Neuromekanik

Fig. 1 - Muskler anterior märkta

Neuromekanik är ett tvärvetenskapligt område som kombinerar biomekanik och neurovetenskap för att förstå hur nervsystemet interagerar med skelett- och muskelsystemen för att göra det möjligt för djur att röra sig. I en motorisk uppgift, som att sträcka sig efter ett föremål, skickas neurala kommandon till motorneuroner för att aktivera en uppsättning muskler, så kallade muskelsynergier. Med tanke på vilka muskler som aktiveras och hur de är kopplade till skelettet blir det en motsvarande och specifik rörelse av kroppen. Förutom att delta i reflexer kan neuromekaniska processer också formas genom motorisk anpassning och inlärning .

Neuromekanik underliggande beteende

Gående

Fig. 2 - Masscentrum på ett masslöst ben som färdas längs bålbanan i teorin om inverterad pendel. Hastighetsvektorer visas vinkelrätt mot markens reaktionskraft vid tidpunkt 1 och tid 2.

Den inverterade pendelteorin om gång är ett neuromekaniskt tillvägagångssätt för att förstå hur människor går. Som namnet på teorin antyder är en gående människa modellerad som en inverterad pendel som består av ett masscentrum (COM) hängt ovanför marken via ett stödben (Fig. 2). När den inverterade pendeln svänger framåt uppstår markreaktionskrafter mellan det modellerade benet och marken. Viktigt är att storleken på markreaktionskrafterna beror på COM-positionen och storleken. Masscentrums hastighetsvektor är alltid vinkelrät mot markens reaktionskraft.

Walking består av omväxlande enkelstöds- och dubbelstödsfaser. Enkelstödsfasen uppstår när ett ben är i kontakt med marken medan dubbelstödsfasen inträffar när två ben är i kontakt med marken.

Neurologiska influenser

Den inverterade pendeln stabiliseras av konstant återkoppling från hjärnan och kan fungera även i närvaro av sensorisk förlust . Hos djur som har förlorat all sensorisk input till den rörliga extremiteten förblir de variabler som produceras av gång (massans acceleration, djurets hastighet och djurets position) konstanta mellan båda grupperna.

Under postural kontroll används fördröjda återkopplingsmekanismer i den temporala reproduktionen av funktioner på uppgiftsnivå som att gå. Nervsystemet tar hänsyn till återkoppling från centrum för massacceleration, hastighet och position för en individ och använder informationen för att förutsäga och planera framtida rörelser. Massacceleration är väsentlig i återkopplingsmekanismen eftersom denna återkoppling sker innan några signifikanta förskjutningsdata kan fastställas.

Kontrovers

Teorin om inverterad pendel motsäger direkt de sex bestämningsfaktorerna för gång, en annan teori för gånganalys. De sex bestämningsfaktorerna för gång förutsäger mycket hög energiförbrukning för masscentrets sinusformade rörelse under gång, medan teorin om inverterad pendel erbjuder möjligheten att energiförbrukningen kan vara nära noll; teorin om inverterad pendel förutspår att lite eller inget arbete krävs för att gå.

Mätning av den neurala kontrollen av muskler - Elektromyografi

Elektromyografi (EMG) är ett verktyg som används för att mäta de elektriska uteffekterna som produceras av skelettmusklerna vid aktivering. Motoriska nerver innerverar skelettmusklerna och orsakar sammandragning på kommando från det centrala nervsystemet. Denna sammandragning mäts med EMG och mäts vanligtvis på skalan av millivolt (mV). En annan form av EMG-data som analyseras är integrerad EMG-data (iEMG). iEMG mäter området under EMG-signalen som motsvarar den totala muskelansträngningen snarare än ansträngningen vid ett specifikt ögonblick.

Utrustning

Det finns fyra instrumentkomponenter som används för att detektera dessa signaler: (1) signalkällan, (2) givaren som används för att detektera signalen, (3) förstärkaren och (4) signalbehandlingskretsen. Signalkällan hänvisar till platsen där EMG-elektroden är placerad. EMG-signalupptagningen är beroende av avståndet från elektroden till muskelfibern, så placering är absolut nödvändig. Givaren som används för att detektera signalen är en EMG-elektrod som omvandlar den bioelektriska signalen från muskeln till en läsbar elektrisk signal. Förstärkaren återger en oförvrängd bioelektrisk signal och möjliggör även brusreducering i signalen. Signalbehandling innebär att man tar de registrerade elektriska impulserna, filtrerar dem och omsluter data.

