Motorische controle
Week 1
Vrijheidsgradenprobleem
19e eeuw – Homunculus
Arm heeft 7 vrijheidsgraden. (3 hoeken schouder, 2 hoeken ellenboog en 2 hoeken pols)
Hoe kunnen we 7 vrijheidsgraden controleren?
Vrijheidsgradenprobleem:
Het aantal vrijheidsgraden in het lichaam is dusdanig groot, dat het te ingewikkeld is alle
vrijheidsgraden individueel aan te sturen.
Mensen voeren doelgerichte bewegingen uit. Dus het vrijheidsgraden probleem wordt op
een of andere manier opgelost.
Hoe wordt het vrijheidsgradenprobleem in het menselijk lichaam opgelost?
Voordelen van het grote aantal vrijheidsgraden:
Struikelen, maar niet vallen: door het aantal vrijheidsgraden kan je je aanpassen aan de
situatie waardoor je niet perse valt als je struikelt over iets. Het grote aantal vrijheidsgraden
geeft dus flexibiliteit een bewegingsdoel kan op meerdere manieren behaald worden.
Er zijn veel verschillende soorten oplossingen van het vrijheidsgradenprobleem.
Je lichaam heeft te maken met verschillende taakeisen (evenwicht of precisie?)
Hardlopen vs iets kleins pakken: Lopen wordt voor een belangrijk deel vanuit het
ruggenmerg aangestuurd en de armen/handen worden vooral aangestuurd door de
motorische cortex. Dus er zijn per beweging andere neurale structuren betrokken.
Dus de vraag is: verwacht je dezelfde principes van organisatie van de vrijheidsgraden?
Neurale systeem van de vis is eenvoudiger dan van de mens. Over de evolutie ontstaan
nieuwe hersenstructuren en de rol van verschillende hersenstructuren verandert. Dus de rol
in de organisatie van de vrijheidsgraden verandert ook over de evolutie. Tegelijkertijd wordt
er over de evolutie steeds complexer gedrag mogelijk, en het complexe gedrag heeft ook
veel cognitieve aspecten.
Bij motorische controle zijn er een aantal vormen van gedrag (op volgorde van specifieke
neurale structuren tot meerdere neurale structuren in een netwerk betrokken):
- Reflexen (weinig cognitie)
- Houdingscontrole
- Voortbewegen
- Wijzen/grijpen
- Sequenties van gedrag (veel cognitie)
,Dit betekent dat er op verschillende niveaus bij verschillende taken, veel verschillende
oplossingen zullen worden gevonden voor het vrijheidsgradenprobleem. Dus op bepaald
niveau, met een bepaalde taak, zal het vrijheidsgradenprobleem worden gecontroleerd. De
oplossing zit bij verschillende subsystemen.
Er zijn verschillende aspecten om bewegingsgedrag te meten:
- Kinematica positie, snelheid, versnelling ledemaat
- Krachtplaat
- Electromyogram (EMG) spieractiviteit
Kinematica
Kinematica is het verplaatsen van een ledemaat door de ruimte met een bepaalde positie,
snelheid en versnelling.
Deze kan je beschrijven.
Tegenwoordig maken we gebruik van camera.
Maar er wordt ook nog weleens een goniometer gebruikt of een weerstandsmeter.
De camerasystemen zijn heel populair. Het idee is dat je de pixels relateert aan een bepaalde
locatie in de ruimte. En dat kan je wiskundig berekenen. Je kan dan het beeld en de
berekende locatie in de ruimte met elkaar vergelijken.
Er zijn momenteel twee meettechnieken m.b.t. camerasystemen in gebruik voor kinematica:
- Passieve systemen
o Camera zendt IR licht uit en op het model reflecterende markers
o Markers kunnen uit beeld raken
- Actieve systemen
o Markers zenden zelf licht uit, om de beurt en dit wordt gemeten met een
camera
o Systeem weet altijd welke marker gemeten wordt.
Een marker meet begin- en eindpositie. Dat signaal kan je differentiëren, waardoor je de
snelheid weet. Als je dit dan weer differentieert, krijg de versnelling.
Pixels veroorzaken afwijking (ruis) in de meetsignalen. Waardoor kleine meetafwijkingen
vaak enorm worden verstoord en je versnelling vaak enorm verstoord is geraakt. Om de
versnelling toch correct te meten zijn er apparaten bedacht die direct de versnelling meten.
Zoals: piezo-elektrisch materiaal. Deze zet druk om in spanning. Massa drukt op materiaal en
dat wordt omgezet in stroom. De versnellingsopnemer meet maar één as.
De versnelling meet je aan de hand van zwaartekracht.
