RUCHY WIELOSTAWOWE
tzw. jednokierunkowe ruchy sięgania
(ruchy celowe  ukierunkowane na cel)
wskazywanie obiektu, podnoszenie
fili\
anki wody, kładzenie ksią\
ki na
biurko, itp..
I. Ogólne cechy ruchów sięgania
Punkt roboczy  punkt, którego tor ruchu (trajektoria) jest
najbardziej bezpośrednio związana z prawidłowym
wykonaniem zadania ruchowego
Lokalizacja punktu
roboczego:
w bezpośrednim kontakcie z
naszym ciałem lub poza nim
Cechy ruchów sięgania
wykonywanych kończyną dominującą z jednej
wygodnej poczÄ…tkowej pozycji w przestrzeni do innej
wygodnej pozycji
1. Trajektoria punktu roboczego (końcowego)
jest prawie liniÄ… prostÄ….
2. Profil prędkości punktu
roboczego jest prawie
3. Profil przyśpieszenie
symetryczny (kształt
punktu końcowego
dzwonu).
wykazuje dwa
szczyty.
Pozycja wyjściowa Pozycja końcowa
Amplituda ruchu (zakres)
4. Trajektorie, prędkości i przyśpieszenia
w indywidualnych stawach mogÄ…
wykazywać odmienne właściwości
(włączając w to odwrócenie kierunku
ruchu).
Ró\
ny stopień zmienności torów ruchu:
2. Mniejsza zmienność (dobra
powtarzalność) toru ruchu
punktu końcowego
1. Du\
a zmienność
trajektorii ruchu w
indywidualnych stawach
Konkluzja
Najbardziej powtarzalnÄ… cechÄ…
trajektorii wielostawowych ruchów
sięgania jest
brak powtarzalności
czyli
zmienność
II. Największe problemy kontroli naturalnych
ruchów sięgania
Wieloczłonowy łańcuch
łączący rękę z ciałem
(Punkt Roboczy)
PR = PK
Nasze ciało  jako układ
odniesienia podczas ruchów
sięgania + ruch ciała w
przestrzeni
Kontrola trajektorii punktu roboczego w stosunku do
układu odniesienia ze środkiem w naszym ciele i w
przestrzeni kartezjańskiej
y
ródła zło\
oności sterowania
wielostawowymi ruchami sięgania
1. Bardziej zło\
ona biomechanika sterowanego układu
obwodowego (np. kończyny):
" istotna rola dodatkowych sił (odśrodkowa, dośrodkowa),
wzajemne oddziaływanie stawów poprzez mięśnie
dwustawowe,
" nowe czynniki neurofizjologiczne: odruchy międzystawowe
i międzykończynowe.
2. Nadmiar stopni swobody (problem Bernstein a)
Stopień swobody
W sterowaniu ruchami
W biomechanice
" Liczba zmiennych (stawów,
" Kinematyczny stopień
mięśni) które muszą być
swobody (n)  oÅ› przechodzÄ…ca
przez geometryczny środek
kontrolowane by wykonać
stawu, wokół której mo\
liwy jest
zamierzony, celowy ruch
ruch;
stopień swobody dla kończyny
" Liczba płaszczyzn, w których
 liczba niezale\
nych osi ruchów
mo\
liwe sÄ… do wykonania sÄ…
w stawie sumowana dla
ruchy w stawie
wszystkich stawów danej
kończyny
" Liczba niezale\
nych
współrzędnych niezbędnych do
opisania poło\
enia przedmiotu w
przestrzeni
2. Jak rozwiązać problem nadmiaru
stopni swobody (SS)?
