Transcript به نام خدا
Flexible Sensorimotor Strategies using Muscle Synergies علي فلكي:ارائه كننده جناب دكتر توحيدخواه: استاد 1 مقدمه 2 سيستم حركتي انسان سينرج ي (تعريف) روشهاي استخراج سينرجي‌ها وجود عدم قطعيت در سيستم عصبي حركتي و نياز به مدل دروني كنترل بهينه پسخوري تئوري مانيفولد كنترل نشده كنترل حركت توسط سينرجي‌هاي عضالني سيستم حركتي انسان برخي ويژگي‌هاي سيستم حركتي انسان: يادگيري و تطابق درجات آزادي فراوان وجود عدم قطعيت در سيستم حس ي و حركتي تكرارپذيري و قابليت اطمينان دستيابي به اهداف حركتي تفاوت حركت ها در جزئيات وجود نويز در سيگنال حس ي و حركتي 3 مشكل درجات آزادي مثال براي حركت دست در صفحه افق متغيرهاي فضاي حالت 2 :متغير زواياي مفصل 2 ،متغير سرعت زاويه‌اي مفاصل و 6متغير براي فعاليت ماهيچه‌ها براي مدل نسبتا كاملي از دست (شامل مچ و انگشتان) اگر10 مفصل و 50ماهيچه درنظر گرفته شود ،تعداد متغيرهاي حالت به 70مي‌رسد. در اين فضاي كنترلي به‌دليل بعد باالي فضاي حالت ،با مشكل دردسر بعد زياد مواجه مي‌باشيم. 4 مشكل درجات آزادي (ادامه) روش هاي پيشنهاد شده براي حل مشكل درجات آزادي: استراتژي حذف كردن )et al. 1992 استفاده از روشهاي بر مبناي بهينه‌سازي ( Mussa- Ivaldi 1991, ( Bernstein 1967, Newell 1991, Vereijken )Rosenbaum et al. 1995, Todorov 2002,2004 سينرجي (در سطح نيروها ،واحدهاي موتوري و ماهيچه‌ها) ( Mussa-Ivaldi et al. 1994, Thoroughman & shadmehr 2000, ) Todorov 2002, Cheung 2007, Latash et al. 2010 5 بلوك‌هاي حركتي اوليه بلوك هاي حركتي بر مبناي ايده‌اي است كه خروجي حركتي ساختاري ماجوالر دارد .1ميدان‌هاي نيرو .1 .2 .3 تحريك الكتريكي نخاع منجر به فعاليت ماهيچه‌اي شده كه در نقطه خاص ي به تعادل مي‌رسد تحريك همان نقطه در وضعيت‌هاي مختلف عضو منجر به اندازه و جهت‌هاي انقباض ي متفاوتي مي‌شود كه به يك نقطه همگرا است حركت به صورت تركيب اين ميدان‌ها ايجاد مي‌شود Aو :Bميدان نيروي ناش ي از تحريك دو نقطه متفاوت از نخاع :Cميدان محاسبه شده براي تحزيك توام Aو B :Dميدان واقعي ناش ي از تحريك توام Aو B تعاريف متفاوت سينرجي 8 دو ماهيچه با عملكرد مشابه را ماهيچه‌هاي سينرجيك و ماهيچه‌هاي با عملكرد مخالف را آنتاگونيست گويند ()Kandel et al. 2000 ماهيچه‌هايي كه براي رفتاري خاص ،با يكديگر فعال مي‌شوند را تحت يك سينرجي دسته‌بندي مي‌كنند ( .)Smith et al. 1985در اين تعريف تنها از زمان شروع و پايان براي تعيين سينرجي‌ها استفاده مي‌شود. تعاريف متفاوت سينرجي (ادامه) استخراج سينرجي‌ها از داده‌هاي EMGچند كاناله با استفاده از PCA ( )Shemmell et al. 2005, Krishnamoorthy et al. 2003يا ICA ( .)Hyvarinen & Oja 2000, Hart &Giszter 2004در اين تعريف يك ماهيچه مي‌تواند متعلق به چندين سينرجي باشد. در اين تعريف سينرجي ،تعادلي ميان پروفايل فعاليت چندين ماهيچه است. 9 تعاريف متفاوت سينرجي (ادامه) مشابه تعريف قبل ،هر سينرجي نمايش تعادلي ميان پروفايل فعاليت ماهيچه‌ها است .