Teorias de Controle Motor UFMG 2006

Teorias de Comportamento Motor

Elyonara M. Figueiredo, ScD Departamento de Fisioterapia UFMG Setembro, 2006

Controle Motor

Por que estudar Teorias? Oferecem suporte para a prtica clnica e para o desenvolvimento de experimentos e pesquisas cientficas Pressupostos sobre leis e teorias de controle motor devem ser sistematicamente testadas para reforar ou refutar as teorias originais

Controle Motore

Habilidade Motora

ConceitosControle Motorvs.

Coordenao Motoravs.

Habilidade Motora

Ex.: chutar uma bola

Variveis = msculos do membro inferior (a,b,c,d,e)

Coordenao = formao de estruturascoordenativas = F(a,b,c,d,e)

Controle = ativao de determinadosmsculos = F(a,b,c,d,e)

Habilidade = valores ideais (timos) sodeterminados para as variveis a serem controladas(Kelso, Holt, Kugler, e Turvey,1980)

Controle Motor Como as habilidades motoras so controladas? Quem controla ? O que controlado durante a execuo do movimento/ao? Quais os processos/mecanismos envolvidos no ganho (aprendizagem) e na execuo de habilidades motoras?

Objetivos do Curso Apresentar e discutir as teorias de comportamento motor sob uma perspectiva histrica Estimular a anlise crtica sob cada perspectiva terica, identificando aspectos positivos e negativos de cada teoria e sugerindo alternativas para os problemas levantados

Objetivos do Curso Estimular o desenvolvimento de perspectiva prpria sobre o tema, com fundamentos lgicos, baseados nas teorias apresentadas Ilustrar a complexidade dos problemas envolvidos no estudo do Comportamento Motor

Controle Motor

Nveis de Anlise(Kelso, 1982)

Nvel observacional / experimental Interface indivduo-ambiente

Nvel biomecnico / cinesiolgico Bases fsicas para o movimento como foras dinmicas (torques gerados pela ativao muscular e por suas propriedades intrnsecas) determinam os padres de movimento

Controle Motor


Nvel neurofisiolgico Investigao das estruturas neurolgicas e como elas interagem funcionalmente para a emergncia do movimento coordenado

Controle Motor


Controle Motor

Nveis de AnliseA completa compreenso do controle motor s ocorrer com a integrao de informaes vindas das reas do comportamento motor (foco na ao executada), da cinesiologia (cinemtica e cintica), e da neurofisiologia (mecanismos neurais envolvidos no controle do movimento)Kelso, 1982

Habilidades Motoras

Caractersticas Orientao espacial os msculos especficos para uma dada atividade devem ser ativados numa sequncia correta

Organizao temporal esses msculos devem ser ativados no tempo correto (timming)

Ambos com referncia s demandas do ambiente

Habilidades Motoras

Caractersticas Adaptao s variaes no contexto Adaptao espao-temporal

Consistncia e preciso de performance ao longo do tempo

Habilidades Motoras

Controle Motor

Perspectiva Histrica Estmulo-resposta Reflexo como unidade bsica do movimento para a construo do movimento coordenado (Sherrington, 1906)

Reflexos condicionados(Pavlov, 1903)

Perspectiva Histrica

Modelo EstmuloResposta Movimentos aprendidos atravs do condicionamento entre estmulo e resposta Cada resposta motora condicionada ao estmulo anterior

EE1 E2 etc etc

R1

R2

R3


Modelo EstmuloResposta No considera detalhes sobre como o ato motor executado Aprendizagem e adaptao s demandas do contexto no so consideradas no modelo


Open-Loop Control Duas estruturas bsicas: Comando Executor

No existe comparao, feedback, nem modificao ajuste do movimento em curso Ex. sinais de trfico, torneira

Desconsidera o papel de estruturas perifricas


Open-Loop Control Origem ao conceito de Programas Motores Caractersticas espaciais e temporais dos movimentos so definidas centralmente. Esses detalhes so armazenados sob a forma de programas motores para a gerao de movimentos futuros (Keele, 1968) Movimentos so pr-programados e utilizados de acordo com as demandas ambientais (Schmidt, 1975) Engramas, esquemas, templates, hard wiring


Modelos de Servomecanismo Surgiram na dcada de 40, partir das reas da Engenharia e Ciberntica Analogia com computadores, sistemas de aquecimento, etc.

