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ARTIGO DE PERSPECTIVA publicado: 29 de abril de 2013 doi: 10.3389/fncom.2013.00051 Departamento de Cérebro e Ciências Cognitivas, McGovern Institute for Brain Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, EUA Florentin Wörgötter, Universidade Editado por: Fronteiras em Neurociência Computacional Revisados pela: *Correspondência: Emilio Bizzi e Vincent CK Cheung, Departamento de Cérebro e Ciências Cognitivas, McGovern Institute for Brain Research, Massachusetts Institute of Technology, 46-6189, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, EUA. e- mail: ebizzi@mit.edu; ckcheung@mit.edu Palavras-chave: motor primitivo, interneurônio espinhal, módulo motor, fatoração matricial não negativa, córtex motor Martin Giese, Clínica Universitária Tuebingen / Hertie Institute, Alemanha abril de 2013 | Volume 7 | Artigo 51 | 1 Tübingen, Alemanha Göttingen, Alemanha www.frontiersin.org Martin Giese, Clínica Universitária Quando o sistema nervoso central (SNC) gera movimento voluntário, muitos músculos, cada um compreendendo milhares de unidades motoras, são simultaneamente ativados e coordenados. Computacionalmente, esta é uma tarefa assustadora, e pesquisadores desde Bernstein (1967) têm se esforçado para entender se e como a carga do SNC é reduzida a um conjunto muito menor de variáveis. Nos últimos anos, nós e nossos colaboradores buscamos evidências fisiológicas de estratégias simplificadoras explorando se o sistema motor faz uso de elementos discretos de baixo nível, ou módulos motores, para construir um grande conjunto de movimentos. Nesta breve comunicação, argumentamos que há evidências convincentes de que os elementos discretos para tal simplificação são as sinergias musculares, entidades neurofisiológicas cuja combinação é orquestrada pelas áreas corticais motoras e os sistemas aferentes. A maioria dos movimentos voluntários é o resultado da ativação simultânea de algumas sinergias musculares por vias descendentes ou aferentes que produzem um padrão eletromiográfico complexo (EMG) nos músculos do membro. Para recuperar as estruturas das sinergias musculares da variabilidade das ativações musculares, nós e outros utilizamos um procedimento computacional, o algoritmo de fatoração de matriz não negativa (NMF), originalmente proposto por Lee e Seung (1999, 2001). As sinergias identificadas por NMF são vetores não negativos invariantes no tempo cuja combinação linear é encontrada, através de uma regra de atualização iterativa, para minimizar o erro de EMG CODIFICAÇÃO EXPLÍCITA DE SINERGIAS MUSCULARES NO SISTEMA NERVOSO O argumento central para a origem neural dos módulos motores baseia-se em estudos da medula espinhal em várias espécies vertebrais, realizados usando uma variedade de técnicas, como microestimulação (Bizzi et al., 1991; Giszter et al. al., 1993), toforese iônica N-metil-D-aspartato (NMDA) (Saltiel et al., 2001, 2005), e estimulação cutânea (Tresch et al., 1999). Com essas abordagens, nós e outros fomos capazes de fornecer a base experimental para uma organização modular do circuito da medula espinhal no sapo (com os estudos citados acima), rato (Tresch e Bizzi, 1999) e gato (Lemay e Grill , 2004). Um módulo espinhal é uma unidade funcional de interneurônios espinhais que gera uma saída motora específica impondo um padrão específico de ativação muscular. A saída de um módulo ativado pode ser caracterizada como um campo de força, ou a coleção de forças musculares isométricas geradas na extremidade do membro em diferentes locais do espaço de trabalho. Na rã espinal e no rato, diferentes grupos de campos de força foram ativados à medida que o eletrodo de estimulação foi movido para diferentes loci da medula espinhal lombar nas direções rostro-caudal e médio-lateral. Seguindo a descrição inicial do campo de força, Mussa-Ivaldi e outros descobriram que a co-estimulação de dois sítios espinhais levava à soma vetorial das forças geradas em cada sítio separadamente. Quando o padrão de forças resultantes da co-estimulação foi comparado com aqueles computados pela soma linear dos dois campos individuais, os campos de co-estimulação e os campos de soma foram equivalentes em 83% dos casos (Mussa-Ivaldi et al. ai., 1994). Resultados semelhantes também foram obtidos por Hogan e colaboradores (Lemay et al., 2001), Tresch e Bizzi (1999) e Kargo e Giszter (2000). A soma vetorial de campos de força levou à hipótese de que a geração de movimento e postura pode ser baseada na combinação de algumas primitivas motoras discretas. Um estudo de simulação subsequente mostrou que as combinações de músculos de membros posteriores de sapos que produziam campos de força estáveis eram semelhantes aos grupos musculares observados como co-ativados em estudos de microestimulação espinhal (Loeb et al., 2000). Esses resultados juntos argumentam que os campos de força derivados experimentalmente são gerados por grupos discretos de músculos ativados como unidades individuais, ou sinergias musculares, de cuja combinação linear um vasto repertório de movimento e postura poderia ser gerado. As sinergias musculares são estruturas coordenativas neurais que funcionam para aliviar a carga computacional associada ao controle do