運動制御と運動

運動制御とは、神経系がどのように筋肉や関節を組織して目的のある運動を生み出すか、またその運動がどのように計画され、実行され、リアルタイムで修正されるかを研究する学問分野です。作業療法においては、到達、把握、物体操作、姿勢、移動の根底にある身体機能であり、日常生活における個人の行動がなぜ不正確、緩慢、または努力を要するのかを理解するために検討されます。

Definition

運動制御とは、中枢神経系が身体や四肢の運動を特定し、実行し、継続的に修正して目標を達成するための一連の神経学的、身体的、行動的プロセスを指します。

Scope

このトピックは、個人の能力としての随意運動および姿勢運動の神経学的および行動学的原則、すなわち運動計画、フィードフォワードおよびフィードバック制御、運動学習と適応、そして皮質、小脳、大脳基底核、脊髄回路の寄与を扱います。運動制御を作業遂行に関連する参照科目として扱い、個人の評価や治療のためのプロトコルとしては扱いません。

Core questions

• 神経系はどのようにして意図された目標を筋肉活動の協調パターンに変換するのか？
• 運動中にフィードフォワード（予測的）制御とフィードバック（修正的）制御はどのように組み合わされるのか？
• 誤差信号はどのように運動適応と運動学習を促進するのか？
• 皮質、小脳、大脳基底核、脊髄の寄与は、その役割においてどのように異なるのか？

Key concepts

• 運動計画とプログラミング
• フィードフォワード制御とフィードバック制御
• 運動適応と運動学習
• 自由度問題
• 中枢パターン発生器
• 姿勢制御とバランス
• 協調とシナジー

Key theories

内部モデルと感覚予測

運動システムは、運動の感覚的結果を予測する内部（順方向）モデルを学習すると考えられています。予測されたフィードバックと実際のフィードバックの差は予測誤差であり、オンライン修正と試行ごとの適応の両方を促進します。

最適フィードバック制御

運動は、コントローラーがコスト（努力や誤差など）を最小化し、タスク目標にとって重要な逸脱のみを修正し、変動性と最小介入の原則を考慮に入れる最適化問題の解決策として捉えることができます。

Mechanisms

目標指向性運動は分散型ネットワークによって生成されます。運動野と前運動野は運動パラメータを特定し、大脳基底核は行動選択とスケーリングに寄与し、小脳はタイミングを洗練し感覚的結果を予測し、中枢パターン発生器を含む脊髄回路は律動的および反射的な出力を生成します。運動中、システムは予測された感覚フィードバックと実際の感覚フィードバックを比較します。その結果生じる誤差は、迅速なオンライン修正をサポートし、反復を通じて根底にある内部モデルの適応を促します。最適フィードバック制御の説明は、コントローラーが目標を脅かさない変動を許容しながら、タスク関連の誤差をどのように修正するかを記述しています。

Clinical relevance

運動制御を理解することは、脳卒中後の到達や把握の障害、協調的な手の使用の困難など、職業活動を妨げる運動の問題について臨床家が記述し、推論するのに役立ちます。この項目は、そのような観察の背後にある科学を参照として説明するものであり、個人の評価ツール、運動量、または治療を規定するものではありません。

Evidence & guidelines

ここでのエビデンスの大部分は、ガイドライン主導というよりも、メカニズム的および理論的なものです。レビュー論文は、適応、最適制御、および移動と協調の回路に関する行動学的および神経生理学的研究を統合しています。翻訳教科書は、これらの原則が単一のプロトコルに固執することなく、リハビリテーションの推論にどのように情報を提供するかを要約しています。

History

20世紀の研究は、反射に基づく階層的な運動観から、制御が分散され、神経系、身体、タスクの相互作用から生じるシステムおよび動的な説明へと移行しました。1990年代から2000年代にかけての計算論的転換は、内部モデル、感覚予測、最適フィードバック制御の定式化を導入し、これらが現在、運動学習と適応の理解の多くを枠付けています。

Debates

運動のどの程度が予測的であり、どの程度が反応的なのか？

フィードフォワード内部モデルとオンライン感覚フィードバックの相対的な重みについては見解が異なります。現在の見解では、両者は継続的に統合されており、そのバランスはタスク、速度、不確実性によって変化するとされています。

Key figures

• Reza Shadmehr
• John Krakauer
• Karl Friston
• Anne Shumway-Cook

Seminal works

• shadmehr-2010
• friston-2011
• kiehn-2006

Frequently asked questions

運動制御と運動学習の違いは何ですか？

運動制御とは、神経系がその瞬間に運動をどのように生成し修正するかを指すのに対し、運動学習とは、練習や時間の経過に伴う予測誤差への適応によって生じる、その能力の比較的永続的な変化を指します。

運動制御は作業療法にどのように関連していますか？

到達、把握、物体操作、姿勢の維持はすべて協調運動に依存するため、運動制御を理解することは、日常生活におけるこれらの要素がなぜ機能不全に陥るのか、そして練習によってどのように変化しうるのかを説明するのに役立ちます。