Koordynacja międzykończynowa
Koordynacja międzykończynowa to koordynacja lewej i prawej kończyny. Można go podzielić na dwa rodzaje działań: koordynację oburęczną i koordynację rąk lub stóp. Taka koordynacja obejmuje różne części układu nerwowego i wymaga sensorycznego mechanizmu sprzężenia zwrotnego do neuronowej kontroli kończyn. Model może służyć do wizualizacji podstawowych cech, centrum sterowania lokomotorycznymi oraz neuronalnej kontroli koordynacji międzykończynowej. Ten mechanizm koordynacji można zmieniać i dostosowywać, aby uzyskać lepszą wydajność podczas poruszania się u dorosłych i dla rozwoju zdolności motorycznych u niemowląt. Adaptacyjna cecha koordynacji międzykończynowej może być w przyszłości zastosowana w leczeniu uszkodzeń OUN spowodowanych udarem i chorobą Parkinsona .
Rodzaje koordynacji międzykończynowej
Koordynacja dwuręczna
Koordynacja oburęczna obejmuje koordynację dwóch ramion w działaniu dwuręcznym, co pozwala dwóm rękom na jednoczesne poruszanie się w celu wykonywania zadań. Przykłady koordynacji bimanualnej obejmują klaskanie w dłonie, otwieranie zakrętki butelki dwiema rękami lub pisanie słów na klawiaturze obiema rękami.
Koordynacja ręka/stopa
Koordynacja ręka/stopa obejmuje koordynację kończyn górnych i dolnych, w tym po tej samej stronie ciała (np. lewa ręka i lewa stopa) lub po przeciwnej stronie (obie strony kończyn). Przykłady obejmują spacery i wspinaczkę.
Mechanizmy koordynacji międzykończynowej
Układ nerwowy zaangażowany w koordynację międzykończynową
W taką koordynację zaangażowane są różne części mózgu, w tym kora przedruchowa (PMC), kora ciemieniowa , mezjalna kora ruchowa, dodatkowy obszar ruchowy , kora ruchowa zakrętu obręczy, móżdżek pierwotnej kory ruchowej i rdzeń kręgowy .
Sensoryczny mechanizm sprzężenia zwrotnego
Mechanizm sprzężenia zwrotnego czuciowego bierze udział w koordynacji międzykończynowej. Receptory czuciowe , w tym wrzeciona mięśniowe , narządy ścięgniste Golgiego w kończynach, najpierw zostaną pobudzone przez bodźce zewnętrzne (np. nacisk dotykania przedmiotu), następnie wygenerują sensoryczne sprzężenia zwrotne i drogą aferentną prześlą informacje do układu nerwowego . Po otrzymaniu informacji zwrotnej centralny układ nerwowy (OUN) wygeneruje wewnętrzny schemat orientacji i ruchu kończyn, co pozwala układowi nerwowemu monitorować konsekwencje działania, tak aby można było dokonać skutecznej regulacji czuciowej kończyn. Pozwala to na niezależną modyfikację ruchów kończyny w celu lepszego manipulowania zadaniami.
Rodzaje mechanizmu sensorycznego sprzężenia zwrotnego
Istnieją dwa rodzaje sprzężenia zwrotnego sensorycznego, szlaki wewnętrzne i zewnętrzne. Wewnętrzne sprzężenie zwrotne będzie otrzymywane tylko z własnego ruchu organizmu, co oznacza, że jest to wewnętrzne fizyczne odczucie ruchu wykonywanego przez organizm. Na przykład osoba może wyczuć ruch polegający na zaciśnięciu pięści bez żadnego zewnętrznego bodźca , ponieważ wymaga to ciasnego złożenia palców w środek dłoni i umieszczenia kciuka nad złożonymi palcami. Natomiast zewnętrzna informacja zwrotna, którą należy otrzymać, musi pochodzić z zewnętrznych źródeł ze środowiska. Na przykład nasze palce mogą wykryć ciepło z wrzącej wody i ból z powodu ukłucia igłą, ponieważ receptory ciepła i bólu odbierają zewnętrzne bodźce z otoczenia.
