מבוא לבקרה מוטורית
שליטה מוטורית כוללת אינטגרציה ועיבוד של מידע חושי על ידי מערכת העצבים שלנו, ואחריו תגובה באמצעות מערכת השלד שלנו כדי לבצע פעולה מרצון או לא רצונית. חש…
השליטה בהתנהגות המוטורית, או כיצד המחשבות במוחנו מתורגמות לפעולות של גופנו, היא אחת השאלות החשובות ביותר שניתן לשאול על ידי מדעני התנהגות. זה עניין מדעי בסיסי להבין איך מערכת העצבים שלנו יכולה לתפוס ולשלב מידע חושי ולעורר תגובה באמצעות מערכת השלד והשרירים שלנו. יחד עם זאת, הבנה משופרת של שליטה מוטורית תעזור לנו לבנות כלים טובים יותר כדי לעזור לחולים עם הפרעות מוטוריות.
בסרטון זה תלמדו על הבסיס הנוירוביולוגי של שליטה מוטורית, על השאלות הבסיסיות של התחום, על כמה מהטכניקות הניסיוניות החשובות ועל כמה יישומים ספציפיים של טכניקות אלה כדי לחקור התנהגות מוטורית.
כדי להתחיל, בואו נסתכל על מה שמדענים יודעים כרגע על הנוירוביולוגיה של שליטה מוטורית.
נראה שחלקים שונים של מערכת העצבים שלנו מתפקדים היררכית כדי לשלוט בהתנהגות המוטורית. בראש ההיררכיה הנוירואנטומית נמצאת קליפת המוח המוטורית, המורכבת מהקדם-מוטור והאזור המוטורי העיקרי. קטע קורונל דרך קליפת המוח המוטורית מגלה כי האזור המוטורי העיקרי מקרין "נוירונים מוטוריים עליונים" במורד חוט השדרה כדי לשלוט בתנועות של חלקים שונים. נוירונים השולטים בחלקי גוף ספציפיים הופכים למקומים לאותם אזורים באזור המוטורי, כך שניתן לזהות ולייצג "מפת מנוע" של הגוף בצורה של "הומונקולוס קליפת המוח".
בחלקו החיצוני של האזור המוטורי העיקרי נמצא אזור הפרמוטור, אשר מוצע להיות מעורב בשליטה על תנועות מורכבות ספציפיות למשימה. בנוסף לשליטה ישירה בתנועה, אזור premotor מוצע גם לשחק תפקיד מרכזי בתכנון מוטורי ולמידה.
שני אזורים אחרים במוח עשויים למלא תפקידים אינטגרטיביים חשובים בשליטה מוטורית: המוח הקטן וגרעיני הבסיסית. המוח הקטן משתמש במידע ממערכות חושיות שונות כדי לכוונן היבטים של תנועה, כגון קצב, הליכה, איזון ויציבה. כמו כן הוצע לשחק תפקיד בתכנון מוטורי ולמידה. הגרעינים הבסיסיים, העשירים בחיבורים לקליפת המוח ולחלקים אחרים של המוח, נחשבים כמעורבים בבחירת תנועה אחת מתוך רבים שהוצאה להורג. מחלות מוטוריות עיקריות, כגון פרקינסון והנטינגטון, יוחסו לנגעים בגרעיני הבסיסיים.
בהמשך ההיררכיה המוטורית נמצא גזע המוח וחוט השדרה. נוירונים מוטוריים עליונים מקליפת המוח המוטורית נעים למטה כעונים הפירמידליים, המתחברים לנוירונים המוטוריים התחתונים השולטים ישירות בתנועה. מצד שני, העלונים החוץ-פירמידליים המקבלים תשומות מאזורי מוח אחרים אחראים בעיקר לאפיון היבטי תנועה כגון איזון, יציבה וקואורדינציה.
בנוסף לקבלת הוראות מהרמות הגבוהות יותר, נוירונים מוטוריים שיוצאים מחוט השדרה אחראים גם לביצועים של רפלקסים לא רצוניים בעמוד השדרה, כמו רפלקס הברך, שבו מידע חושי מכתיב ישירות את התגובה המוטורית.
כעת, לאחר שבדקנו את הקורלציה העצבית של השליטה המוטורית, בואו נסתכל על כמה מהשאלות העיקריות בתחום ההתנהגות המוטורית.
