1

مفهوم مدلهاي داخلي در مغز

فاطمه ياوريارائه:

جناب آقاي دکتر توحيدخواهاستاد راهنما:

91ارديبهشت

باسمه تعالي

2

فهرست مطالب

1

2

3

4

مقدمه

مدلهاي داخلي، کاربرد آنها و شواهد موجود

مرور برخي از مدلهاي محاسباتي مدوالر

محاسبه مدلهاي داخلي در مغز

3

عل!وم و دانش مرب!وط ب!ه ش!ناخت •خ!ود اولي!ه مراح!ل در هن!وز مغ!ز

است...

انس!ان • حرک!ات کن!ترل چگ!ونگي توسط مغز و يادگيري حرکات..

مقدمه

4

http://www.columbiampl.org/index.html

http://www.cns.atr.jp/~kawato/http://www.shadmehrlab.org/

http://thorlab.seas.wustl.edu/

http://www.icn.ucl.ac.uk/motorcontrol/http://www.cs.w

ashington.edu/homes/todorov/

5

مقدمه )ادامه(سواالت بسيار بدون پاسخ قطعي...

تطبيق يافتن چگونه انجام مي شود؟•چه بخشهايي از مغز، در حافظههاي حرکتي درگيرند؟•آيا اين نمايشهاي مغزي با گذشت زمان تغيير ميکنند؟•توص!!يف • ب!!راي ميت!!وان را رياض!!ي اب!!زار ن!!وع چه

محاسبات مغز در انجام حرکات استفاده کرد؟ آس!يبهاي وارده ب!ه مغ!ز، چ!ه ت!اثيري در کن!ترل حرک!ات •

دارند؟آيا مي توان توانبخشي را بهبود داد؟••...

6

کاربرد:

شناخت عملکرد مغز انسان•

بيماريهاي مرتبط•

استفاده از اين روشهاي کنترلي در کنترل •حرکات روبوتها

مقدمه )ادامه(

7

هر م!دل، ب!راي توجي!ه ش!رايط خاص!ي از سيس!تمM ق!ادر ب!ه توجي!ه جلوهه!اي ارائ!ه ميش!ود و معم!وًال

ديگري از سيستم نخواهد بود.

از م!!دلي آزمايش!!گاهي← نت!!ايج اس!!اس بر آن در سيس!تم عملک!رد توجي!ه ب!راي سيس!تم ش!رايط آزمايش!ي ←ط!راحي و اج!راي آزمايش!ها

و بررسيهاي جديد ← به روز کردن مدل.

،به م!وازات پيش!رفتهاي حاص!له در تئ!وري کن!ترلتج!ربي، آزمايشهاي و آزمايش!گاهي تجه!يزات

مدلهاي ارائهشده روزبهروز کاملتر شدهاند.

مقدمه )ادامه(

8

.استفاده از اطالعات فيدبکهاي حسي توان!ايي توجي!ه حرک!ات دقي!ق و س!رعت پ!ايين

انسان. عدم توان!ائي توجي!ه حرک!ات مه!ارتي و س!ريع

اندامهاي بدن به ويژه دست و چشم.

مکانيزم کنترل حلقه باز

2

-Morraso & Mussa]- نظريه بلوکهاي سازنده اوليه 1Ivaldi 1982.]

.Schmidt et al]- نظريه برنامهي حرکتي تعميميافته 21979.]

[. Feldman 1966]- نظريه نقطهي تعادل 3

مکانيزم کنترل حلقه بسته 1

مکانيزمهاي کنترل حرکات

!

9

انجام حتي ساده ترين حرکات به صورت قابل •اطمينان.

آشکار شدن اهميت اين نيروهاي متعامل براي •مهندسان.

ب!راي ج!بران فيزي!ک passiveخواص • ماهيچ!ه ه!ا ب!راي ه!ر پيچي!ده عض!الت ک!افي نيس!تند و مغ!ز، را ک!ار آن موردني!از خ!اص ن!يروي باي!د ح!رکت

پيش بيني کند.

