Onderzoek naar hoe het lichaam zich aanpast aan nieuwe bewegingen, werpt nieuw licht op hoe het zenuwstelsel leert, en zou kunnen helpen bij het informeren van een breed scala aan toepassingen, van aangepaste revalidatie en atletische training tot draagbare systemen voor de gezondheidszorg. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Current Biology.
“Hoe komen onze hersenen erachter hoe we ons lichaam het beste kunnen bewegen? Dit is een uitdagend probleem voor het zenuwstelsel, aangezien we honderden spieren hebben die honderden keren per seconde kunnen worden aangesproken – met meer mogelijke coördinatiepatronen om uit te kiezen dan bewegingen op een schaakbord, “zegt senior auteur van de studie en SFU-professor Max Donelan, directeur van SFU’s Locomotion Lab.
“We ervaren vaak veranderingen in ons lichaam en onze omgeving. Misschien geniet u van een lange duurloop op zaterdagochtend – uw spieren kunnen vermoeid raken naarmate de duur van de run toeneemt. Misschien kies je ervoor om op vakantie op het strand te rennen – het zand kan ongelijk en los zijn in vergelijking met het trottoir. Hoewel we registreren dat deze veranderingen hebben plaatsgevonden, beseffen we niet hoe ons lichaam zich aan deze veranderingen aanpast.”
Donelans team van neurowetenschappers die motorisch leren bestuderen, werkte samen met een team van mechanische ingenieurs van Stanford University dat mens-robotsystemen ontwerpt. Samen volgden ze de loopeigenschappen van studiedeelnemers die exoskeletten droegen.
Bevindingen
De onderzoekers ontdekten dat het zenuwstelsel het probleem van het leren van een nieuw bewegingscoördinatie patroon oplost door eerst veel verschillende patronen te onderzoeken en te evalueren. Deze verkenning werd gemeten als een algemene toename in variabiliteit over de niveaus van de hele beweging, het gewricht en de spier.
Met ervaring past het zenuwstelsel specifieke aspecten van beweging aan en vermindert tegelijkertijd de variabiliteit langs deze aspecten. De onderzoekers ontdekten ook dat deze adaptieve veranderingen de beweging in het algemeen verbeterden, waardoor de nodige energie van lopen met ongeveer 25 procent daalde.
“We creëerden nieuwe toestanden met behulp van exoskeletten die helpen bij het lopen, en bestudeerden vervolgens hoe mensen nieuwe bewegingen verkennen en optimaler leren”, zegt Sabrina Abram, hoofdauteur van het onderzoek en voormalig afgestudeerde student in het Locomotion Lab. Deelnemers ervaarden wandelen in deze context gedurende zes dagen, wat resulteerde in ongeveer 30 uur laboratoriumtijd voor elk en een buitengewone hoeveelheid gegevens verzameld door co-auteur Katherine Poggensee.
Hoewel het zenuwstelsel er baat bij lijkt te hebben om eerst tussen veel verschillende coördinatiepatronen te zoeken, profiteert het ook van het in de loop van de tijd verminderen van deze zoekruimte, voegt Abram eraan toe. “Dit komt omdat blijven zoeken tussen coördinatiepatronen die al energie verminderen, op zijn beurt de energie kan verhogen, en kan bijdragen aan het toch al uitdagende probleem om uit te zoeken wat de beste manier is om te bewegen.”
Toepassingen
Begrijpen hoe de hersenen zoeken naar en uitzoeken hoe het lichaam zich het beste verplaatst, is belangrijk voor een hardloper die op nieuw terrein navigeert, evenals voor een patiënt die herstellende is van een dwarslaesie of een beroerte.
Als je bijvoorbeeld weet wanneer het lichaam zich heeft aangepast aan een nieuw trainingsregime, kan dit coaches helpen te bepalen op welk punt een atleet moet overstappen om nieuwe vaardigheden te leren. Dit kan ook handig zijn voor het ontwerpen van draagbare systemen, zoals exoskeletten en protheses, door het leren te vergemakkelijken en vervolgens de optimale reacties van mensen op een reeks ontwerpen te evalueren.
Notities Donelan: “We willen allemaal zo goed mogelijk bewegen. Voor gezonde mensen lijkt het erop dat, met de juiste omstandigheden, de hersenen hiervoor kunnen zorgen. Voor degenen die herstellen van een blessure, kunnen we leren hoe ze deze blessure het beste kunnen rehabiliteren door beter te begrijpen hoe het zenuwstelsel zich leert te passen.”
Vertaling: Andre Teirlinck