Modelowanie koordynacji międzykończynowej
Podstawowe funkcje
Koordynację międzykończynową można przedstawić za pomocą zintegrowanego modelu, który zawiera centralny generator wzorców (CPG), nieliniowe mięśnie, geometrię sześcienną i reprezentatywną proprioceptywną ścieżkę czuciową. Jednowymiarowe oscylatory fazowe służą do stymulacji ruchu agonisty-antagonisty pary mięśni. Różne fazy oscylatorów są odpowiedzialne za zademonstrowanie ruchów między kończynami. Konkretny oscylator w odniesieniu do określonego mięśnia z określonej kończyny mógłby pokazywać postęp i rozwój tej kończyny poprzez jej ruch, na przykład postęp i rozwój cyklu krokowego lewej kończyny w ruchu chodu. odruchowa (np. skurcz bicepsa i rozluźnienie tricepsa w celu zgięcia łokcia) jest również uwzględniona w modelu przy użyciu stereotypowych ciągów kolców do przedstawienia, tak że mechanizm odruchowego sprzężenia zwrotnego można również zademonstrować podczas ruchu mięśni.
Centrum sterowania ruchami lokomotorycznymi
Rdzeń kręgowy jest rdzeniem neuronowej kontroli lokomocji. Narząd ten jest integracyjnym centrum OUN do kontroli motorycznej, odbywa się to poprzez odbieranie informacji czuciowych z receptorów obwodowych w celu kontrolowania i dostosowywania ruchów. Centralny generator wzorców (CPG) z modelu jest symulowany jako sieć neuronów rdzeniowych , która kontroluje podstawowe wyjście lokomotoryczne. Efektywna lokomocja modelu musi obejmować elastyczną koordynację sieci neuronowych rdzenia kręgowego, umożliwiając tym samym różnorodny chód wzorców i samodzielnego używania kończyn. Tę elastyczną koordynację można osiągnąć poprzez zintegrowanie wewnętrznego mechanizmu regulacji rdzenia kręgowego, somatosensorycznej informacji zwrotnej z kończyn i różnych ścieżek nadrdzeniowych w modelu.
Mechaniczne połączenia między kończynami a tułowiem są ważne dla stabilizacji wielokończynowych ruchów koordynacyjnych. W zamian OUN otrzyma informacje o stanie mechanicznym kończyn i tułowia podczas interakcji z otoczeniem poprzez somatosensoryczne sprzężenie zwrotne z obwodu.
Kontrola koordynacji ręka-noga podczas poruszania się człowieka
Rytmiczny ruch ramion podczas chodzenia dwunożnego jest generowany przez pasywne połączenia biomechaniczne i polecenia neuronowe generowane przez rdzeniowe CPG lokomotoryczne, które kontrolują rytmiczne ruchy rąk i nóg. Chociaż ruch ramion jest mniej ważny dla utrzymania stabilności dynamicznej podczas chodzenia na dwóch nogach, ramiona pozostają rytmicznie skoordynowane z nogami. Ludzki OUN zintegrował nowe mechanizmy kontrolne z już istniejącymi obwodami, aby sprostać potrzebom nowych wymagań funkcjonalnych.
Sprzężenie nerwowe między rękami i nogami można przedstawić za pomocą związku między aktywnością elektromiografii (EMG) kończyny górnej i kinematyką nogi. Mięśnie kończyny górnej wykazują rytmiczną aktywność związaną z wymachami ramienia, nawet gdy ramię jest sparaliżowane. Aktywność EMG pokazuje, że koordynacja ruchu ręka-noga nadal zapewnia stymulację kończyny niezależnie od ruchomości kończyn.
Schematyczne przedstawienie neuronowej kontroli koordynacji międzykończynowej
Każda kończyna ma swój własny CPG lokomotoryczny kręgosłupa, schematyczne przedstawienie może zilustrować interakcje między częściami CPG kontrolującymi aktywność zginaczy i prostowników.
Adaptacje koordynacji międzykończynowej
Kontrola koordynacji międzykończynowej jest precyzyjna i elastyczna, dlatego ludzie mogą zachować dynamiczną stabilność w ciągle zmieniającym się środowisku, takim jak zmieniająca się prędkość lub przechodzenie z jednego wzorca chodu do drugiego.