movimento e da postura. Neste comentário, abordamos duas questões críticas: a codificação explícita das sinergias musculares no sistema nervoso e como as sinergias musculares simplificam a produção de movimento. Argumentamos que as sinergias musculares compartilhadas e específicas da tarefa são entidades neurofisiológicas cuja combinação, orquestrada pelas áreas corticais motoras e pelos sistemas aferentes, facilita o controle motor e o aprendizado motor. A origem neural das sinergias musculares Emilio Bizzi* e Vincent CK Cheung* Machine Translated by Google http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/editorialboard http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/editorialboard http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/editorialboard http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/ mailto:ebizzi@mit.edu http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/archive http://www.frontiersin.org/ http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/10.3389/fncom.2013.00051/abstract http://www.frontiersin.org/Community/WhosWhoActivity.aspx?sname=EmilioBizzi&UID=6971 http://www.frontiersin.org/Community/WhosWhoActivity.aspx?sname=Vincent_CKCheung&UID=67663 USER Destacar USER Destacar USER Destacar AS SINERGIAS MUSCULARES TEM ORIGEM NÃO NEURAL? Bizzi e Cheung Origem neural das sinergias musculares Fronteiras em Neurociência Computacional presente ao nascimento. As ativações temporais precisas de todos os primitivos e Ting, 2010). Assim, nosso argumento de que as sinergias musculares podem comportamentos naturais de alcançar e agarrar (Overduin et al., 2012). este O SNC consegue envolver tanto o córtex quanto os interneurônios espinhais desde o estágio inicial da preparação do movimento (Fetz et al., (Gentner e Classen, 2006; Rathelot e Strick,2006). Como ativações de sinergias musculares identificadas por algoritmos computacionais são expressões de atividades neurais. No sapo, descarregando as sinergias musculares extraídas do braço afetado pelo acidente vascular cerebral foram as sinergias musculares extraídas de EMGs usando algoritmos de fatoração podem ter uma origem não neural. Por meio de experimentos cadavéricos e modelos computacionais, esses autores mostraram que colunas de dominância no córtex visual em desenvolvimento (Hubel e análise (Bell e Sejnowski, 1995) e análise fatorial independente (Attias, 1999). Para todos esses algoritmos, porque cada sinergia e outros, 2011). No macaco, a microestimulação intracortical de um propriedades do membro são totalmente incorporadas à arquitetura apresentado (Clark et al., 2010). É claro que é perfeitamente possível as sinergias musculares provavelmente não são um artefato dependente da Valero-Cuevas sob uma luz diferente. outras propriedades biomecânicas do membro. adição progressiva e ajuste fino de primitivos motores poderia planejamento motor, são questões que merecem ser sistematicamente seleciona e combina os módulos interneuronais espinhais apropriados e fornece aos módulos padrões temporais de ativação as sinergias extraídas refletem assim regularidades espacialmente fixas (Kargo abril de 2013 | Volume 7 | Artigo 51 | 2 no circuito interneuronal espinhal para sintonizar ou criar módulos sinergias diferentes de outras formulações em que cada músculo representa uma importante contribuição para o debate em curso sobre do que atividades de músculos individuais (Hart e Giszter, 2010). Dentro sinergias que, notavelmente, coincidiram com as observadas durante Esta observação é compatível com a proposta de que as sinergias musculares se estruturam no tronco encefálico ou medula espinhal, e após um Hug, 2012), o córtex motor também pode codificar sinergias musculares dos padrões motores do estágio neonatal ao infantil é principalmente resultado da adição de novos padrões aos poucos padrões básicos. pelo menos um pouco diferente, não é surpreendente que as estruturas precisas de algumas sinergias musculares sejam específicas do sujeito (Torres-Oviedo ativações. humanos. Em um grupo de sobreviventes de acidente vascular cerebral leve a moderado com lesões nas áreas corticais motoras, observamos que Experimentos eletrofisiológicos recentes em vertebrados inferiores, gatos e macacos forneceram evidências de que o tempo algoritmos de fatoração linear, como componente independente Kutch e Valero-Cuevas (2012) propuseram recentemente que o de aprendizado associativo e/ou aprendizado supervisionado, ou um análogo ao mecanismo responsável pela formação de de sinergias musculares identificadas por uma análise de cluster (Yakovenko insights complementares. Há, no entanto, uma série de estudos de desenvolvimento e clínicos que colocam a visão de Kutch e término desses processos de desenvolvimento, a biomecânica os módulos da coluna vertebral. Resultados semelhantes para o membro inferior também conjuntos de dados experimentais. Essa observação sugere a extração da dinâmica músculo-esquelética (Berniker et al., 2009) e informações posturais relacionadas à posição inicial do membro durante de ser uma criança para um pré-escolar e, finalmente, para um adulto. este o movimento depende de uma via complexa que conecta o córtex motor e os interneurônios espinhais; através deste circuito, o