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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8966 (2023) Citare questo articolo

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Un fenomeno auto-organizzato nella coordinazione posturale è essenziale per comprendere il meccanismo di auto-commutazione delle modalità di coordinazione posturale in fase e anti-fase durante la posizione eretta e le relative attività sopra-posturali. In precedenza, era stato proposto un approccio basato su modelli per riprodurre tale fenomeno auto-organizzato. Tuttavia, se poniamo questo problema includendo il processo con cui stabiliamo il modello predittivo interno nel nostro sistema nervoso centrale, il processo di apprendimento è fondamentale da considerare per stabilire una rete neurale per la gestione del controllo posturale adattivo. In particolare quando le caratteristiche corporee possono cambiare a causa della crescita o dell’invecchiamento o sono inizialmente sconosciute ai neonati, una capacità di apprendimento può migliorare l’iperadattabilità del controllo motorio umano per mantenere la stabilità posturale e risparmiare energia nella vita quotidiana. Questo studio ha tentato di generare una rete neurale auto-organizzante in grado di coordinare in modo adattivo la modalità posturale senza assumere un modello corporeo precedente per quanto riguarda la dinamica e la cinematica del corpo. Le modalità di coordinazione posturale sono riprodotte nelle attività di tracciamento del bersaglio attraverso un algoritmo di apprendimento con rinforzo profondo. Le transizioni tra i tipi di coordinazione posturale, cioè le modalità di coordinazione in fase e anti-fase, potrebbero essere riprodotte modificando la condizione del compito del bersaglio di tracciamento della testa, modificando le frequenze del bersaglio in movimento. Queste modalità sono considerate fenomeni emergenti esistenti nelle attività di tracciamento della testa umana. Vari indici di valutazione, come la correlazione e la fase relativa dell'articolazione dell'anca e della caviglia, vengono analizzati per verificare le prestazioni della rete neurale auto-organizzante per produrre la transizione della coordinazione posturale tra le modalità in fase e anti-fase. Inoltre, dopo l'apprendimento, la rete neurale può anche adattarsi ai continui cambiamenti delle condizioni del compito e persino alle condizioni della massa corporea non appresa, mantenendo un'alternanza coerente tra modalità in fase e anti-fase.

Comprendere la coordinazione posturale umana è essenziale per progettare esercizi di riabilitazione per migliorare la qualità della vita degli anziani e delle persone con disabilità motorie o con disturbi cerebrali come l'ictus. Esplorare i meccanismi di controllo della postura adattivi e sinergici è importante per promuovere il recupero dell’equilibrio attraverso un’efficace progettazione dell’allenamento fisico.

Sono stati ampiamente condotti studi sul controllo dell'equilibrio umano per comprendere le capacità di apprendimento motorio umano nelle attività quotidiane in piedi1,2. Le strategie di base per il controllo dell'equilibrio umano, come la strategia della caviglia e la strategia dell'anca, sono state ben studiate attraverso esperimenti umani3,4,5 e simulazioni di modelli computazionali6,7,8,9,10. Queste strategie, compresi i vincoli cinematici e cinetici dei motori del corpo, ci aiuterebbero a comprendere l’attuale cambio di modalità funzionale della coordinazione posturale nel controllo dell’equilibrio sotto varie perturbazioni esterne o nelle attività sopra-posturali correlate.

Per valutare i modelli di coordinazione sono stati definiti i modelli di controllo posturale sulle articolazioni dell'anca e della caviglia3 e le relative fasi, come in fase e antifase. I loro punti di forza e i loro limiti sono stati discussi in uno studio11 sulla coordinazione posturale anca-caviglia in vari compiti di raggiungimento. In quanto unità di coordinazione del movimento12, i movimenti tra le articolazioni dell'anca e della caviglia sono necessari per il controllo posturale in posizione statica13. È stata osservata la coordinazione di caviglia e anca durante la strategia in posizione tranquilla14, per due condizioni: occhi aperti e chiusi, con i corrispondenti ritratti di fase dello spostamento angolare, velocità e accelerazione dell'anca e della caviglia. I contributi delle articolazioni della caviglia e dell'anca sono stati distinti per il controllo multisegmento negli esperimenti umani su partecipanti sani e affetti da Parkinson, nonché nelle simulazioni di modelli computazionali15. Allo stesso modo, la coordinazione del movimento intersegmento tra le articolazioni dell'anca e della caviglia influenzata dalle frequenze di oscillazione per quanto riguarda le strategie di controllo dell'equilibrio, come la strategia della caviglia e dell'anca-caviglia, è stata utilizzata per valutare i disturbi sensoriali e motori nella lesione incompleta del midollo spinale (iSCI) 16. Per quanto riguarda il fenomeno auto-organizzativo della coordinazione posturale, i lavori del gruppo Bardy sono ben noti sul fatto che la modalità auto-organizzativa emerge naturalmente con due modalità, "in fase o anti-fase", delle articolazioni dell'anca e della caviglia negli esperimenti di tracciamento della testa umana17 ,18,19. A seconda della frequenza target nel compito assegnato al soggetto, la modalità in fase è stata utilizzata per le basse frequenze e la modalità antifase è stata utilizzata per le alte frequenze.