Nevromekanikk - Neuromechanics
Som opprinnelig foreslått av Enoka, er nevromekanikk et fagfelt som kombinerer konsepter fra biomekanikk og nevrofysiologi for å studere menneskelig bevegelse. Neuromechanics undersøker de kombinerte rollene til skjelett-, muskuløse og nervesystemer og hvordan de samhandler for å produsere bevegelsen som kreves for å fullføre en motoroppgave.
Muskelsignaler stimulert av nevrologiske impulser blir samlet inn ved hjelp av elektromyografi (EMG). Disse muskelsignalene indikerer nevral aktivitet. I visse tilfeller kan EMG-data være en indikasjon på nevroplastisitet og læring av motoriske oppgaver. Muskelsystemet, spesielt skjelettmuskulatur, skaper bevegelse rundt beinleddene, og sentralnervesystemet er viktig for å lede skjelettmuskulaturen i motoriske bevegelser.
Bakgrunn
Nevromekanikk er studieretningen som kombinerer nevrovitenskap og biomekanikk i et forsøk på å forstå bevegelse og dens forhold til hjernen. Neuromekanikk er et område som prøver å kombinere innsatsen til muskler, sensoriske organer, mønstergeneratorer i hjernen og selve sentralnervesystemet for å forklare bevegelse. Nevromekaniske applikasjoner inkluderer lette helseproblemer og designe og kontrollere robotsystemer.
Nevrovitenskap
Nevrovitenskap er studiet av nervesystemet . Nervesystemet er delt inn i to delsystemer: det perifere nervesystemet og sentralnervesystemet.
Det perifere nervesystemet er deretter sammensatt av tre delsystemer: det somatiske nervesystemet , det autonome nervesystemet og det viscerale nervesystemet . Det autonome nervesystemet brytes også ned i det sympatiske nervesystemet , det parasympatiske nervesystemet og det enteriske nervesystemet . Nervesystemet som er ansvarlig for frivillig bevegelse, inkludert bevegelse i underekstremiteter, er det somatiske nervesystemet . Selv om det somatiske nervesystemet er en del av det perifere nervesystemet, innebærer bevegelse også bruk av elementer i sentralnervesystemet: hjernen og ryggmargen .
Nevrovitenskap bidrar til menneskelig nevromekanikk ved å studere hvordan forskjellige nevrologiske sykdommer bidrar til biomekaniske problemer og endringer i typisk bevegelse. Nevrovitenskap handler om å studere årsaken til synlige problemer.
Biomekanikk
Biomekanikk er studiet av strukturen og funksjonen til levende systemer som mennesker, dyr og andre organismer ved hjelp av mekanikk . Mye av biomekanikken er opptatt av enkle motoroppgaver som å gå. Turgåing kan defineres av gangsyklusen . Gangsyklusen er en repeterende hendelse som består av ett fullt skritt fra hælstreik til neste hælstreik i samme fot. Den kan deles inn i to faser: holdningsfase og svingfase . Holdningsfase består av den tiden hælen slår bakken til det tidspunkt da tåen forlater bakken. Svingfasen består av resten av gangsyklusen, tiden fra tåen forlater bakken til neste hælstreik.
Biomekanikk bidrar til nevromekanikk ved å studere hvordan kroppen reagerer på forskjellige forhold enten det er nevrologiske sykdommer eller fysiske funksjonsnedsettelser. Biomekanikk handler om å studere effekten som følger av slike forhold.
Invertert pendelteori
Den omvendte pendelteorien om gangart er en nevromekanisk tilnærming til å forstå menneskelig bevegelse. I teorien reduseres kroppens vekt til et massesenter som hviler på et masseløst ben med en enkelt støtte. Bakken reaksjonsstyrke beveger seg fra sentrum av trykket i bunnen av det masseløse beinet til massesenteret på toppen av det masseløse beinet. Hastighetsvektoren til massesenteret er alltid vinkelrett på bakkenes reaksjonskraft.
Turgåing består av vekslende faser med enkel støtte og dobbelt støtte. Enkeltstøttefasen oppstår når ett ben er i kontakt med bakken mens dobbeltstøttefasen oppstår når to ben er i kontakt med bakken.
Nevrologiske påvirkninger
Den omvendte pendelen er stabilisert av konstant tilbakemelding fra hjernen og kan operere selv i nærvær av sensorisk tap . Hos dyr som har mistet alt sensorisk input til den bevegelige lem, forblir variablene produsert av gangart (sentrum for masseakselerasjon, dyrehastighet og dyrets posisjon) konstant mellom begge gruppene.
Under postural kontroll brukes forsinkede tilbakemeldingsmekanismer i den tidsmessige reproduksjonen av oppgaver på nivåfunksjoner som å gå. Nervesystemet tar hensyn til tilbakemeldinger fra sentrum for masseakselerasjon, hastighet og posisjon til et individ og bruker informasjonen til å forutsi og planlegge fremtidige bevegelser. Senter for masseakselerasjon er viktig i tilbakemeldingsmekanismen ettersom denne tilbakemeldingen finner sted før noen vesentlige forskyvningsdata kan bestemmes.