Zmiana wzorców chodu dorosłych
Niedawne badania wykazały, że zmiany adaptacyjne występują tylko w koordynacji międzykończynowej, ale nie występują w koordynacji wewnątrzkończynowej (koordynacja na tej samej kończynie, ale różnych stawach). Bieżnia z dzielonym pasem (bieżnia, która zawiera dwa pasy, które mogą napędzać każdą nogę z różnymi prędkościami), ta interwencja zmienia prędkość chodu lub biegu użytkowników. Uczestników stymulowano do chodzenia z różnymi prędkościami naprzemiennie, a parametry lokomotoryczne wykorzystano do obliczenia ruchu kończyn podczas cyklu chodu. Okazało się, że badani mieli nowe wzorce ruchowe po chodzeniu po bieżni, co wskazywało, że nowy wzorzec koordynacji międzykończynowej został zaadaptowany i zapisany u uczestników.
Rozwój motoryki niemowląt
Stwierdzono, że wiek jest powiązany ze zmianami w koordynacji międzykończynowej, takimi jak korelacja między pozycjami kończyn lub między prędkościami kończyn . Zmiany i ulepszenia koordynacji międzykończynowej w zależności od wieku są uznawane za główne zjawisko w rozwoju motoryki dużej u niemowląt. Stwierdzono również, że kombinacja ruchów rąk i nóg może być prekursorem niektórych zachowań ukierunkowanych na cel, takich jak sięganie i chwytanie rękami podczas chodzenia na nogach przez niemowlęta.
Uszkodzenie ośrodkowego układu nerwowego w wyniku udaru
Struktury mózgowe, które są zaangażowane w udar mózgu, nie upośledzają zdolności adaptacyjnej koordynacji międzykończynowej i przechowywania nowych relacji międzykończynowych, dlatego stwierdzono, że pacjenci po udarze mózgu są w stanie przystosować nowy mechanizm koordynacji międzykończynowej. Biorąc pod uwagę, że koordynacja kończyn może być adaptacyjnie zmieniana, oczekuje się, że istnieje możliwość poprawy asymetrycznych wzorców chodu w wyniku uszkodzenia OUN w wyniku udaru poprzez długoterminowe adaptacyjne strategie rehabilitacyjne z wykorzystaniem bieżni z dzielonym pasem.
Choroba Parkinsona
Zamrożenie chodu (FOG) jest objawem powodującym niepełnosprawność, powszechnie występującym w chorobie Parkinsona . FOG jest głównym czynnikiem ryzyka upadków u pacjentów z chorobą Parkinsona i może być tylko częściowo złagodzony przez leki. Wiadomo, że pacjenci z chorobą Parkinsona i FOG mają większe trudności z adaptacją chodu w codziennych ruchach. Co więcej, asymetria chodu jest powiązana z FOG, ponieważ pacjenci z FOG często nie wykonują asymetrycznych zadań, takich jak obracanie się. Trening na bieżni z dzielonym pasem (SBT), ale nie zwykły trening na bieżni z wiązanym pasem (TBT), może być stosowany jako metoda rehabilitacji dla osób z FOG poprzez ćwiczenie umiejętności dostosowania wzorca chodu do asymetrycznych warunków. SBT poprawił adaptację chodu natychmiast po treningu, a co ważniejsze, poprawa utrzymywała się do 24 godzin. Zaletą SBT jest to, że bardziej pośrednio moduluje chód, bez świadomego zwracania uwagi na zadanie adaptacyjne. Ponadto powtarzane adaptacje wzorca chodu mogą poprawić elastyczną adaptację ruchu do nowych zadań i mogą trenować przełączanie silnika, co potencjalnie może poprawić wydajność motoryczną w bardziej trwały sposób. Ponadto móżdżku stały się bardziej zaangażowane w przetwarzanie adaptacji chodu przy wielokrotnej ekspozycji na SBT, co prawdopodobnie może prowadzić do poprawy równowagi, a tym samym zmniejszenia ryzyka upadków.