هماهنگی حرکتی

ترکیب حرکات بدن تولید شده توسط پارامترهای سینماتیک (مانند جهت فضایی) و سینتیک (مانند نیرو) فعالیت های معین را نتیجه می دهد.هماهنگی حرکتی هنگامی ایجاد می شود که بخش های بعدی فعالیت مشابه یا فعالیت های چندین عضو یا بخش بدن در یک رفتار به موقع , روان و کارآمد با توجه به هدف معین ترکیب شده باشند.این شامل انتگرال اطلاعات حس عمقی (Proprioception) درباره موقعیت و حرکت سیستم اسکلتی-عضلانی با فرآیندهای عصبی در مغز و نخاع است که برنامه ریزی و بازپخش فرمان های حرکتی را کنترل می کند.مخچه یک نقش بحرانی در این کنترل عصبی حرکات ایفا می کند و آسیب به این قسمت از مغز یا ساختارها و مسیرهای متصل به آن به اختلال در هماهنگی منجر می شود که به آن آتاکسی می گویند.

ویژگی ها

بازتولید نادقیق

مثال هایی از سهولت هماهنگی حرکتی توانایی ایستادن ریختن آب در یک لیوان راه رفتن در دست گرفتن یک خودکار هستند. اینها بطور قابل اعتماد , مکرر و تخصیص یافته ایجاد میشوند. اما این حرکات به ندرت دقیقا با جزئیات حرکتیشان بازتولید می شوند, مانند زوایای مفصل هنگام اشاره کردن یا ایستادن از حالت نشسته.

ترکیب

پیچیدگی هماهنگی حرکتی در کار برداشتن یک بطری آب و ریختن آن در یک لیوان می تواند دیده شود.این کار ظاهرا ساده درواقع یک ترکیب از کارهای پیچیده است که در سطوح مختلف پردازش می شوند.این سطوح پردازش عبارتند از :

1)              برای حرکت در دست گرفتن یک بطری,دستیابی و وضعیت دست باید هماهنگ شود .

2)              هنگام بلندکردن بطری بار و نیروی چسبندگی اعمال شده توسط انگشتان نیاز به هماهنگی برای محاسبه وزن , شکنندگی و لغزش لیوان دارد .

3)              هنگام ریختن آب از بطری به لیوان فعالیت های هر دودست که یکی درحال نگه داشتن لیوان و دیگری در حال ریختن آب است نیاز به هماهنگی با یکدیگر دارند.

این هماهنگی همچنین شامل همه فرآیندهای هماهنگی چشم و دست می شود.مغز فعالیت ها را به عنوان الگوهای فضای-زمانی  تفسیر می کند و هنگامی که هر دست یک فعالیت متفاوت را همزمان انجام میدهد  هماهنگی دودستی درگیر شده است.سطوح اضافه سازماندهی لازم است وابسته به اینکه آیا فرد آب را خواهد نوشید آن را به شخص دیگری خواهد داد یا به سادگی آن را روی میز قرارخواهد داد.

مسئله درجه آزادی

مسئله درک هماهنگی حرکتی از افزونگی بیومکانیکی منجر شده از تعداد زیادی عنصر اسکلتی-عضلانی درگیر ناشی می شود.این عناصر متفاوت درجه آزادی های زیادی ایجاد می کنند که هر فعالیت می تواند به دلیل محدوده راه های سازماندهی,تبدیل,بسط دادن و ترکیب عضلات مختلف ,مفاصل و اندام ها در یک وظیفه حرکتی انجام شود.

چندین فرضیه در توضیح چگونگی تعیین  یک راه حل خاص توسط سیستم عصبی از یک مجموعه بزرگ از راه حل های ممکن که به یک اندازه توانایی انجام وظیفه یا هدف های حرکتی را دارند ارائه شده است.

