Себя

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8966 (2023) Цитировать эту статью

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Феномен самоорганизации постуральной координации важен для понимания механизма автоматического переключения режимов синфазной и противофазной постуральной координации во время стояния и связанных с ним супрапостуральных действий. Ранее для воспроизведения такого самоорганизованного явления был предложен модельный подход. Однако, если мы поставим эту проблему, включая процесс создания внутренней прогностической модели в нашей центральной нервной системе, процесс обучения имеет решающее значение для создания нейронной сети для управления адаптивным постуральным контролем. В частности, когда характеристики тела могут измениться из-за роста или старения или изначально неизвестны младенцам, способность к обучению может улучшить сверхадаптивность двигательного контроля человека для поддержания стабильности позы и экономии энергии в повседневной жизни. В этом исследовании была предпринята попытка создать самоорганизующуюся нейронную сеть, которая могла бы адаптивно координировать постуральный режим без предположения предварительной модели тела относительно динамики и кинематики тела. Режимы постуральной координации воспроизводятся в задачах отслеживания головы и цели с помощью алгоритма глубокого обучения с подкреплением. Переходы между типами постуральной координации, т.е. синфазными и противофазными режимами координации, можно было воспроизвести, изменяя условия задачи головной цели, изменяя частоты движущейся цели. Эти режимы считаются возникающими явлениями, существующими в задачах отслеживания головы человека. Различные индексы оценки, такие как корреляция и относительная фаза тазобедренного и голеностопного суставов, анализируются для проверки работоспособности самоорганизующейся нейронной сети, обеспечивающей переход координации позы между синфазным и противофазным режимами. Кроме того, после обучения нейронная сеть может также адаптироваться к постоянным изменениям условий задачи и даже к необученным условиям массы тела, сохраняя последовательное чередование синфазных и противофазных режимов.

Понимание постуральной координации человека необходимо для разработки реабилитационных упражнений, направленных на улучшение качества жизни пожилых людей и людей с двигательными нарушениями или расстройствами головного мозга, такими как инсульт. Изучение адаптивных и синергетических механизмов контроля осанки важно для содействия восстановлению баланса посредством эффективной разработки физических тренировок.

Исследования по контролю равновесия человека широко проводились для понимания навыков моторного обучения человека при выполнении повседневных задач1,2. Основные стратегии контроля баланса человека, такие как стратегия голеностопного сустава и стратегия бедра, были хорошо изучены посредством экспериментов на людях3,4,5 и компьютерного моделирования6,7,8,9,10. Эти стратегии, включая кинематические и кинетические ограничения моторики тела, помогут нам понять существующее функциональное переключение режимов постуральной координации при контроле баланса при различных внешних возмущениях или в связанных с ними супрапостуральных действиях.

Для оценки паттернов координации были определены модели постурального контроля над тазобедренными и голеностопными суставами3, а также относительные фазы, такие как синфазная и противофазная. Их сильные и слабые стороны обсуждались в исследовании11 по постуральной координации бедра и голеностопного сустава при выполнении различных задач. Как единицы координации движения12, движения между тазобедренными и голеностопными суставами необходимы для контроля позы в стойке13. Координация лодыжки и бедра во время стратегии спокойного стояния14 для двух условий: открытые и закрытые глаза наблюдалась с соответствующими фазовыми портретами углового смещения, скорости и ускорения бедра и лодыжки. Вклад голеностопного и тазобедренного суставов был выделен для многосегментного контроля в экспериментах на людях со здоровыми участниками и участниками с болезнью Паркинсона, а также при моделировании компьютерной модели15. Аналогичным образом, межсегментная координация движений между тазобедренным и голеностопным суставами под влиянием частот колебаний в отношении стратегий контроля баланса, таких как стратегия голеностопного и тазобедренного суставов, использовалась для оценки сенсорных и двигательных нарушений при неполном повреждении спинного мозга (iSCI). 16. Что касается феномена самоорганизации постуральной координации, то в работах группы Барди хорошо известно, что режим самоорганизации естественным образом возникает с двумя режимами, «синфазными или противофазными», тазобедренного и голеностопного суставов в экспериментах по отслеживанию головы человека17. ,18,19. В зависимости от целевой частоты в задании испытуемому применялся синфазный режим для низких частот и противофазный режим для высоких частот.