هماهنگی حرکتی

هماهنگی حرکتی نشان داده شده در این توالی متحرک توسط Eadweard Muybridge از پرتاب یک دیسک توسط خودش

ترکیب حرکات بدن تولیدشده توسط پارامترهای سینماتیک (مانند جهت فضایی) و سینتیک (مانند نیرو) فعالیت‌های معین را نتیجه می‌دهد. هماهنگی حرکتی هنگامی ایجادمی‌شود که بخش‌های بعدی فعالیت مشابه یا فعالیت‌های چندین عضو یا بخش بدن در یک رفتار به موقع، روان و کارآمد با توجه به هدف معین ترکیب شده باشند. این شامل یکپارچگی اطلاعات حس عمقی دربارهٔ موقعیت و حرکت سیستم اسکلتی-عضلانی با فرایندهای عصبی در مغز و نخاع است که برنامه‌ریزی و بازپخش فرمان‌های حرکتی را کنترل می‌کند. مخچه یک نقش بحرانی در کنترل عصبی حرکات ایفا می‌کند و آسیب به این قسمت از مغز یا ساختارها و مسیرهای متصل به آن به اختلال در هماهنگی منجر می‌شود که به آن آتاکسی می‌گویند.

ویژگی‌ها

بازتولید نادقیق

توانایی ایستادن، ریختن آب در یک لیوان، راه رفتن، دردست گرفتن یک خودکار مثال‌هایی از سهولت هماهنگی حرکتی می‌باشند که به‌صورت مطمئن، مکرر و تخصیص‌یافته ایجاد می‌شوند. اما این حرکات به‌ندرت دقیقاً با جزئیات حرکتیشان بازتولید می‌شوند. مانند زوایای مفصل هنگام اشاره کردن^[۱] یا برخاستن از حالت نشسته.^[۲]

ترکیب

پیچیدگی هماهنگی حرکتی در عمل برداشتن یک بطری آب و ریختن آن در لیوان قابل مشاهده است. این کار ظاهراً ساده در واقع ترکیبی از کارهای پیچیده‌است که در سطوح مختلف پردازش می‌شوند. این سطوح پردازش عبارت‌اند از:

1. برای در دست گرفتن یک بطری، دستیابی و وضعیت دست باید هماهنگ شود.
2. هنگام بلندکردن بطری، بار و نیروی چسبندگی اعمال‌شده توسط انگشتان نیاز به هماهنگی برای محاسبه وزن، شکنندگی و لغزش لیوان دارد.
3. هنگام ریختن آب از بطری به لیوان فعالیت‌های هر دو دست که یکی در حال نگه داشتن لیوان و دیگری در حال ریختن آب است، نیاز به هماهنگی با یکدیگر دارند.

این هماهنگی همچنین شامل همه فرایندهای هماهنگی چشم و دست می‌باشد. مغز فعالیت‌ها را به عنوان الگوهای فضایی-زمانی تفسیر می‌کند و هنگامی که هر دست یک فعالیت متفاوت را همزمان انجام می‌دهد، هماهنگی دو دستی درگیر شده‌است.^[۳] بسته به اینکه آیا فرد آب را بنوشد، آن را به شخص دیگری بدهد یا به سادگی آن را روی میز قراردهد، سطوح اضافه سازماندهی لازم می‌باشد.^[۴]

مسئله درجه آزادی

مسئله درک هماهنگی حرکتی از افزونگی بیومکانیکی از تعداد زیادی عنصر اسکلتی-عضلانی درگیر ناشی می‌شود. این عناصر متفاوت درجه آزادی‌های زیادی ایجاد می‌کنند که هر فعالیت می‌تواند به دلیل محدوده راه‌های سازماندهی، تبدیل، بسط دادن و ترکیب عضلات مختلف، مفاصل و اندام‌ها در یک وظیفه حرکتی انجام شود.

