Coordinación motriz

La coordinación motora es la combinación de movimientos corporales creados con los parámetros cinemáticos (como la dirección espacial) y cinéticos (fuerza) que dan como resultado las acciones previstas . La coordinación motora se logra cuando las partes subsiguientes del mismo movimiento, o los movimientos de varias extremidades o partes del cuerpo se combinan de una manera bien sincronizada, suave y eficiente con respecto al objetivo previsto. Esto implica la integración de información propioceptiva que detalla la posición y el movimiento del sistema musculoesquelético con los procesos neurales en el cerebro y la médula espinal.que controlan, planifican y transmiten los comandos del motor. El cerebelo juega un papel crítico en este control neuronal del movimiento y el daño a esta parte del cerebro o sus estructuras y vías de conexión resulta en un deterioro de la coordinación, conocido como ataxia .

La coordinación motora se muestra en esta secuencia animada por Eadweard Muybridge de él mismo lanzando un disco

Propiedades

Reproducción inexacta

Ejemplos de coordinación motora son la facilidad con la que las personas pueden ponerse de pie, verter agua en un vaso, caminar y alcanzar un bolígrafo. Estos se crean de manera confiable, competente y repetida, pero estos movimientos rara vez se reproducen exactamente en sus detalles motores, como los ángulos articulares al señalar ^[1] o al levantarse después de estar sentado. ^[2]

Combinación

La complejidad de la coordinación motora se puede ver en la tarea de tomar una botella de agua y verterla en un vaso. Esta tarea aparentemente simple es en realidad una combinación de tareas complejas que se procesan en diferentes niveles. Los niveles de procesamiento incluyen: (1) para el movimiento de prensión de la botella, el alcance y la configuración de la mano deben coordinarse, (2) al levantar la botella, la carga y la fuerza de agarre aplicada por los dedos deben coordinarse para tener en cuenta el peso, la fragilidad y el deslizamiento del vaso, y (3) al verter el agua de la botella al vaso, las acciones de ambos brazos, uno que sostiene el vaso y el otro que vierte el agua, deben coordinarse juntos. Esta coordinación también involucra todos los procesos de coordinación ojo-mano . El cerebro interpreta las acciones como patrones espacio-temporales y cuando cada mano realiza una acción diferente simultáneamente, se involucra la coordinación bimanual . ^[3] Se requieren niveles adicionales de organización dependiendo de si la persona beberá del vaso, se lo dará a otra persona o simplemente lo pondrá sobre una mesa. ^[4]

Problema de grados de libertad

El problema para comprender la coordinación motora surge de la redundancia biomecánica causada por la gran cantidad de elementos musculoesqueléticos involucrados. Estos diferentes elementos crean muchos grados de libertad mediante los cuales se puede realizar cualquier acción debido a la variedad de formas de organizar, girar, extender y combinar los diversos músculos, articulaciones y extremidades en una tarea motora. Se han desarrollado varias hipótesis para explicar cómo el sistema nervioso determina una solución particular a partir de un gran conjunto de posibles soluciones que pueden lograr la tarea o las metas motoras igualmente bien. ^[5]

Teorías

Sinergias musculares

Nikolai Bernstein propuso la existencia de sinergias musculares como una estrategia neuronal para simplificar el control de múltiples grados de libertad. ^[5] Una sinergia muscular funcional se define como un patrón de coactivación de músculos reclutados por una única señal de comando neuronal. ^[6] Un músculo puede ser parte de múltiples sinergias musculares y una sinergia puede activar múltiples músculos. El método actual para encontrar sinergias musculares es medir las señales de EMG ( electromiografía ) de los músculos involucrados en un determinado movimiento para poder identificar patrones específicos de activación muscular. Los análisis estadísticos se aplican a los datos de EMG filtrados para determinar el número de sinergias musculares que mejor representan el EMG original. Alternativamente, el análisis de coherencia de los datos de EMG se puede utilizar para determinar el acoplamiento entre los músculos y la frecuencia de entrada común. ^[7] Un número reducido de elementos de control (sinergias musculares) se combinan para formar un continuo de activación muscular para el control motor suave durante varias tareas. ^{[8] [9]} Estas sinergias trabajan juntas para producir movimientos como caminar o controlar el equilibrio. La direccionalidad de un movimiento tiene un efecto sobre cómo se realiza la tarea motora (es decir, caminar hacia adelante o hacia atrás, cada uno usa diferentes niveles de contracción en diferentes músculos). Los investigadores han medido las señales de EMG para detectar perturbaciones aplicadas en múltiples direcciones con el fin de identificar las sinergias musculares que están presentes en todas las direcciones. ^[10]