córtex segue uma distribuição gaussiana (Cheung e Tresch, 2005). O no desempenho motor entre os braços (Cheung et al., 2009b). www.frontiersin.org desenvolvimento ainda não foi estabelecido, é concebível que o feedback sensorial dos músculos e tendões desencadeie mudanças adaptativas pode pertencer a múltiplas sinergias; esse aspecto faz com que o extrato assume-se que cada músculo no modelo é controlado independentemente. Este ponto de vista que enfatiza as restrições não neurais estar significativamente relacionado com ativações de sinergias musculares em vez de interneurônios evocam padrões EMG decomponíveis em músculos pianistas (Gentner et al., 2010) ou atletas profissionais (Frère e as ativações das sinergias, mas refletem aspectos básicos do músculo 2011; Lacquaniti et al., 2012) demonstraram que o desenvolvimento e seus controladores neurais que permitem um desempenho motor de alto calibre. Uma vez que a biomecânica dos membros de diferentes indivíduos é Há evidências emergentes sugerindo que as conclusões acima também podem estar subjacentes à produção de movimento voluntário em sinergias extraídas dos EMGs devem vir de uma comparação entre o número de sinergias derivadas experimentalmente e “aprende” novas sinergias musculares, presumivelmente através de mecanismos diversos padrões musculares. Além do NMF, existem outros ativações musculares (Tresch e Jarc, 2009), e oferece importantes e informa outras áreas do SNC sobre essas modificações. No córtex motor registrado durante o alcance coincidiu com ativações a maioria dos algoritmos, com exceção da análise de componentes principais (Jolliffe, 2002), tem desempenho comparável em simulações e gerar comportamento motor anormal através da ativação defeituosa de ter uma origem neural não é incompatível com a ideia de que a estruturação precisa de cada sinergia muscular incorpora conhecimento reconstrução, com a suposição adicional de que este erro 2002), e para integrar informações sensoriais que contêm informações são moldados gradualmente, ao longo de muitos anos, à medida que o indivíduo cresce achados apoiam diretamente a ideia de que a expressão do voluntariado semelhantes aos do braço não afetado, apesar das diferenças marcantes restrições decorrentes da tarefa selecionada e/ou biomecânica do membro podem produzir acoplamentos aparentes entre os músculos mesmo quando Wiesel, 1959). Enquanto os papéis precisos do controle genético na neurônios na zona intermediária da medula espinhal foram encontrados pode ter componentes em qualquer subconjunto de músculos, qualquer músculo que em humanos que desenvolveram movimentos altamente qualificados, como área do córtex motor com conexões descendentes para a medula espinhal. dos módulos do motor, resultando em uma correspondência entre a planta suposições particulares empregadas pelo algoritmo para separar Por exemplo, em um recente estudo de desenvolvimento sobre primitivos locomotores humanos, Lacquaniti e seus colegas (Dominici et al., Idealmente, um caso forte apoiando a origem neural do músculo refletir como uma criança, em seu caminho para a locomoção bípede, apropriado para o comportamento que está sendo executado. e Giszter, 2008; Safavynia e Ting, 2012) incorporados explorado. pertence a uma única sinergia. Como Tresch et ai. (2006) mostraram, a proveniência da baixa dimensionalidade observada anteriormente de especificamente adaptados à biomecânica dos membros do indivíduo, o gato, atividades de grupos distintos de neurônios no membro anterior acidente vascular cerebral, comandos descendentes alteradosdas áreas supraespinhais Machine Translated by Google http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/ http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/archive http://www.frontiersin.org/ USER Destacar USER Destacar USER Destacar AS SINERGIAS MUSCULARES SIMPLIFICAM A PRODUÇÃO DE MOVIMENTO DIMINUINDO O NÚMERO DE GRAUS DE LIBERDADE? Bizzi e Cheung Origem neural das sinergias musculares Fronteiras em Neurociência Computacional Existe a possibilidade adicional de que as sinergias musculares extraídas de conjuntos de dados de EMG reflitam regularidades no reflexo e outras atividades relacionadas ao feedback de vários músculos decorrentes de padrões fixos de mudanças no comprimento músculo-tendão que são ditados pela forma como os músculos estão dispostos em torno das articulações. (Kutch e Valero-Cuevas, 2012; sua Figura 1B). Esta é certamente uma importante restrição biomecânica que pode dar origem a aparentes acoplamentos musculares. No entanto, na rã, as estruturas de ambos os campos de força da coluna vertebral (Loeb et al., 1993) e as sinergias do músculo locomotor (Cheung et al., 2005) persistiram mesmo após a desaferentação completa dos membros posteriores. www.frontiersin.org Em segundo lugar, para uma única tarefa, espera-se que o número total de sinergias musculares compartilhadas e específicas da tarefa necessárias para sua execução seja menor do que o número total de músculos. O conjunto de sinergias reduz assim o volume do espaço de possíveis comandos motores que o SNC precisa buscar definindo um subespaço de menor dimensionalidade. Isso é equivalente a uma sugestão anterior de que estruturas coordenativas neurais