手抓握運(yùn)動(dòng)控制①

蘇遠(yuǎn) 付倩

(浙江大學(xué)體育科學(xué)與技術(shù)研究所 浙江杭州 310028)

手的抓握運(yùn)動(dòng)是指一個(gè)物體在手的包容范圍內(nèi)被部分或者全部抓緊或握持。手功能抓握模式一般分為：力性抓握和精確抓握[1]。力性抓握是力量性的動(dòng)作,手指所有關(guān)節(jié)屈曲使物體被握持在手掌之間,拇指內(nèi)收,與手指和手掌形成咬合。精確抓握是拇指和手指的屈肌之間用精細(xì)的方式操縱物體,手指通常半屈曲位,拇指外展或?qū)φ啤?/p>

力性抓握(或力量抓握)包括鉤狀抓握(握手提箱的把手),球狀抓握(握住壘球)和柱狀抓握(拿著瓶子)；精確抓握包括指尖對(duì)捏、指掌對(duì)捏、側(cè)捏(鑰匙捏)和指腹(或尺側(cè))對(duì)捏[2]。物體的形狀或大小,還有目的性活動(dòng)本身決定了抓握的類型。精確抓握可進(jìn)行物體相對(duì)于手和物體在手中的運(yùn)動(dòng),而用力抓握卻不是,有關(guān)抓握形成的研究大部分是關(guān)于精確抓握的。

1 抓握的運(yùn)動(dòng)學(xué)

抓握的運(yùn)動(dòng)學(xué)因物體的屬性不同而多種多樣。Jeannerod[3]用抓握孔徑,即拇指和食指之間的距離來編碼抓握,在夠到抓握物體的過程中,抓握孔徑漸漸打開,手指校正,然后逐漸閉合直到孔徑符合物體的大小。研究表明,物體的大小、重量、質(zhì)地、易碎性等都影響抓握的動(dòng)力學(xué)[4]。例如抓握表面光滑的物體比抓握表面粗糙的物體,需要提前預(yù)期用更大的力。關(guān)于這些的研究有很多,但是這些研究很少注意當(dāng)進(jìn)行抓握運(yùn)動(dòng)時(shí),不同個(gè)體手指手型的差異,大部分研究只測(cè)量了拇指和食指的最大距離。物體可以以不同的方式被抓握,選擇哪種抓握方式取決于物體的視覺特性。盡管手對(duì)要抓握的物體的特征很敏感,在操縱物體來達(dá)到預(yù)期目標(biāo)時(shí),手也是一個(gè)很靈巧的運(yùn)動(dòng)裝置。觸覺系統(tǒng)也很重要。手上的皮膚感受器為手的動(dòng)作,包括其動(dòng)力學(xué),姿勢(shì)以及抓握和操縱物體時(shí)使用的力提供了信息[5]。

2 抓握的運(yùn)動(dòng)控制

人體內(nèi)的控制系統(tǒng)有反饋控制和前饋控制。反饋控制系統(tǒng)是指控制部分發(fā)出指令控制受控部分的活動(dòng),而控制部分自身的活動(dòng)又接受來自受控部分返回信息的影響。由受控部分發(fā)出的信息反過來影響控制部分的活動(dòng),稱為反饋。反饋有負(fù)反饋和正反饋兩種形式。反饋控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),因而具有自動(dòng)控制的能力。前饋控制系統(tǒng)是指控制部分在反饋信息尚未到達(dá)前已受到糾正信息(前饋信息),及時(shí)糾正其指令可能出現(xiàn)的偏差,這種自動(dòng)控制形式稱為前饋。

2.1 小腦對(duì)預(yù)期抓握的控制

小腦主要通過調(diào)節(jié)大腦運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的下行傳導(dǎo)通路來間接調(diào)控運(yùn)動(dòng),而小腦損傷退化會(huì)導(dǎo)致各種各樣的肢體隨意運(yùn)動(dòng)的異常。這些異常主要是運(yùn)動(dòng)的方向、范圍和速度的誤差,被描述為運(yùn)動(dòng)障礙或失調(diào)。有研究顯示預(yù)期抓握行為受小腦退化的干擾[6]。例如在小腦退化損傷后,在手抓握物體的轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)動(dòng)過程中,抓握力和運(yùn)動(dòng)引起的負(fù)荷變化的并行調(diào)節(jié)機(jī)制不能進(jìn)行校準(zhǔn)。除此之外,小腦損傷的被試通常會(huì)產(chǎn)生比負(fù)荷過大的力[7]。當(dāng)我們一手拿托盤,另一個(gè)手往這個(gè)托盤里扔一重物,握力在物體碰撞到托盤前就提前預(yù)期增加[8]。這種情況下,握力有一個(gè)預(yù)期模式,在重物砸到托盤發(fā)生之前來增加握力來對(duì)抗干擾。相對(duì)比,當(dāng)我們閉上眼,另一個(gè)人在我們無預(yù)期的時(shí)候扔下這個(gè)重物,我們握力增加在碰撞發(fā)生干擾后100ms,暗示通過大腦皮質(zhì)和手指感覺反饋的引起的反射變長(zhǎng)。手抓握運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)制是需要中樞神經(jīng)系統(tǒng)持續(xù)不斷的監(jiān)控和修改動(dòng)作命令應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化和干擾。慢的抓握運(yùn)動(dòng)可以依賴感覺反饋來做出修正,然而快的抓握運(yùn)動(dòng)是以前饋模式來計(jì)劃和執(zhí)行的,因?yàn)檫@時(shí)感覺檢測(cè)負(fù)荷變化太慢而不能同步修正抓握力。

