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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