Novo estudo usa robôs para descobrir as conexões entre a mente humana e o controle da marcha

Resumo: Usando a robótica, os pesquisadores descobrem mecanismos no cerebelo e na medula espinhal que determinam como o sistema nervoso responde às mudanças induzidas no comprimento do passo. As descobertas podem ter implicações para programas de reabilitação física para pessoas com distúrbios de movimento.

Fonte: Wyss Institute

Muitos de nós não temos passado muito tempo fora de casa ultimamente, mas ainda há muitos obstáculos para superarmos enquanto caminhamos: a beira da mesa de centro, as crianças pequenas, o cachorro da família. Como nosso cérebro se ajusta às mudanças em nossas passadas? Pesquisadores do Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering da Harvard University e do Motion Analysis Laboratory do Spaulding Rehabilitation Hospital usaram robôs para tentar responder a essa pergunta e descobriram que mecanismos no cerebelo e na medula espinhal determinam como o sistema nervoso responde ao robô – mudanças induzidas no comprimento do passo. O novo estudo foi publicado na última edição da Relatórios Científicos, e aponta o caminho para melhorar os programas de reabilitação física baseados em robôs para pacientes.

“Nossa compreensão dos mecanismos neurais subjacentes à adaptação locomotora ainda é limitada. Especificamente, como os processos comportamentais, funcionais e fisiológicos funcionam em conjunto para alcançar a adaptação durante a locomoção permaneceu indescritível até o momento “, disse Paolo Bonato, Ph.D., membro do corpo docente associado do Wyss Institute e diretor do Spaulding Motion Analysis Lab quem conduziu o estudo. “Nosso objetivo é criar uma melhor compreensão deste processo e, portanto, desenvolver intervenções clínicas mais eficazes.”


Os pesquisadores estudam como nosso cérebro se ajusta às mudanças em nossas passadas, obtendo percepções que poderiam ser usadas para desenvolver melhores programas de reabilitação física. Crédito: Wyss Institute.

Para o estudo, a equipe usou um robô para induzir duas perturbações mecânicas unilaterais opostas em sujeitos humanos enquanto caminhavam, o que afetou o comprimento do passo em vários ciclos de marcha. Os sinais elétricos registrados dos músculos foram coletados e analisados ​​para determinar como as sinergias musculares (a ativação de um grupo de músculos para criar um movimento específico) mudam em resposta à perturbação. Os resultados revelaram uma combinação de sinais de controle feedforward vindos do cerebelo e sinais de controle impulsionados por feedback que surgem na medula espinhal durante a adaptação. As contribuições específicas do lado relativo dos dois processos para ajustes de saída do motor, no entanto, dependeram de qual tipo de perturbação foi entregue. No geral, as observações fornecem evidências de que, em humanos, os impulsos descendentes e aferentes se projetam nas mesmas redes interneuronais espinhais que codificam as sinergias dos músculos locomotores.

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Usando um robô para interromper o ciclo de marcha dos participantes, os pesquisadores descobriram que os mecanismos de feedforward controlados pelo cerebelo e os mecanismos de feedback controlados no nível espinhal determinam como o sistema nervoso responde às mudanças induzidas pelo robô no comprimento do passo. A imagem é creditada ao Wyss Institute da Harvard University.

Esses resultados refletem observações anteriores de estudos com animais, sugerindo fortemente a presença de uma população definida de interneurônios espinhais regulando a coordenação muscular que pode ser acessada por impulsos corticais e aferentes em humanos. “Nossa equipe espera desenvolver este trabalho para desenvolver novas abordagens para o projeto de procedimentos de reabilitação da marcha assistida por robô visando respostas específicas dirigidas por descida e aferente em sinergias musculares no próximo ano”, disse Bonato.

Sobre este artigo de pesquisa neurobótica

Fonte:
Wyss Institute
Contatos de mídia:
Tim Sullivan – Instituto Wyss
Fonte da imagem:
A imagem é creditada ao Wyss Institute da Harvard University.

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Pesquisa original: Acesso livre
“As perturbações locomotoras acionadas por robôs revelam mecanismos de adaptação mediados por sinergia, feedforward e feedback dependentes do contexto”. Giacomo Severini, Alexander Koenig, Catherine Adans-Dester, Iahn Cajigas, Vincent CK Cheung e Paolo Bonato.
Relatórios Científicos doi: 10.1038 / s41598-020-61231-8.

Resumo

As perturbações locomotoras acionadas por robôs revelam mecanismos de adaptação mediados por sinergia, feedforward e feedback dependentes do contexto

Os humanos respondem a perturbações mecânicas que afetam sua marcha mudando sua estratégia de controle motor. Trabalhos anteriores indicam que a adaptação durante a marcha depende do contexto, e as perturbações que alteram a estabilidade a longo prazo são compensadas mesmo ao custo de um maior gasto de energia. No entanto, não está claro se a adaptação da marcha é impulsionada por mecanismos unilaterais ou bilaterais e quais são os papéis do feedback e do controle feedforward na geração de respostas compensatórias. Aqui, usamos um paradigma de adaptação baseado em robô para investigar se as contribuições de feedback / feedforward e unilateral / bilateral para a adaptação locomotora também são dependentes do contexto em adultos saudáveis. Um robô foi usado para induzir duas perturbações mecânicas unilaterais opostas afetando o comprimento do passo em vários ciclos de marcha. Os sinais eletromiográficos foram coletados e analisados ​​para determinar como as sinergias musculares mudam em resposta às perturbações. Os resultados desvendaram diferentes dinâmicas de modulação unilateral das ativações de sinergia muscular durante a adaptação, caracterizadas pela combinação de um processo de feedforward lento-progressivo e um processo de feedback reativo rápido. As contribuições unilaterais relativas dos dois processos para ajustes de saída do motor, no entanto, dependeram de qual perturbação foi entregue. No geral, essas observações fornecem evidências de que, em humanos, os impulsos descendentes e aferentes se projetam nas mesmas redes interneuronais espinhais que codificam as sinergias dos músculos locomotores.

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