pré-formadas, como sinergias musculares, funcionam para eliminar automaticamente padrões musculares que levam a movimentos descoordenados ou inadequados (Tuller et al., 1982; Turvey et al., 1982). Tal redução no volume do espaço de busca permite uma transformação eficiente entre variáveis de nível de tarefa e ativações musculares (Ting et al., 2012). Esta vantagem conferida por um esquema de controle baseado em sinergia pode ser particularmente importante para uma tarefa para a qual apenas um conjunto muito pequeno de padrões de motores é compatível com o cumprimento dos requisitos da tarefa. Para tal tarefa, dado o volume muito grande do espaço de ativação muscular de alta dimensão definido pelos muitos músculos do membro, sem nenhuma estrutura coordenativa neural no local, seria muito difícil para o sistema motor descobrir, a cada vez, um subespaço muito pequeno de padrões motores adequados a partir de qualquer ponto inicial no espaço. As sinergias musculares necessárias podem ser uma mistura de sinergias musculares compartilhadas e específicas da tarefa foi avançada por vários laboratórios com uma variedade de espécies que vão desde a Aplysia (Jing et al., 2004), ao sapo (d'Avella et al., 2003; Hart e Giszter, 2004), rato (Tresch e Bizzi, 1999), gato (Ting e Macpherson, 2005; Ethier et al., 2006; Krouchev et al., 2006), macaco (Overduin et al., 2008) e humanos (Krish namoorthy et al., 2003; Torres-Oviedo e Ting, 2007; d'Avella et al., 2008; Mônaco et al., 2010; Muceli et al., 2010). Em conjunto, esses resultados indicam que, para cada tarefa, a redução do número de graus de liberdade em relação ao número de músculos é uma forma de simplificar o controle do movimento. No sapo, nós e outros estudamos os padrões de ativação de todos os principais músculos dos membros posteriores coletados durante diversos comportamentos motores naturais, incluindo pular, nadar dentro e fora de fase, andar, chutar e limpar. Conforme demonstrado por d'Avella e Bizzi (2005), cada comportamento motor resulta de uma combinação de ambas as sinergias compartilhadas entre comportamentos e sinergias específicas de cada um ou alguns comportamentos. Embora não saibamos o número máximo de tarefas motoras inatas e aprendidas que cada espécie pode produzir, é concebível que, em qualquer indivíduo, o número de todas as sinergias de tarefas específicas e compartilhadas combinadas possa exceder o número de músculos relevantes, nos quais caso não se espera que os EMGs registrados em todos os comportamentos possíveis exibam uma baixa dimensionalidade. Essa possibilidade teórica levanta a questão de como as sinergias musculares de origem neural “simplificam” o controle do movimento. Acreditamos que as sinergias musculares simplificam a produção de postura e movimento nos seguintes sentidos. Primeiro, para tarefas que podem ser executadas por muitas trajetórias possíveis ou padrões de ativação muscular, um conjunto de sinergias musculares pré-existentes pode servir como um canal preferencial através do qual os comandos motores são especificados. As sinergias musculares removem assim efetivamente qualquer redundância musculoesquelética nos níveis de postura (Santello et al., 1998; Weiss e Flanders, 2004; Bicchi et al., 2011), cinemática (Flash e Hochner, 2005) e ativação muscular, por restringindo como os músculos podem ser ativados (Bernstein, 1967; Full e Koditschek, 1999; McKay e Ting, 2008). Por outro lado, o número de sinergias musculares da perna para a locomoção humana, incluindo corrida e caminhada em diferentes velocidades, foi estimado entre quatro e cinco (Ivanenko et al., 2004; Cappellini et al., 2006; Dominici et al. , 2011). Não sabemos se, para a perna humana, a produção isométrica de forças terminais e a locomoção definem espaços de padrões motores com dimensionalidades semelhantes. Mas o fato de que a dimensionalidade dos EMGs observados (4-5) foi menor do que o esperado da restrição de uma tarefa relacionada (7) não é inconsistente com a noção de que estruturas como sinergias musculares de origem neural existem para restringir possibilidades de potência motora (Andrea d'Avella, comunicação pessoal). a dimensionalidade do espaço de todos os padrões musculares adequados para as tarefas selecionadas. Em um modelo da perna humana compreendendo 14 músculos, Kutch e Valero-Cuevas (2012) (sua Figura 6C) mostraram que o conjunto de todos os padrões EMG compatível com uma produção isométrica de forças finais em 16 direções diferentes, em três magnitudes de força , definiu um subespaço de aproximadamente sete dimensões (com 80% da variância dos dados explicada). abril de 2013 | Volume 7 | Artigo 51 | 3 Notavelmente, enquanto a extensão da fusão de sinergia se correlaciona com a gravidade do comprometimento motor (que reflete a extensão do dano cortical motor), o grau de fracionamento da sinergia variou com a distância temporal do início do acidente vascular cerebral (que reflete quanto tempo o sistema motor esteve influenciada pela plasticidade pós-derrame). Dado que esses dois padrões de mudança de sinergia estão relacionados com variáveis relacionadas ao estado do sistema nervoso, e que se espera que as estruturas biomecânicas dos braços afetados e nãoafetados sejam semelhantes, é provável que a