Ученые выяснили, почему люди ходят так, а не иначе, и как это все координируется в мозге

Исследование Университета Осаки показывает, что мозг эффективно управляет координацией при ходьбе, вмешиваясь только при значительном смещении ног, что может найти применение в реабилитации и разработке вспомогательных средств.

Ходьба часто воспринимается как нечто само собой разумеющееся. Люди обычно полагают, что они могут работать в режиме многозадачности, одновременно «ходить и жевать жвачку» с минимальными затратами умственных усилий. Действительно, каждая нога может ритмично двигаться независимо от другой, управляемая своей стороной спинного мозга.

Однако координировать походку так, чтобы ноги находились в противофазе друг с другом на половину шага — «противофазные отношения», — не так уж просто, когда на пути возникает препятствие или асимметрия, например изгиб тропы.

Новое исследование Университета Осаки проливает свет на то, как поддерживается нормальный ритм ходьбы, и позволяет улучшить методы реабилитации пациентов с травмой мозга или другими неврологическими проблемами.

В исследовании, опубликованном в журнале Communications Biology, ученые снимали кинематические данные здоровых пациентов, идущих по беговой дорожке, которая периодически нарушалась резким изменением скорости. Это приводило к кратковременной потере противофазного соотношения, но оно быстро восстанавливалось, когда испытуемые переориентировали свои движения при ходьбе.

Данные этого эксперимента были проанализированы с помощью математической модели двух связанных осцилляторов, похожих на два маятника, соединенных пружиной, и метода байесовского вывода. Этот подход позволил исследователям вычислить наиболее вероятную функцию, отражающую контроль мозга над координацией движений ног.

Чтобы еще больше упростить задачу, была применена теория фазового сокращения, которая предполагает, что возмущенная система возвращается к регулярному периодическому решению, называемому предельным циклом.

«Использование байесовского умозаключения позволило нам сделать количественный вывод об управлении координацией движений ног», — говорит ведущий автор исследования Такахиро Араи.

Исследователи обнаружили, что относительная фаза не контролируется мозгом активно до тех пор, пока отклонение от правильной противофазной ориентации не превысит определенный порог. То есть мозг активно не вмешивается в координацию относительного положения ног до тех пор, пока они не выйдут на определенную величину из шага. Они предполагают, что отсутствие постоянного контроля повышает как энергоэффективность, так и маневренность.

«Основываясь на нашей модели, мы видим, что мозг не является ни чрезмерно контролирующим, что ограничило бы нашу способность преодолевать препятствия и потребовало бы много мозговой энергии, ни чрезмерно слабым, что могло бы привести к падению, когда ноги становятся слишком нескоординированными», — говорит старший автор работы Шинья Аой.

Это исследование может оказаться важным для улучшения ходьбы пожилых людей или тех, кто пережил неврологические последствия инсульта или болезни Паркинсона. Оно также может привести к разработке физических приспособлений, которые помогут людям ходить более естественно.

Ранее сообщалось, что для оценки чувств психологи часто используют шкалу от одного до девяти, где один— самое негативное, а девять — самое позитивное значение, в научных исследованиях, считая эмоции либо положительными, либо отрицательными, но никогда и теми и другими одновременно. Ученые иногда определяют эмоции как состояния мозга и тела, которые побуждают вас к чему-то или отстраниться от чего-то. Обычно люди определяют их как положительные или отрицательные.