تئوری ها

سینرژی های عضلانی

Nikolai Bernstein وجود سینرژی های عضلانی را به عنوان یک استراتژی عصبی برای ساده سازی کنترل درجه آزادی های متعدد پیشنهاد می دهد. یک سینرژی عضلانی به عنوان یک الگو از تعامل عضلات به کار گرفته شده توسط یک سیگنال فرمان عصبی واحد تعیین می شود.یک عضله می تواند بخشی از سینرژی های عضلانی متعدد باشد و یک سینرژی می تواند چندین عضله را فعال کند.روش فعلی پیدا کردن سینرژی های عضلانی اندازه گیری سیگنال های الکترومایوگرافی (EMG) از عضلات درگیر در یک حرکت معین است.بنابراین آن الگوهای خاص از فعالیت عضلات می تواند شناسایی شود.آنالیزهای آماری به داده EMG برای تعیین بهترین تعداد سینرژی های عضلانی نشاندهنده original EMG اعمال شدند. از سوی دیگر آنالیزهای انسجام از داده EMG می تواند برای تعیین اتصال بین عضلات و فرکانس ورودی مشترک استفاده شود.یک تعداد کاهش یافته از عناصرکنترلی (سینرژی های عضلانی) ترکیب شده اند تا یک پیوستگی از فعالیت عضلانی برای کنترل حرکت روان در طول وظایف مختلف را شکل بدهند.این سینرژی ها با هم کار می کنند تا حرکاتی مانند راه رفتن یا کنترل تعادل را تولید کنند.مسیریابی یک حرکت یک اثر روی وظیفه کنترل دارد.یعنی راه رفتن به جلو در مقابل راه رفتن به عقب ,هرکدام از سطوح مختلف انقباض عضلات مخالف استفاده می کنند.پژوهشگران سیگنال های EMG را برای انحراف اعمال شده در جهت های متعدد به منظور شناسایی سینرژی های عضلانی ای که نشان دهنده همه جهت ها هستند اندازه گیری کردند.

در ابتدا تصور میشد که سینرژی های عضلانی کنترل افزونه ی تعدادی از درجه آزادی ها را با محدود کردن حرکات مفاصل یا عضلات مشخص از بین برده اند(سینرژی های flexion و extension).به هرحال چه این سینرژی های عضلانی یک استراتژی عصبی باشند چه آن ها نتیجه انقباضات سینماتیک باشند مورد بحث قرار گرفته اند.اخیرا اصطلاح سینرژی حسی مطرح شده در حمایت از این فرضیه که سینرژی های عضلانی استراتژی های عصبی برای مدیریت سیستم حسی و حرکتی هستند.

فرضیه منیفولد کنترل نشده

یک فرضیه جدیدتر مطرح شده است که سیستم عصبی مرکزی درجه آزادی های بیشتر را حذف نمی کند,اما بجای این از آن ها برای اطمینان حاصل کردن از عملکرد منعطف و پایدار وظایف حرکتی استفاده میکند.

CNS استفاده از این فراوانی را از سیستم های افزونه ایجاد می کند بجای محدود کردن آن ها مانند فرضیه های قبلی.

فرضیه منیفولد کنترل نشده (UCM) یک روش برای کمی کردن سینرژی های عضلانی ارائه می دهد.این فرضیه سینرژی را کمی متفاوت از آن چه دربالا گفته شده ارائه می دهد; یک سینرژی نشاندهنده ی یک سازماندهی از متغیرهای عنصری (درجه های آزادی) است که یک متغیر عملکردی مهم را پایدار می کند.متغیرعنصری کوچکترین متغیر معقولی است که می تواند برای توصیف یک سیستم مطلوب در یک سطح انتخاب شده از آنالیز استفاده شود , یک متغیر عملکردی به متغیرهای مهم بالقوه ی تولید شده توسط سیستم به عنوان یک کل اشاره می کند.برای مثال در وظیفه دست یابی چند مفصله,زوایا و موقعیت های مفاصل مشخص, متغیرهای عنصری هستند و متغیرهای عملکردی هماهنگی های پایانی از دست هستند.

این فرضیه مطرح می کند که کنترلر (مغز) در فضای متغیرهای عنصری فعالیت می کند (به عنوان مثال چرخش های تقسیم شده درحرکات شانه , آرنج و مچ دست ) و در فضای منیفولدها انتخاب می کند.(مثلا مقادیر زاویه ای را با توجه به موقعیت نهایی انتخاب می کند.)این فرضیه تایید می کند که تغییرات همیشه در حرکات انسان نشان داده می شود و آن را به دو گونه دسته بندی میکند:1)تغییرپذیری بد و 2)تغییرپذیری خوب. تغییرپذیری بد روی متغیرهای عملکردی مهم تاثیر می گذارد و به خطاهای بزرگ در نتیجه نهایی یک وظیفه حرکتی منجر می شود و یک تغییرپذیری خوب وظیفه عملکردی را بدون تغییر نگه می دارد و نتیجه موفق را حفظ می کند.

یک مثال جالب از تغییرپذیری خوب در حرکات زبان که مسئول تولید گفتار است مشاهده شد.صدور فرمان سطح سختی برای بدنه زبان چندین تغییرپذیری ایجاد می کند.(درموارد پارامترهای آکوستیک گفتار , مانند باندهای فرکانسی)که به هرحال برای کیفیت گفتار قابل توجیه نیستند (حداقل در محدوده معقول از سطوح سختی ).یکی از توضیحات ممکن میتواند این باشد که مغز فقط برای کاهش تغییرپذیری بد که مانع نتیجه نهایی موردنظر می شود کار میکند و بنابراین با افزایش تغییرپذیری خوب در دامنه ی افزونه  کار نمی کند.