چندین فرضیه در توضیح چگونگی تعیین یک راه حل خاص توسط سیستم عصبی، از میان مجموعه بزرگی از راه‌حل‌های ممکن که به یک اندازه توانایی انجام وظیفه یا هدف‌های حرکتی را دارند ارائه شده‌است.^[۵]

تئوری‌ها

سینرژی‌های عضلانی

Nikolai Bernstein وجود سینرژیهای عضلانی را به عنوان یک استراتژی عصبی برای ساده‌سازی کنترل درجه آزادی‌های متعدد ارائه می‌کند. یک سینرژی عضلانی به عنوان یک الگو از تعامل عضلات به کار گرفته شده توسط یک سیگنال فرمان عصبی واحد تعیین می‌شود.^[۶] یک عضله می‌تواند بخشی از سینرژی‌های عضلانی متعدد باشد و یک سینرژی می‌تواند چندین عضله را فعال کند. روش فعلی پیدا کردن سینرژی‌های عضلانی، اندازه‌گیری سیگنال‌های الکترومایوگرافی (EMG) از عضلات درگیر در یک حرکت معین است؛ بنابراین الگوهای خاص از فعالیت عضلات می‌تواند شناسایی شود. آنالیزهای آماری به داده EMG برای تعیین بهترین تعداد سینرژی‌های عضلانی نشاندهنده EMG اصلی اعمال شدند. از سوی دیگر، آنالیزهای انسجام داده EMG می‌تواند برای تعیین اتصال بین عضلات و فرکانس ورودی مشترک استفاده شود.^[۷] یک تعداد کاهش یافته از عناصر کنترلی (سینرژی‌های عضلانی) ترکیب شده‌اند تا یک پیوستگی از فعالیت عضلانی برای کنترل حرکت روان در طول وظایف مختلف را شکل بدهند. این سینرژی‌ها با هم کار می‌کنند 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 می‌کنند. پژوهشگران سیگنال‌های EMG را برای انحراف اعمال شده در جهت‌های متعدد به منظور شناسایی سینرژی‌های عضلانی ای نشان دهنده همه جهت‌ها اندازه‌گیری کردند.^[۸]

در ابتدا تصور می‌شد که سینرژی‌های عضلانی، کنترل افزونهٔ تعدادی از درجه آزادی‌ها را با محدود کردن حرکات مفاصل یا عضلات مشخص از بین برده‌اند (سینرژی‌های flexion و extension). به هرحال چه این سینرژی‌های عضلانی یک استراتژی عصبی باشند، چه آن‌ها نتیجه انقباضات سینماتیک باشند، مورد بحث قرار گرفته‌اند.^[۹] اخیراً اصطلاح سینرژی حسی در حمایت از این فرضیه که سینرژی‌های عضلانی استراتژی‌های عصبی برای مدیریت سیستم حسی-حرکتی هستند، مطرح شده‌است.^[۱۰]

فرضیه منیفولد کنترل‌نشده

فرضیه جدیدتر این است که سیستم عصبی مرکزی درجه آزادی‌های بیشتر را حذف نمی‌کند، اما درعوض از آن‌ها برای اطمینان‌حاصل‌کردن از عملکرد منعطف و پایدار وظایف حرکتی استفاده می‌کند.

CNS استفاده از این فراوانی را از سیستم‌های افزونه، به جای محدود کردن آن‌ها مانند فرضیه‌های قبلی ایجاد می‌کند.

فرضیه منیفولد کنترل نشده (UCM) روشی برای کمی سازی سینرژی‌های عضلانی ارائه می‌دهد. این فرضیه، سینرژی را کمی متفاوت از آنچه در بالا گفته شده‌است ارائه می‌دهد. هر سینرژی نشاندهندهٔ یک سازماندهی از متغیرهای عنصری (درجه‌های آزادی) است که یک متغیر عملکردی مهم را پایدار می‌کند. متغیرعنصری، کوچکترین متغیر معقولی است که می‌تواند برای توصیف یک سیستم مطلوب در یک سطح انتخاب‌شده از آنالیز استفاده شود، یک متغیر عملکردی به متغیرهای مهم بالقوهٔ تولیدشده توسط سیستم به عنوان یک کل اشاره می‌کند. برای مثال در وظیفه دست‌یابی چند مفصله، زوایا و موقعیت‌های مفاصل مشخص، متغیرهای عنصری هستند و متغیرهای عملکردی، هماهنگی‌های پایانی دست می‌باشند.^[۱۱]