restrição neural seja um dos principais contribuintes às estruturas das sinergias musculares observadas no braço afetado. Alterações e fusão das sinergias musculares dos membros superiores e inferiores em sobreviventes de acidente vascular cerebral foram relatadas de forma semelhante em vários outros estudos recentes (Clark et al., 2010; Gizzi et al., 2011; Roh et al., 2013). As sinergias musculares podem ser concebidas como a representação de blocos de construção elementares cuja superposição permite a expressão de um vasto número de movimentos e posturas. Conceitos semelhantes têm Outro conjunto relacionado de descobertas veio de estudos de sinergias musculares em pacientes humanos com acidente vascular cerebral. Resumidamente, usando o algoritmo NMF e uma técnica de mínimos quadrados não negativos, caracterizamos as alterações pós-AVC das sinergias musculares no braço afetado pelo AVC como refletindo uma fusão ou um fracionamento das sinergias musculares do braço não afetado (Cheung et. al., 2012). Machine Translated by Google http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/ http://www.frontiersin.org/ http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/archive AS SAÍDAS MOTORAS PODEM SER GERADAS APENAS COM A COMBINAÇÃO DE SINERGIAS MUSCULARES? AGRADECIMENTOS Agradecemos a Robert Ajemian e Vittorio Caggiano pela leitura das versões deste manuscrito. Apoiado pelo NIH concede NS44393 e RC1-NS068103-01 a Emilio Bizzi. Bizzi e Cheung Origem neural das sinergias musculares Fronteiras em Neurociência Computacional Cheung, VCK, d'Avella, A., e Bizzi, E. (2009a). Ajustes do padrão motor para compensação de carga via ativações moduladas de sinergias musculares durante comportamentos naturais. J. Neurofisiol. 101, 1235-1257. Ciência 141, 440-441. Bizzi, E. (2009b). Estabilidade de sinergias musculares para ações voluntárias após acidente vascular cerebral cortical em humanos. (2005). Algoritmos de fatoração de matriz não negativa modelando distribuições de ruído dentro da família exponencial. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Bernstein, N. (1967). A coordenação e regulação dos movimentos. Oxford: Pérgamo. (2003). Combinações de sinergias musculares na construção de um comportamento motor natural. Nat. Neurociência. 6, 999-1015. REFERÊNCIAS Attias, H. (1999). Análise fatorial independente. Computação Neural. 11, 803-851. (2010). A fusão de módulos motores saudáveis prediz desempenho locomotor reduzido e complexidade de coordenação muscular pós-derrame. J. Cheung, VCK, Turolla, A., Agostini, M., Silvoni, S., Bennis, C., Kasi, P., et al. (2012). Padrões de sinergia muscular como marcadores fisiológicos de dano cortical motor. Proc. Nacional Acad. Sci. Trans. R. Soc. Londres. B Biol. Sci. 366, 3153-3161. Cheung, VCK, Piron, L., Agos tini, M., Silvoni, S., Turolla, A., and Padrões motores na caminhada e corrida humana. J. Neurofisiol. 95, 3426-3437. Neurofisiol. 103, 844-857. d'Avella, A., e Bizzi, E. (2005). Sinergias musculares compartilhadas e específicas em comportamentos motores naturais. Proc. Nacional Acad. Bizzi, E., Mussa-Ivaldi, FA, e Giszter, S. (1991). Computações subjacentes à execução do movimento: uma perspectiva biológica. Ciência 253, 287-291. EUA 109, 14652-14656. 1454. Clark, DJ, Ting, LH, Zajac, FE, Neptune, RR e Kautz, SA Cheung, VCK, d'Avella, A., Tresch, MC e Bizzi, E. (2005). Bell, AJ, e Sejnowski, TJ (1995). Uma abordagem de maximização de informações para separação cega e deconvolução cega. Computação Neural. 7, 1129- Basmajian, JV (1963). Controle e treinamento de unidades motoras individuais. (2011). Sinergias musculares comuns para controle do centro de massa e força em comportamentos posturais de não pisar e pisar. J. Neurofisiol. 106, Berniker, M., Jarc, A., Bizzi, E., e Tresch, MC (2009). Controle motor simplificado e eficaz baseado em sinergias musculares para explorar a dinâmica musculoesquelética. Proc. Nacional Acad. Modularidade para controle sensório- motor: evidências e uma nova previsão. J. Contribuições centrais e sensoriais para a ativação e organização das sinergias musculares durante os comportamentos motores naturais. J. Neurosci. 25, Cheung, VCK, e Tresch, M. Sci. USA 106, 7601-7606. 6419-6434. Proc. Nacional Acad. Sci. EUA 106, 19563-19568. Bicchi, A., Gabiccini, M. e Santello, M. (2011). Modelagem de mãos naturais e artificiais com sinergias. Philos. Biol. Soc. 5, 4990-4993. Cappellini, G., Ivanenko, YP, Pop Pelé, RE, e Lacquaniti, F. (2006). Sci. EUA 102, 3076-3081. d'Avella, A., Fernandez, L., Portone, A., e Lacquaniti, F. (2008). Modulação de sinergias musculares fásicas e tônicas com direção e velocidade de alcance. J. Neurofisiol. 100, 1433- Chvatal, SA, Torres-Oviedo, G., Safavynia, SA, e Ting, LH d'Avella, A., e Pai, DK (2010). 