فرق اين تعريف با تعريف قبل ،اين است كه فرض مي‌شود كه مولفه‌هاي سينرجي و نيز ضرايب فعاليت آنها مثبت هستندd’Avella 2000, Ting & Mcpherson 2005, Cheung ( . )et al. 2005 تعداد سينرجي‌هاي بدست آمده در دو تعريف اخير ،كمتر از تعداد بدست آمده از تعريف 2است (.)Krouchev et al. 2006 در تعريف‌هاي باال ،سينرجي‌ها سنكرون فرض شده اند كه مي‌توانند متغير با زمان نيز باشند)d’Avella et al. 2006( . 10 تعاريف متفاوت سينرجي (ادامه) 11 اين تعريف نيز مشابه با 2تعريف قبل است .سينرجي‌ها ،گروه‌هايي از املان‌ها هستند كه متغير عملكردي خاص ي را پايدار مي‌سازند (در اين حالت از تئوري )UCMاستفاده شده است كه در صفحات بعد توضيح داده شده استKrishnamoorthy et al. 2003, ( . ) Asaka et al. 2008, Marieke et al. 2011 سينرجي سينرجي ماهيچه‌اي :فعاليت منسجم ،زماني و مكاني مجموعه‌اي از ماهيچه‌ها در ارتباط با يكديگر به منظور پايدار ساختن متغير عملكردي خاص 12 پروفايل فعاليت ماهيچه‌اي از تركيب اين سينرجي‌ها (شيفت زماني و ميزان فعاليت) ايجاد مي‌شود سينرجي مزيت‌هاي استفاده از سينرجي در كنترل حركت: كاهش افزونگي به‌دليل محدود ساختن مجموعه الگوهاي ماهيچه‌اي قابل دسترس حذف الگوهاي ماهيچه‌اي خاص كه منجر به حركات ناهماهنگ مي‌شوند به دليل فعاليت گروهي ماهيچه‌ها ساده ساختن تعميم دهي كنترل حركت بااستفاده از اصالح ميزان و نحوه فعاليت مجموعه ثابتي از سينرجي‌ها نگاشتي مابين اهداف حركتي (در سطح انجام حركت) و دست ورات ي) حركتي (در سطح فرمان‌هاي مغز 13 روشهاي استخراج سينرجي‌ها از روشهاي.داده‌هاي عملي عمدتا بسيار پيچيده و با بعد باال هستند جداسازي ماتريس ي به منظور تعيين زيرفضاي اصلي مربوط به داده .واقعي مي‌توان استفاده كرد برخي روشهاي مطرح در استخراج سينرجي ها ICA (Bell & Sejnowski 1995, Kargo & Nitz 2003, Hart & Giszter 2004) PCA (Jolliffe 2002, Krishnamoorthy et al. 2003, Shemmell et al. 2005) Nonnegative Matrix Factorization (Lee & Seung 1999, Tresch et al. 2006, Cheung 2007, Cheung et al. 2009) UCM (Scholz & Schoner 1999, Asaka et al. 2008, Marieke et al. 2011) 14 نحوه تعيين سينرجي‌هاي ماهيچه‌اي 15 ثبت EMGاز تعدادي ماهيچه در طي انجام حركتي خاص تعيين مجموعه‌اي از سينرجي‌ها (بردارهاي پايه اصلي) با استفاده از روشهاي تجزيه ماتريس ي چون تجزيه غيرمنفي ماتريس يا آناليز م ولفه‌هاي مجزا ارزيابي :آيا مجموعه سينرجي‌ها مي‌توانند به خوبي ،پايگاه داده اوليه ( EMGهاي ثبت شده) را توصيف كنند؟ ارتباط مابين سينرجي‌هاي استخراج شده و متغيرهاي موردنظر سيستم عصبي حركتي الگوريتم تجزيه غيرمنفي ماتريس ()NMF سينرجي‌هاي به دست آمده از PCAو يا ICAحالتي جامع دارند يعني مولفه‌هاي غيرصفر براي بيشتر ماهيچه‌هاي درگير وجود دارند. با استفاده از روش ،NMFسينرجي‌هاي مشترك بين حركت‌هاي متفا وت و سينرجي‌هاي خاص هر حركت را مي‌توان همزمان تعيين نمود. (الگوريتم بروز رساني به صورت ضرب‌شونده) NMFبا داشتن ماتريس غيرمنفي ،Vماتريس‌هاي غيرمنفي Wو Hرا به دست مي‌آورد كه r( :كوچك‌تر از nو mانتخاب مي‌شود Vnm Wnr H rm 16 الگوريتم تجزيه غيرمنفي ماتريس (ادامه) 17 اين الگوريتم نياز به 2ورودي دارد .1تعداد سينرجي‌هاN : .2ماتريس سيگنال‌هاي كنترلي هدف الگوريتم يافتن مجموعه‌اي مناسب از سينرجي‌ها است كه در هر قدم Wو Cبه صورت ضربي بروز مي‌شوند اين روش هنگامي‌كه حركات از لحاظ مدت زمان اجرا بسيار متفا وت باشند ،قابل اعمال نمي‌باشد. انواع سينرجي :Synchronous synergies :Time varying synergies 18 تاخير زماني بين ماهيچه‌ها مجاز نمي‌باشد فعاليت تمامي ماهيچه‌هاي موجود در سينرجي در هنگام فعال شدن سينرجي بخش زماني :هر ماهيچه پروفايل زماني خاص خود را دارد .بين فعاليت ماهيچه‌ها در سينرجي ،تاخير وجود دارد بخش مكاني :توازن فعاليت ميان ماهيچه ها Synchronous muscle synergy Time-varying muscle synergy دو سينرجي ماهيچه‌اي وابسته به زمان ساختار سلسله مراتبي سينرجي‌ها 21 فرض :ساختار سلسله مراتبي براي سينرجي در سيستم عصبي حركتي مشابه با ساختار كنترل حركت سينرجي ،نگاشتي مابين اهداف حركتي و دستورات حركتي است كه موجب كنترل ساده ويژگي‌هاي بيومكانيكي خاص مي‌شود نمودار و ن آيا سينرجي‌هاي مشاهده شده تنها بازتابي از قيود آزمايش هستند و يا قيود نوروني ساده كننده مساله درجات آزادي؟ 22 كنترل بهينه پسخوري و سينرجي تعريف :پاسخي متفاوت به ورودي يكسان برحسب هدف با استفاده از تكنيك‌هاي كنترل بهينه ،عموما يك فضاي كنترلي با بعد كمتر تعيين مي‌شود كه منعكس كننده ديناميك مرتبط با عمل است. اين فضاي كنترلي را مي‌توان توسط سينرجي‌هاي ماهيچه‌اي تخمين زد. Todorovپيشنهاد كرده است ( )2002كه تنها انحرافات متضاد با اهداف حركتي ،اصالح شوند. Stochastic Optimal Feedback Control با اين روش اجازه تغييرات در ابعاد اضافه داده شده است اصالحات هوشمند 23 ايده تعامل در سينرجي توليد نيرويي ثابت توسط دو انگشت D1: no co-variation D2: stablizing synergies D3: Destablizing 24 ايده تعامل در سينرجي 25 نكاتي براي بهبود نظريه سينرجي 26 نامربوط در كنترل بهينه پسخوري ،هدف تعيين بعدهاي مربوط و به عمل به منظور كاهش بعد و امكان كنترل حركت است افزونگي منجر به انعطاف پذيري مي‌شود .