MuskelsynergienBearbeiten
Nikolai Bernstein schlug die Existenz von Muskelsynergien als neuronale Strategie zur Vereinfachung der Kontrolle mehrerer Freiheitsgrade vor. Eine funktionelle Muskelsynergie ist definiert als ein Muster der Koaktivierung von Muskeln, die durch ein einziges neuronales Befehlssignal rekrutiert werden. Ein Muskel kann Teil mehrerer Muskelsynergien sein, und eine Synergie kann mehrere Muskeln aktivieren. Die derzeitige Methode zur Ermittlung von Muskelsynergien besteht in der Messung von EMG-Signalen (Elektromyographie) der an einer bestimmten Bewegung beteiligten Muskeln, so dass spezifische Muster der Muskelaktivierung ermittelt werden können. Die gefilterten EMG-Daten werden statistisch analysiert, um die Anzahl der Muskelsynergien zu ermitteln, die das ursprüngliche EMG am besten repräsentieren. Alternativ kann auch eine Kohärenzanalyse der EMG-Daten verwendet werden, um die Kopplung zwischen den Muskeln und die Häufigkeit des gemeinsamen Inputs zu bestimmen. Eine reduzierte Anzahl von Steuerelementen (Muskelsynergien) wird kombiniert, um ein Kontinuum der Muskelaktivierung für eine reibungslose motorische Kontrolle während verschiedener Aufgaben zu bilden. Diese Synergien wirken zusammen, um Bewegungen wie das Gehen oder die Gleichgewichtskontrolle zu ermöglichen. Die Richtung einer Bewegung wirkt sich auf die Art und Weise aus, wie die motorische Aufgabe ausgeführt wird (z. B. Vorwärts- oder Rückwärtsgehen, wobei jeweils unterschiedliche Kontraktionsniveaus in verschiedenen Muskeln verwendet werden). Forscher haben EMG-Signale bei Störungen in mehreren Richtungen gemessen, um Muskelsynergien zu ermitteln, die in allen Richtungen vorhanden sind.
Anfänglich dachte man, dass die Muskelsynergien die redundante Kontrolle einer begrenzten Anzahl von Freiheitsgraden beseitigen, indem sie die Bewegungen bestimmter Gelenke oder Muskeln einschränken (Flexions- und Extensionssynergien). Es ist jedoch umstritten, ob diese Muskelsynergien eine neuronale Strategie oder das Ergebnis kinematischer Zwänge sind. Kürzlich wurde der Begriff der sensorischen Synergie eingeführt, der die Annahme stützt, dass Synergien die neuronalen Strategien zur Handhabung sensorischer und motorischer Systeme sind.
Hypothese der unkontrollierten MannigfaltigkeitEdit
Eine neuere Hypothese schlägt vor, dass das zentrale Nervensystem die redundanten Freiheitsgrade nicht eliminiert, sondern sie alle nutzt, um eine flexible und stabile Ausführung motorischer Aufgaben zu gewährleisten. Das zentrale Nervensystem nutzt die Fülle der redundanten Systeme, anstatt sie, wie früher angenommen, einzuschränken. Die Uncontrolled Manifold (UCM)-Hypothese bietet eine Möglichkeit, die Muskel-Synergie zu quantifizieren. Diese Hypothese definiert „Synergie“ ein wenig anders als die oben genannte; eine Synergie stellt eine Organisation von Elementarvariablen (Freiheitsgraden) dar, die eine wichtige Leistungsvariable stabilisiert. Eine Elementarvariable ist die kleinste sinnvolle Variable, die verwendet werden kann, um ein System von Interesse auf einer ausgewählten Analyseebene zu beschreiben, und eine Leistungsvariable bezieht sich auf die potenziell wichtigen Variablen, die durch das System als Ganzes erzeugt werden. Bei einer mehrgelenkigen Greifaufgabe beispielsweise sind die Winkel und Positionen bestimmter Gelenke die Elementarvariablen und die Leistungsvariablen sind die Endpunktkoordinaten der Hand.
Diese Hypothese besagt, dass der Controller (das Gehirn) im Raum der Elementarvariablen (d. h. die Rotationen, die sich Schulter, Ellbogen und Handgelenk bei Armbewegungen teilen) agiert und im Raum der Mannigfaltigkeiten (d. h. Sätze von Winkelwerten, die einer Endposition entsprechen) auswählt. Diese Hypothese erkennt an, dass Variabilität in menschlichen Bewegungen immer vorhanden ist, und kategorisiert sie in zwei Arten: (1) schlechte Variabilität und (2) gute Variabilität. Eine schlechte Variabilität beeinflusst die wichtige Leistungsvariable und verursacht große Fehler im Endergebnis einer motorischen Aufgabe, während eine gute Variabilität die Leistungsaufgabe unverändert lässt und das erfolgreiche Ergebnis beibehält. Ein interessantes Beispiel für die gute Variabilität wurde bei den Bewegungen der Zunge beobachtet, die für die Sprachproduktion verantwortlich sind. Die Vorgabe der Steifigkeit des Zungenkörpers führt zu einer gewissen Variabilität (in Bezug auf die akustischen Parameter der Sprache, wie z. B. Formanten), die jedoch für die Qualität der Sprache nicht signifikant ist (zumindest in dem angemessenen Bereich der Steifigkeit). Eine der möglichen Erklärungen könnte sein, dass das Gehirn nur daran arbeitet, die schlechte Variabilität zu verringern, die das gewünschte Endergebnis behindert, und zwar durch Erhöhung der guten Variabilität im redundanten Bereich.