Das Gehirn sucht nach dem besten Weg, den Körper zu bewegen

Zusammenfassung: Beim Erlernen der Koordination einer neuen Bewegung erkundet und bewertet das Nervensystem zunächst viele verschiedene koordinierte Muster. Mit zunehmender Erfahrung passt das Nervensystem dann spezifische Bewegungsaspekte an und verringert gleichzeitig die Mustervariabilität.

Quelle: Simon Fraser Universität

Forschungen, die untersuchen, wie sich der Körper an neue Bewegungen anpasst, werfen ein neues Licht darauf, wie das Nervensystem lernt, und könnten dazu beitragen, eine breite Palette von Anwendungen zu informieren, von individueller Rehabilitation und sportlichem Training bis hin zu tragbaren Systemen für das Gesundheitswesen.

Die Forschung wird diese Woche in der Zeitschrift veröffentlicht Aktuelle Biologie.

„Wie findet unser Gehirn heraus, wie wir unseren Körper am besten bewegen? Es stellt sich heraus, dass dies ein herausforderndes Problem für das Nervensystem sein kann, wenn man bedenkt, dass wir Hunderte von Muskeln haben, die hunderte Male pro Sekunde koordiniert werden können – mit mehr möglichen Koordinationsmustern zur Auswahl als Bewegungen auf einem Schachbrett“, sagt der leitende Autor der Studie und SFU-Professor Max Donelan, Direktor des Locomotion Lab der SFU.

„Wir erleben oft Veränderungen an unserem Körper und unserer Umwelt. Vielleicht genießen Sie einen langen Lauf an einem Samstagmorgen – Ihre Muskeln können mit zunehmender Länge des Laufs ermüden. Vielleicht entscheiden Sie sich im Urlaub dafür, am Strand zu laufen – der Sand kann im Vergleich zum Bürgersteig uneben und locker sein. Während wir vielleicht registrieren, dass diese Veränderungen aufgetreten sind, wissen wir vielleicht nicht, wie sich unser Körper an diese Veränderungen anpasst.“

Donelans Team von Neurowissenschaftlern, die motorisches Lernen untersuchen, arbeitete mit einem Team von Maschinenbauingenieuren der Stanford University zusammen, die Mensch-Roboter-Systeme entwerfen. Gemeinsam verfolgten sie die Laufeigenschaften von Studienteilnehmern, die Exoskelette trugen.

Ergebnisse

Die Forscher fanden heraus, dass das Nervensystem das Problem des Erlernens eines neuen Bewegungskoordinationsmusters löst, indem es zunächst viele verschiedene Koordinationsmuster erforscht und bewertet. Diese Exploration wurde als allgemeine Zunahme der Variabilität gemessen, die sich über die Ebenen der gesamten Bewegung, des Gelenks und des Muskels erstreckte.

Mit zunehmender Erfahrung passt das Nervensystem bestimmte Bewegungsaspekte an und verringert gleichzeitig die Variabilität entlang dieser Aspekte. Die Forscher fanden auch heraus, dass diese adaptiven Veränderungen die Bewegung insgesamt verbesserten und die Energiekosten des Gehens um etwa 25 Prozent senkten.

„Wir haben mithilfe von Exoskeletten, die das Gehen unterstützen, neue Kontexte geschaffen und dann untersucht, wie Menschen neue Bewegungen erforschen und optimalere lernen“, sagt Sabrina Abram, die Hauptautorin der Studie und ehemalige Doktorandin im Locomotion Lab.

Dies zeigt Menschen, die in einer Unschärfe gehen
Gemeinsam verfolgten sie die Laufeigenschaften von Studienteilnehmern, die Exoskelette trugen. Das Bild ist gemeinfrei

Die Teilnehmer erlebten in diesem Zusammenhang sechs Tage lang das Gehen, was jeweils etwa 30 Stunden Laborzeit und eine außergewöhnliche Menge an Daten zur Folge hatte, die von Co-Autorin Katherine Poggensee gesammelt wurden.

Während das Nervensystem von der ersten Suche unter vielen verschiedenen Koordinationsmustern zu profitieren scheint, profitiert es auch davon, diesen Suchraum im Laufe der Zeit zu reduzieren, fügt Abram hinzu. „Das liegt daran, dass die weitere Suche nach Koordinationsmustern, die bereits Energie reduzieren, wiederum die Energie erhöhen und das ohnehin schon herausfordernde Problem, den besten Weg zur Bewegung finden zu müssen, noch verstärken kann.“

Anwendungen

Zu verstehen, wie das Gehirn sucht und herausfindet, wie es den Körper am besten bewegt, ist wichtig für einen Läufer, der sich in neuem Terrain bewegt, sowie für einen Patienten, der sich von einer Wirbelsäulenverletzung oder einem Schlaganfall erholt.