Er is altijd een gravitatiekracht aanwezig. Oriëntatie van versnellingsopnemer opmeten. Je
kan daarmee ook activiteiten monitoren, dus dit is geschikt voor de grove motoriek.
Met IMMS kan je activiteiten over de dag makkelijk monitoren. IMMS kunnen bewegen in
vrije situaties omdat hij gebruik maakt van de gravitatieversnelling. Dus je bent niet
gekoppeld aan een bepaald meetformule.
,Krachtplaat
Sommige materialen veranderen van elektrische weerstand als ze vervormen. Wanneer er
een kracht wordt uitgeoefend op een voorwerp, verandert de elektrische weerstand. Dit is
erg nauwkeurig.
Kalibreren: wat is de verandering in weerstand bij een bepaalde kracht.
Je kan krachten in 3 dimensies berekenen.
De krachtplaat meet de grondreactiekracht. GRF is even groot als de kracht die het lichaam
uitvoert, maar in tegengestelde richting.
EMG
Meet de motorunit actiepotentiaal van een spier. Dit is de som van alle de elektrische
activiteit van alle actieve motorunits. EMG hangt af de soort taak, specifieke
spiereigenschappen. De EMG-amplitude neemt toe als de spier sterker contraheert. De
relatie tussen de EMG-amplitude en de spierkracht is niet lineair. Bij motorische controle
wordt vooral gekeken naar de ‘lineaire envelop’.
Hoofdstuk 1
1.1 Goal-directed motor behaviour
Doelgericht motorisch gedrag.
Motorisch gedrag
- Gedrag als gevolg van aanspannen van de spieren
- Niet altijd een beweging, denk aan stilstaan
- Gericht op het behalen van een doel
o Doelgericht gedrag
o Bewegingen worden aangepast op de situatie
Motorisch gedrag is een vrij algemene term.
Beweging= verplaatsing van een ledemaat
Handeling= uitvoering van een taak
Bewegingen worden aangepast om een handeling uit te voeren in verschillende situaties.
Herhalingen van bewegingen zijn nooit hetzelfde. Er is veel variatie in verandering van
gewrichtshoeken.
Door de hoeveelheid vrijheidsgraden is het mogelijk dat er zoveel variatie is.
Er is variatie in de gewrichten die de plek op het doel verandert, maar ook in de gewrichten
die de plek op het doel niet verandert.
Handelingen worden uitgevoerd om een doel te bereiken.
1.2 principles of error-correcting feedback control
Principes van op fouten gebaseerde feedback controle
, Wat is controle?
Je wil ervoor zorgen dat motorisch gedrag zich gedraagt zoals jij dat wil.
Motorisch gedrag
Bewegingssysteem zo beïnvloeden dat het zich gedraagt volgens de eisen gesteld door
de taak.
Gecontroleerde variabele
- Output variabele
- Eigenschap/ resultaat van de beweging
Controle variabele
- Variabele die controleerbaar is door het neurale systeem
- Waarde/instelling controle variabele resulteert in een bepaalde beweging
Error-correcting feedback controle
De fout herstel je over herhaling van een bepaalde beweging.
1. Observeren wat de gecontroleerde variabele doet
2. Verschil vaststellen tussen vereiste waarde en huidige waarde (=fout)
3. Vaststellen welke beweging de fout elimineert
Omzetten van de fout naar de controle variabele
Om de huidige positie van de hand en het doel te achterhalen heb je een sensor nodig, die
gemeten waarde van de gecontroleerde variabele wordt naar de controller gevoerd. Deze
heeft een gewenste positie van de gecontroleerde variabele (de hand). Op het moment dat
er een verschil ontstaat tussen de huidige positie en de gewenste positie, berekend die
controller een fout dat gebeurd in het centrale zenuwstelsel. Die fout wordt omgezet door
een transformatie in bepaalde spieractivaties, ook wel de controle input, wordt geleid naar
het gecontroleerde systeem (arm en hand) en die spieractivaties leiden tot een nieuwe
positie van de hand, en dat is de gecontroleerde output variabele. Die positie wordt weer
gemeten en dit proces gaat door tot dat de hand de doelpositie heeft bereikt.
Wat gebeurt er bij het omzetten van de error tot spieractivatie?
Fout verandering controle variabele
Een fout heeft een bepaalde richting en grootte. Dan zou je kunnen zeggen: ongeacht de
grootte of richting van de fout, wordt dezelfde correctie van de controle variabele gebruikt.
Dus dat betekent: hoe groter de fout, hoe langer het duurt om deze te corrigeren. Maar als
je een kleine fout hebt, is het lastiger om op het doel uit te komen.