Perspectiva Histrica Servomecanismo Perspectiva hierrquica de controle Mecanismos de feedback e feedforward

Controlador X0 Comparador Informao Sensorial x Executor Ao

Servo

X0


Feedback do movimento continuamente comparado com o estado desejado at que a diferena entre eles seja igual a zero

Closed LoopComparador central e receptores precisos integram aferncia e eferncia(Adam, 1971)

Perspectiva Histrica Closed-Loop Control Mudanas no contexto so captadas por estmulos perifricos que ativam reas medulares e cerebrais, so processados por vrias conexes internas no SNC e enviados de volta sob a forma de eferncia motora (Adam, 1971) Receptores perifricos informam o SNC sobre o movimento desempenhado, que compara com o programado e determina as correes quando necessrio input vs. output

Perspectiva Histrica Closed-Loop ControlLimitaesdemora na conduo e correo de estmulos limitado a movimentos lentos aes podem ser produzidas sem feedback movimentos rpidos


Processamento de Informao Analogia entre homens e computadores A informao recebida processada e enviada aos msculos para a execuo do movimento (Craik, 1948; Welford, 1952)

Input Sensorial

Processamento Noise

Ouput Motor


Processamento de Informao Foco nos aspectos temporais do processamento de informao Reaction-time: intervalo temporal entre o estmulo e a resposta motora (Posner, 1978) RT aumenta com a complexidade da ao motora > tempo para programao

Processamento de Informao Henry & Rogers, 1960: Estmulo auditivo Resposta 1 = levantar um dedo do boto RT = 150 ms; movimento simples Resposta 2 = levantar o dedo e pegar a bola RT = 195 ms; movimento levemente complexo Resposta 3 = levantar dedo, bater bola, tocar boto e bater outra bola RT = 208 ms; movimento complexo

Concluso: aumento da complexidade aumenta o tempo de resposta devido ao aumento de demanda para programao


Programas Motores Evidncias ... Taub & Berman, 1968: macacos deaferenciados ainda andam, brincam, coam problemas com movimentos finos Concluso: controle sensorial no necessrio para movimentos deve haver algum tipo de programa motor operando para produzir o movimento importncia do SNC situao similar para os casos de movimentos rpidos em indivduos normais, onde no h tempo para que ocorra feedback


Teoria Programao Motora - 1Programas Motores caractersticas de movimentos armazenados no SNC estmulos internos ou do ambiente ativam o programa a ser executado

limitada oportunidade para correo de erros uma vez que o sistema opera basicamente via open loop


Programao Motora - 1 Questes ... Como um novo movimento produzido? Determinismo: necessrio programas motores para todas as habilidades Como lidar com as variaes do contexto: situaes completamente novas ou inesperadas ? No pode haver um nmero to grande de programas motores ... Seria necessrio uma enorme capacidade de armazenamento Como lidar com habilidades que foram necessrias pouqussimas vezes, provavelmente nunca executadas novamente, que no tm nenhuma relevncia para nossas vidas ?


Programao Motora - 2

Programas Motores Gerais (Controles Mistos) Associao entre controle via closed e open loop Closed loop permite especificao de parmetros para ajustar o programa motor s variaes do ambiente


Programao Motora -2Programas Motores Gerais (Controles Mistos) Centros superiores (programa) ativam centros inferiores (executor) Feedback perifrico usado para modular o programa motor (Brooks, 1979; Keele, 1981) Geradores de padres centrais (GPC): grupos de neurnios espinhais que geram padres rtmicos de movimentos sem necessidade de aferncia (Grillner,1981; Selverston, 1980)