2.2 感覺系統(tǒng)對(duì)抓握反饋的作用

前頂葉間溝回和前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)是抓握過程中視覺-運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的重要區(qū)域,它們編碼不同類型的抓握,在精確抓握中是激活的。視覺反饋功能與夠物和抓握時(shí)的準(zhǔn)確性和靈活性有關(guān)有關(guān)[9]。人類后顱部位任何一側(cè)受損均可導(dǎo)致視覺共濟(jì)失調(diào),患者能描述物體,但抓握能力受損,反之,雙側(cè)枕顳皮層受損而存在視覺形成障礙的患者雖不能描述物體,但仍具有抓握能力。皮膚的感覺輸入可以影響抓握力量。如果物體是光滑的,皮膚的傳入會(huì)察覺到滑落的信息并激活通路,增加手指肌肉的活動(dòng)來增加抓握力量,并增加肩肘部的肌肉活動(dòng)來降低手的加速度。軀體感覺感覺喪失顯著影響抓握力量的調(diào)節(jié)。前頂葉受損導(dǎo)致軀體感覺缺陷,會(huì)限制精細(xì)抓握。后頂葉受損可產(chǎn)生空間定向障礙和誤取。若無視覺反饋,則肢體的缺陷更加嚴(yán)重。

2.3 感覺系統(tǒng)對(duì)抓握預(yù)期(前饋)控制的作用

為了穩(wěn)固的抓握住物體,預(yù)先知道物體的特性很重要,有研究用手在抓握接觸物體前的肌電信號(hào)來獲得物體的諸如尺寸和重量的相關(guān)信息,來確保隨后抓握物體,這在肌電假手控制中也很有用[10]。將要抓握的物體的特征的視覺信息被用來預(yù)先計(jì)劃完成精細(xì)抓握要用的力,比如物體光滑,預(yù)期要使用更大的力,再如目測(cè)物體很輕,預(yù)期使用較小的力。視覺和軀體感覺信息也被用來更新本體感覺和視覺軀體感覺,以使抓握更加精確。比如盒子是滿的,而你原以為是空的,這時(shí)小腦會(huì)發(fā)出更新的運(yùn)動(dòng)輸出計(jì)劃,補(bǔ)償你沒有預(yù)料到的額外重量,并激活更多的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元,然后抓握的力量會(huì)被評(píng)估,小腦更新動(dòng)作,以適應(yīng)更重的力量。

2.4 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)抓握的作用

抓握與皮質(zhì)脊髓束和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的成熟有關(guān)。成功的抓握需要完整的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)和皮質(zhì)脊髓束,如果這些區(qū)域中的任何一個(gè)有損傷,抓握時(shí)單個(gè)手指的控制會(huì)有明顯的問題,但不會(huì)影響用力抓握時(shí)手指的協(xié)同控制。初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)的神經(jīng)元細(xì)胞在精細(xì)抓握時(shí)是興奮的,在用力抓握時(shí)被抑制[11]。

肌肉骨骼系統(tǒng)對(duì)手抓握的作用主要體現(xiàn)在手內(nèi)在肌和外在肌肌肉結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)作用手的主動(dòng)控制機(jī)制以及手的骨性機(jī)制、韌帶機(jī)制和肌腱機(jī)制等被動(dòng)控制機(jī)制,從而使手能夠靈活的進(jìn)行各種各樣的抓握操作[12]。

3 未來研究展望

手抓握是一項(xiàng)很復(fù)雜的運(yùn)動(dòng),同時(shí)手抓握在日常生活和工作中經(jīng)常遇到,未來研究應(yīng)該多關(guān)注手抓握的神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)的更具體的機(jī)制,以及抓握功能障礙患者的治療和康復(fù)。

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