Прогулка – это занятие, которое многие считают обыденным. Многие думают, что могут одновременно ходить и жевать жвачку, не прикладывая особых умственных усилий. Действительно, каждая нога может двигаться независимо от другой, контролируемая своей стороной спинного мозга.
Однако, когда на пути встречаются препятствия или асимметрия, например, кривая, способность человеческого мозга координировать походку становится гораздо более сложной задачей. Эта координация, известная как «противофазная связь», требует особого внимания и контроля.
Понимание того, как поддерживается нормальная частота ходьбы, может открыть новые горизонты для улучшения методов реабилитации пациентов с травмами головного мозга или другими неврологическими проблемами.
В исследовании, опубликованном в журнале Communications Biology, ученые из Университета Осаки (Osaka University) собрали кинематические данные здоровых людей, которые ходили по беговой дорожке. Внезапные изменения скорости на дорожке нарушали противофазную связь, но она быстро восстанавливалась по мере того, как испытуемые переориентировались во время ходьбы.
Данные этого эксперимента были проанализированы с помощью математической модели двух связанных осцилляторов, напоминающих два маятника, соединенных пружиной. Этот подход позволил исследователям вычислить наиболее вероятную функцию, которая показывает, как мозг контролирует координацию движений ног.
Чтобы упростить задачу, была применена теория фазовой редукции, которая предполагает, что возмущенная система возвращается к регулярному периодическому решению, называемому предельным циклом.
«Использование байесовского вывода позволило нам сделать количественный вывод о контроле координации ног», — говорит ведущий автор исследования Такахиро Араи (Takahiro Arai).
Удивительно, но исследователи обнаружили, что относительная фаза не контролируется активно до тех пор, пока отклонение от правильной противофазной ориентации не превысит определенный порог. То есть мозг не вмешивается активно для координации относительного положения ног до тех пор, пока они не отойдут от шага в определенной мере. Исследователи предполагают, что отсутствие постоянного контроля повышает энергоэффективность и маневренность.
«Основываясь на нашей модели, мы видим, что мозг не слишком контролирует ситуацию, что ограничивает нашу способность преодолевать препятствия, а также не слишком слаб, что может привести к падению, когда ноги становятся слишком нескоординированными», — говорит старший автор Шинья Аой (Shinya Aoi).
Это исследование может иметь важное значение для улучшения ходьбы пожилых людей или людей, перенесших неврологические последствия инсульта или болезни Паркинсона. Оно также может привести к разработке вспомогательных средств, которые помогут людям ходить более естественно.
Литература:
Interlimb coordination is not strictly controlled during walking, Communications Biology (2024). DOI: 10.1038/s42003-024-06843-w