Como lo propuso originalmente Enoka, [1] la neuromecánica es un campo de estudio que combina conceptos de biomecánica y neurofisiología para estudiar el movimiento humano. La neuromecánica examina las funciones combinadas de los sistemas esquelético, muscular y nervioso y cómo interactúan para producir el movimiento necesario para completar una tarea motora. [2]
Las señales musculares estimuladas por impulsos neurológicos se recopilan mediante electromiografía (EMG). Estas señales musculares son indicativas de actividad neuronal. En ciertos casos, los datos de EMG pueden ser indicativos de neuroplasticidad y aprendizaje de tareas motoras. [3] El sistema muscular, específicamente el músculo esquelético, crea movimiento alrededor de las articulaciones óseas, y el sistema nervioso central es imperativo para dirigir los músculos esqueléticos en los movimientos motores. [4]
Fondo
La neuromecánica es el campo de estudio que combina la neurociencia y la biomecánica en un esfuerzo por comprender el movimiento y su relación con el cerebro. La neuromecánica es un área que intenta combinar los esfuerzos de los músculos, los órganos sensoriales, los generadores de patrones en el cerebro y el propio sistema nervioso central para explicar el movimiento. [2] Las aplicaciones de la neuromecánica incluyen aliviar problemas de salud y diseñar y controlar sistemas robóticos. [2]
Neurociencia
La neurociencia es el estudio del sistema nervioso . El sistema nervioso se divide en dos subsistemas: el sistema nervioso periférico y el sistema nervioso central. [4]
El sistema nervioso periférico se compone de tres subsistemas: el sistema nervioso somático , el sistema nervioso autónomo y el sistema nervioso visceral . [5] El sistema nervioso autónomo también se divide en el sistema nervioso simpático , el sistema nervioso parasimpático y el sistema nervioso entérico . El sistema nervioso responsable del movimiento voluntario, incluido el movimiento de las extremidades inferiores, es el sistema nervioso somático . [6] Aunque el sistema nervioso somático es parte del sistema nervioso periférico, el movimiento también implica el uso de elementos del sistema nervioso central: el cerebro y la médula espinal . [6]
La neurociencia contribuye a la neuromecánica humana al estudiar cómo las diferentes enfermedades neurológicas contribuyen a los problemas biomecánicos y los cambios en el movimiento típico. La neurociencia se ocupa de estudiar la causa de los problemas visibles.
Biomecánica
La biomecánica es el estudio de la estructura y función de sistemas vivos como humanos, animales y otros organismos por medio de la mecánica . Gran parte de la biomecánica se ocupa de tareas motoras simples como caminar. La marcha puede definirse por el ciclo de la marcha . El ciclo de la marcha es un evento repetitivo que consiste en un paso completo desde el golpe del talón hasta el siguiente golpe del talón en el mismo pie. Se puede dividir en dos fases: fase de apoyo y fase de balanceo . [7] La fase de apoyo consiste en el tiempo durante el cual el talón golpea el suelo hasta el punto en el que el dedo del pie abandona el suelo. [7] La fase de balanceo consiste en el resto del ciclo de la marcha, el tiempo que transcurre desde que el dedo del pie deja el suelo hasta el siguiente golpe del talón. [7]
La biomecánica contribuye a la neuromecánica al estudiar cómo responde el cuerpo a diferentes condiciones, ya sean enfermedades neurológicas o deficiencias físicas. La biomecánica se ocupa de estudiar el efecto que resulta de tales condiciones.
Teoría del péndulo invertido
La teoría de la marcha del péndulo invertido es un enfoque neuromecánico para comprender el movimiento humano. En teoría, el peso del cuerpo se reduce a un centro de masa que descansa sobre una pierna sin masa en un solo soporte. La fuerza de reacción del suelo viaja desde el centro de presión en la parte inferior de la pierna sin masa hasta el centro de masa en la parte superior de la pierna sin masa. El vector de velocidad del centro de masa siempre es perpendicular a la fuerza de reacción del suelo. [8]
Caminar consiste en alternar fases de apoyo simple y doble apoyo. La fase de apoyo único se produce cuando una pierna está en contacto con el suelo, mientras que la fase de doble apoyo se produce cuando dos patas están en contacto con el suelo. [9]
Influencias neurológicas
El péndulo invertido se estabiliza mediante la retroalimentación constante del cerebro y puede funcionar incluso en presencia de pérdida sensorial . En los animales que han perdido toda la información sensorial del miembro en movimiento, las variables producidas por la marcha (centro de aceleración de la masa, velocidad del animal y posición del animal) permanecen constantes entre ambos grupos. [10]
Durante el control postural, los mecanismos de retroalimentación retardada se utilizan en la reproducción temporal de funciones a nivel de tarea, como caminar. El sistema nervioso tiene en cuenta la retroalimentación del centro de aceleración de masa, la velocidad y la posición de un individuo y utiliza la información para predecir y planificar movimientos futuros. La aceleración del centro de masa es esencial en el mecanismo de retroalimentación ya que esta retroalimentación tiene lugar antes de que se pueda determinar cualquier dato de desplazamiento significativo. [11]
Controversia
La teoría del péndulo invertido contradice directamente los seis determinantes de la marcha , otra teoría para el análisis de la marcha. [12] Los seis determinantes de la marcha predicen un gasto energético muy alto para el movimiento sinusoidal del centro de masa durante la marcha, mientras que la teoría del péndulo invertido ofrece la posibilidad de que el gasto energético sea cercano a cero; la teoría del péndulo invertido predice que se requiere poco o ningún trabajo para caminar. [8]
Electromiografia
La electromiografía (EMG) es una herramienta que se utiliza para medir las salidas eléctricas producidas por los músculos esqueléticos al activarse. Los nervios motores inervan los músculos esqueléticos y provocan la contracción por orden del sistema nervioso central. Esta contracción se mide por EMG y generalmente se mide en la escala de milivoltios (mV). Otra forma de datos de EMG que se analiza son los datos de EMG integrados (iEMG). iEMG mide el área bajo la señal EMG que corresponde al esfuerzo muscular general en lugar del esfuerzo en un instante específico.
