Согласно первоначальному предложению Энока [1], нейромеханика - это область исследований, которая объединяет концепции биомеханики и нейрофизиологии для изучения движений человека. Нейромеханика изучает комбинированные роли скелетной, мышечной и нервной систем и то, как они взаимодействуют для создания движения, необходимого для выполнения двигательной задачи. [2]
Мышечные сигналы, стимулированные неврологическими импульсами, собираются с помощью электромиографии (ЭМГ). Эти мышечные сигналы указывают на нервную активность. В некоторых случаях данные ЭМГ могут свидетельствовать о нейропластичности и обучении двигательным задачам. [3] Мышечная система, в частности скелетные мышцы, создает движение вокруг костных суставов, а центральная нервная система необходима для управления двигательными движениями скелетных мышц. [4]
Задний план
Нейромеханика - это область исследования, которая объединяет нейробиологию и биомеханику в попытке понять движение и его связь с мозгом. Нейромеханика - это область, которая пытается объединить усилия мышц, органов чувств, генераторов паттернов в головном мозге и самой центральной нервной системы для объяснения движения. [2] Приложения нейромеханики включают облегчение проблем со здоровьем, а также проектирование и управление роботизированными системами. [2]
Неврология
Неврология - это исследование нервной системы . Нервная система делится на две подсистемы: периферическую нервную систему и центральную нервную систему. [4]
Таким образом, периферическая нервная система состоит из трех подсистем: соматической нервной системы , вегетативной нервной системы и висцеральной нервной системы . [5] Вегетативная нервная система также подразделяется на симпатическую нервную систему , парасимпатическую нервную систему и кишечную нервную систему . Нервная система, отвечающая за произвольные движения, включая движения нижних конечностей, - это соматическая нервная система . [6] Хотя соматическая нервная система является частью периферической нервной системы, движение также включает использование элементов центральной нервной системы: головного и спинного мозга . [6]
Неврология вносит свой вклад в нейромеханику человека, изучая, как различные неврологические заболевания способствуют биомеханическим проблемам и изменениям в типичных движениях. Неврология занимается изучением причин видимых проблем.
Биомеханика
Биомеханика - это изучение структуры и функций живых систем, таких как люди, животные и другие организмы, с помощью механики . Большая часть биомеханики связана с простыми двигательными задачами, такими как ходьба. Ходьбу можно определить по циклу походки . Цикл походки - это повторяющееся мероприятие, которое состоит из одного полного шага от удара пяткой до следующего удара пяткой той же стопы. Его можно разделить на две фазы: позиция фазы и фазы маха . [7] Фаза стойки состоит из времени, в течение которого пятка ударяется о землю до момента, когда зацеп отрывается от земли. [7] Фаза маха состоит из оставшейся части цикла походки, времени между отрывом пальца от земли до следующего удара пяткой. [7]
Биомеханика вносит свой вклад в нейромеханику, изучая, как организм реагирует на различные условия, будь то неврологические заболевания или физические нарушения. Биомеханика занимается изучением эффекта, возникающего в таких условиях.
Теория перевернутого маятника
Перевернутая теория маятника походки является neuromechanical подхода к пониманию движения человека. Теоретически вес тела сводится к центру масс, опирающемуся на безмассовую ногу на единственной опоре. Сила реакции опоры распространяется от центра давления внизу безмассовой опоры к центру масс наверху безмассовой опоры. Вектор скорости центра масс всегда перпендикулярен силе реакции земли. [8]
Прогулка состоит из чередующихся одноопорных и двухопорных фаз. Фаза одинарной опоры возникает, когда одна нога касается земли, а фаза двойной опоры происходит, когда две ноги касаются земли. [9]
Неврологические влияния
Перевернутый маятник стабилизируется за счет постоянной обратной связи с мозгом и может работать даже при потере чувствительности . У животных, которые потеряли все сенсорные данные для движущейся конечности, переменные, производимые походкой (ускорение центра масс, скорость животного и положение животного), остаются постоянными для обеих групп. [10]
Во время постурального контроля механизмы отложенной обратной связи используются во временном воспроизведении функций уровня задачи, таких как ходьба. Нервная система принимает во внимание обратную связь от центра масс, ускорение, скорость и положение человека и использует информацию для прогнозирования и планирования будущих движений. Ускорение центра масс играет важную роль в механизме обратной связи, поскольку эта обратная связь имеет место до того, как могут быть определены какие-либо существенные данные о смещении. [11]
Полемика
Теория перевернутого маятника прямо противоречит шести детерминантам походки , другой теории анализа походки. [12] Шесть детерминант походки предсказывают очень высокие затраты энергии на синусоидальное движение Центра масс во время ходьбы, в то время как теория перевернутого маятника предполагает возможность того, что затраты энергии могут быть близки к нулю; Теория перевернутого маятника предсказывает, что для ходьбы не требуется никакой работы. [8]
Электромиография
Электромиография (ЭМГ) - это инструмент, используемый для измерения электрической мощности, производимой скелетными мышцами при активации. Двигательные нервы иннервируют скелетные мышцы и вызывают сокращение по команде центральной нервной системы. Это сокращение измеряется с помощью ЭМГ и обычно измеряется по шкале милливольт (мВ). Другой вид анализируемых данных ЭМГ - это данные интегрированной ЭМГ (iEMG). iEMG измеряет площадь под сигналом EMG, который соответствует общему мышечному усилию, а не усилию в конкретный момент.
