手抓握運動控制①

蘇遠 付倩

(浙江大學體育科學與技術研究所 浙江杭州 310028)

手的抓握運動是指一個物體在手的包容范圍內被部分或者全部抓緊或握持。手功能抓握模式一般分為：力性抓握和精確抓握[1]。力性抓握是力量性的動作,手指所有關節(jié)屈曲使物體被握持在手掌之間,拇指內收,與手指和手掌形成咬合。精確抓握是拇指和手指的屈肌之間用精細的方式操縱物體,手指通常半屈曲位,拇指外展或對掌。

力性抓握(或力量抓握)包括鉤狀抓握(握手提箱的把手),球狀抓握(握住壘球)和柱狀抓握(拿著瓶子)；精確抓握包括指尖對捏、指掌對捏、側捏(鑰匙捏)和指腹(或尺側)對捏[2]。物體的形狀或大小,還有目的性活動本身決定了抓握的類型。精確抓握可進行物體相對于手和物體在手中的運動,而用力抓握卻不是,有關抓握形成的研究大部分是關于精確抓握的。

1 抓握的運動學

抓握的運動學因物體的屬性不同而多種多樣。Jeannerod[3]用抓握孔徑,即拇指和食指之間的距離來編碼抓握,在夠到抓握物體的過程中,抓握孔徑漸漸打開,手指校正,然后逐漸閉合直到孔徑符合物體的大小。研究表明,物體的大小、重量、質地、易碎性等都影響抓握的動力學[4]。例如抓握表面光滑的物體比抓握表面粗糙的物體,需要提前預期用更大的力。關于這些的研究有很多,但是這些研究很少注意當進行抓握運動時,不同個體手指手型的差異,大部分研究只測量了拇指和食指的最大距離。物體可以以不同的方式被抓握,選擇哪種抓握方式取決于物體的視覺特性。盡管手對要抓握的物體的特征很敏感,在操縱物體來達到預期目標時,手也是一個很靈巧的運動裝置。觸覺系統(tǒng)也很重要。手上的皮膚感受器為手的動作,包括其動力學,姿勢以及抓握和操縱物體時使用的力提供了信息[5]。

2 抓握的運動控制

人體內的控制系統(tǒng)有反饋控制和前饋控制。反饋控制系統(tǒng)是指控制部分發(fā)出指令控制受控部分的活動,而控制部分自身的活動又接受來自受控部分返回信息的影響。由受控部分發(fā)出的信息反過來影響控制部分的活動,稱為反饋。反饋有負反饋和正反饋兩種形式。反饋控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng),因而具有自動控制的能力。前饋控制系統(tǒng)是指控制部分在反饋信息尚未到達前已受到糾正信息(前饋信息),及時糾正其指令可能出現的偏差,這種自動控制形式稱為前饋。

2.1 小腦對預期抓握的控制

小腦主要通過調節(jié)大腦運動系統(tǒng)的下行傳導通路來間接調控運動,而小腦損傷退化會導致各種各樣的肢體隨意運動的異常。這些異常主要是運動的方向、范圍和速度的誤差,被描述為運動障礙或失調。有研究顯示預期抓握行為受小腦退化的干擾[6]。例如在小腦退化損傷后,在手抓握物體的轉運運動過程中,抓握力和運動引起的負荷變化的并行調節(jié)機制不能進行校準。除此之外,小腦損傷的被試通常會產生比負荷過大的力[7]。當我們一手拿托盤,另一個手往這個托盤里扔一重物,握力在物體碰撞到托盤前就提前預期增加[8]。這種情況下,握力有一個預期模式,在重物砸到托盤發(fā)生之前來增加握力來對抗干擾。相對比,當我們閉上眼,另一個人在我們無預期的時候扔下這個重物,我們握力增加在碰撞發(fā)生干擾后100ms,暗示通過大腦皮質和手指感覺反饋的引起的反射變長。手抓握運動控制的機制是需要中樞神經系統(tǒng)持續(xù)不斷的監(jiān)控和修改動作命令應對負荷變化和干擾。慢的抓握運動可以依賴感覺反饋來做出修正,然而快的抓握運動是以前饋模式來計劃和執(zhí)行的,因為這時感覺檢測負荷變化太慢而不能同步修正抓握力。