Latens

Latens är ett mått på tidsspannet mellan aktiveringen av en muskel och dess högsta EMG-värde. Latens används som ett sätt att diagnostisera störningar i nervsystemet såsom diskbråck , amyotrofisk lateralskleros (ALS) eller myasthenia gravis (MG). Dessa störningar kan orsaka en störning av signalen vid muskeln, nerven eller förbindelsen mellan muskeln och nerven.

Användningen av EMG för att identifiera störningar i nervsystemet är känd som en nervledningsstudie ( NCS). Nervledningsstudier kan endast diagnostisera sjukdomar på muskel- och nervnivå. De kan inte upptäcka sjukdomar i ryggmärgen eller hjärnan. Vid de flesta sjukdomar i muskel-, nerv- eller neuromuskulära korsningen ökar latenstiden. Detta är ett resultat av minskad nervledning eller elektrisk stimulering vid platsen för muskeln. Hos 50 % av patienterna med fall av cerebral atrofi ökade M3 spinalreflexlatensen och separerades ibland från M2 spinalreflexresponsen. Separationen mellan ryggradsreflexsvaren M2 och M3 är vanligtvis 20 millisekunder, men hos patienter med cerebral atrofi ökades separationen till 50 ms. I vissa fall kan dock andra muskler kompensera för att muskeln lider av minskad elektrisk stimulering. I kompensationsmuskeln minskas faktiskt latenstiden för att ersätta den sjuka muskelns funktion. Dessa typer av studier används inom neuromekanik för att identifiera motoriska störningar och deras effekter på en cellulär och elektrisk nivå snarare än en systemrörelsenivå.

Koordinerade rörelser möjliggörs genom muskelsynergier

Tredelad hierarki av muskelsynergihypotesen med m synergier och n effektormuskler.

En muskelsynergi är en grupp synergistiska muskler och agonister som arbetar tillsammans för att utföra en motorisk uppgift. En muskelsynergi består av agonistiska och synergistiska muskler. En agonistmuskel är en muskel som drar ihop sig individuellt, och den kan orsaka en kaskad av rörelse i närliggande muskler. Synergistiska muskler hjälper agonistmusklerna i motoriska kontrolluppgifter, men de verkar mot överdriven rörelse som agonisterna kan skapa.

Hypotes om muskelsynergi

Hypotesen om muskelsynergi bygger på antagandet att det centrala nervsystemet styr muskelgrupper självständigt snarare än enskilda muskler. Muskelsynergihypotesen presenterar motorisk kontroll som en hierarki i tre nivåer. I nivå ett skapas en motorisk uppgiftsvektor av det centrala nervsystemet. Det centrala nervsystemet omvandlar sedan muskelvektorn för att verka på en grupp av muskelsynergier i nivå två. Sedan i nivå tre definierar muskelsynergier ett specifikt förhållande mellan den motoriska uppgiften för varje muskel och tilldelar den till sin respektive muskel för att agera på leden för att utföra den motoriska uppgiften.

Redundans

Redundans spelar en stor roll i muskelsynergi. Muskelredundans är ett problem med frihetsgrader på muskelnivå. Det centrala nervsystemet ges möjlighet att koordinera muskelrörelser, och det måste välja en av många. Muskelredundansproblemet är ett resultat av fler muskelvektorer än dimensioner i uppgiftsutrymmet. Muskler kan bara generera spänningar genom att dra, inte trycka. Detta resulterar i många muskelkraftsvektorer i flera riktningar snarare än ett tryck och drag i samma riktning.

En debatt om muskelsynergier är mellan drivkraftsstrategin och samarbetsstrategin. Primärstrategin uppstår när en muskels vektor kan agera i samma riktning som den mekaniska aktionsvektorn, vektorn för extremitetens rörelse. Samarbetsstrategin äger dock rum när ingen muskel kan agera direkt i vektorriktningen för den mekaniska åtgärden, vilket resulterar i en koordinering av flera muskler för att uppnå uppgiften. Primärstrategin med tiden har minskat i popularitet eftersom det har visat sig genom elektromyografistudier att ingen muskel konsekvent ger mer kraft än andra muskler som verkar för att röra sig i en led.

