838 resultados para Motor equivalence
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A neural network is introduced which provides a solution of the classical motor equivalence problem, whereby many different joint configurations of a redundant manipulator can all be used to realize a desired trajectory in 3-D space. To do this, the network self-organizes a mapping from motion directions in 3-D space to velocity commands in joint space. Computer simulations demonstrate that, without any additional learning, the network can generate accurate movement commands that compensate for variable tool lengths, clamping of joints, distortions of visual input by a prism, and unexpected limb perturbations. Blind reaches have also been simulated.
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This article describes how corollary discharges from outflow eye movement commands can be transformed by two stages of opponent neural processing into a head-centered representation of 3-D target position. This representation implicitly defines a cyclopean coordinate system whose variables approximate the binocular vergence and spherical horizontal and vertical angles with respect to the observer's head. Various psychophysical data concerning binocular distance perception and reaching behavior are clarified by this representation. The representation provides a foundation for learning head-centered and body-centered invariant representations of both foveated and non-foveated 3-D target positions. It also enables a solution to be developed of the classical motor equivalence problem, whereby many different joint configurations of a redundant manipulator can all be used to realize a desired trajectory in 3-D space.
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This paper describes a self-organizing neural model for eye-hand coordination. Called the DIRECT model, it embodies a solution of the classical motor equivalence problem. Motor equivalence computations allow humans and other animals to flexibly employ an arm with more degrees of freedom than the space in which it moves to carry out spatially defined tasks under conditions that may require novel joint configurations. During a motor babbling phase, the model endogenously generates movement commands that activate the correlated visual, spatial, and motor information that are used to learn its internal coordinate transformations. After learning occurs, the model is capable of controlling reaching movements of the arm to prescribed spatial targets using many different combinations of joints. When allowed visual feedback, the model can automatically perform, without additional learning, reaches with tools of variable lengths, with clamped joints, with distortions of visual input by a prism, and with unexpected perturbations. These compensatory computations occur within a single accurate reaching movement. No corrective movements are needed. Blind reaches using internal feedback have also been simulated. The model achieves its competence by transforming visual information about target position and end effector position in 3-D space into a body-centered spatial representation of the direction in 3-D space that the end effector must move to contact the target. The spatial direction vector is adaptively transformed into a motor direction vector, which represents the joint rotations that move the end effector in the desired spatial direction from the present arm configuration. Properties of the model are compared with psychophysical data on human reaching movements, neurophysiological data on the tuning curves of neurons in the monkey motor cortex, and alternative models of movement control.
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Calligraphic writing presents a rich set of challenges to the human movement control system. These challenges include: initial learning, and recall from memory, of prescribed stroke sequences; critical timing of stroke onsets and durations; fine control of grip and contact forces; and letter-form invariance under voluntary size scaling, which entails fine control of stroke direction and amplitude during recruitment and derecruitment of musculoskeletal degrees of freedom. Experimental and computational studies in behavioral neuroscience have made rapid progress toward explaining the learning, planning and contTOl exercised in tasks that share features with calligraphic writing and drawing. This article summarizes computational neuroscience models and related neurobiological data that reveal critical operations spanning from parallel sequence representations to fine force control. Part one addresses stroke sequencing. It treats competitive queuing (CQ) models of sequence representation, performance, learning, and recall. Part two addresses letter size scaling and motor equivalence. It treats cursive handwriting models together with models in which sensory-motor tmnsformations are performed by circuits that learn inverse differential kinematic mappings. Part three addresses fine-grained control of timing and transient forces, by treating circuit models that learn to solve inverse dynamics problems.
