Badania Uniwersytetu w Osace wskazują, że mózg skutecznie zarządza koordynacją chodu, interweniując tylko wtedy, gdy nieprawidłowość w ułożeniu nóg jest znaczna, co może znaleźć potencjalne zastosowanie w rehabilitacji i projektowaniu pomocy.
Chodzenie to czynność, która często jest brana za oczywistość. Ludzie zazwyczaj zakładają, że mogą wykonywać wiele zadań jednocześnie, „chodząc i żując gumę” jednocześnie przy minimalnym obciążeniu wysiłku umysłowego. Rzeczywiście, każda noga może poruszać się rytmicznie niezależnie od drugiej, kontrolowana przez jej stronę rdzenia kręgowego.
Jednakże zdolność ludzkiego mózgu do koordynowania chodu w taki sposób, że nogi piechura są przesunięte w fazie o pół kroku względem siebie, czyli „zależność przeciwfazowa”, nie jest tak trywialna, gdy pojawia się przeszkoda lub asymetria, np. ścieżka.
Nowe badanie przeprowadzone przez Uniwersytet w Osace rzuca światło na sposób utrzymania prawidłowego rytmu chodu, dostarczając wiedzy, która może ulepszyć techniki rehabilitacji pacjentów, którzy doświadczyli urazu mózgu lub innych problemów neurologicznych.
Wnioski z najnowszego badania dotyczącego chodzenia
W badaniu opublikowanym niedawno w Biologia komunikacjibadacze zebrali dane kinematyczne od zdrowych pacjentów chodzących na bieżni, której czasami zakłócała nagła zmiana prędkości. Doprowadziło to do chwilowej utraty relacji antyfazowej, ale została ona szybko przywrócona, gdy badani zmienili orientację ruchów chodzenia.
Dane z tego eksperymentu analizowano przy użyciu modelu matematycznego dwóch sprzężonych oscylatorów – podobnych do dwóch wahadeł połączonych sprężyną – wraz z metodą wnioskowania bayesowskiego. Podejście to pozwoliło naukowcom obliczyć najbardziej prawdopodobną funkcję reprezentującą sposób, w jaki mózg zastosował kontrolę do koordynowania ruchów nóg.
Aby jeszcze bardziej uprościć problem, zastosowano teorię redukcji fazy, która zakłada, że zaburzony układ powraca do regularnego, okresowego rozwiązania, zwanego cyklem granicznym. „Dzięki wnioskowaniu bayesowskiemu mogliśmy w sposób ilościowy wywnioskować kontrolę koordynacji nóg” – mówi główny autor badania, Takahiro Arai.
Wydajność mózgu w koordynacji chodzenia
Co zaskakujące, naukowcy odkryli, że mózg nie kontroluje aktywnie fazy względnej, dopóki odchylenie od prawidłowej orientacji antyfazowej nie przekroczy pewnego progu. Oznacza to, że mózg nie interweniuje aktywnie w celu koordynowania względnej pozycji nóg, dopóki nie znajdą się one w pewnym stopniu poza prawidłowym położeniem. Sugerują, że brak konieczności ciągłego stosowania kontroli poprawia zarówno efektywność energetyczną, jak i zwrotność.
„Na podstawie naszego modelu widzimy, że mózg nie jest ani nadmiernie kontrolujący, co ograniczałoby naszą zdolność pokonywania przeszkód, a także zużywało dużo siły mózgowej, ani nadmiernie rozluźniony, co mogłoby prowadzić do przewrócenia się, gdy nogi stracą zbyt dużą koordynację” – mówi starszy autor, Shinya Aoi.
Konsekwencje dla urządzeń rehabilitacyjnych i ułatwiających poruszanie się
Badania te mogą być ważne, aby pomóc w poprawie chodzenia osób starszych lub osób, które doświadczyły neurologicznych skutków udaru lub choroby Parkinsona. Może to również prowadzić do opracowania pomocy fizycznych, które pomogą ludziom chodzić w bardziej naturalny sposób.
Odniesienie: „Koordynacja międzykończynowa nie jest ściśle kontrolowana podczas chodzenia” autorstwa Takahiro Arai, Kaiichiro Ota, Tetsuro Funato, Kazuo Tsuchiya, Toshio Aoyagi i Shinya Aoi, 20 września 2024 r., Biologia komunikacji.
DOI: 10.1038/s42003-024-06843-w