Inicialmente, se pensó que las sinergias musculares eliminaban el control redundante de un número limitado de grados de libertad al restringir los movimientos de ciertas articulaciones o músculos (sinergias de flexión y extensión). Sin embargo, se ha debatido si estas sinergias musculares son una estrategia neuronal o si son el resultado de restricciones cinemáticas. ^[11] Recientemente se ha introducido el término de sinergia sensorial apoyando la suposición de que las sinergias son las estrategias neuronales para manejar los sistemas sensoriales y motores. ^[12]

Hipótesis múltiple incontrolada

Una hipótesis más reciente propone que el sistema nervioso central no elimina los grados de libertad redundantes , sino que los utiliza todos para asegurar el desempeño flexible y estable de las tareas motoras. El sistema nervioso central hace uso de esta abundancia de los sistemas redundantes en lugar de restringirlos como se había hipotetizado previamente. La hipótesis del colector incontrolado (UCM) proporciona una forma de cuantificar la sinergia muscular. ^[13] Esta hipótesis define la "sinergia" de manera un poco diferente a la establecida anteriormente; una sinergia representa una organización de variables elementales (grados de libertad) que estabiliza una importante variable de desempeño. La variable elemental es la variable sensible más pequeña que se puede utilizar para describir un sistema de interés en un nivel de análisis seleccionado, y una variable de rendimiento se refiere a las variables potencialmente importantes producidas por el sistema en su conjunto. Por ejemplo, en la tarea de alcance de articulaciones múltiples, los ángulos y las posiciones de ciertas articulaciones son las variables elementales, y las variables de rendimiento son las coordenadas del punto final de la mano. ^[13]

Esta hipótesis propone que el controlador (el cerebro) actúa en el espacio de variables elementales (es decir, las rotaciones compartidas por el hombro, el codo y la muñeca en los movimientos del brazo) y selecciona en el espacio de múltiples (es decir, conjuntos de valores angulares correspondientes a un posición final). Esta hipótesis reconoce que la variabilidad siempre está presente en los movimientos humanos y la categoriza en dos tipos: (1) mala variabilidad y (2) buena variabilidad. La mala variabilidad afecta la variable importante de desempeño y causa grandes errores en el resultado final de una tarea motora, y una buena variabilidad mantiene la tarea de desempeño sin cambios y mantiene un resultado exitoso. Un ejemplo interesante de la buena variabilidad se observó en los movimientos de la lengua, responsables de la producción del habla. ^[14] La prescripción del nivel de rigidez en el cuerpo de la lengua crea cierta variabilidad (en términos de los parámetros acústicos del habla, como los formantes), que, sin embargo, no es significativa para la calidad del habla (al menos, en el rango razonable de niveles de rigidez). ^[15] Una de las posibles explicaciones podría ser que el cerebro solo trabaja para disminuir la mala variabilidad que obstaculiza el resultado final deseado, y lo hace aumentando la buena variabilidad en el dominio redundante. ^[13]

Tipos

Inter-extremidad

La coordinación entre extremidades se refiere a cómo se coordinan los movimientos entre las extremidades. JA Scott Kelso y sus colegas han propuesto que la coordinación se puede modelar como osciladores acoplados , un proceso que se puede entender en el modelo HKB (Haken, Kelso y Bunz) . ^[16] La coordinación de tareas complejas entre miembros depende en gran medida de la coordinación temporal . Un ejemplo de tal coordinación temporal se puede observar en el movimiento de apuntar libre de los ojos, manos y brazos para dirigir al mismo objetivo motor. Estas señales de coordinación se envían simultáneamente a sus efectores. En tareas bimanuales (tareas que involucran dos manos), se encontró que los segmentos funcionales de las dos manos están estrechamente sincronizados. Una de las teorías postuladas para esta funcionalidad es la existencia de un "esquema de coordinación" superior que calcula el tiempo necesario para realizar cada tarea individual y lo coordina mediante un mecanismo de retroalimentación . Hay varias áreas del cerebro que contribuyen a la coordinación temporal de las extremidades necesarias para las tareas bimanuales, y estas áreas incluyen la corteza premotora (PMC), la corteza parietal , las cortezas motoras mesiales, más específicamente el área motora suplementaria ( SMA), la corteza motora cingulada (CMC), la corteza motora primaria (M1) y el cerebelo . ^[17]