2.2 感覺系統(tǒng)對抓握反饋的作用

前頂葉間溝回和前運動皮質是抓握過程中視覺-運動轉化的重要區(qū)域,它們編碼不同類型的抓握,在精確抓握中是激活的。視覺反饋功能與夠物和抓握時的準確性和靈活性有關有關[9]。人類后顱部位任何一側受損均可導致視覺共濟失調,患者能描述物體,但抓握能力受損,反之,雙側枕顳皮層受損而存在視覺形成障礙的患者雖不能描述物體,但仍具有抓握能力。皮膚的感覺輸入可以影響抓握力量。如果物體是光滑的,皮膚的傳入會察覺到滑落的信息并激活通路,增加手指肌肉的活動來增加抓握力量,并增加肩肘部的肌肉活動來降低手的加速度。軀體感覺感覺喪失顯著影響抓握力量的調節(jié)。前頂葉受損導致軀體感覺缺陷,會限制精細抓握。后頂葉受損可產生空間定向障礙和誤取。若無視覺反饋,則肢體的缺陷更加嚴重。

2.3 感覺系統(tǒng)對抓握預期(前饋)控制的作用

為了穩(wěn)固的抓握住物體,預先知道物體的特性很重要,有研究用手在抓握接觸物體前的肌電信號來獲得物體的諸如尺寸和重量的相關信息,來確保隨后抓握物體,這在肌電假手控制中也很有用[10]。將要抓握的物體的特征的視覺信息被用來預先計劃完成精細抓握要用的力,比如物體光滑,預期要使用更大的力,再如目測物體很輕,預期使用較小的力。視覺和軀體感覺信息也被用來更新本體感覺和視覺軀體感覺,以使抓握更加精確。比如盒子是滿的,而你原以為是空的,這時小腦會發(fā)出更新的運動輸出計劃,補償你沒有預料到的額外重量,并激活更多的運動神經元,然后抓握的力量會被評估,小腦更新動作,以適應更重的力量。

2.4 運動系統(tǒng)對抓握的作用

抓握與皮質脊髓束和運動神經元的成熟有關。成功的抓握需要完整的初級運動皮質區(qū)和皮質脊髓束,如果這些區(qū)域中的任何一個有損傷,抓握時單個手指的控制會有明顯的問題,但不會影響用力抓握時手指的協(xié)同控制。初級運動皮質區(qū)的神經元細胞在精細抓握時是興奮的,在用力抓握時被抑制[11]。

肌肉骨骼系統(tǒng)對手抓握的作用主要體現在手內在肌和外在肌肌肉結構的協(xié)調作用手的主動控制機制以及手的骨性機制、韌帶機制和肌腱機制等被動控制機制,從而使手能夠靈活的進行各種各樣的抓握操作[12]。

3 未來研究展望

手抓握是一項很復雜的運動,同時手抓握在日常生活和工作中經常遇到,未來研究應該多關注手抓握的神經生理學、心理學的更具體的機制,以及抓握功能障礙患者的治療和康復。

[1]Napier JR.The prehensile movements of the human hand[J].J Bone Joint Surg,1956,38:902-913.

[2]Landsmeer JMF.Power grip and precision grip[J].Ann Rheum Dis,1962,21:164.

[3]Jeannerod M.The timing of natural prehension movements[J].J Mot Behav,1984,16:235-254.

[4]Smeets JBJ,Brenner E.A new view on grasping[J].Mot Cont,1999,3:237-271.

[5]Edin BB,Johansson RS. Skin strain patterns provide kinaesthetic information to the human central nervous system[J].J Physiol,1995,487:243-251.

[6]Blakemore SJ, Frith CD, Wolpert DM. The cerebellum is involved in predicting the sensory consequences of action[J].Neuroreport,2001,12:1879-1884.

[7]Nowak DA, Hermsdorfer J, Rost K, Timmann D, Topka H. Predictive and reactive finger force control during catching in cerebellar degeneration[J]. Cerebellum,2004,3:227-235.

[8]Johansson RS, Westling G. Programmed and triggered actions to rapid load changes during precision grip[J].Exp Brain Res,1988,71:72-86.

[9]Takao F,Toshio I.Utilization of visual feedback of the hand according to target view availability in the online control of prehension movements[J].Human Movement Science,2013,4(32):580-595.

[10]Nadine F,Holger U.Relation between object properties and EMG during reaching to grasp[J].Journal of Electromyograph and Kinesiology,2013,2(23):402-410.

[11]Castiello U. The neuroscience of grasping [J].Nat Rev Neurosci,2005,6:726-736.

[12]Touvet F,Daoud J,Gazeau JP,et al.A biomimetic reach and grasp approach for mechanical hands[J].2012,3(60):473-486.