control motor analisis del movimiento 2012

ANGELO BARTSCH JIMENEZ

KINESIÓLOGO, LIC. EN KINESIOLOGÍA

CONTROL MOTOR

TEORIAS DE CONTROL, MOVIMIENTO VOLUNTARIO Y SISTEMAS DE CONTROL

“¿Cómo se controla el movimiento humano?”

CRISTIAN CUADRA GONZALEZ

KINESIÓLOGO, LIC. EN KINESIOLOGÍA

¿Cómo el sistema controla el movimiento humano?

Qué variables ocupa el SNC para controlar el movimiento

Cómo estas variables interactúan con los reflejos

Cómo las variables se traducen en patrones de movimiento

Control Motor: Programas y Modelos Internos

• Posición Inicial y Final

• Coordenadas Cartesianas

• Angulos Articulares??? – Cinemática Inversa

• Trayectoria Desde I a F ???

• Redundancia

• Torques Articulares en un patrón

• Dinámica Inversa

• Acción Muscular

• Potenciales de Acción

• Señales Centrales

• Señales Periféricas

Paso 1

Paso 2

Paso 3

Paso 4

Paso 5

Paso 6

MODELO INVERSO

Latash (2008). Synergies. Oxford University Press. Pag. 66- 67

…EN CUALQUIER NIVEL DE ANÁLISIS, EL SISTEMA TIENE MAS ELEMENTOS DE LOS NECESARIOS

PROBLEMA DE LA REDUNDANCIA MOTORA O PROBLEMA DE

BERNSTEIN

Problema de Bernstein a Nivel Celular

Na 1 + Na 2

+ Na 3 + Na 4

+

Na 5 + Na 6

+ Na 7 + Na 8

+

W h i c h i o n s s h o u l d c r o s s t h e m e m b r a n e ?

NIVEL CELULAR IONES

NIVEL UNIDAD MOTORA

NIVEL UNIARTICULAR

NIVEL MULTIARTICULAR

PROBLEMA DE LA REDUNDANCIA MOTORA O PROBLEMA DE

BERNSTEIN NIVEL CELULAR

IONES

NIVEL UNIDAD MOTORA

NIVEL UNIARTICULAR

NIVEL MULTIARTICULAR

Bernstein's Problem at the Single Muscle Level

MU-1 MU-2 MU-3

F = f1*M1 + f2*M2 + f3*M3

Henneman Principle

PROBLEMA DE LA REDUNDANCIA MOTORA O PROBLEMA DE

BERNSTEIN NIVEL CELULAR

IONES

NIVEL UNIDAD MOTORA

NIVEL UNIARTICULAR

NIVEL MULTIARTICULAR

Bernstein's Problem at the Single Joint Level

The Hypothetical Controller

1 23 4

PROBLEMA DE LA REDUNDANCIA MOTORA O PROBLEMA DE

BERNSTEIN NIVEL CELULAR

IONES

NIVEL UNIDAD MOTORA

NIVEL UNIARTICULAR

NIVEL MULTIARTICULAR

COMBINACIONES SON INFINITAS

PROBLEMA DE LA REDUNDANCIA MOTORA O PROBLEMA DE

BERNSTEIN

EN CUALQUIER NIVEL DE ANÁLISIS EL

SISTEMA TIENE MAS ELEMENTOS DE LOS

NECESARIOS

ELIMINAR LOS GRADOS DE LIBERTAD

REDUNDANTES

ENCONTRAR UNA ÚNICA SOLUCIÓN

PARA EL PROBELMA

USAR TODOS LOS GRADOS DE LIBERTAD

DISPONIBLES, FACILITA FAMILIAS DE

SOLUCIONES ADECUADAS

PROBLEMA DE LA REDUNDANCIA MOTORA O PROBLEMA DE

BERNSTEIN

¿QUÉ HARA EL GATO?

OPTIMIZACION EN BASE AL COSTO

• Mínimo tiempo, distancia, velocidad. Cinemático:

• Mínimo cambio de torque Cinético:

• Mínimo Trabajo Mecánico:

• Mínimo gasto energético Fisiológico:

• Mínimo esfuerzo, mas cómodo Psicológico:

…ahora en este contexto, vamos a hablar del rol de los distintos

elementos que permiten el movimiento

PROPIOCEPTORES: HUSO MUSCULAR

Ia II

an extrafusal fiber

an extrafusal fiber

BF dyn

BF st CF

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 41.

