Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Моторная координация показана в этом анимационном эпизоде ​​Эдварда Мейбриджа, который бросает диск.

Моторная координация - это комбинация движений тела, созданная с помощью кинематических (например, пространственное направление) и кинетических (силовых) параметров, которые приводят к намеченным действиям . Моторная координация достигается, когда последующие части одного и того же движения или движения нескольких конечностей или частей тела объединяются своевременно, плавно и эффективно по отношению к намеченной цели. Это включает в себя интеграцию проприоцептивной информации с подробным описанием положения и движения опорно - двигательного аппарата с нервными процессами в головном мозге и спинном мозгекоторые управляют, планируют и передают команды двигателя. Мозжечок играет важную роль в этом нейронного контроля движения и повреждения этой части головного мозга или его соединительных структур и путей приводит к ухудшению координации, известный как атаксия .

Свойства [ править ]

Неточное воспроизведение [ править ]

Примерами моторной координации являются легкость, с которой люди могут вставать, наливать воду в стакан, ходить и брать ручку. Они создаются надежно, умело и многократно, но эти движения редко воспроизводятся точно в их двигательных деталях, таких как углы суставов при указании [1] или вставании из положения сидя. [2]

Комбинация [ править ]

Сложность координации движений можно увидеть в задаче: взять бутылку воды и налить ее в стакан. Эта на первый взгляд простая задача на самом деле представляет собой комбинацию сложных задач, которые обрабатываются на разных уровнях. Уровни обработки включают в себя: (1) для захвата бутылки необходимо скоординировать досягаемость и конфигурацию руки, (2) при подъеме бутылки необходимо согласовать нагрузку и силу захвата, прикладываемую пальцами, чтобы учитывать вес, хрупкость и проскальзывание стакана, и (3) при переливании воды из бутылки в стакан действия обеих рук, одна держит стакан, а другая наливает воду, должны быть скоординированы друг с другом. Эта координация также включает в себя всю координацию глаз и рук.процессы. Мозг интерпретирует действия как пространственно-временные паттерны, и когда каждая рука одновременно выполняет разные действия, задействуется бимануальная координация . [3] Требуются дополнительные уровни организации в зависимости от того, будет ли человек пить из стакана, давать его кому-то другому или просто ставить на стол. [4]

Проблема степеней свободы [ править ]

Основная статья: Проблема степеней свободы (моторное управление)

Проблема с пониманием координации движений возникает из биомеханической избыточности , вызванной большим количеством костно - мышечной системы элементов , участвующих. Эти различные элементы создают множество степеней свободы, с помощью которых может выполняться любое действие, благодаря множеству способов расположения, поворота, разгибания и комбинирования различных мышц, суставов и конечностей в двигательной задаче. Было разработано несколько гипотез, объясняющих, как нервная система определяет конкретное решение из большого набора возможных решений, которые могут одинаково хорошо выполнить задачу или двигательные цели . [5]

Теории [ править ]

Синергия мышц [ править ]

Николай Бернштейн предложил существование мышечной синергии как нейронную стратегию упрощения управления несколькими степенями свободы. [5] Функциональная мышечная синергия определяется как паттерн совместной активации мышц, задействованный одним нейронным командным сигналом. [6] Одна мышца может быть частью синергии нескольких мышц, а одна синергия может активировать несколько мышц. Текущий метод поиска мышечной синергии - измерение ЭМГ ( электромиография).) сигналы от мышц, участвующих в определенном движении, чтобы можно было идентифицировать конкретные модели мышечной активации. Статистический анализ применяется к отфильтрованным данным ЭМГ, чтобы определить количество мышечных синергий, которые лучше всего представляют исходную ЭМГ. В качестве альтернативы можно использовать анализ когерентности данных ЭМГ для определения связи между мышцами и частоты общего входного сигнала. [7] Сокращенное количество элементов управления (мышечная синергия) объединяются, чтобы сформировать континуум мышечной активации для управления гладкой моторикой во время различных задач. [8] [9]Эти синергии работают вместе, чтобы производить такие движения, как ходьба или контроль равновесия. Направленность движения влияет на то, как выполняется двигательная задача (например, ходьба вперед или ходьба назад, каждая из которых использует разные уровни сокращения в разных мышцах). Исследователи измерили сигналы ЭМГ для возмущений, приложенных в нескольких направлениях, чтобы определить мышечную синергию, которая присутствует во всех направлениях. [10]