Week 1
Vrijheidsgradenprobleem
19e eeuw – Homunculus
Arm heeft 7 vrijheidsgraden. (3 hoeken schouder, 2 hoeken ellenboog en 2 hoeken pols)
Hoe kunnen we 7 vrijheidsgraden controleren?
Vrijheidsgradenprobleem:
Het aantal vrijheidsgraden in het lichaam is dusdanig groot, dat het te ingewikkeld is alle
vrijheidsgraden individueel aan te sturen.
Mensen voeren doelgerichte bewegingen uit. Dus het vrijheidsgraden probleem wordt op
een of andere manier opgelost.
Hoe wordt het vrijheidsgradenprobleem in het menselijk lichaam opgelost?
Voordelen van het grote aantal vrijheidsgraden:
Struikelen, maar niet vallen: door het aantal vrijheidsgraden kan je je aanpassen aan de
situatie waardoor je niet perse valt als je struikelt over iets. Het grote aantal vrijheidsgraden
geeft dus flexibiliteit een bewegingsdoel kan op meerdere manieren behaald worden.
Er zijn veel verschillende soorten oplossingen van het vrijheidsgradenprobleem.
Je lichaam heeft te maken met verschillende taakeisen (evenwicht of precisie?)
Hardlopen vs iets kleins pakken: Lopen wordt voor een belangrijk deel vanuit het
ruggenmerg aangestuurd en de armen/handen worden vooral aangestuurd door de
motorische cortex. Dus er zijn per beweging andere neurale structuren betrokken.
Dus de vraag is: verwacht je dezelfde principes van organisatie van de vrijheidsgraden?
Neurale systeem van de vis is eenvoudiger dan van de mens. Over de evolutie ontstaan
nieuwe hersenstructuren en de rol van verschillende hersenstructuren verandert. Dus de rol
in de organisatie van de vrijheidsgraden verandert ook over de evolutie. Tegelijkertijd wordt
er over de evolutie steeds complexer gedrag mogelijk, en het complexe gedrag heeft ook
veel cognitieve aspecten.
Bij motorische controle zijn er een aantal vormen van gedrag (op volgorde van specifieke
neurale structuren tot meerdere neurale structuren in een netwerk betrokken):
- Reflexen (weinig cognitie)
- Houdingscontrole
- Voortbewegen
- Wijzen/grijpen
- Sequenties van gedrag (veel cognitie)
,Dit betekent dat er op verschillende niveaus bij verschillende taken, veel verschillende
oplossingen zullen worden gevonden voor het vrijheidsgradenprobleem. Dus op bepaald
niveau, met een bepaalde taak, zal het vrijheidsgradenprobleem worden gecontroleerd. De
oplossing zit bij verschillende subsystemen.
Er zijn verschillende aspecten om bewegingsgedrag te meten:
- Kinematica positie, snelheid, versnelling ledemaat
- Krachtplaat
- Electromyogram (EMG) spieractiviteit
Kinematica
Kinematica is het verplaatsen van een ledemaat door de ruimte met een bepaalde positie,
snelheid en versnelling.
Deze kan je beschrijven.
Tegenwoordig maken we gebruik van camera.
Maar er wordt ook nog weleens een goniometer gebruikt of een weerstandsmeter.
De camerasystemen zijn heel populair. Het idee is dat je de pixels relateert aan een bepaalde
locatie in de ruimte. En dat kan je wiskundig berekenen. Je kan dan het beeld en de
berekende locatie in de ruimte met elkaar vergelijken.
Er zijn momenteel twee meettechnieken m.b.t. camerasystemen in gebruik voor kinematica:
- Passieve systemen
o Camera zendt IR licht uit en op het model reflecterende markers
o Markers kunnen uit beeld raken
- Actieve systemen
o Markers zenden zelf licht uit, om de beurt en dit wordt gemeten met een
camera
o Systeem weet altijd welke marker gemeten wordt.
Een marker meet begin- en eindpositie. Dat signaal kan je differentiëren, waardoor je de
snelheid weet. Als je dit dan weer differentieert, krijg de versnelling.
Pixels veroorzaken afwijking (ruis) in de meetsignalen. Waardoor kleine meetafwijkingen
vaak enorm worden verstoord en je versnelling vaak enorm verstoord is geraakt. Om de
versnelling toch correct te meten zijn er apparaten bedacht die direct de versnelling meten.
Zoals: piezo-elektrisch materiaal. Deze zet druk om in spanning. Massa drukt op materiaal en
dat wordt omgezet in stroom. De versnellingsopnemer meet maar één as.
De versnelling meet je aan de hand van zwaartekracht.