בעוד שיש רעיונות גסים על התפקידים של אזורי מוח שונים בשליטה מוטורית, מדענים עדיין מנסים להבין מה קורה למערכות אלה בהפרעות תנועה. פעילויות מוטוריות ספציפיות הנחקרות כוללות איזון וקואורדינציה, כמו גם מיומנות. עם כלים ניסיוניים משופרים, כמה מדענים מנסים לאתר את לוקליזציה של אירועים פתולוגיים מאחורי הפרעות אלה.
שאלה מרכזית נוספת בתחום היא: כיצד התפיסות החושיות שלנו משפיעות על התנועות שלנו? לדוגמה, מדענים מנסים להבין כיצד אשליות חזותיות, או מטרות עם פרספקטיבות שונות, עשויות להשפיע על תנועות מרצון ולא רצוניות. הם גם חוקרים כיצד יציבה מותאמת כאשר הנושא מוצג עם רמזים חזותיים ותנועה שונים.
לבסוף, מדענים מעוניינים גם ללמוד כיצד נרכשים מיומנויות מוטוריות. זה יכול להיות כרוך בניסיון להבין את משך הזמן ואת סוג המשוב הנדרש כדי ללמוד מיומנות מוטורית, ועד כמה קבועה המיומנות המלומדת.
לאחר סקירת כמה מהשאלות העיקריות של התחום, בואו נסתכל על הכלים הניסיוניים המשמשים כדי לענות על שאלות אלה.
מכרסמים, כגון עכברים וחולדות, משמשים בדרך כלל לביצוע בדיקות המעריכים התנהגות מוטורית. לדוגמה, פונקציית לוקומוטור בסיסית ניתן להעריך עם תרגילי הליכון או פעילויות בשטח פתוח, בעוד שיש מכרסמים לממש על הגדרות, כגון קרן האיזון ואת rotarod, מאפשר איזון מוטורי וקואורדינציה להיבדק.
לחלופין, למידה מוטורית יכולה להיחקר במכרסמים באמצעות פרדיגמות הכרוכות בהשגת פרס מזון. משימות טיפול במזון שימושיות גם להערכת המיומנות הנשגב של החיה. בדיקות התנהגותיות אלה יכולות להיות משולבות עם התערבויות כגון מתן תרופות או ניתוח, על מנת לקשר פעילות מוטורית במיוחד לבסיס נוירולוגי מסוים.
לבסוף, כדי לבחון את השינויים הנוירולוגיים המתרחשים במהלך פעילויות מוטוריות, הדמיה וטכניקות מדידה חשמלית ניתן ליישם. טכניקות כגון הדמיה של תאים חיים, אלקטרואנצפלוגרפיה או EEG, ואלקטרומיוגרפיה או EMG ניתן להשתמש כדי למדוד פעילויות עצביות ושרירים בזמן שהנושא מבצע משימה מוטורית.
לאחר שבדקנו כמה שיטות נפוצות המשמשות לחקירת שליטה מוטורית, בואו נדון בכמה יישומים של טכניקות אלה.
כאמור, ניתן לשלב בדיקות התנהגותיות עם פציעות הנגרמות בניתוח כדי לחקור את הקשר בין נגעים עצביים ספציפיים להתנהגות מוטורית. במחקר זה, החוקרים גרמו לפגיעה בצד אחד של חוט השדרה הצווארי בחולדות, ולאחר מכן בדקו את ההשפעות על השימוש בגפיים של בעלי החיים במשימות טיפול בקטרים ובמזון. ניסויים אלה מסייעים למדענים להבין את תפקידם של מעגלים עצביים ספציפיים בפעילות מוטורית בגפיים.
כדי לחקור את התפקיד שמידע חושי ממלא בשליטה מוטורית, חוקרים יכולים לבצע ניסויים שבהם הם מציגים לנבדקים רמזים חושיים ספציפיים ולבחון את השפעתם על התנועה. במחקר זה, המשתתף הוצב בסביבה שבה החזותיות מקיפה ומשטח התמיכה תוכנתו לזוז או להשפיע. לאחר מכן נבחנה יכולתו של הנבדק להתאים את היציבה שלו ולשמור על איזון.