Types

بین اندامی

هماهنگی بین اندامی به چگونگی هماهنگی حرکات در اندام ها مربوط است. J. A. Scott Kelso و همکارانش مطرح کرده اند که هماهنگی می تواند به عنوان نوسانات متصل مدل شود,یک فرآیند که  در HKB(Haken, Kelso, and Bunz)model قابل درک است.

هماهنگی وظایف بین اندامی به شدت به هماهنگی زمانی وابسته است.یک مثال از چنین هماهنگی زمانی می تواند در حرکات آزادانه چشم ها دست ها و بازوها برای هدایت در هدف حرکتی یکسان مشاهده شود.این سیگنال های هماهنگی به صورت همزمان به افکتورهایشان فرستاده می شوند.در وظایف دودستی (مربوط به هر دو دست) کشف شده که بخش های عملکردی از دو دست با استواری هماهنگ شده اند.

یکی از تئوری های بدیهی برای این عملکرد وجود یک طرح هماهنگ است که زمان موردنیاز برای اجرای هر وظیفه ی جداگانه را محاسبه می کند و این را با استفاده از یک مکانیزم فیدبک هماهنگ می کند.چندین ناحیه از مغز برای هماهنگی زمانی از اندام های موردنیاز برای وظایف دودستی کشف شده است و این نواحی شامل premotor cortex (PMC), the parietal cortex, the mesial motor cortices, more specifically the supplementary motor area(SMA), the cingulate motor cortex (CMC), the primary motor cortex (M1), and the cerebellum هستند.

درون اندامی

هماهنگی درون اندامی عبارت است از برنامه ریزی مسیر پروازها (ترجکتوری) در مختصات کارتزین که بار محاسباتی و درجه آزادی ها برای حرکت داده شده را کاهش می دهد و اندام ها را برای فعالیت به عنوان یک واحد به جای مجموعه هایی از عضلات و مفاصل محدود می کند.یک مثال از چنین مفهوم,مدل Flash minimum-jerk است که پارامترهای کنترل کننده سیستم عصبی که مسیر فضایی دست است را پیش بینی می کند.مانند end-effector (که به حرکت برنامه ریزی شده در هماهنگی های کارتزین اشاره می کند.).بقیه مطالعات اولیه نشان داده اند که end-effector از یک الگوی سینماتیک تنظیم شده برای انحنای حرکت دست برای سرعت پیروی می کند و اینکه سیستم عصبی مرکزی به کدنویسی آن اختصاص داده شده است.درمقابل این مدل مدل فضای مفصل بدیهی می داند که سیستم حرکتی حرکات را در هماهنگی های مفصل برنامه ریزی می کند.برای این مدل پارامتر کنترلی موقعیت هر مفصل در حرکت مشارکت می کند.استراتژی های کنترل برای هدف کنترل هدایت شده با توجه به وظیفه ی اختصاص داده شده به افراد متفاوت است.این توسط دو آزمایش با شرایط مختلف اثبات شده است: 1)افراد مکان نما را در دست برای هدف حرکت می دهند و 2)افراد دست آزادشان را برای هدف حرکت می دهند. هرکدام از شرایط مسیرهای پرواز مختلفی نشان می دهد :1)مسیر مستقیم و 2)مسیر منحنی .

چشم-دست

هماهنگی چشم-دست مربوط به چگونگی حرکات چشم هماهنگ شده اند و روی حرکات دست تاثیر می گذارند.یافته های معمول به نگاه کردن چشم فرد قبل از اینکه دستش شروع به حرکت به طرف آن شی کند مربوط اند.

یادگیری

Bernstein مطرح کرده که افراد هماهنگی را ابتدا با محدود کردن درجه آزادی هایی که استفاده می کنند می آموزند.با کنترل کردن فقط یک مجموعه محدود از درجه های آزادی یادگیرنده قادر به ساده سازی دینامیک های قسمت های بدن درگیر و محدودکردن گزینه های حرکت می شود.دفعه اولین بار فرد چندین مهارت به دست می آورد این محدودیت ها می توانند بدون تنش باشند بنابراین به آن ها اجازه استفاده از پتانسیل های کامل بدنشان را می دهد.

مطالعه بیشتر

• Developmental coordination disorder
• Perceptual Control Theory

منابع

1. Domkin, D.; Laczko, J.; Jaric, S.; Johansson, H.; Latash, ML. (Mar 2002). "Structure of joint variability in bimanual pointing tasks". Exp Brain Res. 143 (1): 11–23. doi:10.1007/s00221-001-0944-1. PMID 11907686.
2. Scholz, JP.; Schöner, G. (Jun 1999). "The uncontrolled manifold concept: identifying control variables for a functional task". Exp Brain Res. 126 (3): 289–306. doi:10.1007/s002210050738. PMID 10382616.
3. Salter, Jennifer E.; Laurie R. Wishart; Timothy D. Lee; Dominic Simon (2004). "Perceptual and motor contributions to bimanual coordination". Neuroscience Letters. 363 (2): 102–107. doi:10.1016/j.neulet.2004.03.071. PMID 15172094.