Оборудование
Для обнаружения этих сигналов используются четыре инструментальных компонента: (1) источник сигнала, (2) преобразователь, используемый для обнаружения сигнала, (3) усилитель и (4) схема обработки сигнала. [13] Источник сигнала относится к месту, в котором находится электрод ЭМГ. Получение сигнала ЭМГ зависит от расстояния от электрода до мышечного волокна, поэтому размещение является обязательным. Преобразователь, используемый для обнаружения сигнала, представляет собой электрод ЭМГ, который преобразует биоэлектрический сигнал от мышцы в читаемый электрический сигнал. [13] Усилитель воспроизводит неискаженный биоэлектрический сигнал, а также позволяет снизить уровень шума в сигнале. [13] Обработка сигналов включает в себя получение записанных электрических импульсов, их фильтрацию и огибание данных. [13]
Задержка
Задержка - это мера промежутка времени между активацией мышцы и ее пиковым значением ЭМГ. Латентный период используется как средство диагностики расстройств нервной системы, таких как грыжа межпозвоночного диска , боковой амиотрофический склероз (БАС) или миастения (МГ). [14] Эти расстройства могут вызывать нарушение передачи сигнала в мышце, нерве или соединении между мышцей и нервом.
Использование ЭМГ для выявления расстройств нервной системы известно как исследование нервной проводимости (NCS). Исследования нервной проводимости позволяют диагностировать заболевания только на мышечном и нервном уровнях. Они не могут обнаружить заболевания спинного или головного мозга. При большинстве заболеваний мышц, нервов или нервно-мышечных соединений время ожидания увеличивается. [15] Это результат снижения нервной проводимости или электростимуляции в месте расположения мышцы. У 50% пациентов с церебральной атрофией латентность спинномозгового рефлекса М3 была увеличена и иногда отделялась от рефлекторной реакции М2. [16] [17] Разделение между рефлекторными ответами M2 и M3 обычно составляет 20 миллисекунд, но у пациентов с церебральной атрофией разделение было увеличено до 50 мс. Однако в некоторых случаях другие мышцы могут компенсировать мышцу, страдающую от снижения электростимуляции. В компенсаторной мышце время ожидания фактически уменьшается, чтобы заменить функцию больной мышцы. [18] Подобные исследования используются в нейромеханике для выявления двигательных нарушений и их эффектов на клеточном и электрическом уровне, а не на уровне движений системы.
Мышечная синергия
Мышечная синергия - это группа синергетических мышц и агонистов, которые работают вместе для выполнения двигательной задачи. Синергия мышц состоит из мышц-агонистов и мышц-синергиков. Мышца-агонист - это мышца, которая сокращается индивидуально и может вызывать каскад движений в соседних мышцах. Синергетические мышцы помогают мышцам-агонистам в задачах управления моторикой, но они действуют против избыточного движения, которое могут создавать агонисты.