לבסוף, מדענים מסוימים מפתחים פרוטוקולים שבהם נעשה שימוש במצבים מרובים של איסוף נתונים בו זמנית כדי לקבל תמונה מלאה יותר של שליטה מוטורית. במחקר זה שילבו מדענים פרוטוקולי EEG, EMG ולכידת תנועה על מנת לבחון פעילות עצבית אצל המשתתפים המבצעים משימות מוטוריות בעולם האמיתי.
הרגע צפית בסרטון של ג'וב על השליטה בהתנהגות המוטורית. וידאו זה סקר את ההבנה הנוירוביולוגית הנוכחית של שליטה מוטורית, שאלות מפתח ושיטות בולטות של התחום, כמו גם כמה יישומים של השיטות לחקר התנהגות מוטורית. כמו תמיד, תודה שצפית!
השליטה בהתנהגות המוטורית, או כיצד המחשבות במוחנו מתורגמות לפעולות של גופנו, היא אחת השאלות החשובות ביותר שניתן לשאול על ידי מדעני התנהגות. זה עניין מדעי בסיסי להבין איך מערכת העצבים שלנו יכולה לתפוס ולשלב מידע חושי ולעורר תגובה באמצעות מערכת השלד והשרירים שלנו. יחד עם זאת, הבנה משופרת של שליטה מוטורית תעזור לנו לבנות כלים טובים יותר כדי לעזור לחולים עם הפרעות מוטוריות.
בסרטון זה תלמדו על הבסיס הנוירוביולוגי של שליטה מוטורית, על השאלות הבסיסיות של התחום, על כמה מהטכניקות הניסיוניות החשובות ועל כמה יישומים ספציפיים של טכניקות אלה כדי לחקור התנהגות מוטורית.
כדי להתחיל, בואו נסתכל על מה שמדענים יודעים כרגע על הנוירוביולוגיה של שליטה מוטורית.
נראה שחלקים שונים של מערכת העצבים שלנו מתפקדים היררכית כדי לשלוט בהתנהגות המוטורית. בראש ההיררכיה הנוירואנטומית נמצאת קליפת המוח המוטורית, המורכבת מהקדם-מוטור והאזור המוטורי העיקרי. קטע קורונל דרך קליפת המוח המוטורית מגלה כי האזור המוטורי העיקרי מקרין "נוירונים מוטוריים עליונים" במורד חוט השדרה כדי לשלוט בתנועות של חלקים שונים. נוירונים השולטים בחלקי גוף ספציפיים הופכים למקומים לאותם אזורים באזור המוטורי, כך שניתן לזהות ולייצג "מפת מנוע" של הגוף בצורה של "הומונקולוס קליפת המוח".
בחלקו החיצוני של האזור המוטורי העיקרי נמצא אזור הפרמוטור, אשר מוצע להיות מעורב בשליטה על תנועות מורכבות ספציפיות למשימה. בנוסף לשליטה ישירה בתנועה, אזור premotor מוצע גם לשחק תפקיד מרכזי בתכנון מוטורי ולמידה.
שני אזורים אחרים במוח עשויים למלא תפקידים אינטגרטיביים חשובים בשליטה מוטורית: המוח הקטן וגרעיני הבסיסית. המוח הקטן משתמש במידע ממערכות חושיות שונות כדי לכוונן היבטים של תנועה, כגון קצב, הליכה, איזון ויציבה. כמו כן הוצע לשחק תפקיד בתכנון מוטורי ולמידה. הגרעינים הבסיסיים, העשירים בחיבורים לקליפת המוח ולחלקים אחרים של המוח, נחשבים כמעורבים בבחירת תנועה אחת מתוך רבים שהוצאה להורג. מחלות מוטוריות עיקריות, כגון פרקינסון והנטינגטון, יוחסו לנגעים בגרעיני הבסיסיים.
בהמשך ההיררכיה המוטורית נמצא גזע המוח וחוט השדרה. נוירונים מוטוריים עליונים מקליפת המוח המוטורית נעים למטה כעונים הפירמידליים, המתחברים לנוירונים המוטוריים התחתונים השולטים ישירות בתנועה. מצד שני, העלונים החוץ-פירמידליים המקבלים תשומות מאזורי מוח אחרים אחראים בעיקר לאפיון היבטי תנועה כגון איזון, יציבה וקואורדינציה.