Programao Motora -2 GPC vs. Programa Motor GPC = habilidades geneticamente

determinadas Programa motor = habilidades aprendidas


Controles Mistos Hiptese do Ponto de Equilbrio Ajuste central de reflexos como base para os movimentos voluntrios Controle central responsvel por ajustar o limiar do reflexo de estiramento e/ou modificar as propriedades (rigidez) do msculo (Bizzi, 1980; Feldman, 1974; Hogan, 1983) Simples e efetivo para descrever movimentos uniarticulares Perturbaes so compensadas mesmo sem informao sensorial Limitado para explicar movimentos complexos e rpidos


Programao Motora -2 Desafio Integrao entre organizao central e feedback Forssberg et al, 1975 fenmeno do reflexo inverso Leve presso no dorso da pata de um gato andando em uma esteira Fase de colocao da pata = extenso Fase de levantamento da pata = mais flexo Latncia = 30 - 50 ms ... (latncia de reflexo)

Dependendo da fase da marcha a resposta varia: mesmo estmulo = efeito oposto Funo do feedback: modificar o reflexo durante aes repetitivas


Programas Motores Devem especificar: msculos a serem usados sequncia de ativao muscular intensidade de ativao timing de ativao muscular

Desafios para Teorias de Controle Motor Problemas levantados por Bernstein 1. Graus de Liberdade 2. Variabilidades do Contexto 3. Regresso Infinita

Desafios para Teorias de Controle Motor Graus de liberdade so potenciais variveis a serem controladas durante a execuo de um ato motor eficiente (ex. unidades motoras, msculos, articulaes, membros) Nmero mnimo de coordenadas independentes necessrias para especificar a posio de um corpo no espao GL = N (# de elementos) x D (dimenses) R(restries)

Desafios para Teorias de Controle Motor Graus de liberdade Movimento nas articulaes do ombro, cotovelo e punho Articulaes 3:1:1:2 = 7 graus de liberdade Msculos 10:6:4:6 = 26 graus de liberdade Unidades motoras (100/msculo) 1000:600:400:600 = 2600 graus de liberdade(Turvey, Fitch, Tuller, 1982)

Quais Unidades so controladas?

Desafios para Teorias de Controle Motor Graus de liberdade Equivalncia Motora (Redundncia) Diferentes graus de liberdade podem ser organizados para produzir o mesmo objetivo Diferentes graus de liberdade podem ser organizados para produzir objetivos diferentes

Indefinio de planos motores Quem recruta os graus de liberdade num sistema redundante?(Turvey, Fitch, Tuller, 1982)

Desafios para Teorias de Controle Motor

Graus de LiberdadeComo que tantos graus de liberdade podem ser controlados em cada unidade de tempo durante a execuo de um ato motor eficiente?

Uma possvel soluo

Estruturas Coordenativas

Estruturas coordenativasConexes funcionais entre vrios msculos que cruzam diferentes articulaes e que atuam como uma unidade funcional(Turvey, 1977)

Pesquisadores russos usaram o termo sinergias

Concluso 1 Coordenao Motora Processo pelo qual os graus de liberdade so reduzidos atravs de estruturas coordenativas (sinergias funcionais)

Aprendizagem Motora Processo de se descobrir (aprender) como as inmeras variveis interagem para a execuo de habilidades motoras complexas como tocar piano, andar de bicicleta, etc.

Ganho de HabilidadesRestrio e liberao de graus de liberdade

Desafios para o Controle MotorProblemas levantados por Bernstein 1. Graus de Liberdade 2. Variabilidades do Contexto 3. Regresso Infinita

Desafios para o Controle Motor

Variabilidade do Contexto Reao s teorias baseadas em controle central Contexto muda com o movimento, demandas ambientais, etc Como o homnculo (programas centrais) lida com isso?