Гипотеза мышечной синергии
Гипотеза мышечной синергии основана на предположении, что центральная нервная система контролирует группы мышц независимо, а не отдельные мышцы. [19] [20] Гипотеза мышечной синергии представляет моторный контроль в виде трехуровневой иерархии. На первом уровне вектор двигательной задачи создается центральной нервной системой. Затем центральная нервная система трансформирует мышечный вектор, чтобы воздействовать на группу синергических взаимодействий мышц второго уровня. Затем на третьем уровне синергия мышц определяет конкретное соотношение двигательной задачи для каждой мышцы и назначает его соответствующей мышце, чтобы воздействовать на сустав для выполнения двигательной задачи.
Резервирование
Избыточность играет большую роль в мышечной синергии. Избыточность мышц - это проблема степени свободы на мышечном уровне. [21] Центральная нервная система имеет возможность координировать движения мышц, и она должна выбирать одну из многих. Проблема избыточности мышц возникает из-за того, что векторов мышц больше, чем размеров в пространстве задач. Мышцы могут создавать напряжение только путем вытягивания, а не толчка. Это приводит к множеству векторов мышечной силы в разных направлениях, а не к толчкам и натяжкам в одном направлении.
Споры о синергии мышц ведутся между стратегией главного двигателя и стратегией сотрудничества. [21] Стратегия первичного движения возникает, когда вектор мышцы может действовать в том же направлении, что и вектор механического действия, вектор движения конечности. Стратегия сотрудничества, однако, имеет место, когда ни одна мышца не может действовать непосредственно в направлении вектора механического воздействия, что приводит к координации нескольких мышц для выполнения задачи. Популярность стратегии первичного двигателя с течением времени снизилась, поскольку в ходе электромиографических исследований было обнаружено, что ни одна мышца не обеспечивает постоянной силы больше, чем другие мышцы, которые действуют для движения в суставе. [22]
Критика
Теорию мышечной синергии сложно опровергнуть. [23] Хотя эксперименты показали, что группы мышц действительно работают вместе, чтобы контролировать двигательные задачи, нейронные связи позволяют активировать отдельные мышцы. Хотя активация отдельных мышц может противоречить синергии мышц, она также скрывает ее. Активация отдельных мышц может отменять или блокировать вход и общий эффект мышечной синергии. [23]
Приспособление
Адаптация в нейромеханическом смысле - это способность тела изменять действие, чтобы лучше соответствовать ситуации или среде, в которой оно действует. Адаптация может быть результатом травмы, переутомления или практики. Адаптацию можно измерить разными способами: электромиографией, трехмерной реконструкцией суставов и изменениями других переменных, относящихся к конкретной изучаемой адаптации.
Травма, повреждение
Травма может вызвать адаптацию по-разному. Компенсация является важным фактором адаптации к травмам. Компенсация - это результат ослабления одной или нескольких мышц. Мозгу дается задание выполнить определенную двигательную задачу, и после того, как мышца ослаблена, мозг вычисляет соотношение энергии, которое отправляется другим мышцам для выполнения первоначальной задачи желаемым образом. Изменение вклада мышц - не единственный побочный продукт мышечной травмы. Изменение нагрузки на сустав - это еще один результат, который, если его продлить, может быть вредным для человека. [24]
Усталость
Мышечная усталость - это нервно-мышечная адаптация к проблемам в течение определенного периода времени. Использование двигательных единиц в течение определенного периода времени может привести к изменению двигательной команды мозга. Поскольку силу сокращения нельзя изменить, мозг вместо этого задействует больше двигательных единиц для достижения максимального сокращения мышц. [25] Набор двигательных единиц варьируется от мышцы к мышце в зависимости от верхнего предела набора двигательных единиц в мышце. [25]
Упражняться
Адаптация в результате практики может быть результатом запланированной практики, такой как спорт, или непреднамеренной практики, такой как ношение ортеза . У спортсменов повторение приводит к мышечной памяти . Двигательная задача становится долговременной памятью, которую можно повторять без особых сознательных усилий. Это позволяет спортсмену сосредоточиться на точной настройке своей двигательной стратегии. Сопротивление утомлению также приходит с практикой, поскольку мышцы укрепляются, но скорость, с которой спортсмен может выполнять двигательную задачу, также увеличивается с практикой. [26] Волейболисты по сравнению с не прыгунами демонстрируют более повторяемый контроль мышц, окружающих колено, который контролируется совместной активацией в состоянии одиночного прыжка. [26] В условиях повторного прыжка как волейболисты, так и не прыгуны имеют линейное уменьшение нормализованного времени полета в прыжке. [26] Хотя нормализованное линейное уменьшение одинаково для спортсменов и не спортсменов, у спортсменов стабильно более высокое время полета.
