Результаты приносят новое понимание нейронного контроля и эволюции человеческой руки, а также потенциально новые способы помощи инвалидам.Исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences
Под руководством Мадхусудхана Венкадесана, доцента кафедры машиностроения и материаловедения, исследователи изучили стабильность пальцев при приложении силы к наконечнику. В частности, они изучили так называемый «прецизионный захват», при котором указательный палец находится в согнутом положении, например, при продевании нитки в иглу или обращении с мелким предметом. Проблема с этим стилем захвата заключается в том, что палец имеет естественную тенденцию внезапно сгибаться, своего рода быстрое щелкающее движение суставов. Поддержание стабильного захвата, без какого-либо изгиба пальцев, имеет решающее значение для сбора вещей и других повседневных задач. Так что же мешает нашим пальцам постоянно сгибаться?
«Классический результат механики предсказывает, что цепь стержней, соединенных суставами, называемыми механическими связями, будет изгибаться при сжатии», — сказала Нилима Шарма, ведущий автор, бывший аспирант лаборатории Венкадесана, а ныне аспирант Чикагского университета. «Это как тонкая проволока, которая прогнется, если вы попытаетесь сжать ее по всей длине. Пальцы также похожи на эти связи, и силы кончика пальца могут привести к тому, что палец согнется».
Чтобы выяснить, как быстро наши пальцы сгибаются, они провели эксперимент, в котором попросили людей надавить кончиком согнутых указательных пальцев как можно сильнее на плоскую поверхность. Палец оставался стабильным большую часть времени, но иногда щелкал и сгибался. Исследователи хотели знать, насколько наши рефлексы отвечают за поддержание стабильности. Вероятно, не так много, решили они после определения времени действия пряжки.
«Все щелкающее движение невероятно быстрое — в основном менее 50 миллисекунд», — сказал Венкадесан.
Обычно требуется примерно столько же времени, чтобы нервный сигнал от кончика пальца достиг спинного мозга и обратно.
«Таким образом, едва ли достаточно времени — и, скорее всего, вообще недостаточно времени — для стабилизирующего рефлекторного ответа».
Если не нервные рефлексы, то что может быть ответственно за поддержание стабильности наших пальцев? Исследователи думали, что за это может отвечать пружинящее действие наших мышц. Но математическая модель, которую они разработали для пальца, предсказала, что использование мышц для обеспечения жесткости будет происходить за счет снижения силы. Поэтому они провели еще одну серию экспериментов, в которых применяли внешнюю жесткость, фиксируя шину на суставах пальцев, позволяя мышцам сосредоточиться на силе, а не на стабильности.
«Когда мы добавили шину, все были сильнее», — сказал Венкадесан-в среднем на 30 процентов сильнее. Еще более интересным для исследователей было то, как эти достижения варьировались между субъектами. «Мы хотели понять, почему она отличается от человека к человеку. И то, что вы видите, это то, что люди, которые уменьшили свое совместное сжатие больше, могут производить больше силы».
Совместное сокращение-это одновременное сокращение нескольких мышц, которое помогает нам увеличить жесткость, например, напрягая ваше тело, сокращая много мышц.
Они пришли к выводу, что моторные навыки точного захвата происходят из компромисса между стабильностью пальцев, силой и гибкостью, что требует тщательного нейронного контроля нескольких мышц. При захвате мышцы с обеих сторон суставов пальцев сжимаются, чтобы стабилизировать суставы, но уменьшают силу и гибкость наших пальцев.
Венкадесан сравнивает пальцы, кисть и руку с марионеткой, ее струнами являются мышцы и сухожилия.
«Ваша нервная система должна быть осторожна в том, как она управляет всеми этими мышцами, чтобы управлять этой марионеткой и поддерживать ее стабильность», — сказал он. «Как только вы это узнаете, акт стабилизации происходит благодаря механике системы».
И, математически моделируя эти механики, исследователи смогли определить, что они не уникальны для пальцев.
«Это более общая проблема, которая применима к любой многозвенной части тела-целым ногам, всему телу», — сказал он. «Некоторая версия этого трехстороннего компромисса — стабильность, сила и гибкость — неизбежно применима».
В дополнение к открытию путей для лечения травм и создания протезов, это окно в работу рук и других конечностей предлагает некоторые направления для изучения с точки зрения ранней эволюции человека.
«Некоторые морфологии рук лучше справляются с компромиссом, чем другие? Как руки наших самых ранних двуногих предков, примерно от 3 до 4 миллионов лет назад, сравниваются с современной человеческой рукой? Существует целый ряд открытых вопросов для изучения».