Respuesta fibra Ia de huso muscular ante la elongación de la fibra muscular. La fibra responde de acuerdo a la elongación y a la velocidad de elongación.

Length

Time

action potentials

time

ƒ(Ia)

ƒ(L)

ƒ(V)

ƒ(V)

PROPIOCEPTORES: HUSO MUSCULAR, Fibras Ia

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 42.

Respuesta de una terminación secundaria del huso ante la elongación del musculo. La respuesta no depende de la velocidad

Length

Time

action

potentials

PROPIOCEPTORES: HUSO MUSCULAR, Fibras II

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 42.

PROPIOCEPTORES

Observar el comportamiento del huso

muscular ante estimulación electrica de

la MTN-alfa cuando el músculo se acorta. Fibras Ia y II disminuyen su Fc de

descarga

PROPIOCEPTORES

Observar el comportamiento del huso muscular ante estimulación electrica

de la MTN-alfa y gamma. La MTN gamma cambia la sensibilidad de las

Fibras Ia y II.

PROPIOCEPTORES ORGANO TENDINOSO DE GOLGI (OTG),

Fibra Ib

Muscle

Force

Time

action

potentials

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 44.

Purves, D. et al. (2004). Neuroscience. Tercera edicion. Sinauer Associates, Incorporated Pag 383

PROPIOCEPTORES Receptores Articulares

Angle

Frequency

of Firing

anatomical limits

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 45.

Los RA son ineficientes en rangos intermedios de

movimiento. A diferencia de los extremos

articulares.

PROPIOCEPTORES ¿Qué pasa si se elonga pasivamente el

músculo?

Purves, D. et al. (2004). Neuroscience. Tercera edicion. Sinauer Associates, Incorporated.

PROPIOCEPTORES ¿Qué pasa si se realiza contracción

concéntrica?

Purves, D. et al. (2004). Neuroscience. Tercera edicion. Sinauer Associates, Incorporated.

KINESTESIA

• ¿Quiénes son los que informan de la posición de un segemento?

• ¿Cuál es la contribución del huso muscular fibras Ia y II?

• ¿Cuál es la contribución del OTG (Fibras IB)?

• ¿La relación músculo tendón es invariable durante el recorrido de un movimiento?

• ¿El brazo de palanca es el mismo durante todo el recorrido para poder estimar la fuerza?

KINESTESIA Longitud muscular y la estimacion de

posición articular

En estas imagenes se aprecia la misma longitud muscular en distintos rangos. El estado de activación del músculo a distintos rangos permite tener valores constantes de longitud de fibra. Lo que varia en ambas

condiciones es la longitud del tendón

KINESTESIA Estimación del torque: El músculo y los

diversos brazos de palanca con ROM

A medida que varía el rango de movimiento varía el brazo de palanca de los músculos , por lo tanto, la fuerza no es la misma durante todo el

recorrido del movimiento. Así la fuerza muscular por si sola no puede estimar el torque que ejerce el músculo.

KINESTESIA RA, la “zona de nadie” y la Isometría

En el rango anatómico 1 y 2 la frecuencia de descarga es la misma, por lo que el RA no permite con certeza determinar posición.

Angle

Frequency of Firing

anatomical limits

1 2

1

Los RA aumentan su Fc de descarga en isometría.

Muscle

Force

Time

action

potentials

ROM

Unidad funcional del sistema neuromuscular

Motoneurona junto a las fibras musculares que inerva

UNIDAD MOTORA

UNIDAD MOTORA

PATRÓN DE RECLUTAMIENTO FRECUENCIA DE DESCARGA

Purves, D. et al. (2004). Neuroscience. Tercera edicion. Sinauer Associates, Incorporated.

Purves, D. et al. (2004). Neuroscience. Tercera edicion. Sinauer Associates, Incorporated.

• CARACTERÍSTICAS DE MOTONEURONAS:

– TAMAÑO “PRINCIPIO DE HENNEMAN”

• UM PEQUEÑAS MENOR REOBASE

• MENOR DURACIÓN REFRACTARIA

UNIDAD MOTORA

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 35.