בנוסף לקבלת הוראות מהרמות הגבוהות יותר, נוירונים מוטוריים שיוצאים מחוט השדרה אחראים גם לביצועים של רפלקסים לא רצוניים בעמוד השדרה, כמו רפלקס הברך, שבו מידע חושי מכתיב ישירות את התגובה המוטורית.
כעת, לאחר שבדקנו את הקורלציה העצבית של השליטה המוטורית, בואו נסתכל על כמה מהשאלות העיקריות בתחום ההתנהגות המוטורית.
בעוד שיש רעיונות גסים על התפקידים של אזורי מוח שונים בשליטה מוטורית, מדענים עדיין מנסים להבין מה קורה למערכות אלה בהפרעות תנועה. פעילויות מוטוריות ספציפיות הנחקרות כוללות איזון וקואורדינציה, כמו גם מיומנות. עם כלים ניסיוניים משופרים, כמה מדענים מנסים לאתר את לוקליזציה של אירועים פתולוגיים מאחורי הפרעות אלה.
שאלה מרכזית נוספת בתחום היא: כיצד התפיסות החושיות שלנו משפיעות על התנועות שלנו? לדוגמה, מדענים מנסים להבין כיצד אשליות חזותיות, או מטרות עם פרספקטיבות שונות, עשויות להשפיע על תנועות מרצון ולא רצוניות. הם גם חוקרים כיצד יציבה מותאמת כאשר הנושא מוצג עם רמזים חזותיים ותנועה שונים.
לבסוף, מדענים מעוניינים גם ללמוד כיצד נרכשים מיומנויות מוטוריות. זה יכול להיות כרוך בניסיון להבין את משך הזמן ואת סוג המשוב הנדרש כדי ללמוד מיומנות מוטורית, ועד כמה קבועה המיומנות המלומדת.
לאחר סקירת כמה מהשאלות העיקריות של התחום, בואו נסתכל על הכלים הניסיוניים המשמשים כדי לענות על שאלות אלה.
מכרסמים, כגון עכברים וחולדות, משמשים בדרך כלל לביצוע בדיקות המעריכים התנהגות מוטורית. לדוגמה, פונקציית לוקומוטור בסיסית ניתן להעריך עם תרגילי הליכון או פעילויות בשטח פתוח, בעוד שיש מכרסמים לממש על הגדרות, כגון קרן האיזון ואת rotarod, מאפשר איזון מוטורי וקואורדינציה להיבדק.
לחלופין, למידה מוטורית יכולה להיחקר במכרסמים באמצעות פרדיגמות הכרוכות בהשגת פרס מזון. משימות טיפול במזון שימושיות גם להערכת המיומנות הנשגב של החיה. בדיקות התנהגותיות אלה יכולות להיות משולבות עם התערבויות כגון מתן תרופות או ניתוח, על מנת לקשר פעילות מוטורית במיוחד לבסיס נוירולוגי מסוים.
לבסוף, כדי לבחון את השינויים הנוירולוגיים המתרחשים במהלך פעילויות מוטוריות, הדמיה וטכניקות מדידה חשמלית ניתן ליישם. טכניקות כגון הדמיה של תאים חיים, אלקטרואנצפלוגרפיה או EEG, ואלקטרומיוגרפיה או EMG ניתן להשתמש כדי למדוד פעילויות עצביות ושרירים בזמן שהנושא מבצע משימה מוטורית.
לאחר שבדקנו כמה שיטות נפוצות המשמשות לחקירת שליטה מוטורית, בואו נדון בכמה יישומים של טכניקות אלה.
כאמור, ניתן לשלב בדיקות התנהגותיות עם פציעות הנגרמות בניתוח כדי לחקור את הקשר בין נגעים עצביים ספציפיים להתנהגות מוטורית. במחקר זה, החוקרים גרמו לפגיעה בצד אחד של חוט השדרה הצווארי בחולדות, ולאחר מכן בדקו את ההשפעות על השימוש בגפיים של בעלי החיים במשימות טיפול בקטרים ובמזון. ניסויים אלה מסייעים למדענים להבין את תפקידם של מעגלים עצביים ספציפיים בפעילות מוטורית בגפיים.