Первоначально считалось, что синергия мышц устраняет избыточный контроль ограниченного числа степеней свободы за счет ограничения движений определенных суставов или мышц (синергия сгибания и разгибания). Однако вопрос о том, является ли эта мышечная синергия нейронной стратегией или результатом кинематических ограничений, является предметом споров. [11] Недавно был введен термин сенсорная синергия, подтверждающая предположение, что синергия - это нейронные стратегии для управления сенсорными и двигательными системами. [12]

Гипотеза неконтролируемого многообразия [ править ]

Более поздняя гипотеза предполагает, что центральная нервная система не устраняет избыточные степени свободы , а вместо этого использует их все для обеспечения гибкого и стабильного выполнения двигательных задач. В центральной системе нервная использует это изобилие от избыточных систем , а не ограничивающие их , как предположил ранее. Гипотеза неконтролируемого манифольда (UCM) предоставляет способ количественной оценки мышечной синергии. [13]Эта гипотеза определяет «синергию» несколько иначе, чем изложенная выше; синергия представляет собой организацию элементарных переменных (степеней свободы), которая стабилизирует важную переменную производительности. Элементарная переменная - это наименьшая разумная переменная, которую можно использовать для описания интересующей системы на выбранном уровне анализа, а переменная производительности относится к потенциально важным переменным, производимым системой в целом. Например, в задаче достижения нескольких суставов углы и положения определенных суставов являются элементарными переменными, а переменные производительности - координатами конечной точки руки. [13]

Эта гипотеза предполагает, что контроллер (мозг) действует в пространстве элементарных переменных (т. Е. Вращений, разделяемых плечом, локтем и запястьем в движениях рук), и выбирает в пространстве многообразий (т. Е. Наборов угловых значений, соответствующих конечная позиция). Эта гипотеза признает, что изменчивость всегда присутствует в движениях человека, и делит ее на два типа: (1) плохая изменчивость и (2) хорошая изменчивость. Плохая изменчивость влияет на важную переменную производительности и вызывает большие ошибки в конечном результате двигательной задачи, а хорошая изменчивость сохраняет выполнение задачи неизменной и поддерживает успешный результат. Интересный пример хорошей вариативности наблюдался в движениях языка, отвечающих за производство речи. [14]Задание степени жесткости телу языка создает некоторую вариативность (с точки зрения акустических параметров речи, таких как форманты), что, однако, несущественно для качества речи (по крайней мере, в разумных пределах: уровни жесткости). [15] Одним из возможных объяснений может быть то, что мозг работает только для уменьшения плохой изменчивости, которая мешает желаемому конечному результату, и делает это за счет увеличения хорошей изменчивости в избыточной области. [13]

Типы [ править ]

Интерлимб [ править ]

Межконечная координация касается того, как движения между конечностями скоординированы. Дж. А. Скотт Келсо и его коллеги предположили, что координацию можно смоделировать в виде связанных осцилляторов , и этот процесс можно понять в модели HKB (Хакена, Келсо и Бунца) . [16] Координация сложных задач между конечностями во многом зависит от височногокоординация. Пример такой временной координации можно наблюдать в свободном указательном движении глаз, кистей и рук, направленного на одну и ту же двигательную цель. Эти координирующие сигналы отправляются одновременно на их эффекторы. В бимануальных задачах (задачах с участием двух рук) было обнаружено, что функциональные сегменты двух рук тесно синхронизированы. Одна из постулируемых теорий этой функциональности - существование более высокой, «координирующей схемы», которая вычисляет время, необходимое для выполнения каждой отдельной задачи, и координирует ее с помощью механизма обратной связи . Было обнаружено, что есть несколько областей мозга, которые способствуют временной координации конечностей, необходимых для бимануальных задач, и эти области включают премоторную кору головного мозга (PMC),теменная кора , мезиальная моторная кора , более конкретно дополнительная моторная область (SMA), поясная моторная кора (CMC), первичная моторная кора (M1) и мозжечок . [17]

Внутри конечности [ править ]