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Le contrôle des mouvements du bras fait intervenir plusieurs voies provenant du cerveau. Cette thèse, composée principalement de deux études, tente d’éclaircir les contributions des voies tirant leur origine du système vestibulaire et du cortex moteur. Dans la première étude (Raptis et al 2007), impliquant des mouvements d’atteinte, nous avons cerné l’importance des voies descendantes partant du système vestibulaire pour l’équivalence motrice, i.e. la capacité du système moteur à atteindre un but moteur donné lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. L’hypothèse émise était que le système vestibulaire joue un rôle essentiel dans l’équivalence motrice. Nous avons comparé la capacité d’équivalence motrice de sujets sains et de patients vestibulodéficients chroniques lors de mouvements nécessitant un contrôle des positions du bras et du tronc. Pendant que leur vision était temporairement bloquée, les sujets devaient soit maintenir une position de l’index pendant une flexion du tronc, soit atteindre une cible dans l’espace péri-personnel en combinant le mouvement du bras avec une flexion du tronc. Lors d’essais déterminés aléatoirement et imprévus par les participants, leur tronc était retenu par un mécanisme électromagnétique s’activant en même temps que le signal de départ. Les sujets sains ont pu préserver la position ou la trajectoire de l’index dans les deux conditions du tronc (libre, bloqué) en adaptant avec une courte latence (60-180 ms) les mouvements articulaires au niveau du coude et de l’épaule. En comparaison, six des sept patients vestibulodéficients chroniques ont présenté des déficits au plan des adaptations angulaires compensatoires. Pour ces patients, entre 30 % et 100 % du mouvement du tronc n’a pas été compensé et a été transmis à la position ou trajectoire de l’index. Ces résultats indiqueraient que les influences vestibulaires évoquées par le mouvement de la tête pendant la flexion du tronc jouent un rôle majeur pour garantir l’équivalence motrice dans ces tâches d’atteinte lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. Également, ils démontrent que la plasticité de long terme survenant spontanément après une lésion vestibulaire unilatérale complète ne serait pas suffisante pour permettre au SNC de retrouver un niveau d’équivalence motrice normal dans les actions combinant un déplacement du bras et du tronc. Ces tâches de coordination bras-tronc constituent ainsi une approche inédite et sensible pour l’évaluation clinique des déficits vestibulaires. Elles permettent de sonder une dimension fonctionnelle des influences vestibulaires qui n’était pas prise en compte dans les tests cliniques usuels, dont la sensibilité relativement limitée empêche souvent la détection d’insuffisances vestibulaires six mois après une lésion de ces voies. Avec cette première étude, nous avons donc exploré comment le cerveau et les voies descendantes intègrent des degrés de liberté articulaires supplémentaires dans le contrôle du bras. Dans la seconde étude (Raptis et al 2010), notre but était de clarifier la nature des variables spécifiées par les voies descendantes pour le contrôle d’actions motrices réalisées avec ce membre. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle les voies corticospinales contrôlent la position et les mouvements des bras en modulant la position-seuil (position de référence à partir de laquelle les muscles commencent à être activés en réponse à une déviation de cette référence). Selon ce principe, les voies corticospinales ne spécifieraient pas directement les patrons d’activité EMG, ce qui se refléterait par une dissociation entre l’EMG et l’excitabilité corticospinale pour des positions-seuils différentes. Dans un manipulandum, des participants (n=16) ont modifié leur angle du poignet, d’une position de flexion (45°) à une position d’extension (-25°), et vice-versa. Les forces élastiques passives des muscles ont été compensées avec un moteur couple afin que les sujets puissent égaliser leur activité EMG de base dans les deux positions. L’excitabilité motoneuronale dans ces positions a été comparée à travers l’analyse des réponses EMG évoquées à la suite d’étirements brefs. Dans les deux positions, le niveau d’EMG et l’excitabilité motoneuronale étaient semblables. De plus, ces tests ont permis