این فرضیه مطرح می‌کند که کنترلر (مغز) در فضای متغیرهای عنصری فعالیت می‌کند (به عنوان مثال چرخش‌های تقسیم شده درحرکات شانه، آرنج و مچ دست) و در فضای منیفولدها انتخاب می‌کند (مثلاً مقادیر زاویه ای را با توجه به موقعیت نهایی انتخاب می‌کند). این فرضیه تاییدمی‌کند که تغییرات همیشه در حرکات انسان نشان داده می‌شود و آن را به دو گونه دسته‌بندی می‌کند: ۱)تغییرپذیری بد و ۲)تغییرپذیری خوب. تغییرپذیری بد روی متغیرهای عملکردی مهم تأثیر می‌گذارد و به خطاهای بزرگ در نتیجه نهایی یک وظیفه حرکتی منجر می‌شود و یک تغییرپذیری خوب، وظیفه عملکردی را بدون تغییر نگه‌می‌دارد و نتیجه موفق را حفظ می‌کند.

یک مثال جالب از تغییرپذیری خوب، در حرکات زبان که مسئول تولید گفتار است مشاهده می‌شود.^[۱۲] صدور فرمان سطح سختی برای بدنه زبان، چندین تغییرپذیری ایجاد می‌کند. (درموارد پارامترهای آکوستیک گفتار، مانند باندهای فرکانسی) که به هرحال برای کیفیت گفتار قابل‌توجیه نیستند (حداقل در محدوده معقول از سطوح سختی).^[۱۲] یکی از توضیحات ممکن می‌تواند این باشد که مغز فقط برای کاهش تغییرپذیری بد که مانع نتیجه نهایی موردنظر می‌شود کار می‌کند و بنابراین با افزایش تغییرپذیری خوب در دامنه افزونه کار نمی‌کند.

انواع

بین‌اندامی

هماهنگی بین‌اندامی به چگونگی هماهنگی حرکات در اندام‌ها مربوط است. J. A. Scott Kelso و همکارانش مطرح کرده‌اند که هماهنگی می‌تواند به عنوان نوسانات متصل، مدل شود، یک فرایند که در HKB(Haken, Kelso, and Bunz)model^[۱۳] قابل درک است.

هماهنگی وظایف بین اندامی به شدت به هماهنگی زمانی وابسته است. یک مثال از چنین هماهنگی زمانی در حرکات آزادانه چشم‌ها، دست‌ها و بازوها برای هدایت در هدف حرکتی یکسان قابل مشاهده است. این سیگنال‌های هماهنگی به صورت همزمان به افکتورهایشان فرستاده می‌شوند. در وظایف دودستی (مربوط به هر دو دست) استنتاج شده‌است که بخش‌های عملکردی از دو دست باثبات هماهنگ شده‌اند.

یکی از تئوری‌های بدیهی برای این عملکرد وجود یک طرح هماهنگ است که زمان موردنیاز برای اجرای هر وظیفه جداگانه را محاسبه می‌کند و آن را با استفاده از یک مکانیزم فیدبک هماهنگ می‌کند. چندین ناحیه از مغز برای هماهنگی زمانی اندام‌های موردنیاز برای وظایف دودستی کشف شده‌است و این نواحی شامل premotor cortex (PMC), parietal cortex,

(mesial motor cortices, specifically the supplementary motor area (SMA), cingulate motor cortex (CMC), primary motor cortex (M1 و cerebellum می‌باشد.^[۱۴]