Kontrovers
Den omvendte pendelteorien strider direkte mot de seks determinantene for gangart , en annen teori for ganganalyse. De seks gangdeterminantene forutsier svært høye energiforbruk for sinusformet bevegelse av massesenteret under gangen, mens den inverterte pendelteorien gir muligheten for at energiforbruket kan være nær null; den omvendte pendelteorien spår at det kreves lite eller ingen arbeid for å gå.
Elektromyografi
Elektromyografi (EMG) er et verktøy som brukes til å måle de elektriske utgangene produsert av skjelettmuskulaturen ved aktivering. Motoriske nerver innerverer skjelettmuskler og forårsaker sammentrekning etter kommando fra sentralnervesystemet. Denne sammentrekningen måles av EMG og måles vanligvis på skalaen av millivolt (mV). En annen form for EMG-data som analyseres er integrerte EMG (iEMG) data. iEMG måler området under EMG-signalet som tilsvarer den totale muskelinnsatsen i stedet for innsatsen på et bestemt øyeblikk.
Utstyr
Det er fire instrumenteringskomponenter som brukes til å oppdage disse signalene: (1) signalkilden, (2) transduseren som brukes til å oppdage signalet, (3) forsterkeren og (4) signalbehandlingskretsen. Signalkilden refererer til stedet der EMG-elektroden er plassert. EMG-signaloppkjøp er avhengig av avstand fra elektroden til muskelfiberen, så plassering er viktig. Transduseren som brukes til å oppdage signalet, er en EMG-elektrode som forvandler det bioelektriske signalet fra muskelen til et lesbart elektrisk signal. Forsterkeren reproduserer og ikke forvrengt bioelektrisk signal og tillater også støyreduksjon i signalet. Signalbehandling innebærer å ta de registrerte elektriske impulser, filtrere dem og omslutte dataene.
Ventetid
Latens er et mål på tidsperioden mellom aktivering av en muskel og dens høyeste EMG-verdi. Latens brukes som et middel til å diagnostisere forstyrrelser i nervesystemet, for eksempel en herniated plate , amyotrofisk lateral sklerose (ALS) eller myasthenia gravis (MG). Disse lidelsene kan forårsake forstyrrelse av signalet ved muskelen, nerven eller krysset mellom muskelen og nerven.
Bruken av EMG for å identifisere nervesystemforstyrrelser er kjent som en nerveledningsstudie (NCS). Nerveledningsstudier kan bare diagnostisere sykdommer på muskel- og nervenivå. De kan ikke oppdage sykdom i ryggmargen eller hjernen. I de fleste forstyrrelser i muskel-, nerve- eller nevromuskulært kryss øker latenstiden. Dette er et resultat av nedsatt nerveledning eller elektrisk stimulering på stedet for muskelen. Hos 50% av pasientene med cerebral atrofi tilfeller ble M3 spinal refleks latency økt og av og til atskilt fra M2 spinal reflex respons. Separasjonen mellom M2 og M3 spinalrefleksresponsene er vanligvis 20 millisekunder, men hos pasienter med cerebral atrofi ble separasjonen økt til 50 ms. I noen tilfeller kan andre muskler imidlertid kompensere for muskelen som lider av nedsatt elektrisk stimulering. I kompenserende muskler reduseres latens faktisk for å erstatte funksjonen til den syke muskelen. Denne typen studier brukes i nevromekanikk for å identifisere motoriske forstyrrelser og deres effekter på et cellulært og elektrisk nivå i stedet for et systembevegelsesnivå.
Muskelsynergier
En muskelsynergi er en gruppe synergistiske muskler og agonister som jobber sammen for å utføre en motorisk oppgave. En muskelsynergi består av agonist- og synergistiske muskler. En agonistmuskel er en muskel som trekker seg sammen, og den kan forårsake en kaskade av bevegelse i nabomuskulaturen. Synergistiske muskler hjelper agonistmusklene i motoriske kontrolloppgaver, men de virker mot overflødig bevegelse som agonistene kan skape.
Muskelsynergihypotese
Muskelsynergihypotesen er basert på antagelsen om at sentralnervesystemet kontrollerer muskelgrupper uavhengig i stedet for individuelle muskler. Muskelsynergihypotesen presenterer motorisk kontroll som et tredelt hierarki. I trinn 1 opprettes en motoroppgavevektor av sentralnervesystemet. Sentralnervesystemet forvandler deretter muskelvektoren til å påvirke en gruppe muskelsynergier i nivå to. Så i nivå tre definerer muskelsynergier et spesifikt forhold mellom motoroppgaven for hver muskel og tilordner den til sin respektive muskel for å handle på leddet for å utføre motoroppgaven.
