在動物體內,運動控制是透過神經系統來調節的。無論是自發的意識運動,抑或是無意識的肌肉記憶,又或是本能的反應,所有這些運動都需要神經系統對多模態感覺信息的整合。這些信息來自內部世界(如本體感覺),也來自外部世界。如何在運動中發揮恰當的力量,使得這個過程不僅僅是科學上的挑戰,更是理解生物如何與環境互動的重要一環。
成功的運動控制對於與環境的互動至關重要,不僅僅是為了達成目標,還有助於維持姿勢、平衡和穩定性。
在所有動作中,比如觸碰鼻子,運動神經元的放電會引發肌肉的收縮。在人類體內,大約有150,000個運動神經元控制600多塊肌肉的收縮。這些肌肉需要根據時間的精確模式收縮,以產生適當的力量和動作。
單個運動神經元及其所支配的肌肉纖維稱為運動單元。例如,直肌約有100萬條肌肉纖維,受大約1000個運動神經元的控制。當運動神經元活動時,所有被支配的肌肉纖維同時收縮,形成一個整體。通常,刺激頻率越高,肌肉收縮的力量也越強,直到達到最大力量為止。
運動力量的產生取決於活躍的運動神經元數量及其放電頻率。
運動單元在運動池中的招募順序呈現一種固定模式,從產生少量力量的單元到生成最大力量的單元。這一點可以被稱為Henneman的大小原則,是神經科學中的一項重要發現。
神經系統在產生運動時需選擇激活哪些運動神經元,這是解決運動控制問題中的一大挑戰。系統必須考慮冗餘性、噪音、延遲和不確定性等問題。
此外,非定常性和非線性效應也在神經活動和肌肉收縮中起著重要作用,使得神經系統需對運動進行精確的預測。
不同生物模型,在運動控制的探討中,幫助理解神經回路如何解決這些計算挑戰。包括老鼠、猴子、魚類等多種動物模型提供了重要數據,特別是針對人類健康和疾病的研究。
身體對刺激的反應過程是分階段的,反應時間可以揭示不同階段的處理時長。運動控制系統依賴感覺回饋來改進動作的準確性,這是一種封閉回路的控制系統。對於日常活動來說,這種反饋控制尤為重要。
協調各種運動系統的組件以達成動作是一個核心問題。在某些情況下,運動組件的協調是硬件化的,形成固定的反射通路。反射在穩定運動系統中發揮了重要作用。
簡單的反射如單突觸反射,能夠在沒有大腦直接參與的情況下迅速執行。
運動方案是組織多元素系統的一種神經組織方式。當涉及學習和適應新技能時,這種運動方案對於執行特定動作的精確度至關重要。
人的運動系統是一個精密的機制,當我們想要做某個動作時,大腦如何決定所需的力量和協調方式呢?這不僅是生物學上的問題,也是我們理解運動本質的關鍵所在,究竟我們如何能更好地掌握這些運動技能呢?