de montrer que le repositionnement du poignet était associé à une translation de la position-seuil. Par contre, malgré la similitude de l’excitabilité motoneuronale dans ces positions, l’excitabilité corticospinale des muscles du poignet était significativement différente : les impulsions de stimulation magnétique transcrânienne (TMS; à 1.2 MT, sur l’aire du poignet de M1) ont provoqué des potentiels moteurs évoqués (MEP) de plus grande amplitude en flexion pour les fléchisseurs comparativement à la position d’extension et vice-versa pour les extenseurs (p<0.005 pour le groupe). Lorsque les mêmes positions étaient établies après une relaxation profonde, les réponses réflexes et les amplitudes des MEPs ont drastiquement diminué. La relation caractéristique observée entre position physique et amplitude des MEPs dans le positionnement actif s’est aussi estompée lorsque les muscles étaient relâchés. Cette étude suggère que la voie corticospinale, en association avec les autres voies descendantes, participerait au contrôle de la position-seuil, un processus qui prédéterminerait le référentiel spatial dans lequel l’activité EMG émerge. Ce contrôle de la « référence » constituerait un principe commun s’appliquant à la fois au contrôle de la force musculaire, de la position, du mouvement et de la relaxation. Nous avons aussi mis en évidence qu’il est nécessaire, dans les prochaines recherches ou applications utilisant la TMS, de prendre en compte la configuration-seuil des articulations, afin de bien interpréter les réponses musculaires (ou leurs changements) évoquées par cette technique; en effet, la configuration-seuil influencerait de manière notable l’excitabilité corticomotrice, qui peut être considérée comme un indicateur non seulement lors d’activités musculaires, mais aussi cognitives, après apprentissages moteurs ou lésions neurologiques causant des déficits moteurs (ex. spasticité, faiblesse). Considérées dans leur ensemble, ces deux études apportent un éclairage inédit sur des principes fondamentaux du contrôle moteur : nous y illustrons de manière plus large le rôle du système vestibulaire dans les tâches d’atteinte exigeant une coordination entre le bras et son « support » (le tronc) et clarifions l’implication des voies corticomotrices dans la spécification de paramètres élémentaires du contrôle moteur du bras. De plus amples recherches sont cependant nécessaires afin de mieux comprendre comment les systèmes sensoriels et descendants (e.g. vestibulo-, réticulo-, rubro-, propriospinal) participent et interagissent avec les signaux corticofugaux afin de spécifier les seuils neuromusculaires dans le contrôle de la posture et du mouvement.
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It has been shown that mental rotation of objects and human body parts is processed differently in the human brain. But what about body parts belonging to other primates? Does our brain process this information like any other object or does it instead maximize the structural similarities with our homologous body parts? We tried to answer this question by measuring the manual reaction time (MRT) of human participants discriminating the handedness of drawings representing the hands of four anthropoid primates (orangutan, chimpanzee, gorilla, and human). Twenty-four right-handed volunteers (13 males and 11 females) were instructed to judge the handedness of a hand drawing in palm view by pressing a left/right key. The orientation of hand drawings varied from 0º (fingers upwards) to 90º lateral (fingers pointing away from the midline), 180º (fingers downwards) and 90º medial (finger towards the midline). The results showed an effect of rotation angle (F(3, 69) = 19.57, P < 0.001), but not of hand identity, on MRTs. Moreover, for all hand drawings, a medial rotation elicited shorter MRTs than a lateral rotation (960 and 1169 ms, respectively, P < 0.05). This result has been previously observed for drawings of the human hand and related to biomechanical constraints of movement performance. Our findings indicate that anthropoid hands are essentially equivalent stimuli for handedness recognition. Since the task involves mentally simulating the posture and rotation of the hands, we wondered if "mirror neurons" could be involved in establishing the motor equivalence between the stimuli and the participants' own hands.