درون اندامی

هماهنگی درون اندامی عبارت است از برنامه‌ریزی مسیر پروازها (ترجکتوری) در مختصات کارتزین که بار محاسباتی و درجه‌های آزادی برای حرکت داده شده را کاهش می‌دهد و اندام‌ها را به‌منظور فعالیت، به‌جای مجموعه‌ای از عضلات و مفاصل به‌یک واحد محدود می‌کند. یک مثال از چنین مفهومی، مدل Flash minimum-jerk^[۱۵] است که پارامترهای کنترل‌کننده سیستم عصبی که مسیر فضایی دست می‌باشد را پیش‌بینی می‌کند. مانند end-effector (که به حرکت برنامه‌ریزی‌شده در هماهنگی‌های کارتزین اشاره می‌کند). باقی مطالعات اولیه نشان‌داده‌اند که end-effector از یک الگوی سینماتیک^[۱۶] تنظیم شده انحنای حرکت دست برای سرعت پیروی می‌کند و اینکه سیستم عصبی مرکزی به کدنویسی آن اختصاص دادشده‌است.^[۱۷] در تقابل با این مدل، مدل فضای مفصل، بدیهی می‌داند که سیستم حرکتی، حرکات را در هماهنگی‌های مفصل برنامه‌ریزی کند. برای این مدل، پارامتر کنترلی موقعیت هر مفصل در حرکت مشارکت می‌کند. استراتژی‌های کنترل برای هدف کنترل هدایت‌شده با توجه به وظیفه اختصاص داده‌شده به افراد متفاوت است که توسط دو آزمایش با شرایط مختلف اثبات شده‌است: ۱) افراد مکان‌نما را در دست برای هدف حرکت می‌دهند و ۲) افراد دست آزادشان را برای هدف حرکت می‌دهند. هرکدام از شرایط مسیرهای پرواز مختلفی را نشان می‌دهد: ۱) مسیر مستقیم و ۲) مسیر منحنی.^[۱۸]

چشم-دست

هماهنگی چشم-دست مربوط به چگونگی هماهنگی حرکات چشم است که بر حرکات دست تأثیر می‌گذارند. یافته‌های معمول، مربوط به نگاه کردن چشم فرد قبل از اینکه دستش شروع به حرکت به طرف آن شی کند می‌باشند.^[۱۹]

یادگیری

Bernstein مطرح کرده‌است که افراد هماهنگی را ابتدا با محدودکردن درجه آزادی‌هایی که استفاده می‌کنند، می‌آموزند. با کنترل فقط یک مجموعه محدود از درجه‌های آزادی، یادگیرنده قادر به ساده‌سازی دینامیکهای قسمت‌های درگیر بدن و محدودکردن گزینه‌های حرکت می‌شود. اولین بار، فرد چندین مهارت به دست می‌آورد. این محدودیت‌ها می‌توانند بدون تنش باشند؛ بنابراین به آن‌ها اجازه استفاده از پتانسیلهای کامل بدنشان را می‌دهد.