استفاده از درجات آ زادي توسط سيستم عصبي مركزي به منظور بهتر كردن انجام عمل استفاده از تئوري مانيفولد كنترل نشده براي تعيين بعدهاي مرتبط با حركت مانيفولد كنترل نشده (حداقل دخالت) 27 در اين تئوري ،روش ي ارائه مي‌شود كه به توسط آن مي‌توان درجات آزادي كنترل شده و كنترل نشده را تست نمود .در اين تئوري كنترل معادل با پايدار ساختن در نظر گرفته مي‌شود. اين تئوري معادل با اين سوال است كه در چه فضايي ،سيستم عصبي حركات چند مفصلي رانمايش داده و كنترل (برنامه ريزي حركت) مي‌كند (.)Scholzman & Schoner 1999 تمايل سيستم عصبي مبني بر كنترل پارامترهاي مربوط به حركت در سطح ماهيچه‌اي ()Francisco 2009 مانيفولد كنترل نشده (ادامه) 28 به صورت رياضياتي مي‌توان پايداري يك حالت خاص را، تغييرپذيري متغير مربوط به آن حالت در زمان در نظر گرفت. اگر نقطه ثابت در زمان متغير باشد ،تخميني از تغييرپذيري را مي‌توان توسط چندين مرتبه تكرار حركت و سپس آناليز سيستم در نقاط مشابه ،بدست آورد. تغييرپذيري ،نمادي از كنترل كارا در نظر گرفته مي‌شود و نه نمادي از ضعف كنترل در اين رويكرد ،هدف سيستم عصبي مركزي ،تعيين درجات مرتبط با عمل است و نه كاهش درجات آزادي. به اين ترتيب تفاوت حركات در جزئيات ديده خواهد شد مانيفولد كنترل نشده (ادامه) 29 يك فرضيه درباره آنكه كدام متغيرها ،كنترل مي‌شوند را تشكيل داده و به صورت رياضياتي مي‌نويسيم. فضاي ممكن به دو زيرفضاي عمود بر هم تقسيم مي‌شود .يكي از اين زيرفضاها ،شامل تمامي تركيبات ممكن از متغيرها است كه منجر به مقادير يكسان متغيرهاي كنترلي مي‌شود. تغييرپذيري متغيرها در دو زيرفضا تخمين زده مي‌شود .براي د رستي فرضيه بايستي تغييرپذيري در زيرفضاي كنترل نشده بيشتر باشد. سينرجي شامل متغيرهاي اصلي است كه كنترل مي‌شوند. وجود عدم قطعيت در سيستم عصبي عضالني نويز ارسال دستورات حس ي حركتي ،تمايل ماهيچه ها در توليد نويز دقت كمتر در اجراي حركات سريع تر 30 نويز در سطح سيگنال‌هاي نوروني تبديل به عدم قطعيت در سطوح باالتر شناختي مي‌شود. سيستم عصبي براي مقابله با اغتشاشات خارجي و عدم قطعيت‌هاي موجود در سيستم ،از افزونگي استفاده مي‌كند. با استفاده از سينرجي‌هاي حركتي سعي مي‌شود تا عالوه بر كاهش بعد ،مقاوم بودن سيستم نيز تا حد امكان حفظ شود. مدل دروني 31 فرض :حالت سيستم از طريق سنسورهاي تاخيردار و نويزي بدست مي آيد نياز به مدل دروني از حركت و پيش‌بيني تخمين حالت از روي فيدبك ها و دستورات حركتي ارسالي واريانس نقطه نهايي هنگامي حداقل است كه تراژكتوري تا حد امكان دقيق و با مصرف انرژي كمتري صورت گيرد (با فرض وجود نويز ضربي در سيستم عصبي حركتي) هدايت يادگيري در سيستم حركتي توسط خطا و اندازه آن مدل دروني (ادامه) استفاده CNSاز افزونگي ماهيچه ها به منظور ماكزيمم ساختن كارايي در حضور SDN اين قواعد بايد يادگرفته شوند و ديگر به صورت ساده ( مدوالسيون سفتي) نيستند -فعاليت همزمان ماهيچه‌ها و سينرجي‌هاي ماهيچه‌اي ارتباط بين يادگيري مدل دروني و سينرجي چگونه است؟ 