Также существует адаптация, связанная с использованием протеза или ортеза. Это действует аналогично адаптации из-за утомления; однако мышцы могут быть утомлены или изменить свой механический вклад в выполнение двигательной задачи в результате ношения ортеза. Ортез на голеностопный сустав является распространенным решением при травме нижней конечности, особенно в области голеностопного сустава. Ортез на голеностопный сустав может быть вспомогательным или резистивным. Вспомогательный ортез на голеностопный сустав стимулирует движение голеностопного сустава, а резистивный ортез на голеностопный сустав препятствует движению голеностопного сустава. [27] При ношении вспомогательного ортеза на голеностопный сустав люди со временем снижают амплитуду ЭМГ и жесткость суставов, в то время как с резистивными ортезами голеностопного сустава происходит обратное. [27] Кроме того, могут отличаться не только показания электромиографии, но и физический путь, по которому движутся суставы. [28]
Смотрите также
- Нейромеханика ортезов
Рекомендации
- ^ Enoka, Роджер (1988). Нейромеханические основы кинезиологии . Кинетика человека. ISBN 978-0873221795.
- ^ а б в Nishikawa, K; Бивенер, AA; Aerts, P; Ан, АН; Chiel, HJ; Дейли, Массачусетс; Daniel, TL; Полный, RJ; Хейл, Мэн; Хедрик, TL; Лаппин, АК; Николс, TR; Куинн, РД; Саттерли, РА; Szymik, B (июль 2007 г.). «Нейромеханика: интегративный подход к пониманию моторного контроля» . Интегративная и сравнительная биология . 47 (1): 16–54. DOI : 10.1093 / ICB / icm024 . PMID 21672819 .
- ^ Был, Н.Н. (2004). «Фокальная дистония кисти может быть следствием аберрантной нейропластичности». Успехи в неврологии . 94 : 19–28. PMID 14509650 .
- ^ а б Констанцо, Линда (2013). Физиология . ISBN компании WB Saunders Co. 978-1455708475.
- ^ Костанцо, Линда (2010). Физиология . Макгроу Хилл. ISBN 9781416062165.
- ^ а б Noback, Чарльз (2005). Нервная система человека: структура и функции . Springer. ISBN 978-1588290397.
- ^ а б в Перри, Жаклин (2010). Анализ походки: нормальная и патологическая функция . Slack Incorporated. ISBN 978-1556427664.
- ^ а б Куо, Артур (6 июля 2007 г.). «Шесть детерминант походки и аналогия с перевернутым маятником: динамическая перспектива ходьбы». Наука человеческого движения . 26 (4): 617–656. DOI : 10.1016 / j.humov.2007.04.003 . PMID 17617481 .
- ^ Куо, Артур; Донелан, Руина (2005). «Энергетические последствия ходьбы как перевернутый маятник: поэтапные переходы» (PDF) . Обзоры упражнений и спортивных наук . 33 (2): 88–97. DOI : 10.1097 / 00003677-200504000-00006 . PMID 15821430 .
- ^ Локхарт, Дэниел; Тинг (16 сентября 2007 г.). «Оптимальные сенсомоторные преобразования для равновесия». Природа Неврологии . 10 (10): 1329–1336. DOI : 10.1038 / nn1986 . PMID 17873869 .
- ^ Уэлч, Торренс; Тинг (19 декабря 2007 г.). «Модель обратной связи воспроизводит мышечную активность во время постуральных реакций человека на переходы между опорной поверхностью». Журнал нейрофизиологии . 99 (2): 1032–1038. DOI : 10,1152 / jn.01110.2007 . PMID 18094102 .
- ^ Кукурулло, Сара (2009). Обзор Совета по физической медицине и реабилитации . Demos Medical Publishing. С. 457–462. ISBN 978-1933864181.
- ^ а б в г Содерберг, Гэри; Кук (декабрь 1984 г.). «Электромиография в биомеханике» . Журнал Американской ассоциации физиотерапии . 64 (12): 1813–1820 . Проверено 10 ноября 2013 года .[ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ «Электромиограмма (ЭМГ) и исследования нервной проводимости» . WebMD, LLC. 1 марта 2011 . Проверено 27 ноября 2013 года .