Ruch 3-stawowej kończyny w jednej
Dla kończyny  SS to
płaszczyz
nie z jednego, wyjściowego miejsca
w przestrzeniu do innego docelowego
liczba niezale\
nych osi
ruchów w stawie
sumowana dla
Nieskończona
wszystkich stawów
liczba mo\
liwych
konfiguracji
>
kończyny
odpowiadajÄ…ca
Liczba zmiennych
końcowej pozycji
niezbędnych do
punktu
roboczego
wykonania lub opisania
kończyny
wykonanego zadania
ruchowego (no = 3 ; 3-
wymiarowa przestrzeń,
3 współrzędne)
Problem Bernstein a
Jak OUN wybiera, w którym stawie wykonać ruch i w o
jakim zakresie, aby zająć wcześniej zamierzoną pozycję
dłoni?
Iloma parametrami posługuje się OUN by wykonać
określone zadanie ruchowe???
Czy liczba ta jest większa (nadmiar) czy mniejsza ni\

liczba kinematycznych stopni swobody (n)?
Typowy przykład  nadmiaru
Eliminacja  nadmiaru stopni swobody układu
obwodowego (kończyny): te same dwa pokrętła
kontrolujące ruch w trzech stawach kończyny (S1
= x + y; S2 = x  y; S3 = 3x  2y) (dwie zmienne
kontrolowane by sterować ruchem w 2-wymiarowej
przestrzeni)
Naturalna zmienność ruchów człowieka liczba
sterowanych parametrów większa ni\
liczba parametrów
niezbędnych do wykonania zadania ruchowego lub opisania
jego wykonania (no=3)
Problem nadmiaru SS nie znika
OUN musi wybierać
Jak OUN wybiera konkretny schemat
kontrolowanych parametrów by był
dopasowany do zadania ruchowego?
Czy dla OUN wa\
na jest określona
kombinacja sterowanych parametrów i
obrotu w konkretnym stawie?
Sposoby sterowania ruchami w przypadku nadmiaru SS
Całkowita eliminacja nadmiaru SS Wykorzystywanie nadmiaru stopni
swobody poprzez u\
ycie zasady
koordynacji
Bernstein:
Sposób na rozwiązanie problemu nadmiaru SS to tworzenie
synergii
Synergie 
plastyczne, zmienne zale\
ności pomiędzy sterowanymi
parametrami (zmiennymi) kierowanymi do poszczególnych,
indywidualnych elementów (np. mięśni)
Jednostka strukturalna (Israel Gelfand and Michael Tsetlin) -
elementy układu (poszczególne stawy czy mięśnie)
wykonujące ruch, z których tworzona jest (składana) jedna
jednostka specyficzna dla danego zadania ruchowego
Synergie  reprezentujÄ… cele jednostek strukturalnych
Zachowanie motoryczne - zamaskowane synergie
Synergie
" tworzone na ró\
nych poziomach OUN
np. odruchy pomiędzy mięśniami przechodzącymi nad
ró\
nymi stawami kończyny
"  dostrajane przez sygnały zstępujące i informacje
sensoryczne z receptorów
 Dostrajanie aparatu interneuronalnego rdzenia kręgowego
przez sygnały zstępujące z mózgu - jako mechanizm
tworzący synergie w związku z określonym zdaniem
ruchowym
Jakiego  wewnętrznego języka u\
ywa mózg
celem komunikowania się z rdzeniem kręgowym?
Jakich centralnie kontrolowanych parametrów
u\
ywa mózg?
III. Mechanizmy rdzeniowe koordynacji
wielostawowej: odruchy międzystawowe
Bodziec na skórze skurcz mięśni kontrolujących ró\
ne
stawy kończyny lub mięśnie innej kończyny, np.