Equipo
Hay cuatro componentes de instrumentación que se utilizan para detectar estas señales: (1) la fuente de la señal, (2) el transductor utilizado para detectar la señal, (3) el amplificador y (4) el circuito de procesamiento de la señal. [13] La fuente de señal se refiere a la ubicación en la que se coloca el electrodo EMG. La adquisición de la señal EMG depende de la distancia entre el electrodo y la fibra muscular, por lo que la ubicación es imperativa. El transductor utilizado para detectar la señal es un electrodo EMG que transforma la señal bioeléctrica del músculo en una señal eléctrica legible. [13] El amplificador reproduce una señal bioeléctrica no distorsionada y también permite la reducción de ruido en la señal. [13] El procesamiento de señales implica tomar los impulsos eléctricos registrados, filtrarlos y envolver los datos. [13]
Latencia
La latencia es una medida del lapso de tiempo entre la activación de un músculo y su valor EMG pico. La latencia se utiliza como un medio para diagnosticar trastornos del sistema nervioso como una hernia de disco , esclerosis lateral amiotrófica (ELA) o miastenia gravis (MG). [14] Estos trastornos pueden causar una interrupción de la señal en el músculo, el nervio o la unión entre el músculo y el nervio.
El uso de EMG para identificar trastornos del sistema nervioso se conoce como estudio de conducción nerviosa (NCS). Los estudios de conducción nerviosa solo pueden diagnosticar enfermedades a nivel muscular y nervioso. No pueden detectar enfermedades en la médula espinal o el cerebro. En la mayoría de los trastornos de la unión muscular, nerviosa o neuromuscular , el tiempo de latencia aumenta. [15] Esto es el resultado de una conducción nerviosa disminuida o estimulación eléctrica en el sitio del músculo. En el 50% de los pacientes con atrofia cerebral, la latencia del reflejo espinal M3 aumentó y, en ocasiones, se separó de la respuesta del reflejo espinal M2. [16] [17] La separación entre las respuestas reflejas espinales M2 y M3 es típicamente de 20 milisegundos, pero en pacientes con atrofia cerebral, la separación se incrementó a 50 ms. En algunos casos, sin embargo, otros músculos pueden compensar el músculo que sufre de una estimulación eléctrica disminuida. En el músculo compensador, el tiempo de latencia en realidad se reduce para sustituir la función del músculo enfermo. [18] Este tipo de estudios se utilizan en neuromecánica para identificar trastornos motores y sus efectos a nivel celular y eléctrico en lugar de a nivel de movimiento del sistema.
Sinergias musculares
Una sinergia muscular es un grupo de músculos y agonistas sinérgicos que trabajan juntos para realizar una tarea motora. Una sinergia muscular se compone de músculos agonistas y sinérgicos. Un músculo agonista es un músculo que se contrae individualmente y puede provocar una cascada de movimiento en los músculos vecinos. Los músculos sinérgicos ayudan a los músculos agonistas en las tareas de control motor, pero actúan contra el exceso de movimiento que pueden crear los agonistas.
Hipótesis de sinergia muscular
La hipótesis de la sinergia muscular se basa en la suposición de que el sistema nervioso central controla los grupos de músculos de forma independiente en lugar de los músculos individuales. [19] [20] La hipótesis de la sinergia muscular presenta el control motor como una jerarquía de tres niveles. En el nivel uno, el sistema nervioso central crea un vector de tarea motora. El sistema nervioso central luego transforma el vector muscular para actuar sobre un grupo de sinergias musculares en el nivel dos. Luego, en el nivel tres, las sinergias musculares definen una proporción específica de la tarea motora para cada músculo y la asignan a su músculo respectivo para que actúe sobre la articulación para realizar la tarea motora.