- ^ Клаус, Детлеф; Шокльманн, Дитрих (1986). «Мышечные реакции с длительной латентностью при заболеваниях мозжечка». Европейский архив психиатрии и неврологических наук . 235 (6): 355–360. DOI : 10.1007 / bf00381004 . PMID 3488906 .
- ^ Клаус, Д; Schöcklmann, HO; Дитрих, HJ (1986). «Длительные латентные мышечные реакции при заболеваниях мозжечка». Европейский архив психиатрии и неврологических наук . 235 (6): 355–60. DOI : 10.1007 / bf00381004 . PMID 3488906 .
- ^ Аминофф, [отредактированный] Уильямом Ф. Брауном, Чарльзом Ф. Болтоном, Майклом Дж. (2002). Нервно-мышечная функция и заболевание: основные, клинические и электродиагностические аспекты (1-е изд.). Филадельфия: компания WB Saunders. С. 229–230. ISBN 978-0721689227.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
- ^ Бекман, Скотт; Бьюкенен (декабрь 1995 г.). «Повреждение инверсии голеностопного сустава и гипермобильность: влияние на латентность начала электромиографии тазобедренных и голеностопных мышц». Архивы физической медицины и реабилитации . 76 (12): 1138–1143. DOI : 10.1016 / s0003-9993 (95) 80123-5 .
- ^ Бернштейн, Н. А (1967). Координация и регулировка движений . Нью-Йорк: Pergamon Press. OCLC 301528509 .
- ^ Bizzi, E .; Cheung, VCK; d'Avella, A .; Saltiel, P .; Треш, М. (2008). «Комбинирование модулей для движения» . Обзоры исследований мозга . 57 (1): 125–133. DOI : 10.1016 / j.brainresrev.2007.08.004 . PMC 4295773 . PMID 18029291 .
- ^ а б Катч, Джейсон (2008). «Сигнал в двигательной неустойчивости человека: определение действия и активности мышц» (PDF) . Мичиганский университет . Проверено 8 ноября 2013 года .
- ^ Бьюкенен, Т.С.; Роваи, Раймер (1 декабря 1989 г.). «Стратегии активации мышц во время создания изометрического крутящего момента в локтевом суставе человека». Журнал нейрофизиологии . 62 (6): 1201–1212. DOI : 10,1152 / jn.1989.62.6.1201 . PMID 2600619 .
- ^ а б Треш, Мэтью С .; Jarc, A (декабрь 2009 г.). «Аргументы за и против мышечной синергии» . Текущее мнение в нейробиологии . 19 (6): 601–607. DOI : 10.1016 / j.conb.2009.09.002 . PMC 2818278 . PMID 19828310 .
- ^ Лю, Вэнь; Мейтленд (29 октября 1999 г.). «Эффект компенсации подколенного сухожилия на переднюю слабость в колене с дефицитом ACL во время ходьбы». Журнал биомеханики . 33 (7): 871–879. DOI : 10.1016 / s0021-9290 (00) 00047-6 .
- ^ а б Енока, Роджер; Стюарт (1 мая 1992 г.). «Нейробиология мышечного утомления» . Журнал прикладной физиологии . 72 (5): 1631–1648. DOI : 10.1152 / jappl.1992.72.5.1631 . PMID 1601767 . Проверено 15 ноября 2013 года .
- ^ а б в Маски, Илария; Ванноцци, Гицци; Беллотти, Феличи (22 сентября 2009 г.). «Нейромеханические доказательства улучшения нервно-мышечного контроля в области коленного сустава у волейболистов». Европейский журнал прикладной физиологии . 108 (3): 443–450. DOI : 10.1007 / s00421-009-1226-Z . PMID 19826834 .[ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ а б Чанг, YH; Ройз, РА; Ауян, AG (2008). «Стратегия компенсации внутри лимба зависит от характера нарушения суставов при прыжках человека». Журнал биомеханики . 41 (9): 1832–9. DOI : 10.1016 / j.jbiomech.2008.04.006 . PMID 18499112 .
- ^ Феррис, Дэниел; Бора; ЛуКОС; Киннэрд (22 сентября 2005 г.). «Нейромеханическая адаптация к прыжкам с эластичным ортезом на голеностопный сустав». Журнал прикладной физиологии . 100 (1): 163–170. DOI : 10.1152 / japplphysiol.00821.2005 . PMID 16179395 .