" odruch zginania kończyny
" odruch zginania i kontralateralny odruch prostowania
Czas tych odpowiedzi: 50 -100 ms (typowo 70 ms) natura polisynaptyczna
y
ródło tych odpowiedzi: oprócz zasadniczych równie\
aktywacja włókien
aferentnych małych receptorów tzw. aferentacje odruchu zginania:
m.in..nocyreceptory, wolne zakończenia nerwowe (III, IV), drugorzędowe
zakończenia nerwowe (II)
Przy\
yciowo u ludzi (i zwierzÄ…t):
Zmiana długości mięśnia ruch w stawie zmiana długości innych
mięśni przechodzących nad tym stawem
Mięśnie dwustawowe niemo\
liwy czysty, wyizolowany ruch w jednym
stawie
Badania na mięśniach izolowanych (T. R. Nichols):
kontrolowane zmiany długości pojedynczego mięśnia bez zmian
długości innych mięśni:
Klasyczny wzorzec odruchowy obejmuje
" samoczynne/samorodne pobudzenie mięśnia macierzystego i
wzajemnie zwrotne hamowanie antagonisty wywołane
aktywnością włókien aferentnych wrzecionek mięśniowych
" samoczynne/samorodne hamowanie mięśnia macierzystego
wywołane aktywnością włókien aferentnych Ib z organów
ścięgnistych Golgiego
IV. Mechanizmy rdzeniowe koordynacji
wielostawowej: kontrolowane parametry
Odruch ścierania u \
aby  rdzeniowej (bez mózgowia)  model
badania kontroli ruchów wielostawowych
" Zachowane mechanizmy
rdzeniowe kontroli
Bodziec  papierek z
kwasem solnym na
ruchów kończyny,
grzbiecie lub kończynie
po tej samej stronie
" Brak impulsów z mózgu
IV. Mechanizmy rdzeniowe koordynacji
wielostawowej: kontrolowane parametry
Prawidłowy ruch ścierania
nawet kiedy poło\
enie
kończyny w stosunku do ciała
zmienia siÄ™
Bodziec  papierek z
kwasem solnym na
kończynie po tej
samej stronie
śaba  rdzeniowa   wie gdzie
jest kończyna.
IV. Mechanizmy rdzeniowe koordynacji
wielostawowej: kontrolowane parametry
Badania z zaburzeniami w odruchu  ścierania
1. Ograniczenie ruchu w stawie
kolanowym (max amplituda ruchu
5°).
Bodziec  papierek z
2. Gips na bardziej dystalnym stawie.
kwasem solnym na
3. obciÄ…\
enie (równe cię\
arowi
grzbiecie
kończyny) na dystalnej części
kończyny.
O czym mówią wyniki tych badań?
1. Nawet na poziomie rdzenia kręgowego, kontrolowane
parametry nie są formułowane z punktu widzenia
pojedynczego mięśnia czy ruchu w pojedynczym
stawie
2. Występuje bardzo szybka korekcja wzorca ruchu
(przypuszczalnie wbudowana w  program ruchu
ścierania).
V. Mechanizmy nadrdzeniowe koordynacji
wielostawowej
Kierunek ruchu dowolnego a aktywność neuronów w pewnych
strukturach mózgu
Zgodne z generalnÄ… hipotezÄ…, \
e mechanizmy centralne
(ośrodkowe) skupione są na pewnych parametrach
zwiÄ…zanych z ruchem punktu roboczego,
a nie
parametrami zwiÄ…zanymi z kontrolÄ… i sterowaniem
poszczególnych mięśni czy stawów
Wyniki innych badań
Wzorce aktywności nerwowej niektórych struktur a
charakterystyka ruchów dowolnych (na poziomie kinematycznym),
np. trajektorii Punktu Roboczego (PR)
Zgodne z ogólną hipotezą kontroli trajektorii podczas
ruchów wielostawowych
Struktury mózgu mające związek charakterystyka
ruchów dowolnych
" Dodatkowe pola ruchowe
" Skorupa
" Kora mózgu:
kodowanie trajektorii PR niezale\
nie od
wymaganych sił i wzorców aktywności
poszczególnych mięśni
" JÄ…dro czerwienne:
* Kodowanie właściwości systemu sprzę\
eń zwrotnych odruchów
rdzeniowych (Jim Houk)
* związek aktywności poszczególnych neuronów jądra z inicjowaniem ruchu,
jego prędkością i amplitudą (podstawowymi parametrami u\
ywanymi w
sterowaniu punktem roboczym kończyny)
Jadro
Kora mó\
d\
ku
Czopo-
Jadro
(kom. Purkinjego)
wate
Siatkowate
Generalny model kontroli
mostu
poło\
enia PR bazujÄ…cy
PowiÄ…zane z
Włókna
na związku między
 programem
korowo-
mó\
d\
kiem a jÄ…drem
ruchu
czerwienne
czerwiennym
Jadro
czerwienne
Droga
czerwienno-
Jadro
rdzeniowa
siatkowate boczne
VI. Hipoteza trajektorii równowagi
Kontrola wielostawowej kończyny jako proces przesunięcia
punktu równowagi, określonego przez właściwości aparatu
ruchu i siły zewnętrzne
Trajektoria wirtualna
Cel
(pozorna)
OUN przesuwa obraz
pozorny PR wzdłu\

y
ródłem aktywnych sił
po\
Ä…danej trajektorii,
przemieszczajÄ…cych PR jest
określonej współrzędnymi
ró\
nica pomiędzy dwoma
w przestrzeni kartezjańskiej
trajektoriami
Rzeczywisty
tor ruchu
VII. Co jest kontrolowane?
1. Siła rozwijana przez poszczególne mięśnie? NIE
2. Wzorce aktywności (EMG) poszczególnych mięśni? NIE
3. Momenty sił w poszczególnych stawach? NIE
4. Rotacja w poszczególnych stawach? NIE
Kontrola ruchów wielostawowych dokładne
sterowanie torem ruchu PR
parametry wykorzystywane przez OUN, to zwiÄ…zane z
parametrami zewnętrznymi (ruchu) mającymi znaczenie
funkcjonalne
" Współrzędne punktu roboczego
" Wektor siły generowanej przez PR
Mające bezpośredni związek z wykonaniem zadania ruchowego
Potwierdzeniem tego punktu widzenia - jest najlepsza powtarzalność toru ruchu PR
Gdy  zamrozisz komendę ruchu, to współrzędne PR
w przestrzeni zale\
ą od sił zewnętrznych (od wektora
siły)
Ma to miejsce kiedy PR ma właściwości
sprÄ™\
yste
Punkt roboczy jest w
równowadze (rozwijając siłę,
F) w określonym miejscu
przestrzeni (Ro) zmiana w
sile zewnętrznej (Fe) powoduje
\
e PR wprowadzony jest w
ruch podobny do ruchu
sprÄ™\
yny (R(t))
Komenda ruchu  zamro\
ona , ale wektor poło\
enia i siły pięści zmieniły się
to komenda ruchu
" nie określa wektora poło\
enia i wektora siły , ale raczej
" definiuje parametry sprÄ™\
yste układu - wektor równowagi (podobnie do
długości w sprę\
ynie) i właściwości pola sił w pobli\
u punktu równowagi,
generowanego przez wszystkie mięśnie ramienia (e.g. sztywność mięśni)
Pośrednie dowody
Grupa neuronów wywołująca ruch w stawie
Humphrey
Grupa neuronów wywołująca współskurcz mięśni
antagonistycznych  modulacja sztywności stawu
(to jest to czego mo\
na by spodziewać się po komórkach
zapewniających równowagę poło\
enia i sztywność)
Palec
Konkretne parametry (zmienne), którymi
posługuje się OUN w sterowaniu ruchami
wielostawowymi  nie sÄ… znane
Przyjmuje siÄ™, \
e mogą to być
" Właściwości aparatu ruchu (wektor równowagi,
sztywność stawów??)
" Pola sił działających na punkt roboczy kończyny
NADMIAR STOPNI SWOBODY
CZY
OBFITOŚĆ


Wyszukiwarka