Исследования, изучающие, как тело адаптируется к новым движениям, проливают новый свет на то, как обучается нервная система, и могут помочь в широком спектре приложений, от индивидуальной реабилитации и спортивных тренировок до носимых систем для здравоохранения. Исследование опубликовано на этой неделе в журнале Current Biology.
«Как наш мозг выясняет, как лучше всего двигать телом? Оказывается, это может быть сложной проблемой для нервной системы, учитывая, что у нас есть сотни мышц, которые можно координировать сотни раз в секунду — с более возможными схемами координации. выбирать, из чего двигаться на шахматной доске», — говорит старший автор исследования и профессор Университета Саймона Фрейзера (SFU) Макс Донелан, директор лаборатории Locomotion SFU.
«Мы часто сталкиваемся с изменениями в нашем теле и окружающей среде. Возможно, вам нравится длинная пробежка в субботу утром — ваши мышцы могут устать по мере увеличения продолжительности бега. неровный и рыхлый по сравнению с дорожным покрытием на тротуаре. Хотя мы можем заметить, что эти изменения произошли, мы можем не оценить, как наше тело приспосабливается к этим изменениям».
Команда нейробиологов Донелана, изучающая двигательное обучение, сотрудничала с командой инженеров-механиков Стэнфордского университета, разрабатывающих системы человек-робот. Вместе они отслеживали характеристики ходьбы участников исследования, носящих экзоскелеты.
Результаты
Исследователи обнаружили, что нервная система решает проблему изучения нового паттерна координации движений, сначала исследуя и оценивая множество различных паттернов координации. Это исследование было измерено как общее увеличение изменчивости, охватывающее уровни всего движения, сустава и мышцы.
С опытом нервная система адаптирует определенные аспекты движения и одновременно уменьшает вариабельность этих аспектов. Исследователи также обнаружили, что эти адаптивные изменения улучшили движение в целом, снизив затраты энергии на ходьбу примерно на 25 процентов.
«Мы создали новые контексты, используя экзоскелеты, помогающие при ходьбе, а затем изучили, как люди изучают новые движения и изучают более оптимальные», — говорит Сабрина Абрам, ведущий автор исследования и бывший аспирант Лаборатории передвижения. Участники испытали ходьбу в этом контексте в течение шести дней, в результате чего на каждого ушло около 30 часов лабораторного времени и необычайный объем данных, собранных соавтором Кэтрин Поггензее.
В то время как нервная система, по-видимому, выигрывает от первого поиска среди множества различных паттернов координации, она также выигрывает от сокращения этого пространства поиска с течением времени, добавляет Абрам. «Это связано с тем, что продолжение поиска среди моделей координации, которые уже снижают энергию, может, в свою очередь, увеличить энергию, а также усугубить и без того сложную проблему определения наилучшего способа движения».
Приложения
Понимание того, как мозг ищет и определяет, как лучше всего двигать телом, важно для бегуна, перемещающегося по новой местности, а также для пациента, восстанавливающегося после травмы позвоночника или инсульта.
Например, знание того, когда тело адаптировалось к новому режиму тренировок, может помочь тренерам определить, в какой момент спортсмен должен перейти к изучению новых навыков. Это также может быть полезно для разработки носимых систем, таких как экзоскелеты и протезы, облегчая обучение, а затем оценивая оптимальные реакции людей на различные конструкции.
«Мы все хотели бы двигаться как можно лучше. Кажется, что у здоровых людей при правильных обстоятельствах мозг может позаботиться об этом. Для тех, кто восстанавливается после травмы, мы могли бы узнать, как лучше всего реабилитировать эту травму. благодаря лучшему пониманию того, как нервная система учится адаптироваться», — говорит Донелан.