Overflødighet
Redundans spiller en stor rolle i muskelsynergi. Muskelredundans er et grad av frihetsproblem på muskelnivå. Sentralnervesystemet får muligheten til å koordinere muskelbevegelser, og det må velge en av mange. Muskelredundansproblemet er et resultat av flere muskelvektorer enn dimensjoner i arbeidsområdet. Muskler kan bare generere spenning ved å trekke, ikke presse. Dette resulterer i mange muskelkraftvektorer i flere retninger i stedet for å skyve og trekke i samme retning.
En debatt om muskelsynergier er mellom prime mover-strategien og samarbeidsstrategien. Prime mover-strategien oppstår når en muskelvektor kan handle i samme retning som den mekaniske handlingsvektoren, vektoren for lemens bevegelse. Samarbeidsstrategien finner imidlertid sted når ingen muskler kan handle direkte i vektorretningen av den mekaniske handlingen, noe som resulterer i en koordinering av flere muskler for å oppnå oppgaven. Prime mover-strategien over tid har avtatt i popularitet ettersom det har blitt funnet gjennom elektromyografistudier at ingen muskler konsekvent gir mer kraft enn andre muskler som virker for å bevege seg rundt et ledd.
Kritikk
Muskelsynergietorien er vanskelig å forfalske. Selv om eksperimentering har vist at grupper av muskler faktisk jobber sammen for å kontrollere motoriske oppgaver, tillater nevrale forbindelser at individuelle muskler aktiveres. Selv om individuell muskelaktivering kan være i strid med muskelsynergi, tilslører den det også. Aktivering av individuelle muskler kan overstyre eller blokkere inngangen fra og den generelle effekten av muskelsynergier.
Tilpasning
Tilpasning i nevromekanisk forstand er kroppens evne til å endre en handling som passer bedre til situasjonen eller miljøet den handler i. Tilpasning kan være et resultat av skade, tretthet eller trening. Tilpasning kan måles på en rekke måter: elektromyografi, tredimensjonal rekonstruksjon av ledd og endringer i andre variabler knyttet til den spesifikke tilpasningen som studeres.
Skade
Skader kan forårsake tilpasning på flere måter. Kompensasjon er en stor faktor i skaderegulering. Kompensasjon er et resultat av en eller flere svekkede muskler. Hjernen får oppgaven til å utføre en bestemt motoroppgave, og når en muskel har blitt svekket, beregner hjernen energiforhold for å sende til andre muskler for å utføre den opprinnelige oppgaven på ønsket måte. Endring i muskelbidrag er ikke det eneste biproduktet av en muskelrelatert skade. Endring i belastning av skjøten er et annet resultat som, hvis det er langvarig, kan være skadelig for den enkelte.
Utmattelse
Muskelutmattelse er den nevromuskulære tilpasningen til utfordringer over en periode. Bruk av motorenheter over en periode kan føre til endringer i motorkommandoen fra hjernen. Siden sammentrekningskraften ikke kan endres, rekrutterer hjernen i stedet flere motorenheter for å oppnå maksimal muskelsammentrekning. Rekruttering av motoriske enheter varierer fra muskel til muskel avhengig av øvre grense for motorrekruttering i muskelen.
Øve på
Tilpasning på grunn av trening kan være et resultat av tiltenkt praksis som sport eller utilsiktet trening som å bruke ortose . Hos idrettsutøvere resulterer repetisjon i muskelhukommelse . Motoroppgaven blir et langtidsminne som kan gjentas uten mye bevisst innsats. Dette gjør at utøveren kan fokusere på å finjustere sin motoriske oppgavestrategi. Motstand mot tretthet kommer også med trening når muskelen styrkes, men farten som en idrettsutøver kan fullføre en motoroppgave øker også med trening. Volleyballspillere sammenlignet med ikke-hoppere viser mer repeterbar kontroll av muskler som omgir kneet som styres av koaktivering i enkelthoppstilstanden. I gjentatt hopptilstand har både volleyballspillere og ikke-hoppere en lineær reduksjon i normalisert hoppflytid. Selv om den normaliserte lineære reduksjonen er den samme for idrettsutøvere og ikke-idrettsutøvere, har idrettsutøvere konsekvent høyere flytider.
Det er også tilpasning forbundet med bruk av protese eller ortose. Dette fungerer på samme måte som tilpasning på grunn av utmattelse; imidlertid kan muskler faktisk bli trette eller endre deres mekaniske bidrag til en motoroppgave som et resultat av å ha på seg ortosen. En fotfotortose er en vanlig løsning på skade på underbenet, spesielt rundt ankelleddet. En ankelfotortese kan være hjelpsom eller motstandsdyktig. En assisterende ankelortose oppmuntrer ankelbevegelse, og en resistiv ankelortose hemmer ankelbevegelsen. Ved bruk av en hjelpende fotfotortese har individer redusert EMG-amplitude og leddstivhet over tid, mens det motsatte forekommer for resistive ankelfotortoser. I tillegg kan ikke bare elektromyografimålingene variere, men den fysiske banen som leddene beveger seg langs kan også endres.