Внутриконечная координация включает планирование траекторий в декартовых плоскостях . [4] Это снижает вычислительную нагрузку и степени свободы для данного движения и заставляет конечности действовать как единое целое, а не наборы мышц и суставов. Эта концепция похожа на «мышечную синергию» и «координационные структуры». Примером такой концепции является модель минимального рывка, предложенная Невиллом Хоганом и Тамар Флэш, [18]который предсказывает, что параметром, которым управляет нервная система, является пространственный путь руки, то есть конечный эффектор (что подразумевает, что движение планируется в декартовых координатах), и что движение по траектории является максимально плавным. Другие ранние исследования показали, что конечный эффектор следует регуляризованной кинематической схеме. [19] В частности, Франческо Лакванити , Карло Терцуоло и Паоло Вивиани показали, что угловая скорость кончика пера зависит от степени кривизны траектории в две трети ( закон степени в две трети ) во время рисования и рукописного ввода. [20] Степенный закон двух третей совместим с моделью минимального рывка, но он также совместим с генераторами синусоидальной последовательности, такими какгенераторы центральных паттернов . Впоследствии было показано, что центральная нервная система занимается его кодированием. [21] [22] Модель суставного пространства постулирует, что двигательная система планирует движения в суставных координатах. [23] В этой модели контролируемым параметром является положение каждого сустава, участвующего в движении. Стратегии управления целенаправленным движением различаются в зависимости от задачи, поставленной перед испытуемым. Это было доказано тестированием двух различных условий: (1) субъекты перемещали курсор в руке к цели и (2) субъекты перемещали свободную руку к цели. Каждое условие показало разные траектории: (1) прямой путь и (2) криволинейный путь. [24]

Глаз – рука [ править ]

Основная статья: Координация глаз и рук

Координация глаз и руки касается того, как движения глаз координируются с движениями рук и влияют на них. Типичные результаты относятся к тому, что глаз смотрит на объект до того, как рука начинает двигаться к этому объекту. [25]

Обучение [ править ]

Бернштейн предложил, чтобы люди сначала учились координации, ограничивая используемые ими степени свободы. Управляя только ограниченным набором степеней свободы, это позволяет учащемуся упростить динамику задействованных частей тела и диапазон вариантов движения. Как только человек приобретет определенный уровень мастерства, эти ограничения могут быть сняты, что позволит ему полностью использовать потенциал своего тела. [5]

См. Также [ править ]

  • Диспраксия
  • Теория перцептивного контроля

Ссылки [ править ]