300-308. Dominici, N., Ivanenko, YP, Cap pellini, G., d'Avella, A., Mondì, V., 1159. Mot. Comportamento 42, 361-369. d'Avella, A., Saltiel, P., and Bizzi, E. Terceiro, foi demonstrado que a ativação de cada sinergia muscular pode cumprir um determinado objetivo cinemático (d'Avella et al., 2003) ou biomecânico (Ting e Macpherson, 2005) que pode ou não ser compartilhado entre os comportamentos. O conjunto de todas as sinergias musculares pode então ser visto como um compêndio de padrões coordenativos para executar diferentes funções que o sistema motor pode explorar ao executar uma tarefa aprendida em um ambiente dinâmico diferente ou ao aprender uma nova tarefa. Em termos mais amplos, as sinergias musculares podem ser componentes essenciais na arquitetura do sistema motor que permitem a generalização (Poggio e Bizzi, 2004). Consistente com essa interpretação, as sinergias musculares foram observadas como robustas em contextos biomecânicos ou comportamentais muito diferentes (Cheung et al., 2009a; Torres- Oviedo e Ting, 2010; Chvatal et al., 2011). Além disso, os sujeitos humanos foram capazes de se adaptar muito mais rápido a uma perturbação se os padrões motores compensatórios necessários pudessem ser gerados simplesmente ajustando as ativações das sinergias musculares existentes (d'Avella e Pai, 2010). Resta saber até que ponto movimentos difíceis e inusitados também são executados pelo recrutamento das sinergias utilizadas em comportamentos bem praticados. abril de 2013 | Volume 7 | Artigo 51 | 4www.frontiersin.org Uma direção frutífera de pesquisas futuras é determinar precisamente como o SNC integra mecanismos não baseados em sinergia com as sinergias musculares existentes para a execução de uma ampla gama de movimentos. Nos primatas superiores e nos humanos, existem duas subdivisões do córtex motor primário: uma região rostral, filogeneticamente mais antiga, que contém eferentes descendentes destinados aos interneurônios espinhais, e uma região caudal, filogeneticamente mais nova, que contém células córtico-motoneuronais (CM). com inervações monossinápticaspara os motoneurônios dos músculos individuais do ombro, cotovelo e dedos (Rathelot e Strick, 2009). É plausível que, enquanto o córtex motor “antigo” contribui para a saída motora fornecendo impulsos de ativação para os módulos espinhais, o “novo” córtex motor esculpe ainda mais as ativações de músculos específicos, contornando os mecanismos espinhais através das células CM. Controlar o movimento combinando sinergias musculares e outras propostas baseadas em músculos controlados independentemente (Kutch et al., 2008; Valero-Cuevas et al., 2009) não são necessariamente mutuamente exclusivos. O reflexo de estiramento monossináptico, por exemplo, contribui claramente para as atividades de cada músculo individual. Além disso, pelo menos para humanos, com treinamento suficiente, até mesmo unidades motoras individuais de um único músculo podem ser controladas voluntariamente (Basmajian, 1963). Esses e outros mecanismos adicionais de geração de saída motora aumentam ainda mais a flexibilidade do sistema motor e podem desempenhar um papel durante a aquisição de habilidades motoras (Kargo e Nitz, 2003). Revisamos as evidências experimentais acima que apoiam a origem neural das sinergias musculares e discutimos como a combinação de sinergias compartilhadas e específicas de tarefas poderia facilitar o controle motor e o aprendizado motor. Nós não afirmamos que as sinergias musculares baseadas em neurônios são as únicas estruturas que podem dar origem a acoplamentos musculares observados em experimentos: atividades relacionadas ao feedback decorrentes da biomecânica dos membros, por exemplo, poderia levar a um acoplamento observado (Kutch e Valero-Cuevas, 2012). Tampouco afirmamos que as saídas motoras podem ser geradas apenas pela combinação de um punhado de sinergias musculares espacialmente fixas. adquiridos através do aprendizado motor, ou herdados ao longo da evolução da espécie (Giszter et al., 2007). A geração de saídas do motor ativando essas sinergias garante uma execução eficiente e robusta de uma tarefa difícil. Machine Translated by Google http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/ http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/archive http://www.frontiersin.org/ Bizzi e Cheung Origem neural das sinergias musculares Fronteiras em Neurociência Computacional abril de 2013 | Volume 7 | Artigo 51 | 5 Pulsos de impulso pré-motor individuais, não sinergias que variam no tempo, são as unidades de ajuste para trajetórias de membros construídas na medula espinhal. J. Neurosci. 28, 2409-2425. (2012). Revisão e perspectiva: considerações neuromecânicas para prever padrões de ativação muscular para movimento. Int. J. Overduin, SA, d'Avella, A., Roh, J., e Bizzi, E. (2008). Modulação do recrutamento de sinergia muscular na preensão de primatas. J. Neurosci. 28, (2000). Correção rápida de movimentos direcionados por soma de primitivas de campo de força. J. Neurosci. 20, 409-426. EUA 103, 8257-8262. Giszter, SF, Mussa-Ivaldi, FA e Bizzi, E. (1993). Campos de força convergentes organizados na medula espinhal do sapo. J. Neurosci. 13, 467-491. “Algoritmos para fatoração matricial não negativa”, em Advances in Neural Information Processing Systems, vol. 13 eds TK Leen, TG Dietterich e V. Tresp (Cambridge: MIT Press), 918-923. Cognição Neurociência. 12, 78-97. Krishnamoorthy, V., Latash, ML, Scholz, JP, and Zatsiorsky, V. J., Yoo, SB, e Beer, RF Uma base neural para primitivos motores na medula espinhal. J. Neurosci. 