כדי לחקור את התפקיד שמידע חושי ממלא בשליטה מוטורית, חוקרים יכולים לבצע ניסויים שבהם הם מציגים לנבדקים רמזים חושיים ספציפיים ולבחון את השפעתם על התנועה. במחקר זה, המשתתף הוצב בסביבה שבה החזותיות מקיפה ומשטח התמיכה תוכנתו לזוז או להשפיע. לאחר מכן נבחנה יכולתו של הנבדק להתאים את היציבה שלו ולשמור על איזון.
לבסוף, מדענים מסוימים מפתחים פרוטוקולים שבהם נעשה שימוש במצבים מרובים של איסוף נתונים בו זמנית כדי לקבל תמונה מלאה יותר של שליטה מוטורית. במחקר זה שילבו מדענים פרוטוקולי EEG, EMG ולכידת תנועה על מנת לבחון פעילות עצבית אצל המשתתפים המבצעים משימות מוטוריות בעולם האמיתי.
הרגע צפית בסרטון של ג'וב על השליטה בהתנהגות המוטורית. וידאו זה סקר את ההבנה הנוירוביולוגית הנוכחית של שליטה מוטורית, שאלות מפתח ושיטות בולטות של התחום, כמו גם כמה יישומים של השיטות לחקר התנהגות מוטורית. כמו תמיד, תודה שצפית!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the hierarchical organization of the nervous system in motor control?
Motor control operates through a hierarchical nervous system structure. The motor cortex, consisting of premotor and primary motor areas, sits at the top and projects upper motor neurons down the spinal cord. The cerebellum fine-tunes locomotion aspects like rhythm and balance, while the basal ganglia selects which motion to execute. Lower levels include the brainstem and spinal cord, which handle involuntary reflexes and coordinate movement execution.
Q2: How does the motor cortex map body movements?
The primary motor area contains a motor map where neurons controlling specific body parts are localized to the same regions. This spatial organization can be represented as a cortical homunculus, a distorted map of the body reflecting the relative amount of motor cortex devoted to each body part. The premotor area, located anterior to the primary motor area, controls task-specific complex movements and plays a major role in motor planning and learning.
Q3: What role do the cerebellum and basal ganglia play in motor control?
The cerebellum uses sensory information to fine-tune locomotion aspects such as rhythm, gait, balance, and posture, and contributes to motor planning and learning. The basal ganglia, rich in connections to the cortex, selects which motion to execute from multiple options. Damage to the basal ganglia causes major motor diseases like Parkinson's and Huntington's, highlighting their importance in motor function.
Q4: What are the main research questions in motor control studies?
Scientists investigate how sensory perceptions influence movements, including effects of visual illusions and different perspectives on voluntary and involuntary motions. They study balance, coordination, and dexterity while pinpointing pathological events in movement disorders. Motor skill acquisition is also examined, focusing on the time and feedback required to learn skills and how permanent learned skills become. These questions help develop better treatments for motor disorders.
Q5: How do researchers assess motor behavior in rodent models?
Rodents undergo various behavioral tests to evaluate motor function. Basic locomotor function is assessed using treadmill exercises or open-field activities. Balance and coordination are tested with balance beam and rotarod setups. Motor learning is investigated through reaching tasks for food rewards, while food handling tasks assess forelimb dexterity. These tests can be combined with interventions like drug administration or surgery to link motor activities to specific neurological bases.
Q6: What imaging and electrical techniques measure neural activity during motor tasks?
Live-cell imaging, electroencephalography (EEG), and electromyography (EMG) measure neuronal and muscle activities while subjects perform motor tasks. EEG records brain electrical activity, while EMG captures muscle electrical signals. These techniques can be combined with behavioral tests and interventions to observe neurological changes during movement. Multi-modal data collection using EEG, EMG, and motion-capture protocols provides a comprehensive picture of motor control mechanisms.
Q7: How do spinal cord injuries affect motor behavior in animal models?
Researchers induce cervical spinal cord injuries in rats and test effects on limb-use during locomotion and food handling tasks. These experiments help scientists understand the role of specific neural circuits in limb motor activity. By combining behavioral tests with surgically induced injuries, researchers can establish direct links between particular neural lesions and resulting motor deficits, advancing understanding of motor control mechanisms.