برای مطالعهٔ بیشتر

• Developmental coordination disorder
• Perceptual Control Theory

منابع

1. Domkin, Dmitry; Laczko, Jozsef; Jaric, Slobodan; Johansson, Hakan; Latash, Mark L. (2001-12-11). "Structure of joint variability in bimanual pointing tasks". Experimental Brain Research (به انگلیسی). 143 (1): 11–23. doi:10.1007/s00221-001-0944-1. ISSN 0014-4819.
2. Scholz, J. P.; Schöner, Gregor (1999-05-14). "The uncontrolled manifold concept: identifying control variables for a functional task". Experimental Brain Research (به انگلیسی). 126 (3): 289–306. doi:10.1007/s002210050738. ISSN 0014-4819.
3. Salter, Jennifer E.; Wishart, Laurie R.; Lee, Timothy D.; Simon, Dominic (2004-06). "Perceptual and motor contributions to bimanual coordination". Neuroscience Letters. 363 (2): 102–107. doi:10.1016/j.neulet.2004.03.071. ISSN 0304-3940. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
4. Weiss, P.; Jeannerod, M. (1998-4). "Getting a Grasp on Coordination". News in Physiological Sciences: An International Journal of Physiology Produced Jointly by the International Union of Physiological Sciences and the American Physiological Society. 13: 70–75. ISSN 0886-1714. PMID 11390765. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
5. "Ask OCLC". OCLC Micro. 7 (5): 8–8. 1991-05. doi:10.1108/eb055968. ISSN 8756-5196. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
6. Torres-Oviedo, Gelsy; Macpherson, Jane M.; Ting, Lena H. (2006-9). "Muscle synergy organization is robust across a variety of postural perturbations". Journal of Neurophysiology. 96 (3): 1530–1546. doi:10.1152/jn.00810.2005. ISSN 0022-3077. PMID 16775203. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
7. Diesinger, Philipp M; Heermann, Dieter W (2010). "Monte Carlo Simulations indicate that Chromati: Nanostructure is accessible by Light Microscopy". PMC Biophysics. 3 (1): 11. doi:10.1186/1757-5036-3-11. ISSN 1757-5036.
8. Torres-Oviedo, Gelsy; Ting, Lena H. (2007-10). "Muscle synergies characterizing human postural responses". Journal of Neurophysiology. 98 (4): 2144–2156. doi:10.1152/jn.01360.2006. ISSN 0022-3077. PMID 17652413. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
9. Tresch, Matthew C.; Jarc, Anthony (2009-12). "The case for and against muscle synergies". Current Opinion in Neurobiology. 19 (6): 601–607. doi:10.1016/j.conb.2009.09.002. ISSN 1873-6882. PMC 2818278. PMID 19828310. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
10. Alnajjar, Fady; Itkonen, Matti; Berenz, Vincent; Tournier, Maxime; Nagai, Chikara; Shimoda, Shingo (2015). "Sensory synergy as environmental input integration". Frontiers in Neuroscience (به انگلیسی). 8. doi:10.3389/fnins.2014.00436. ISSN 1662-453X. PMC 4292368. PMID 25628523.
11. Latash, Mark L.; Anson, J. Greg (2006-8). "Synergies in health and disease: relations to adaptive changes in motor coordination". Physical Therapy. 86 (8): 1151–1160. ISSN 0031-9023. PMID 16879049. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
12. Blagouchine, I.V.; Moreau, E. (2010-02). "Control of a Speech Robot via an Optimum Neural-Network-Based Internal Model With Constraints". IEEE Transactions on Robotics. 26 (1): 142–159. doi:10.1109/tro.2009.2033331. ISSN 1552-3098. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
13. Haken, H.; Kelso, J. A.; Bunz, H. (1985). "A theoretical model of phase transitions in human hand movements". Biological Cybernetics. 51 (5): 347–356. ISSN 0340-1200. PMID 3978150.
14. Swinnen, S.P.; Vangheluwe, S.; Wagemans, J.; Coxon, J.P.; Goble, D.J.; Van Impe, A.; Sunaert, S.; Peeters, R.; Wenderoth, N. (2010-02). "Shared neural resources between left and right interlimb coordination skills: The neural substrate of abstract motor representations". NeuroImage. 49 (3): 2570–2580. doi:10.1016/j.neuroimage.2009.10.052. ISSN 1053-8119. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
15. Flash, T.; Hogan, N. (1985-7). "The coordination of arm movements: an experimentally confirmed mathematical model". The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 5 (7): 1688–1703. ISSN 0270-6474. PMID 4020415. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
16. Lacquaniti, F.; Terzuolo, C.; Viviani, P. (1983-10). "The law relating the kinematic and figural aspects of drawing movements". Acta Psychologica. 54 (1–3): 115–130. ISSN 0001-6918. PMID 6666647. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
17. Dayan, Eran; Casile, Antonino; Levit-Binnun, Nava; Giese, Martin A.; Hendler, Talma; Flash, Tamar (2007-12-18). "Neural representations of kinematic laws of motion: evidence for action-perception coupling". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (51): 20582–20587. doi:10.1073/pnas.0710033104. ISSN 1091-6490. PMC 2154474. PMID 18079289.
18. Li, Yong; Levin, Oron; Forner-Cordero, Arturo; Swinnen, Stephan P. (2005-6). "Interactions between interlimb and intralimb coordination during the performance of bimanual multijoint movements". Experimental Brain Research. 163 (4): 515–526. doi:10.1007/s00221-004-2206-5. ISSN 0014-4819. PMID 15657696. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
19. Liesker, Hanneke; Brenner, Eli; Smeets, Jeroen B. J. (2009-8). "Combining eye and hand in search is suboptimal". Experimental Brain Research. 197 (4): 395–401. doi:10.1007/s00221-009-1928-9. ISSN 1432-1106. PMC 2721960. PMID 19590859. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)