Trs fontes de variabilidade (indeterminncia) Anatmica Mecnica Fisiolgica

Fontes de Variabilidade Anatmica Movimentos com mesma cinemtica envolvem msculos diferentes

Ao excntrica lenta vs. concntricaPeitoral clavicularTurvey, Fitch e Tuller, 1982

Posio articular

Fontes de Variabilidade Mecnica Relao entre grau de ativao muscular e movimento executado no fixa Dependendo do contexto (velocidade do movimento), uma determinada ativao muscular pode parar, desacelerar ou mesmo inverter a direo do movimento (ex: deltide-fibras mdias com e sem resistncia)

Existem foras passivas envolvidas no movimento Segmentos interligados que transmitem energia cintica um para o outro Foras da gravidade, inrcia, foras reativas e frico influenciam o movimentoTurvey, Fitch e Tuller, 1982

Fontes de Variabilidade Mecnica Impossvel ter um programa motor para todos os estados musculares uma vez que as conseqncias do comando so alteradas pelo contexto

No existe relao de 1:1 entre comando e resposta motora

Fontes de Variabilidade Fisiolgica os motoneurnios sofrem influncia de um grande nmero de locais na medula espinhal (interneurnios) o estado de excitao medular vai influenciar diretamente a ativao do motoneurnio medula no subserviente dos centros superiores. Ambos cooperam na soluo dos problemas do controle motor

Desafios para o Controle MotorProblemas levantados por Bernstein 1. Graus de Liberdade 2. Variabilidades do Contexto 3. Regresso Infinita

Desafios para o Controle Motor

Regresso Infinita Quem comanda o comandante? Quem d instrues e orienta o programador ? Seguindo a lgica de programas motores sempre haver necessidade de um centro executor para acessar os programas motores

Concluso 2 Movimentos no so completamente determinados por processos efetores (no so endereados especificamente para as partes)

Relao inequvoca entre impulso e movimento no deve existir Movimentos so dependentes de impulsos centrais mas tambm de foras externas

Concluso 2 (cont.) Segredo do Controle Motor Combater fenmenos reativos sem gastar foras suprfluas Fenmenos reativos devem ser utilizados para complementar a ao de foras muscularesBernstein, 1967

Depois de Bernstein... Abordagem dos Sistemas Dinmicos Fsica Biolgica e Ecolgica (Kugler & Turvey) Padres Dinmicos e Sinergtica (Kelso & Haken)

Abordagem Ecolgica Percepo-Ao (J.J. Gibson) Seleo de Grupos Neuronais (G. Edelman)

Introduo Teoria dos SistemasDinmicosElyonara M. Figueiredo, ScD Departamento de Fisioterapia - UFMG Setembro, 2006

Teoria dos Sistemas Dinmicos

HistricoResposta aos velhos problemas - apontados por Bernstein Psicologia Ecolgica Fluxo de Informao Interao Organismo-Ambiente

Fsica Biolgica Termodinmica Sinergtica

Matemtica Modelos matemticos para sistemas dinmicos


Histrico

Michael Turvey

Scott Kelso

Peter Kugler

Sistemas Dinmicos

Conceitocomportamento do sistema (x)

Time Series

tempo


Princpios Complexidade Sistemas compostos por inmeras partes

No-linearidade Soma das partes diferente do todo

Auto-organizao Organizao se d de forma autnoma, atravs das interaes entre as partes (2a. Lei -Termodinmica)


Complexidade soluo e no problema para o controle motor determinante para emergncia de ordem no sistema controlada por fatores restritivos: constraints

Complexidade e No Linearidade Seleo de Unidades Nveis de Anlise Neurofisiologia (Biologia): o comportamento do Sistema (todo) seria compreendido atravs da compreenso de suas partes S possvel se houver relao simples, direta, linear entre as unidades do Sistema Unidades de Sistemas Biolgicos so, elas prprias complexas, possibilitando que fenmenos complexos ocorram em qualquer nvel de anlise Em cada nvel de anlise surgem novas caractersticas, anatmicas e fisiolgicas, que impedem a previso do comportamento do Sistema (nvel macro) com base no comportamento das partes (nvel micro) O todo diferente da soma de suas partes

Estruturas Coordenativas Definio Grupo de msculos que cruzam diferentes articulaes e que atuam em conjunto para o desenvolvimento de determinada ao Msculos no so controlados individualmente, mas funcionalmente ligados uns aos outros Reduz o nmero de graus de liberdade a serem individualmente controlados: reduz complexidade

Estruturas Coordenativas Estruturas Coordenativas organizam partes do corpo, temporariamente, em ferramentas especiais que se movimentam da forma exata para cumprir a tarefa Como so organizadas???