EL MÚSCULO MODELO MUSCULAR DE HILL

Force

F B

K 2

K 1

F= FUERZA B = DAMPING

K1 AND K2= ELEMENTOS ELÁSTICOS EN PARALELO

Y EN SERIE

Knudson D. (2003) Fundamentals of biomechanics. Pag. 86-88. Editorial kluwer academic.

EL MÚSCULO RETARDO ELECTROMECÁNICO

A NIVEL DE FIBRA

Rack, PM., Westbury, DR (1969) The effects of length and stimulus rate on tension in the isometric cat

soleus muscle. Journal of Physiology. 204, 443-460.

EL MÚSCULO Experimento

REFLEJOS MUSCULARES Rol en el Movimiento Humano

afferent

nerve

efferent

nerve

receptor muscle

central

processing

unit

Componentes de un reflejo. Receptor, vía

aferente, centro elaborador, via eferente y

un ejecutor.

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 74.

REFLEJOS MUSCULARES Reflejo Monosináptico: R. Estiramiento

Latash, ML. (2008) Synergies. Oxford University Press. Pag. 92

REFLEJOS MUSCULARES Reflejo H y Respuesta M

afferents nerve

efferent nerve

muscle spindle muscle

central

processing

unit

Stim

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 75.

REFLEJOS MUSCULARES Reflejo H y Respuesta M

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 76.

El incremento de la amplitud de la estimulación incrementa la respuesta M y disminuye el reflejo H.

St

EMG

time

H-reflex

M-response

St

EMG

time

H-reflex M-response

St

EMG

time

M-response

REFLEJOS MUSCULARES Percusión del Tendón

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 78.

EMG

time

T-reflex

Tap

tap

tendon

muscle

spindle

a -motoneuron

REFLEJOS MUSCULARES Efecto de la activación voluntaria en

reflejos monosinápticos

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 79.

Ia-afferents efferent nerve

muscle spindle muscle

a -motoneuron

voluntary activation

time St

H-reflex M-response

EMG

St

without voluntary activation

with voluntary activation

REFLEJOS MUSCULARES

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 79.

a -MN

g -MN

Renshaw cell

a -MN

a

muscle

a -MN

Renshaw cell

a -MN

antagonist muscle

Ia-IN

Ia-afferent

T-shaped axon

ganglion

antagonist pool

agonist pool

agonist muscle

INHIBICIÓN RECURRENTE

INHIBICIÓN RECÍPROCA

REFLEJOS MUSCULARES OTG

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 79.

a -MN

a -MN

antagonist muscle

Ib-IN

Ib-afferent

ganglion

antagonist pool

agonist pool

agonist muscle

Golgi TO

presynaptic membrane

postsynaptic membrane

synaptic cleft

presynaptic inhibition

REFLEJOS MUSCULARES OTG

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 79.

a -MN

a -MN

antagonist muscle

Ib-IN

Ib-afferent

ganglion

antagonist pool

agonist pool

agonist muscle

Golgi TO

presynaptic membrane

postsynaptic membrane

synaptic cleft

presynaptic inhibition

REFLEJOS MUSCULARES Reflejo Fásico y Tónico de Estiramiento

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 84 y

86.

REFLEJOS MUSCULARES Reflejo Tónico Vibratorio

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 87.

Force

time

vibration vibration

EMG H-reflex

M-response

time

St

a -MNs

St vibration- induced afferent inflow

presynaptic inhibition

Ia

RESPUESTAS PRE-PROGRAMADAS

Latash, ML. (2008) Synergies. Oxford University Press. Pag. 94

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 87.

RESPUESTAS PRE-PROGRAMADAS Ejemplos

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 87.

SISTEMA UNIARTICULAR

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 87.

SISTEMA UNIARTICULAR

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 87.

T1 T2

T3

Tvel

Tacc

Tang

BERNSTEIN Y SISTEMA DE CONTROL MOTOR

• “Black Box” (Centro de Comando Central)

– Controla músculos y grados de libertad

El sistema de control debe presentar niveles jerárquicos

Feedback para modular comandos descendentes

Los retados del feedback deben mezclarse con circuitos abiertos.

El exceso de grados de libertad lleva a un sobreflujo de ambigüedad causada por la redundancia de los grados de

libertad (DOF)

…Entonces la pregunta es:

¿CÓMO DESCUBRIR LAS CARACTERÍSTICAS DEL CONTROLADOR SI LO ÚNICO MEDIBLE ES EL

OUTPUT?