Redundancia
La redundancia juega un papel importante en la sinergia muscular. La redundancia muscular es un problema de grados de libertad a nivel muscular. [21] El sistema nervioso central tiene la oportunidad de coordinar los movimientos de los músculos y debe elegir uno entre muchos. El problema de la redundancia muscular es el resultado de más vectores musculares que dimensiones en el espacio de la tarea. Los músculos solo pueden generar tensión tirando, no empujando. Esto da como resultado muchos vectores de fuerza muscular en múltiples direcciones en lugar de empujar y tirar en la misma dirección.
Un debate sobre las sinergias musculares es entre la estrategia del motor principal y la estrategia de cooperación. [21] La estrategia del motor primario surge cuando el vector de un músculo puede actuar en la misma dirección que el vector de acción mecánica, el vector del movimiento de la extremidad. La estrategia de cooperación, sin embargo, tiene lugar cuando ningún músculo puede actuar directamente en la dirección del vector de la acción mecánica dando como resultado una coordinación de múltiples músculos para lograr la tarea. La estrategia del motor principal ha perdido popularidad a lo largo del tiempo, ya que se ha descubierto a través de estudios de electromiografía que ningún músculo proporciona constantemente más fuerza que otros músculos que actúan para moverse sobre una articulación. [22]
Criticas
La teoría de la sinergia muscular es difícil de falsificar. [23] Aunque la experimentación ha demostrado que los grupos de músculos trabajan juntos para controlar las tareas motoras, las conexiones neuronales permiten que los músculos individuales se activen. Aunque la activación muscular individual puede contradecir la sinergia muscular, también la oscurece. La activación de músculos individuales puede anular o bloquear la entrada y el efecto general de las sinergias musculares. [23]
Adaptación
La adaptación en el sentido neuromecánico es la capacidad del cuerpo para cambiar una acción para adaptarse mejor a la situación o el entorno en el que actúa. La adaptación puede ser el resultado de una lesión, fatiga o práctica. La adaptación se puede medir de diversas formas: electromiografía, reconstrucción tridimensional de articulaciones y cambios en otras variables pertenecientes a la adaptación específica que se está estudiando.
Lesión
La lesión puede provocar la adaptación de varias formas. La compensación es un factor importante en la adaptación a las lesiones. La compensación es el resultado de uno o más músculos debilitados. Al cerebro se le asigna la tarea de realizar una determinada tarea motora, y una vez que un músculo se ha debilitado, el cerebro calcula las proporciones de energía para enviar a otros músculos a realizar la tarea original de la manera deseada. El cambio en la contribución del músculo no es el único subproducto de una lesión relacionada con el músculo. El cambio en la carga de la articulación es otro resultado que, si se prolonga, puede ser perjudicial para el individuo. [24]
Fatiga
La fatiga muscular es la adaptación neuromuscular a los desafíos durante un período de tiempo. El uso de unidades motoras durante un período de tiempo puede provocar cambios en el comando motor del cerebro. Dado que la fuerza de contracción no se puede cambiar, el cerebro, en cambio, recluta más unidades motoras para lograr la máxima contracción muscular. [25] El reclutamiento de unidades motoras varía de un músculo a otro dependiendo del límite superior del reclutamiento motor en el músculo. [25]
Práctica
La adaptación debida a la práctica puede ser el resultado de una práctica intencionada, como los deportes, o una práctica no intencionada, como el uso de una órtesis . En los atletas, la repetición da como resultado la memoria muscular . La tarea motora se convierte en un recuerdo a largo plazo que puede repetirse sin mucho esfuerzo consciente. Esto permite que el atleta se concentre en afinar su estrategia de tarea motora. La resistencia a la fatiga también viene con la práctica a medida que se fortalece el músculo, pero la velocidad a la que un atleta puede completar una tarea motora también aumenta con la práctica. [26] Los jugadores de voleibol en comparación con los que no saltan muestran un control más repetible de los músculos que rodean la rodilla que está controlado por la coactivación en la condición de salto único. [26] En la condición de salto repetido, tanto los jugadores de voleibol como los que no saltan tienen una disminución lineal en el tiempo de vuelo de salto normalizado. [26] Aunque la disminución lineal normalizada es la misma para atletas y no atletas, los atletas constantemente tienen tiempos de vuelo más altos.
También existe una adaptación asociada con el uso de una prótesis u órtesis. Esto funciona de manera similar a la adaptación debida a la fatiga; sin embargo, los músculos pueden en realidad fatigarse o alterar su contribución mecánica a una tarea motora como resultado del uso de la órtesis. Una ortesis de tobillo y pie es una solución común para las lesiones de la extremidad inferior, específicamente alrededor de la articulación del tobillo. Una ortesis de tobillo y pie puede ser asistida o resistiva. Una órtesis de tobillo de asistencia estimula el movimiento del tobillo y una órtesis de tobillo resistiva inhibe el movimiento del tobillo. [27] Al usar una ortesis asistida de tobillo y pie, los individuos tienen una amplitud EMG disminuida y rigidez articular con el tiempo, mientras que ocurre lo contrario con las ortesis resistivas de tobillo y pie. [27] Además, no solo pueden diferir las lecturas de la electromiografía, sino que también se puede alterar la ruta física por la que viajan las articulaciones. [28]
Ver también
- Neuromecánica de las ortesis
Referencias
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