Координация движений руки: экспериментально подтвержденная математическая модель

Представлены исследования координации произвольных движений руки человека. Сформулирована математическая модель, которая, как показано, предсказывает как качественные особенности, так и количественные детали, наблюдаемые экспериментально при плоских многосуставных движениях руки. Координация математически моделируется путем задания целевой функции — меры эффективности любого возможного движения. Единственная траектория, обеспечивающая наилучшую эффективность, определяется с помощью теории динамической оптимизации. В данной работе в качестве целевой функции использован квадрат модуля рывка кисти, интегрированный по всей траектории движения. Это эквивалентно предположению о том, что одна из основных целей моторной координации — обеспечение максимально плавного движения кисти. Представлены экспериментальные наблюдения за людьми, выполнявшими произвольные движения без ограничений в горизонтальной плоскости. Они подтверждают следующие предсказания математической модели: незаторможенные движения из точки в точку являются приблизительно прямолинейными и имеют колоколообразный профиль тангенциальной скорости; криволинейные движения (через промежуточную точку или вокруг препятствия) имеют участки с малой кривизной, соединенные участками с высокой кривизной; в точках высокой кривизны тангенциальная скорость уменьшается; длительность участков с малой кривизной примерно одинакова. Теоретический анализ основан только на кинематике движения, независимо от динамики опорно-двигательного аппарата, и оказывается успешным лишь при формулировке в терминах движения кисти в экстракорпоральном пространстве. Обсуждаются следствия для организации движений.