SISTEMAS DE CONTROL Feedforward y Feedback

CONTROLADOR

Variables de Control

EJECUCIÓN

INFORMACION QUE PUEDE O NO SER USADA

CONTROLADOR VARIABLES CONTROL

EJECUCIÓN

Se realizan con comandos

centrales fijos

Ideales para mecanismos

donde prima la velocidad del movimiento

Prescinde del

feedback.

CIRCUITO ABIERTO

SISTEMAS DE CONTROL Feedforward

COMPARADOR

VARIABLES CONTROL

EJECUCIÓN OUTPUT

SENSOR

Ideales para mecanismos donde prima la precisión del movimiento

Aparece el “Comparador”

El controlador no se contacta con feedback

CONTROLADOR

Com

ando

GANANCIA

RETRASO

DEPENDE DE LA INTERACCIÓN DE

CIRCUITO CERRADO

SISTEMAS DE CONTROL Feedback

Positivo

Amplifica la desviación de la

variable periférica.

Negativo

Tiende a mantener el valor del output de la variable control.

SISTEMAS DE CONTROL Feedback

SISTEMAS DE CONTROL Feedback

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 93.

SISTEMAS DE CONTROL

Hipótesis Servo Control (Merton, 1973)

Modelo α (Bizzi 1976)

Hipótesis del Punto de Equilibrio (Feldman 1966)

Hipótesis de Equilibrio- Trayectoria (Latash, 1998)

CONTROLADOR

COMPARADOR

Com

ando

γ Motoneurona

α

MTN

SISTEMAS DE CONTROL Hipótesis de Servo Control

• Problemas:

– Plantea que el movimiento comienza con MTN-γ

• Coactivacion “α” y “γ”

– Ganancia es considerada máxima

• Situaciones experimentales demuestran que RTE no tiene ganancia infinita

• El modelo permite mínimos cambios de longitud muscular

• Plantea que la longitud es independiente de la carga externa, sino que es dada centralmente

SISTEMAS DE CONTROL Hipótesis de Servo Control

SISTEMAS DE CONTROL Modelo α

• Plantea que los reflejos tienen mínima incidencia en el movimiento

– Problema: Reflejo de descarga anula la actividad eléctrica del músculo.

Latash, ML. (2008) Neurophysiological Basis of Movement. 2°edición. Editorial Human Kinetics. Pag 97.

Fuerza Muscular

Longitud Muscular

Característica

Invariable

REFLEJO TÓNICO DE

ESTIRAMIENTO

SISTEMAS DE CONTROL Modelo λ, Hipótesis del Punto de Equilibrio

SISTEMAS DE CONTROL Modelo λ, Hipótesis del Punto de Equilibrio

λ: Umbral del RTE EP: Longitud a la cual se logra el

Punto de Equilibrio El músculo siempre estará activo

hacia la derecha de la curva

SISTEMAS DE CONTROL Modelo λ, Hipótesis del Punto de Equilibrio

Mecanismo por el cual actua el RTE

SISTEMAS DE CONTROL Modelo λ, Hipótesis del Punto de Equilibrio

Característica Invariable (IC): Una persona mantiene una carga a una longitud L1. Al descargar el músculo se ve la secuencia de EP (circulos blancos)

Luego se repite el mismo experimento a una longitud distinta y se aprecia el mismo comportamiento

SISTEMAS DE CONTROL Modelo λ, Hipótesis del Punto de Equilibrio

En este grafico se muestra un cambio en λ lo que lleva a un cambio de la CI, es decir, el músculo cambia de una longitud L1 a L2 (EP 0 a EP1). Ahora si el músculo es sometido a una carga isométrica, va del EP0 al EP2. En ambas

condiciones se aprecia el mismo cambio de λ.

SISTEMAS DE CONTROL Modelo λ, Hipótesis del Punto de Equilibrio

Model Articular

λfl

λ ext

Flexion Extension

Fle

xio

n

Exte

nsio

n

Torque

SNC

Trayectoria Virtual

Actor Final

SISTEMAS DE CONTROL Hipótesis Equilibrio Trayectoria

SISTEMAS DE CONTROL Hipótesis Equilibrio Trayectoria