Reduzindo Complexidade

Estruturas Coordenativas Special purpose devices Organizao temporria do nosso corpo em instrumentos-ferramentas adequadas para cumprir as tarefas-objetivosEx: andadores, corredores, danarinos, alcanadores, escritores, saltadores, etc

Como isso ocorre?

Dinmica da Coordenao Recursos Dinmicos (ex.: fora muscular, massa, comprimento de membros, rigidez) do sistema neuro- msculo-esqueltico so selecionados

... E combinados para construir uma dinmica apropriada (estruturas coordenativas e special purpose devices) para a execuo da tarefa em questo Ex: dinmica pendular para demanbulo Ex: dinmica de pogo-stick para correr e saltar

Recursos Dinmicos e Special Purpose Devices

Recursos Dinmicos so componentes para aes motoras O indivduo descobre como selecion-los para transformar seu corpo em ferramentas adequadas para a execuo da tarefa (special purpose devices)

De onde vm estes recursos dinmicos?

Recursos Dinmicos e Special Purpose DevicesRECURSOS DINMICOS Rigidez FUNOArmazenar energia potencial elstica

FONTESPassiva (tec. conectivo) Ativa (contrao muscular) Estrutura corporal (anatmica) Passiva (tec. conectivo) Ativa (cont. muscular) Contrao muscular Informao sensorial

Massa e Comprimento Dissipativo (Damping)

Armazenar energia potencial elstica Dissipar energia

Fora (Escapement)

Injetar energia no sistema

Massa e Inrcia

Armazenar energia cintica

Estrutura corporal (anatmica)

O Design dos Special Purpose Devices So temporariamente implementados (software) de acordo com a tarefa em questo No so armazenados em estruturas neurolgicas (hardware) Hardware vs. Software Ex: Ferramentas para pegar: chave de boca (hardware) e mo (software)

Emergem da interao dinmica de recursos dinmicos e destes com o ambiente

Estruturas Coordenativas Ex: Atirador de elite Oscilaes do punho so compensadas por oscilaes iguais e opostas do ombro, permitindo que o alvo seja atingido (Auto-organizao)

Teoria dos Sistemas Dinmicos A interao destes fatores leva a emergncia de padres motores que tendem a persistir quando so funcionalmente relevantes e adaptativos

Reduzindo Complexidade Constraints Caractersticas de subsistemas que interagem para a emergncia do movimento coordenado Dependendo da demanda do contexto e das caractersticas do indivduo, sinergias ou estruturas coordenativas so temporariamente, funcionalmente, formadas


Estruturas Coordenativas Novos padres no so dependentes ou ajustados necessariamente partir de padres anteriores (auto-organizao) Padres motores emergem da interao dinmica / contnua entre subsistemas (estruturas coordenativas funcionais) No requerem programas pr-estabelecidos


Estados Atratores Padres qualitativos, macroscpicos, que emergem da interao de fatores que se organizam microscopicamente Quando existe mudana de determinado parmetro a que o sistema sensvel, ocorre uma transio, ou seja, uma mudana qualitativa na organizao do sistema Ex. fase relativa entre membros superiores e inferiores durante a marcha humana nas velocidades lenta e confortvel


Estados Atratores estados em que o sistema tende a se organizar

estabilidade

Perturbao Parmetro de controle

Potencial: Energia do Sistema em Funo de Valores de Parmetro de Ordem

Potencial (Energia do Sistema)

Posio Atual do Sistema

Posio de Equilbrio

Parmetro de Ordem

Potencial: Transies de Fase (Bifurcaes)

Potencial (Energia do Sistema)

Repertrio de Padres de Locomoo

EstabilidadePonta-ps alternadosCorrelao entre ngulos do MIquadril joelho graus tornozelo

segundos

EstabilidadePonta-ps alternadosCoordenao no tornozelo

Termo

Prematuros

Prematuros leso cerebral

Fetters et al, 2004

Teoria dos Sistemas Dinmicos Como os Sistemas se Organizam (a nvel de subsistemas) e geram Padres Estveis? Sinergtica rea da Fsica que estuda organizao de sistemas complexos em situaes de no-equilbrio