  1. ^ Домкин, Д .; Laczko, J .; Jaric, S .; Johansson, H .; Латаш МЛ. (Март 2002 г.). «Структура совместной вариативности в задачах бимануального наведения». Exp Brain Res . 143 (1): 11–23. DOI : 10.1007 / s00221-001-0944-1 . PMID  11907686 .
  2. ^ Scholz, JP; Шёнер, Г. (июнь 1999 г.). «Концепция неконтролируемого многообразия: определение управляющих переменных для функциональной задачи». Exp Brain Res . 126 (3): 289–306. DOI : 10.1007 / s002210050738 . PMID 10382616 . 
  3. ↑ Salter, Jennifer E .; Лори Р. Уишарт; Тимоти Д. Ли; Доминик Саймон (2004). «Перцепционный и моторный вклад в бимануальную координацию». Письма неврологии . 363 (2): 102–107. DOI : 10.1016 / j.neulet.2004.03.071 . PMID 15172094 . 
  4. ^ a b Weiss, P .; Жаннерод, М. (апрель 1998 г.). «Разобраться в координации» . Новости Physiol Sci . 13 (2): 70–75. PMID 11390765 . 
  5. ^ a b c Бернштейн Н. (1967). Координация и регулирование движений. Pergamon Press. Нью-Йорк. OCLC 301528509 
  6. ^ Торрес-Овьедо, G .; MacPherson, JM .; Тинг, LH. (Сентябрь 2006 г.). «Организация мышечной синергии устойчива при различных нарушениях осанки». J Neurophysiol . 96 (3): 1530–46. DOI : 10,1152 / jn.00810.2005 . PMID 16775203 . 
  7. ^ Бунстр TW, Данна-дос-Сантос А, С НВ, Roerdink М, Стинс ДФ, Breakspear М (2015). «Мышечные сети: анализ связности ЭМГ-активности во время постурального контроля» . Sci Rep . 5 : 17830. дои : 10.1038 / srep17830 . PMC 4669476 . PMID 26634293 .  
  8. ^ d'Avella, A .; Saltiel, P .; Биззи, Э. (март 2003 г.). «Комбинации мышечной синергии в построении естественного двигательного поведения». Nat Neurosci . 6 (3): 300–8.
  9. ↑ Иваненко Ю.П .; Поппеле, RE; Лакванити, Ф. (апрель 2004 г.). «Пять основных паттернов мышечной активации объясняют мышечную активность во время передвижения человека» . J Physiol . 556 (1): 267–82. PMC 1664897 . 
  10. ^ Торрес-Овьедо, G .; Тинг, LH. (Октябрь 2007 г.). «Синергия мышц, характеризующая постуральные реакции человека». J Neurophysiol . 98 (4): 2144–56. DOI : 10,1152 / jn.01360.2006 . PMID 17652413 . 
  11. ^ Треш, MC .; Ярк, А. (декабрь 2009 г.). «Аргументы за и против мышечной синергии» . Curr Opin Neurobiol . 19 (6): 601–7. DOI : 10.1016 / j.conb.2009.09.002 . PMC 2818278 . PMID 19828310 .  
  12. ^ Alnajjar, F .; Итконен, М .; Беренц, В .; Турнье, М .; Nagai, C .; Шимода, С. (2015). «Сенсорная синергия как интеграция ввода окружающей среды» . Границы неврологии . 8 : 436. DOI : 10,3389 / fnins.2014.00436 . PMC 4292368 . PMID 25628523 .  
  13. ^ a b c Латаш, МЛ .; Энсон, Дж. (Август 2006 г.). «Синергия здоровья и болезни: отношения к адаптивным изменениям в координации движений» . Phys Ther . 86 (8): 1151–60. PMID 16879049 . 
  14. ^ Точнее, движения языка были смоделированы с помощью биомеханической модели языка, BTM, управляемой оптимальной внутренней моделью, которая минимизирует длину пути, пройденного во внутреннем пространстве во время выполнения последовательности задач (см. Blagouchine И Моро).
  15. ^ Ярослав Благушин и Эрик Моро. Управление речевым роботом с помощью оптимальной внутренней модели на основе нейронной сети с ограничениями. IEEE Transactions on Robotics, vol. 26, вып. 1. С. 142–159, февраль 2010 г.
  16. ^ Haken, H .; Kelso, JA .; Бунц, Х. (1985). «Теоретическая модель фазовых переходов в движениях руки человека» (PDF) . Biol Cybern . 51 (5): 347–56. CiteSeerX 10.1.1.170.2683 . DOI : 10.1007 / BF00336922 . PMID 3978150 .   
  17. ^ Swinnen, SP .; Vangheluwe, S .; Wagemans, J .; Coxon, JP; Гобл, диджей .; Van Impe, A .; Sunaert, S .; Peeters, R .; Вендерот, Н. (февраль 2010 г.). «Общие нейронные ресурсы между левыми и правыми межконечностными координационными навыками: нейронный субстрат абстрактных моторных представлений». NeuroImage . 49 (3): 2570–80. DOI : 10.1016 / j.neuroimage.2009.10.052 . PMID 19874897 . 
  18. ^ Flash, T .; Хоган, Н. (июль 1985 г.). «Координация движений рук: экспериментально подтвержденная математическая модель» . J Neurosci . 5 (7): 1688–703. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.05-07-01688.1985 . PMID 4020415 . 
  19. ^ Abend, W .; Bizzi, E .; Морассо, П. (июнь 1982 г.). «Формирование траектории руки человека». Мозг . 105 (2): 331–48.
  20. ^ Лакванити, Франческо; Терцуоло, Карло; Вивиани, Паоло (1983). «Закон о кинематическом и фигуральном аспектах рисования». Acta Psychologica . 54 (1–3): 115–130. DOI : 10.1016 / 0001-6918 (83) 90027-6 . PMID 6666647 . 
  21. ↑ Schwartz, AB (июль 1994 г.). «Прямое корковое представление рисунка». Наука . 265 (5171): 540–2.
  22. ^ Даян, E .; Casile, A .; Левит-Биннун, Н .; Giese, MA .; Hendler, T .; Флэш, Т. (декабрь 2007 г.). «Нейронные представления кинематических законов движения: свидетельство связи действия и восприятия» . Proc Natl Acad Sci USA . 104 (51): 20582–7. DOI : 10.1073 / pnas.0710033104 . PMC 2154474 . PMID 18079289 .  
  23. ^ Soechting, JF; Лакванити, Ф. (1981). «Инвариантные характеристики указательного движения в человеке». J Neurosci . 1 (7): 710–20.
  24. ^ Li, Y .; Левин, О .; Форнер-Кордеро, А .; Swinnen, SP. (Июнь 2005 г.). «Взаимодействие между межконечностной и внутренней координацией конечностей при выполнении бимануальных многосуставных движений». Exp Brain Res . 163 (4): 515–26. DOI : 10.1007 / s00221-004-2206-5 . PMID 15657696 . 
  25. ^ Liesker, H .; Brenner, E .; Смец, JB. (Август 2009 г.). «Совмещать в поиске глаза и руки неоптимально» . Exp Brain Res . 197 (4): 395–401. DOI : 10.1007 / s00221-009-1928-9 . PMC 2721960 . PMID 19590859 .