Kritik

Teorin om muskelsynergi är svår att falsifiera. Även om experiment har visat att grupper av muskler verkligen arbetar tillsammans för att kontrollera motoriska uppgifter, tillåter neurala anslutningar att individuella muskler aktiveras. Även om individuell muskelaktivering kan motsäga muskelsynergi, döljer den den också. Aktivering av individuella muskler kan åsidosätta eller blockera input från och övergripande effekt av muskelsynergier.

Motoranpassning

Ankel-fot-ortos

Anpassning i neuromekanisk mening är kroppens förmåga att förändra en handling för att bättre passa den situation eller miljö där den agerar. Anpassning kan vara ett resultat av skada, trötthet eller träning. Anpassning kan mätas på en mängd olika sätt: elektromyografi, tredimensionell rekonstruktion av leder och förändringar i andra variabler som hänför sig till den specifika anpassning som studeras.

Skada

Skador kan orsaka anpassning på flera sätt. Ersättning är en stor faktor vid skadeanpassning. Kompensation är ett resultat av en eller flera försvagade muskler. Hjärnan får i uppgift att utföra en viss motorisk uppgift, och när en muskel har försvagats, beräknar hjärnan energikvoter för att skicka till andra muskler för att utföra den ursprungliga uppgiften på önskat sätt. Förändring i muskelbidrag är inte den enda biprodukten av en muskelrelaterad skada. Förändring i belastning av leden är ett annat resultat som, om det förlängs, kan vara skadligt för individen.

Trötthet

Muskeltrötthet är den neuromuskulära anpassningen till utmaningar över en tidsperiod. Användning av motoriska enheter under en tidsperiod kan resultera i förändringar i det motoriska kommandot från hjärnan. Eftersom kontraktionskraften inte kan ändras, rekryterar hjärnan istället fler motoriska enheter för att uppnå maximal muskelkontraktion. Rekryteringen av motoriska enheter varierar från muskel till muskel beroende på den övre gränsen för motorisk rekrytering i muskeln.

Öva

Anpassning på grund av träning kan vara ett resultat av avsedd träning som sport eller oavsiktlig träning som att bära en ortos . Hos idrottare resulterar repetition i muskelminne . Den motoriska uppgiften blir ett långtidsminne som kan upprepas utan större medveten ansträngning. Detta gör att idrottaren kan fokusera på att finjustera sin motoriska uppgiftsstrategi. Motstånd mot trötthet kommer också med träning eftersom muskeln stärks, men hastigheten med vilken en idrottare kan utföra en motorisk uppgift ökar också med träning. Volleybollspelare jämfört med icke-hoppare visar mer repeterbar kontroll av muskler som omger knäet som styrs av samaktivering i enkelhoppstillståndet. I det upprepade hopptillståndet har både volleybollspelare och icke-hoppare en linjär minskning av normaliserad hoppflygtid. Även om den normaliserade linjära minskningen är densamma för idrottare och icke-idrottare, har idrottare konsekvent högre flygtider.

Det finns också anpassning i samband med användning av en protes eller en ortos. Detta fungerar på samma sätt som anpassning på grund av trötthet; Däremot kan muskler faktiskt vara utmattade eller förändra sitt mekaniska bidrag till en motorisk uppgift som ett resultat av att man bär ortosen. En fotledsfotortos är en vanlig lösning på skador på den nedre extremiteten, speciellt runt fotleden. En fotledsortos kan vara hjälpande eller resistiv. En assisterande fotledsortos uppmuntrar fotledsrörelser, och en resistiv fotledsortos hämmar fotledsrörelser. När de bär en assisterande fotledsfotortos har individer minskat EMG-amplitud och ledstelhet över tiden medan motsatsen inträffar för resistiva fotledsfotortoser. Dessutom kan inte bara elektromyografiavläsningar skilja sig, utan den fysiska vägen som lederna färdas längs kan också ändras.