Termodinmica Sistemas biolgicos so sistemas abertos, ou seja, trocam continuamente energia e matria com o ambiente Sistemas abertos evolvem para estados de maior organizao non-Entropia O fluxo de energia no sistema possui papel estabilizador Para que um padro persista, a energia dissipada deve ser continuamente reposta Ciclo de Energia Dissipao permite periodicidade estvel


Termodinmica e Controle Motor Estruturas Coordenativas como Estruturas Dissipativas Perda de energia atravs de frico, gasto energtico, etc Energia entra no sistema atravs de ativao muscular, informao sensorial Controle significa quando e quanta ativao necessria para o desenvolvimento de determinada ao A Percepo, informao captada no ambiente, surge como um mecanismo intrnseco de controle, de forma a identificar a soluo mais adaptativa para

o sistema

controle se d na interface indivduo-ambiente!


Marcha O que determina a semelhana do padro de marcha entre humanos? Por que esse padro tende a se estabilizar ?


Marcha Padro que emerge da interao de:fatores anatmicos e neurais filognese desenvolvimento dos subsistemas ontognese motivao por eficincia no ambiente caractersticas do ambiente (superfcie de suporte, gravidade, apoio externo) modelo e facilitao dos pais e/ou cuidadores

Introduo a Abordagem Ecolgica Percepo-AoElyonara M. Figueiredo, ScDDepartamento de Fisioterapia UFMG Setembro, 2006

Histrico

J.J. Gibson

Abordagem Ecolgica Percepo-Ao

Princpios

organismo AO

ambiente

J.J. Gibson, 1966


Princpios A percepo um processo ativo de busca de informao A informao est disponvel no ambiente estruturado (luz refletida e ocluda em superfcies) A informao obtida ativamente oposio idia de que respondemos passivamente a estmulosJ.J. Gibson, 1966

Abordagem Ecolgica Percepo-Ao Percepo Visual luz refletida do ambiente fonte de informao para a modulao da ao Informao = Propriedades fsicas dos objetos refletida pela luz ambiente ex: cor, textura, forma, tamanho, movimento

Abordagem Ecolgica Percepo-Aoorganismo

ambiente

affordanceJ.J. Gibson, 1966

Abordagem Ecolgica Percepo-Ao Propriedades Fsicas dos Objetos

Informaes/Explorao

Percepo de Affordances

Modulao da Ao


Aplicao ao Desenvolvimento Infantil

Eleanor Gibson

Abordagem Ecolgica Percepo-AoAplicao ao Desenvolvimento Infantil

Percepo de affordances ocorre atravs das atividades exploratrias da criana

Teoria da Percepo-Ao

Explorao

Evidncias Gibson, 1961 profundidade (visual cliff) Rovee-Collier, 1969 visual e proprioceptiva Bruner, 1973 foco visual Hofsten, 1979 velocidade do objeto Warren, 1984 escala corpo-ambiente Newell, 1989 escala corpo-ambiente Chen, 2002 visual e auditiva

Implicaes Avaliao Identificar os padres motores ao longo do desenvolvimento (ex.: marcos motores) Identificar quando esses padres emergem variabilidade Identificar estabilidade nos padres

Implicaes Avaliao Identificar os fatores que interagem para a emergncia desses padres Identificar os parmetros que induzem a mudanas nos padres motores

Implicaes Avaliao Permitir e avaliar atividades exploratrias Identificar a capacidade de percepo de estmulos ambientais em cada fase do desenvolvimento infantil Identificar quais estmulos so relevantes para a emergncia e estabilidade da ao

Implicaes Interveno focada na ao (importncia do objeto) ambiente fator relevante e deve ser manipulado pelo fisioterapeuta, alm das propriedades intrnsecas do organismo

Implicaes Interveno sequncia de marcos motores deve ser respeitada? Ex.: engatinhar

Implicaes Interveno normalidade deve ser o desfecho clnico almejado ?

Documents

Teorias de Controle Motor UFMG 2006