30, 1322-1336. Gentner, R., e Classen, J. (2006). alização da visão e do controle motor. Jing, J., Cropper, EC, Hurwitz, I., e Weiss, KR (2004). A construção do movimento com módulos específicos e independentes do comportamento. Frère, J., e Hug, F. (2012). Variabilidade entre sujeitos de sinergias musculares durante uma habilidade motora complexa. Ting, LH e Macpherson, JM Modularidade da saída motora evocada por microestimulação intraespinal em gatos. J. Neurofisiol. 91, 502-514. Santello, M., Flanders, M. e Soechting, JF (1998). Sinergias posturais para uso de ferramentas. J. Neurosci. 18, 10105-10115. Computação PLoS. Biol. 8:e1002434. doi: 10.1371/journal.pcbi.1002434 Lacquaniti, F., Ivanenko, YP, e Zago, M. (2012). Desenvolvimento da locomoção humana. atual Opinião. Neurobiol. 22, 822-828. Neurociência. 26, 5574-5581. Tresch, MC, Cheung, VCK e d'Avella, A. (2006). Algoritmos de fatoração matricial para identificação de sinergias musculares: avaliação em conjuntos de dados simulados e experimentais. J. Neurofisiol. 95, 2199-2212. (2006). Ativação sequencial de sinergias musculares durante a locomoção no gato intacto, conforme revelado pela análise de agrupamento e decomposição direta. J. Savvynia, SA e Ting, LH (2012). Mônaco, V., Ghionzoli, A., e Micera, S. (2010). Modificações relacionadas à idade das sinergias musculares e da atividade da medula espinhal durante a locomoção. J. Neurofisiologia. 104, 2092-2102. Gizzi, L., Nielsen, JF, Felici, F., Ivanenko, YP e Farina, D. (2011). Impulsos de ativação, mas não módulos motores, são preservados na locomoção de pacientes com AVC subagudo. J. Neurofisiol. 106, 202-210. A microestimulação ativa um punhado de sinergias musculares. Neurônio 76, 1071-1077. Tresch, MC, e Bizzi, E. (1999). (2006). Representação muscular no córtex motor de macacos: uma perspectiva anatômica. Proc. Nacional Acad. Sci. Kargo, WJ, e Giszter, SF (2008). Ting, LH, Chvatal, SA, Safavy nia, SA, and McKay, JL Kargo, WJ, e Giszter, SF Lee, DD e Seung, HS (2001). H. (2007). Sinergias musculares que caracterizam as respostas posturais humanas. J. Neurofisiol. 98, 2144-2156. células. Proc. Nacional Acad. Sci. EUA 106, Roh, J., Rymer, WZ, Perreault, E. Unidades de saída do comportamento motor: um estudo experimental e de modelagem. J. J. Neurosci. 23, 11255-11269. Hart, CB, e Giszter, SF (2010). Flash, T., e Hochner, B. (2005). Primitivas motoras em vertebrados e invertebrados. atual Opinião. Neurobiol. 15, 660-666. M., e Rymer, WZ (2008). As flutuações de força de ponto final revelam padrões flexíveis em vez de sinérgicos de cooperação muscular. J. Neurofisiol. 100, 2455-2471. Poggio, T., e Bizzi, E. (2004). Gerador (2001). Sinergias musculares codificadas dentro da medula espinhal: evidências de iontóforo NMDA intraespinal focal no sapo. J. Neurofisiol. 85, 605-619. 1003-1014. Lemay, MA e Grill, WM (2004). (2005). Localização e conectividade em redes interneuronais espinhais: o ritmo adução-caudal extensão-flexão no sapo. J. Neurofisiol. 94, 2120-2138. J. (2012). Desafios e novas abordagens para comprovar a existência de sinergias musculares de origem neural. Ethier, C., Brizzi, L., Darling, WG e Capaday, C. (2006). Soma linear das saídas do córtex motor do gato. J. (2010). As sinergias musculares específicas do indivíduo no controle do equilíbrio humano são consistentes em diferentes contextos biomecânicos. J. Neurofisiol.103, 3084-3098. Subdivisões do córtex motor primário com base no córtex córtico-motoneuronal Krouchev, N., Kalaska, JF, e Drew, T. 556-562. força de ponto final do membro posterior da rã espinalizada produzida pela estimulação elétrica intraespinhal da medula. Trans. IEEE Sistema Neural. Reabil. Eng. 9, 12-23. (2008). As sinergias musculares funcionais restringem a produção de força durante as tarefas posturais. J. Biomec. 41, 299-306. (2007). Primitivos, impulsos pré-motores e geração de padrões: uma perspectiva computacional e neuroetológica combinada. Prog. Res. Cérebro. 165, 323-346. Overduin, SA, d'Avella, A., Car mena, JM, and Bizzi, E. (2012). Rathelot, JA, e Strick, PL Jolliffe, TI (2002). Análise do componente principal. Nova York: Springer. Modelos e âncoras: hipóteses neuromecânicas do movimento de locomoção com pernas em terra. J. Exp. Biol. 202, 3325-3332. Gentner, R., Gorges, S., Weise, D., aufm Kampe, K., Buttmann, M., and Classen, J. (2010). Codificação da habilidade motora no sistema corticomuscular de músicos. atual Biol. 20, 1869-1874. Aprendizagem das partes dos objetos por fatoração matricial não negativa. Natureza 401, 788-791. Torres-Oviedo, G., e Ting, L. O aprendizado precoce de habilidades é expresso por meio da seleção e ajuste de sinergias musculares representadas corticalmente. Campos receptivos de neurônios individuais no córtex estriado do gato. J. Fisiol. 148, Lemay, MA, Galagan, JE, Hogan, N., e Bizzi, E. (2001). Modulação e somatória vetorial do Loeb, EP, Giszter, SF, Saltiel, P., Bizzi, E., and Mussa-Ivaldi, FA (2000). Mussa-Ivaldi, FA, Giszter, SF e Bizzi, E. (1994). Combinações lineares de primitivos no controle motor de vertebrados. Proc. Nacional Acad. Sci. EUA Kutch, JJ, Kuo, AD, Bloch, A. Acionamentos pré-motores modulares e rajadas de unidades como primitivos para comportamentos motores de sapos. J. Neurosci. 