Intra-extremidad

La coordinación intra-extremidad implica la planificación de trayectorias en los planos cartesianos . ^[4] Esto reduce la carga computacional y los grados de libertad para un movimiento dado, y obliga a las extremidades a actuar como una unidad en lugar de conjuntos de músculos y articulaciones. Este concepto es similar a "sinergias musculares" y "estructuras coordinativas". Un ejemplo de tal concepto es el modelo de sacudidas mínimas propuesto por Neville Hogan y Tamar Flash, ^[18] que predice que el parámetro que controla el sistema nervioso es la trayectoria espacial de la mano, es decir, el efector final (lo que implica que el el movimiento se planifica en las coordenadas cartesianas) y que el movimiento a lo largo del camino sea lo más suave posible. Otros estudios iniciales mostraron que el efector final sigue un patrón cinemático regularizado. ^[19] Específicamente, Francesco Lacquaniti , Carlo Terzuolo y Paolo Viviani mostraron que la velocidad angular de la punta de la pluma varía con la potencia de dos tercios de la curvatura de la trayectoria ( ley de potencia de dos tercios ) durante el dibujo y la escritura a mano. ^[20] La ley de potencia de dos tercios es compatible con el modelo de sacudidas mínimas, pero también es compatible con los generadores de patrones sinusoidales, como los de los generadores de patrones centrales . Posteriormente se ha demostrado que el sistema nervioso central se dedica a su codificación. ^{[21] [22]} El modelo del espacio articular postula que el sistema motor planifica los movimientos en coordenadas articulares. ^[23] Para este modelo, el parámetro controlado es la posición de cada articulación que contribuye al movimiento. Las estrategias de control para el movimiento dirigido a un objetivo difieren según la tarea que se le asigna al sujeto. Esto se demostró probando dos condiciones diferentes: (1) los sujetos movieron el cursor en la mano hacia el objetivo y (2) los sujetos movieron su mano libre hacia el objetivo. Cada condición mostró diferentes trayectorias: (1) trayectoria recta y (2) trayectoria curva. ^[24]

Ojo-mano

La coordinación ojo-mano se refiere a cómo se coordinan los movimientos oculares y cómo afectan los movimientos de las manos. Los hallazgos típicos se relacionan con el ojo que mira un objeto antes de que la mano comience a moverse hacia ese objeto. ^[25]

Aprendiendo

Bernstein propuso que los individuos aprendan la coordinación primero restringiendo los grados de libertad que usan. Al controlar solo un conjunto limitado de grados de libertad, esto permite al alumno simplificar la dinámica de las partes del cuerpo involucradas y la gama de opciones de movimiento. Una vez que el individuo ha adquirido cierta competencia, estas restricciones se pueden relajar para permitirle utilizar todo el potencial de su cuerpo. ^[5]