Er is altijd een gravitatiekracht aanwezig. Oriëntatie van versnellingsopnemer opmeten. Je
kan daarmee ook activiteiten monitoren, dus dit is geschikt voor de grove motoriek.
Met IMMS kan je activiteiten over de dag makkelijk monitoren. IMMS kunnen bewegen in
vrije situaties omdat hij gebruik maakt van de gravitatieversnelling. Dus je bent niet
gekoppeld aan een bepaald meetformule.
,Krachtplaat
Sommige materialen veranderen van elektrische weerstand als ze vervormen. Wanneer er
een kracht wordt uitgeoefend op een voorwerp, verandert de elektrische weerstand. Dit is
erg nauwkeurig.
Kalibreren: wat is de verandering in weerstand bij een bepaalde kracht.
Je kan krachten in 3 dimensies berekenen.
De krachtplaat meet de grondreactiekracht. GRF is even groot als de kracht die het lichaam
uitvoert, maar in tegengestelde richting.
EMG
Meet de motorunit actiepotentiaal van een spier. Dit is de som van alle de elektrische
activiteit van alle actieve motorunits. EMG hangt af de soort taak, specifieke
spiereigenschappen. De EMG-amplitude neemt toe als de spier sterker contraheert. De
relatie tussen de EMG-amplitude en de spierkracht is niet lineair. Bij motorische controle
wordt vooral gekeken naar de ‘lineaire envelop’.
Hoofdstuk 1
1.1 Goal-directed motor behaviour
Doelgericht motorisch gedrag.
Motorisch gedrag
- Gedrag als gevolg van aanspannen van de spieren
- Niet altijd een beweging, denk aan stilstaan
- Gericht op het behalen van een doel
o Doelgericht gedrag
o Bewegingen worden aangepast op de situatie
Motorisch gedrag is een vrij algemene term.
Beweging= verplaatsing van een ledemaat
Handeling= uitvoering van een taak
Bewegingen worden aangepast om een handeling uit te voeren in verschillende situaties.
Herhalingen van bewegingen zijn nooit hetzelfde. Er is veel variatie in verandering van
gewrichtshoeken.
Door de hoeveelheid vrijheidsgraden is het mogelijk dat er zoveel variatie is.
Er is variatie in de gewrichten die de plek op het doel verandert, maar ook in de gewrichten
die de plek op het doel niet verandert.
Handelingen worden uitgevoerd om een doel te bereiken.
1.2 principles of error-correcting feedback control
Principes van op fouten gebaseerde feedback controle
, Wat is controle?
Je wil ervoor zorgen dat motorisch gedrag zich gedraagt zoals jij dat wil.
Motorisch gedrag
Bewegingssysteem zo beïnvloeden dat het zich gedraagt volgens de eisen gesteld door
de taak.
Gecontroleerde variabele
- Output variabele
- Eigenschap/ resultaat van de beweging
Controle variabele
- Variabele die controleerbaar is door het neurale systeem
- Waarde/instelling controle variabele resulteert in een bepaalde beweging
Error-correcting feedback controle
De fout herstel je over herhaling van een bepaalde beweging.
1. Observeren wat de gecontroleerde variabele doet
2. Verschil vaststellen tussen vereiste waarde en huidige waarde (=fout)
3. Vaststellen welke beweging de fout elimineert
Omzetten van de fout naar de controle variabele
Om de huidige positie van de hand en het doel te achterhalen heb je een sensor nodig, die
gemeten waarde van de gecontroleerde variabele wordt naar de controller gevoerd. Deze
heeft een gewenste positie van de gecontroleerde variabele (de hand). Op het moment dat
er een verschil ontstaat tussen de huidige positie en de gewenste positie, berekend die
controller een fout dat gebeurd in het centrale zenuwstelsel. Die fout wordt omgezet door
een transformatie in bepaalde spieractivaties, ook wel de controle input, wordt geleid naar
het gecontroleerde systeem (arm en hand) en die spieractivaties leiden tot een nieuwe
positie van de hand, en dat is de gecontroleerde output variabele. Die positie wordt weer
gemeten en dit proces gaat door tot dat de hand de doelpositie heeft bereikt.
Wat gebeurt er bij het omzetten van de error tot spieractivatie?
Fout verandering controle variabele
Een fout heeft een bepaalde richting en grootte. Dan zou je kunnen zeggen: ongeacht de
grootte of richting van de fout, wordt dezelfde correctie van de controle variabele gebruikt.
Dus dat betekent: hoe groter de fout, hoe langer het duurt om deze te corrigeren. Maar als
je een kleine fout hebt, is het lastiger om op het doel uit te komen.