Beispielsweise kann das Wissen, wann sich der Körper an ein neues Trainingsprogramm angepasst hat, Trainern dabei helfen, zu erkennen, an welchem ​​Punkt ein Athlet zum Erlernen neuer Fähigkeiten übergehen sollte. Dies kann auch beim Entwerfen tragbarer Systeme wie Exoskelette und Prothesen nützlich sein, indem das Lernen erleichtert und dann die optimalen Reaktionen der Menschen auf eine Reihe von Designs bewertet werden.

Anmerkungen Donelan: „Wir möchten uns alle so gut wie möglich bewegen. Bei gesunden Menschen scheint das Gehirn unter den richtigen Umständen dafür sorgen zu können. Für diejenigen, die sich von einer Verletzung erholen, könnten wir lernen, wie diese Verletzung am besten rehabilitiert werden kann, wenn wir besser verstehen, wie das Nervensystem lernt, sich anzupassen.“

Über diese Bewegung und Neuigkeiten aus der neurowissenschaftlichen Forschung

Autor: Marianne Meadahl
Quelle: Simon Fraser Universität
Kontakt: Marianne Meadahl – Simon-Fraser-Universität
Bild: Das Bild ist gemeinfrei

Originalforschung: Geschlossener Zugang.
Allgemeine Variabilität führt zu spezifischer Anpassung hin zu optimalen Bewegungsstrategien“ von Max Donelan et al. Aktuelle Biologie


Abstrakt

Siehe auch

Dies zeigt ein Diagramm aus der Studie

Allgemeine Variabilität führt zu spezifischer Anpassung hin zu optimalen Bewegungsstrategien

Höhepunkte

  • In neuen Kontexten erforscht das Nervensystem durch Steigerungen der Gangvariabilität
  • Mit Erfahrung passt das Nervensystem bestimmte Aspekte des Gangs selektiv an
  • Gleichzeitig reduziert das Nervensystem die Exploration entlang dieser Aspekte
  • Die adaptiven Veränderungen des Nervensystems reduzieren die Energiekosten des Gehens

Zusammenfassung

Unser Nervensystem kann als Reaktion auf Veränderungen unseres Körpers, unserer Aufgaben und Bewegungskontexte optimale Steuerungsstrategien erlernen. Zum Beispiel können Menschen lernen, ihre Steuerpolitik in Gehkontexten anzupassen, wo die energieoptimale Politik entlang von Variablen wie Schrittfrequenz oder Schrittweite verschoben wird. Es ist jedoch unklar, wie das Nervensystem bestimmt, wie es seine Kontrollpolitik anpasst.

Hier haben wir gefragt, wie menschliche Teilnehmer durch Variationen in ihrer Kontrollpolitik erkunden, um optimalere Strategien in neuen Kontexten zu identifizieren.

Wir haben neue Kontexte geschaffen, indem wir Exoskelette verwendet haben, die bei jedem Schritt unterstützende Drehmomente auf jeden Knöchel ausüben. Wir analysierten vier Variablen, die die Ebenen der gesamten Bewegung, des Gelenks und des Muskels umfassten: Schrittfrequenz, Knöchelwinkelbereich, gesamte Soleus-Aktivität und gesamte mediale Gastrocnemius-Aktivität.

Wir fanden heraus, dass bei all diesen analysierten Variablen die Variabilität bei der anfänglichen Exposition gegenüber neuen Kontexten zunahm und dann mit zunehmender Erfahrung abnahm. Dies führte zu adaptiven Änderungen in der Größe spezifischer Variablen, und diese Änderungen wurden mit reduzierten Energiekosten korreliert.

Die Zeitskalen, in denen adaptive Veränderungen fortschritten und die Variabilität abnahm, waren für einige Variablen schneller als für andere, was auf einen reduzierten Suchraum hindeutet, innerhalb dessen das Nervensystem seine Strategie weiter optimiert.

Diese kollektiven Ergebnisse unterstützen das Prinzip, dass die Erforschung durch allgemeine Variabilität zu einer spezifischen Anpassung an optimale Bewegungsrichtlinien führt.

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