
- ^ Alnajjar, F.; Озаки, К.; Матти, я.; Hiroshi, Y.; Masanori, T.; Ikue, U.; Масаки, К.; Maxime, T.; Chikara, N.; Альваро, CG; Кенсуке, О.; Айко, О.; Изуми, К.; Shingo, S. (2020). «Самоподвижная тренировка биологической обратной связи для восстановления после моторных нарушений после инсульта» . IEEE Access . 8 (6): 72138–72157. doi : 10.1109/Access.2020.2987095 .
- ^ Jump up to: а беременный в Latash, Ml.; Ансон, JG. (Август 2006 г.). «Синергизм в отношении здоровья и заболеваний: отношения к адаптивным изменениям в моторной координации» . Phys Ther . 86 (8): 1151–60. doi : 10.1093/ptj/86.8.1151 . PMID 16879049 .
- ^ Точнее, движения языка были смоделированы с помощью биомеханической модели языка, BTM, контролируемой оптимальной внутренней моделью, которая сводит к минимуму длину пути, пройденного во внутреннем пространстве во время производства последовательностей (см. Blagouchine И Моро).
- ^ IAROSLAV BLAGOUCHINE и Эрик Моро. Контроль речевого робота через оптимальную внутреннюю модель на основе нейронной сети с ограничениями. IEEE Transactions на робототехнике, вып. 26, нет. 1, с. 142—159, февраль 2010 года.