24, 5269-5282. Saltiel, P., Wyler-Duda, K., d'Avella, A., Tresch, MC, and Bizzi, E. 880-892. Rathelot, JA, e Strick, PL (2009). Número. Método. Biomédico. Eng. 28, www.frontiersin.org Cicchese, M., et ai. (2011). Primitivos loco motores em recém-nascidos e seu desenvolvimento. Ciência 334, 997-999. Fetz, EE, Perlmutter, SI, Prut, Y., Seki, K. e Votaw, S. (2002). Papéis dos interneurônios espinhais de primatas na preparação e execução do movimento voluntário da mão. Res. Cérebro. Res. Cérebro. Rev. 40, 53-65. Saltiel, P., Wyler-Duda, K., d'Avella, A., Ajemian, R., and Bizzi, E. Kutch, JJ, e Valero-Cuevas, F. Torres-Oviedo, G., e Ting, LH 574-591. McKay, JL, e Ting, LH M. (2003). Sinergias musculares durante deslocamentos do centro de pressão por pessoas em pé. Exp. Res. Cérebro. 152, 281-292. Giszter, S., Patil, V., e Hart, C. (2013). Alterações na estrutura de sinergia muscular do membro superior em sobreviventes de acidente vascular cerebral crônico. J. Neurofisiol. 109, 768-781. Natureza 431, 768-774. 91, 7534-7538. Organização modular dos movimentos dos dedos pelo sistema nervoso central humano. Neurônio 52, 731-742. J. Neurosci. 24, 6315-6325. Frente. Computar. Neurociência. 6:99. doi: 10.3389/fncom.2012.00099 Full, RJ, e Koditschek, DE (1999). (2005). Um conjunto limitado de sinergias musculares para controle de força durante uma tarefa postural. J. Neurofisiol. 93, 609-613. Kargo, WJ, e Nitz, DA (2003). Lee, DD e Seung, HS (1999). Ivanenko, YP, Poppele, RE e Lacquaniti, F. (2004). Cinco padrões básicos de ativação muscular são responsáveis pela atividade muscular durante a locomoção humana. J. Fisiol. 556, 267-282. Loeb, EP, Giszter, SF, Borghesani, P., e Bizzi, E. (1993). Efeitos do corte da raiz dorsal sobre as forças evocadas pela microestimulação espinhal na rã espinalizada. Somatosens. Mot. Res. 10, 81-95. Hubel, DH, e Wiesel, TN (1959). O feedback no nível da tarefa pode explicar o recrutamento temporal de sinergias musculares espacialmente fixas ao longo das perturbações posturais. J. Neurofisiol. 107, 159-177. Muceli, S., Boye, AT, d'Avella, A., e Farina, D. (2010). Identificando matrizes de sinergia representativas para descrever padrões de ativação muscular durante alcance multidirecional no plano horizontal. J. Neurofisiologia. 103, 1532-1542. Neurofisiol. 96, 1991-2010. Hart, CB, e Giszter, SF (2004). Respostas à microestimulação espinhal no rato cronicamente espinalizado e sua relação com os sistemas espinhais ativados por estimulação cutânea de baixo limiar. Exp. Res. Cérebro. 129, 401-416. Machine Translated by Google http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/ http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/archive http://www.frontiersin.org/ Origem neural das sinergias muscularesBizzi e Cheung (1982). A perspectiva de Bernstein: I. coordenação intra-membros durante o alcance no gato, modulando as sinergias musculares. J. Neurofisiol. 105, L. (1982). “A perspectiva de Bernstein: II: o conceito de ligação muscular em Comportamento Motor Humano: Uma Introdução ed. JAS Kelso (Hillsdale: Abril de 2013; publicado online: 29 de abril Licença de Atribuição, que permite o uso, a variabilidade das ativações musculares sustenta o princípio de intervenção mínima do controle motor. J. Neurophysiol. 102, 59-68. Sinergias musculares e posturais de Comportamento Motor: uma Introdução ed. 252. Citação: Bizzi E e CheungVCK (2013) fóruns, desde que os autores originais e 523-535. Fronteiras em Neurociência Computacional abril de 2013 | Volume 7 | Artigo 51 | 6 atual Opinião. Neurobiol. 19, 601-607. Tresch, MC, e Jarc, A. (2009). O JAS Kelso (Hillsdale: Lawrence Turvey, MT, Fitch, HL e Tuller, B. Yakovenko, S., Krouchev, N., e Drew, A origem neural das sinergias musculares. fonte são creditados e sujeitos a qualquer (1999). A construção do movimento pela medula espinhal. Nat. Neu rosci. 2, 162-167. O problema dos graus de liberdade neurônios corticais motores contribui para 388-409. 10.3389/ fncom.2013.00051 Este é um artigo de acesso aberto distribuído Valero-Cuevas, FJ, Venkadesan, M., Declaração de Conflito de Interesses: A conduzida na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que www.frontiersin.org Tuller, B., Turvey, MT, e Fitch, H. e variabilidade condicionada pelo contexto”, Recebido: 20 de fevereiro de 2013; aceito: 11 nos termos do Creative Commons Weiss, EJ e Flanders, M. (2004). ou estrutura coordenativa”, em Human 2013 Lawrence Erlbaum Associates), 239– Erlbaum Associates), 253-270. T. (2011). Ativação sequencial de Frente. Computar. Neurociência. 7:51. doi: distribuição e reprodução em outros avisos de direitos autorais relativos a quaisquer gráficos de terceiros, etc. a mão humana. J. Neurofisiol. 92, autores declaram que a pesquisa foi caso a favor e contra as sinergias musculares. Copyright © 2013 Bizzi e Cheung.e Todorov, E. (2009). Estruturada pode ser interpretado como um potencial conflito de interesses. Tresch, MC, Saltiel, P., and Bizzi, E. Machine Translated by Googlehttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/ http://www.frontiersin.org/Computational_Neuroscience/archive http://dx.doi.org/10.3389/fncom.2013.00051 http://www.frontiersin.org/ http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ http://dx.doi.org/10.3389/fncom.2013.00051
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