• Weiss, P.; Jeannerod, M. (Apr 1998). "Getting a Grasp on Coordination". News Physiol Sci. 13 (2): 70–75. PMID 11390765.

• Bernstein N. (1967). The Coordination and Regulation of Movements. Pergamon Press. New York.OCLC 301528509

• Torres-Oviedo, G.; MacPherson, JM.; Ting, LH. (Sep 2006). "Muscle synergy organization is robust across a variety of postural perturbations". J Neurophysiol. 96 (3): 1530–46. doi:10.1152/jn.00810.2005. PMID 16775203.

• Boonstra TW, Danna-Dos-Santos A, Xie HB, Roerdink M, Stins JF, Breakspear M (2015). "Muscle networks: Connectivity analysis of EMG activity during postural control". Sci Rep. 5: 17830. doi:10.1038/srep17830. PMC 4669476 . PMID 26634293.

• Torres-Oviedo, G.; Ting, LH. (Oct 2007). "Muscle synergies characterizing human postural responses". J Neurophysiol. 98 (4): 2144–56. doi:10.1152/jn.01360.2006. PMID 17652413.

• Tresch, MC.; Jarc, A. (Dec 2009). "The case for and against muscle synergies". Curr Opin Neurobiol. 19 (6): 601–7. doi:10.1016/j.conb.2009.09.002. PMC 2818278 . PMID 19828310.

• Alnajjar, F.; Itkonen, M.; Berenz, V.; Tournier, M.; Nagai, C.; Shimoda, S. (2015). "Sensory synergy as environmental input integration". Frontiers in Neuroscience. 8: 436. doi:10.3389/fnins.2014.00436.

• Latash, ML.; Anson, JG. (Aug 2006). "Synergies in health and disease: relations to adaptive changes in motor coordination". Phys Ther. 86 (8): 1151–60. PMID 16879049.

• More precisely, the movements of tongue were modeled by means of a biomechanical tongue model, BTM, controlled by an optimum internal model, which minimizes the length of the path traveled in the internal space during the production of the sequences of tasks (see Blagouchine & Moreau).

• Iaroslav Blagouchine and Eric Moreau. Control of a Speech Robot via an Optimum Neural-Network-Based Internal Model with Constraints. IEEE Transactions on Robotics, vol. 26, no. 1, pp. 142—159, February 2010.

• Haken, H.; Kelso, JA.; Bunz, H. (1985). "A theoretical model of phase transitions in human hand movements" (PDF). Biol Cybern. 51 (5): 347–56. doi:10.1007/BF00336922. PMID 3978150.

• Swinnen, SP.; Vangheluwe, S.; Wagemans, J.; Coxon, JP.; Goble, DJ.; Van Impe, A.; Sunaert, S.; Peeters, R.; Wenderoth, N. (Feb 2010). "Shared neural resources between left and right interlimb coordination skills: the neural substrate of abstract motor representations". NeuroImage. 49 (3): 2570–80. doi:10.1016/j.neuroimage.2009.10.052. PMID 19874897.

• Flash, T.; Hogan, N. (Jul 1985). "The coordination of arm movements: an experimentally confirmed mathematical model". J Neurosci. 5 (7): 1688–703. PMID 4020415.

• Lacquaniti, F.; Terzuolo, C.; Viviani, P. (Oct 1983). "The law relating the kinematic and figural aspects of drawing movements" (PDF). Acta Psychol (Amst). 54 (1–3): 115–30. doi:10.1016/0001-6918(83)90027-6. PMID 6666647.

• Dayan, E.; Casile, A.; Levit-Binnun, N.; Giese, MA.; Hendler, T.; Flash, T. (Dec 2007). "Neural representations of kinematic laws of motion: evidence for action-perception coupling". Proc Natl Acad Sci U S A. 104 (51): 20582–7. doi:10.1073/pnas.0710033104. PMC 2154474 . PMID 18079289.

• Li, Y.; Levin, O.; Forner-Cordero, A.; Swinnen, SP. (Jun 2005). "Interactions between interlimb and intralimb coordination during the performance of bimanual multijoint movements". Exp Brain Res. 163 (4): 515–26. doi:10.1007/s00221-004-2206-5. PMID 15657696.

• Liesker, H.; Brenner, E.; Smeets, JB. (Aug 2009). "Combining eye and hand in search is suboptimal". Exp Brain Res. 197 (4): 395–401. doi:10.1007/s00221-009-1928-9. PMC 2721960 . PMID 1959085