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OBJECTIVES: The purpose of the study was to acoustically compare the performance of children who do and do not stutter on diadochokinesis tasks in terms of syllable duration, syllable periods, and peak intensity. METHODS: In this case-control study, acoustical analyses were performed on 26 children who stutter and 20 aged-matched normally fluent children (both groups stratified into preschoolers and school-aged children) during a diadochokinesis task: the repetition of articulatory segments through a task testing the ability to alternate movements. Speech fluency was assessed using the Fluency Profile and the Stuttering Severity Instrument. RESULTS: The children who stutter and those who do not did not significantly differ in terms of the acoustic patterns they produced in the diadochokinesis tasks. Significant differences were demonstrated between age groups independent of speech fluency. Overall, the preschoolers performed poorer. These results indicate that the observed differences are related to speech-motor age development and not to stuttering itself. CONCLUSIONS: Acoustic studies demonstrate that speech segment durations are most variable, both within and between subjects, during childhood and then gradually decrease to adult levels by the age of eleven to thirteen years. One possible explanation for the results of the present study is that children who stutter presented higher coefficients of variation to exploit the motor equivalence to achieve accurate sound production (i.e., the absence of speech disruptions).
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Recent claims of equivalence of animal and human reasoning are evaluated and a study of avian cognition serves as an exemplar of weaknesses in these arguments. It is argued that current research into neurobiological cognition lacks theoretical breadth to substantiate comparative analyses of cognitive function. Evaluation of a greater range of theoretical explanations is needed to verify claims of equivalence in animal and human cognition. We conclude by exemplifying how the notion of affordances in multi-scale dynamics can capture behavior attributed to processes of analogical and inferential reasoning in animals and humans.
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Bimanual actions impose intermanual coordination demands not present during unimanual actions. We investigated the functional neuroanatomical correlates of these coordination demands in motor imagery (MI) of everyday actions using functional magnetic resonance imaging (fMRI). For this, 17 participants imagined unimanual actions with the left and right hand as well as bimanual actions while undergoing fMRI. A univariate fMRI analysis showed no reliable cortical activations specific to bimanual MI, indicating that intermanual coordination demands in MI are not associated with increased neural processing. A functional connectivity analysis based on psychophysiological interactions (PPI), however, revealed marked increases in connectivity between parietal and premotor areas within and between hemispheres. We conclude that in MI of everyday actions intermanual coordination demands are primarily met by changes in connectivity between areas and only moderately, if at all, by changes in the amount of neural activity. These results are the first characterization of the neuroanatomical correlates of bimanual coordination demands in MI. Our findings support the assumed equivalence of overt and imagined actions and highlight the differences between uni- and bimanual actions. The findings extent our understanding of the motor system and may aid the development of clinical neurorehabilitation approaches based on mental practice.
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Assessment and prediction of the impact of vehicular traffic emissions on air quality and exposure levels requires knowledge of vehicle emission factors. The aim of this study was quantification of emission factors from an on road, over twelve months measurement program conducted at two sites in Brisbane: 1) freeway type (free flowing traffic at about 100 km/h, fleet dominated by small passenger cars - Tora St); and 2) urban busy road with stop/start traffic mode, fleet comprising a significant fraction of heavy duty vehicles - Ipswich Rd. A physical model linking concentrations measured at the road for specific meteorological conditions with motor vehicle emission factors was applied for data analyses. The focus of the study was on submicrometer particles; however the measurements also included supermicrometer particles, PM2.5, carbon monoxide, sulfur dioxide, oxides of nitrogen. The results of the study are summarised in this paper. In particular, the emission factors for submicrometer particles were 6.08 x 1013 and 5.15 x 1013 particles per vehicle-1 km-1 for Tora St and Ipswich Rd respectively and for supermicrometer particles for Tora St, 1.48 x 109 particles per vehicle-1 km-1. Emission factors of diesel vehicles at both sites were about an order of magnitude higher than emissions from gasoline powered vehicles. For submicrometer particles and gasoline vehicles the emission factors were 6.08 x 1013 and 4.34 x 1013 particles per vehicle-1 km-1 for Tora St and Ipswich Rd, respectively, and for diesel vehicles were 5.35 x 1014 and 2.03 x 1014 particles per vehicle-1 km-1 for Tora St and Ipswich Rd, respectively. For supermicrometer particles at Tora St the emission factors were 2.59 x 109 and 1.53 x 1012 particles per vehicle-1 km-1, for gasoline and diesel vehicles, respectively.