32 نقش فيدبك حس ي در سينرجي مرجع اصلي : Cheung et al. 2007 بررس ي EMGبر روي 13ماهيچه پاهاي عقبي وزغ عمدتا سينرجي‌ها به صورت مركزي سازماندهي شده‌اند تفاوت الگوي فعاليت چه در دامنه و چه در زمان بيانگر نقش جريان سنسوري در تنظيم فعاليت سينرجي‌ها است نقش فيدبك در نحوه بكارگيري و مدوالسيون سينرجي‌ها نقش فيدبك در فعال ساختن سينرجي‌هاي وابسته به عمل 33 نقش فيدبك حس ي در سينرجي (ادامه) :A1فعال شدن توسط دستورات نخاعي يا فرانخاعي ،نقش فيدبك در مدوله ساختن فعاليت :A2قابل دسترس ي توسط فيدبك ،مسئوليت اصالح انحرافات عضو :A3تنظيم هر عضله به صورت مجزا توسط سيگنال آوران :A4سازماندهي مجدد شبكه‌هاي بين نوروني در اثر فيدبك 34 نقش فيدبك حس ي در سينرجي (ادامه) 35 EMGوزغ سالم تغييرپذيري بيشتري دارد كه به معناي سا زماندهي سينرجي‌ها به صورت مركزي مي‌باشد امر نقش فيدبك بين حيوانات مختلف ،متفاوت است كه اين مي‌تواند به معناي تاثير تجارب قبلي در تعيين ميزان و نح وه تاثير فيدبك باشد تاكنون چندان به اين مساله پرداخته نشده است ويژگي‌هاي سينرجي ويژگي هايي دائمي در حركت كه مشخصه اصلي آن كاهش بعد است با مشاهده تجربي الگوي فعاليت ماهيچه‌اي و يا موقعيت عضو :الگوهاي مشاهده شده تنها زيرفضاي كوچكي از فضاي چندبعدي ممكن را دربر مي گيرند. به طور مثال در كار ( Simpkin 2009گرفتن اجسام) :بعد موثر در حركت 15و بعد بدست آمده توسط سينرجي حدود 8گزارش شده است 36 ويژگي‌هاي سينرجي (ادامه) 37 افزايش تعداد سينرجي ها با پيچيده‌تر شدن عمل بيشتر سينرجي‌ها ثابت و مستقل از عمل هستند برخي سينرجي‌ها وابسته به عملي خاص هستند نقش فيدبك در نحوه بكارگيري و مدوالسيون سينرجي‌ها نقش فيدبك در فعال ساختن سينرجي‌هاي وابسته به عمل توليد حركت‌هاي بهينه جديد از طريق يادگيري تركيبات جديد بين سينرجي‌ها ويژگي‌هاي سينرجي ( اغتشاش حركتي) 38 با اعمال اغتشاش به عضو ،الگوي فعاليت بسياري از سينرجي‌ها تغيير مي‌كند اما تركيب سينرجي‌ها نشان مي‌دهد كه سينرجي‌هاي استخراج شده تحت شرايط متفاوت ديناميك محيطي ،مقاوم هستند .اين مساله مي‌تواند تاييدي باشند كه اين سينرجي‌ها ،نمايش ي از ساختارهاي پايه كنترل شونده توسط سيستم عصبي مركزي هستند. ويژگي‌هاي سينرجي (تمرين) اثر تمرين بر روي سينرجي‌ها ()Asaka et al. 2008 كاهش ميزان Co-contractionسينرجي‌ها ظهور سينرجي‌هاي تركيبي تمرين مي‌تواند منجر به تنظيم سينرجي‌هاي تركيبي شود و يا اينكه الگوي فعاليت سينرجي‌ها را تغيير دهد. هدف پايدار ساختن هرچه بيشتر حركت يا هدف مورد نظر است. 39 شماي عمل كنترل توسط سينرجي 40 S , S , Sسينرجي‌هاي ماهيچه‌اي ،I .نگاشتي براي توليد دستور‌هاي حركتي (مشابه با محاسبات ديناميك معكوس) .شبكه ،Fپيش‌بيني توالي سنسوري ناش ي از دستورات حركتي. 3 2 1 با تشكر