Ver también

• Trastorno del desarrollo de la coordinación
• Teoría del control perceptual

Referencias

1. Domkin, D .; Laczko, J .; Jaric, S .; Johansson, H .; Latash, ML. (Marzo de 2002). "Estructura de variabilidad conjunta en tareas de apuntamiento bimanual". Exp Brain Res . 143 (1): 11-23. doi : 10.1007 / s00221-001-0944-1 . PMID  11907686 .
2. Scholz, JP .; Schöner, G. (junio de 1999). "El concepto de colector incontrolado: identificación de variables de control para una tarea funcional". Exp Brain Res . 126 (3): 289-306. doi : 10.1007 / s002210050738 . PMID  10382616 .
3. Salter, Jennifer E .; Laurie R. Wishart; Timothy D. Lee; Dominic Simon (2004). "Contribuciones perceptivas y motoras a la coordinación bimanual". Cartas de neurociencia . 363 (2): 102–107. doi : 10.1016 / j.neulet.2004.03.071 . PMID  15172094 .
4. Weiss, P .; Jeannerod, M. (abril de 1998). "Entender la coordinación" . Noticias Physiol Sci . 13 (2): 70–75. PMID  11390765 .
5. Bernstein N. (1967). La Coordinación y Regulación de Movimientos. Pergamon Press. Nueva York. OCLC  301528509
6. Torres-Oviedo, G .; MacPherson, JM .; Ting, LH. (Septiembre de 2006). "La organización de la sinergia muscular es sólida a través de una variedad de perturbaciones posturales". J Neurophysiol . 96 (3): 1530–46. doi : 10.1152 / jn.00810.2005 . PMID  16775203 .
7. Boonstra TW, Danna-Dos-Santos A, Xie HB, Roerdink M, Stins JF, Breakspear M (2015). "Redes musculares: análisis de conectividad de la actividad EMG durante el control postural" . Sci Rep . 5 : 17830. doi : 10.1038 / srep17830 . PMC  4669476 . PMID  26634293 .
8. d'Avella, A .; Saltiel, P .; Bizzi, E. (marzo de 2003). "Combinaciones de sinergias musculares en la construcción de un comportamiento motor natural". Nat Neurosci . 6 (3): 300–8.
9. Ivanenko, YP; Poppele, RE; Lacquaniti, F. (abril de 2004). "Cinco patrones básicos de activación muscular explican la actividad muscular durante la locomoción humana" . J Physiol . 556 (1): 267–82. PMC  1664897 .
10. Torres-Oviedo, G .; Ting, LH. (Octubre de 2007). "Sinergias musculares que caracterizan las respuestas posturales humanas". J Neurophysiol . 98 (4): 2144–56. doi : 10.1152 / jn.01360.2006 . PMID  17652413 .
11. Tresch, MC .; Jarc, A. (diciembre de 2009). "El caso a favor y en contra de las sinergias musculares" . Curr Opin Neurobiol . 19 (6): 601–7. doi : 10.1016 / j.conb.2009.09.002 . PMC  2818278 . PMID  19828310 .
12. Alnajjar, F .; Itkonen, M .; Berenz, V .; Tournier, M .; Nagai, C .; Shimoda, S. (2015). "Sinergia sensorial como integración de insumos ambientales" . Fronteras en neurociencia . 8 : 436. doi : 10.3389 / fnins.2014.00436 . PMC  4292368 . PMID  25628523 .
13. Latash, ML .; Anson, JG. (Agosto de 2006). "Sinergias en salud y enfermedad: relaciones con cambios adaptativos en la coordinación motora" . Phys Ther . 86 (8): 1151–60. PMID  16879049 .
14. Más precisamente, los movimientos de la lengua se modelaron mediante un modelo biomecánico de lengua, BTM, controlado por un modelo interno óptimo, que minimiza la longitud del camino recorrido en el espacio interno durante la producción de las secuencias de tareas (ver Blagouchine Y Moreau).
15. Iaroslav Blagouchine y Eric Moreau. Control de un robot de voz a través de un modelo interno óptimo basado en una red neuronal con restricciones. Transacciones IEEE sobre robótica, vol. 26, no. 1, págs. 142-159, febrero de 2010.
16. Haken, H .; Kelso, JA .; Bunz, H. (1985). "Un modelo teórico de las transiciones de fase en los movimientos de la mano humana" (PDF) . Biol Cybern . 51 (5): 347–56. CiteSeerX  10.1.1.170.2683 . doi : 10.1007 / BF00336922 . PMID  3978150 .
17. Swinnen, SP .; Vangheluwe, S .; Wagemans, J .; Coxon, JP .; Goble, DJ .; Van Impe, A .; Sunaert, S .; Peeters, R .; Wenderoth, N. (febrero de 2010). "Recursos neuronales compartidos entre las habilidades de coordinación entre miembros izquierdos y derechos: el sustrato neuronal de las representaciones motoras abstractas". NeuroImage . 49 (3): 2570–80. doi : 10.1016 / j.neuroimage.2009.10.052 . PMID  19874897 .
18. Flash, T .; Hogan, N. (julio de 1985). "La coordinación de los movimientos del brazo: un modelo matemático confirmado experimentalmente" . J Neurosci . 5 (7): 1688–703. doi : 10.1523 / JNEUROSCI.05-07-01688.1985 . PMID  4020415 .
19. Abend, W .; Bizzi, E .; Morasso, P. (junio de 1982). "Formación de la trayectoria del brazo humano". Cerebro . 105 (2): 331–48.
20. Lacquaniti, Francesco; Terzuolo, Carlo; Viviani, Paolo (1983). "La ley que relaciona los aspectos cinemáticos y figurativos de los movimientos de dibujo". Acta Psychologica . 54 (1-3): 115-130. doi : 10.1016 / 0001-6918 (83) 90027-6 . PMID  6666647 .
21. Schwartz, AB (julio de 1994). "Representación cortical directa del dibujo". Ciencia . 265 (5171): 540–2.
22. Dayan, E .; Casile, A .; Levit-Binnun, N .; Giese, MA .; Hendler, T .; Flash, T. (diciembre de 2007). "Representaciones neuronales de las leyes cinemáticas del movimiento: evidencia de acoplamiento acción-percepción" . Proc Natl Acad Sci USA . 104 (51): 20582–7. doi : 10.1073 / pnas.0710033104 . PMC  2154474 . PMID  18079289 .
23. Soechting, JF; Lacquaniti, F. (1981). "Características invariantes de un movimiento señalador en el hombre". J Neurosci . 1 (7): 710–20.
24. Li, Y .; Levin, O .; Forner-Cordero, A .; Swinnen, SP. (Junio ​​de 2005). "Interacciones entre la coordinación entre miembros y entre miembros durante la realización de movimientos multiarticulares bimanuales". Exp Brain Res . 163 (4): 515-26. doi : 10.1007 / s00221-004-2206-5 . PMID  15657696 .
25. Liesker, H .; Brenner, E .; Smeets, JB. (Agosto de 2009). "Combinar ojo y mano en la búsqueda no es óptimo" . Exp Brain Res . 197 (4): 395–401. doi : 10.1007 / s00221-009-1928-9 . PMC  2721960 . PMID  19590859 .