手抓握运动控制①

苏远 付倩

(浙江大学体育科学与技术研究所 浙江杭州 310028)

手的抓握运动是指一个物体在手的包容范围内被部分或者全部抓紧或握持。手功能抓握模式一般分为：力性抓握和精确抓握[1]。力性抓握是力量性的动作,手指所有关节屈曲使物体被握持在手掌之间,拇指内收,与手指和手掌形成咬合。精确抓握是拇指和手指的屈肌之间用精细的方式操纵物体,手指通常半屈曲位,拇指外展或对掌。

力性抓握(或力量抓握)包括钩状抓握(握手提箱的把手),球状抓握(握住垒球)和柱状抓握(拿着瓶子)；精确抓握包括指尖对捏、指掌对捏、侧捏(钥匙捏)和指腹(或尺侧)对捏[2]。物体的形状或大小,还有目的性活动本身决定了抓握的类型。精确抓握可进行物体相对于手和物体在手中的运动,而用力抓握却不是,有关抓握形成的研究大部分是关于精确抓握的。

1 抓握的运动学

抓握的运动学因物体的属性不同而多种多样。Jeannerod[3]用抓握孔径,即拇指和食指之间的距离来编码抓握,在够到抓握物体的过程中,抓握孔径渐渐打开,手指校正,然后逐渐闭合直到孔径符合物体的大小。研究表明,物体的大小、重量、质地、易碎性等都影响抓握的动力学[4]。例如抓握表面光滑的物体比抓握表面粗糙的物体,需要提前预期用更大的力。关于这些的研究有很多,但是这些研究很少注意当进行抓握运动时,不同个体手指手型的差异,大部分研究只测量了拇指和食指的最大距离。物体可以以不同的方式被抓握,选择哪种抓握方式取决于物体的视觉特性。尽管手对要抓握的物体的特征很敏感,在操纵物体来达到预期目标时,手也是一个很灵巧的运动装置。触觉系统也很重要。手上的皮肤感受器为手的动作,包括其动力学,姿势以及抓握和操纵物体时使用的力提供了信息[5]。

2 抓握的运动控制

人体内的控制系统有反馈控制和前馈控制。反馈控制系统是指控制部分发出指令控制受控部分的活动,而控制部分自身的活动又接受来自受控部分返回信息的影响。由受控部分发出的信息反过来影响控制部分的活动,称为反馈。反馈有负反馈和正反馈两种形式。反馈控制系统是一个闭环系统,因而具有自动控制的能力。前馈控制系统是指控制部分在反馈信息尚未到达前已受到纠正信息(前馈信息),及时纠正其指令可能出现的偏差,这种自动控制形式称为前馈。

2.1 小脑对预期抓握的控制

小脑主要通过调节大脑运动系统的下行传导通路来间接调控运动,而小脑损伤退化会导致各种各样的肢体随意运动的异常。这些异常主要是运动的方向、范围和速度的误差,被描述为运动障碍或失调。有研究显示预期抓握行为受小脑退化的干扰[6]。例如在小脑退化损伤后,在手抓握物体的转运运动过程中,抓握力和运动引起的负荷变化的并行调节机制不能进行校准。除此之外,小脑损伤的被试通常会产生比负荷过大的力[7]。当我们一手拿托盘,另一个手往这个托盘里扔一重物,握力在物体碰撞到托盘前就提前预期增加[8]。这种情况下,握力有一个预期模式,在重物砸到托盘发生之前来增加握力来对抗干扰。相对比,当我们闭上眼,另一个人在我们无预期的时候扔下这个重物,我们握力增加在碰撞发生干扰后100ms,暗示通过大脑皮质和手指感觉反馈的引起的反射变长。手抓握运动控制的机制是需要中枢神经系统持续不断的监控和修改动作命令应对负荷变化和干扰。慢的抓握运动可以依赖感觉反馈来做出修正,然而快的抓握运动是以前馈模式来计划和执行的,因为这时感觉检测负荷变化太慢而不能同步修正抓握力。

2.2 感觉系统对抓握反馈的作用

前顶叶间沟回和前运动皮质是抓握过程中视觉-运动转化的重要区域,它们编码不同类型的抓握,在精确抓握中是激活的。视觉反馈功能与够物和抓握时的准确性和灵活性有关有关[9]。人类后颅部位任何一侧受损均可导致视觉共济失调,患者能描述物体,但抓握能力受损,反之,双侧枕颞皮层受损而存在视觉形成障碍的患者虽不能描述物体,但仍具有抓握能力。皮肤的感觉输入可以影响抓握力量。如果物体是光滑的,皮肤的传入会察觉到滑落的信息并激活通路,增加手指肌肉的活动来增加抓握力量,并增加肩肘部的肌肉活动来降低手的加速度。躯体感觉感觉丧失显著影响抓握力量的调节。前顶叶受损导致躯体感觉缺陷,会限制精细抓握。后顶叶受损可产生空间定向障碍和误取。若无视觉反馈,则肢体的缺陷更加严重。

2.3 感觉系统对抓握预期(前馈)控制的作用

为了稳固的抓握住物体,预先知道物体的特性很重要,有研究用手在抓握接触物体前的肌电信号来获得物体的诸如尺寸和重量的相关信息,来确保随后抓握物体,这在肌电假手控制中也很有用[10]。将要抓握的物体的特征的视觉信息被用来预先计划完成精细抓握要用的力,比如物体光滑,预期要使用更大的力,再如目测物体很轻,预期使用较小的力。视觉和躯体感觉信息也被用来更新本体感觉和视觉躯体感觉,以使抓握更加精确。比如盒子是满的,而你原以为是空的,这时小脑会发出更新的运动输出计划,补偿你没有预料到的额外重量,并激活更多的运动神经元,然后抓握的力量会被评估,小脑更新动作,以适应更重的力量。

2.4 运动系统对抓握的作用

抓握与皮质脊髓束和运动神经元的成熟有关。成功的抓握需要完整的初级运动皮质区和皮质脊髓束,如果这些区域中的任何一个有损伤,抓握时单个手指的控制会有明显的问题,但不会影响用力抓握时手指的协同控制。初级运动皮质区的神经元细胞在精细抓握时是兴奋的,在用力抓握时被抑制[11]。

肌肉骨骼系统对手抓握的作用主要体现在手内在肌和外在肌肌肉结构的协调作用手的主动控制机制以及手的骨性机制、韧带机制和肌腱机制等被动控制机制,从而使手能够灵活的进行各种各样的抓握操作[12]。

3 未来研究展望

手抓握是一项很复杂的运动,同时手抓握在日常生活和工作中经常遇到,未来研究应该多关注手抓握的神经生理学、心理学的更具体的机制,以及抓握功能障碍患者的治疗和康复。

[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.