مقدمه )ادامه(

10

تفاوت کنترل حرکات در انسان و روبات

خس!تگي ماهيچ!ه ه!ا و تغي!ير پاس!خ آنه!ا از ي!ک ح!رکت ب!ه ح!رکتبعدي

نورونه!اي ب!ه نس!بت روب!وت ح!رکت ثبت دقت سنس!ورهاي حس عمقي ما

o انتق!ال اطالع!ات از سنس!ورها و موتوره!اي روب!وت ب!ه کن!ترلرپ!ردازش س!ريع اطالع!ات سنس!وري زي!اد، ب!ا س!رعت بس!يار ي فاص!له در ني!از م!ورد فرمانه!اي ص!دور و کن!ترلر توس!ط

ميلي ثانيه

o انتق!ال بس!يار کن!دتر اطالع!ات در خط!وط انتق!الي ب!دن انس!انانج!ام ب!راي زم!ان ثاني!ه ميلي دهه!ا ب!ه ني!از و )آکس!ونها(

محاسبات عصبي.

11

تئوري هاي مدل مبنا

يادگيري مهارت حرکتي از ديدگاه نظريههاي مدل مبنا

ايج!!اد( حرک!!تي مهارته!!اي يادگيري حافظ!ه ه!اي حرک!تي( = ايج!اد م!دلهاي

داخلي و بهبود آنها. م!!دل = حرک!!تي ح!!افظهي محت!!واي

داخلي از ديناميک کار. فاز اوليهي تعليم: اس!تفاده از اطالع!ات

حس!!ي في!!دبکهاي توس!!ط اخذش!!ده تص!حيح ب!راي عمقي( حس و )بين!ائي

حرکات. پس از تم!رين زي!اد، ديگ!ر ش!خص متکي

خ!ود حس!ي في!دبکهاي از اس!تفاده ب!ه ي!ا جلوس!و بص!ورت ح!رکت و نيس!ت

مدارباز انجام خواهد شد. 12/56

13

مدل داخلي:دو نوع

- م!دل داخلي جلوس!و: پيشبيني ح!الت ب!دن ي!ا قس!مت خاص!ي 1از آن با استفاده از کپي وابران از فرمانهاي حرکتي.

- م!دل داخلي معک!وس: ب!ا داش!تن ح!اًالت سنس!وري مطل!وب، 2فرمان حرکتي مورد نياز را توليد ميکند.

مدلهاي داخلي در مغز

مدل جلوسو )پيشبينيکننده(

فرمانهاي حرکتي

تواليهاي سنسوري

مدل معکوس )کنترلکننده(

حالت مطلوب

فرمانهاي حرکتي موردنياز

14

مدل داخلي معکوس1

مدل داخلي: جلوسو، معکوس يا هر دو؟

مدل داخلي جلوسو 2

هر دو نوع مدل داخلي3

15

مدل داخلي معکوس1

مدل داخلي: جلوسو، معکوس يا هر دو؟ )ادامه(

M به عنوان کنترلکننده در مسير • ميتواند مستقيماجلوسو استفاده شود.

Kawato & Gomi 1992

Katayama & Kawato 1993

Shidara et al. 1993

16

مدل داخلي: جلوسو، معکوس يا هر دو؟ )ادامه(

Towhidkhah 1993 & 1996

Wolpert et al. 1995

Mehta & Schaal 2002

امک!ان اس!تفاده از کن!ترل في!دبک در کن!ترل حرک!ات س!ريع در •حضور تاخيرهاي زماني را فراهم ميکند )پيشبينيکننده(.

مدل داخلي جلوسو 2

17

( س!ه س!اختار کن!ترلي را ب!ا 1999بهوش!ان و ش!ادمهر )•هم مقايسه کردند:

استفاده از مدل معکوس در مسير جلوسو.1.

استفاده از مدل جلوسو به عنوان پيشبينيکننده.2.

استفاده همزمان از دو نوع مدل داخلي.3.

مدل داخلي: جلوسو، معکوس يا هر دو؟ )ادامه(

هر دو نوع مدل داخلي3

Bhushan & Shadmehr 1999

Kawato 1999

Wolpert & Ghahramani 2000

استفاده همزمان از دو نوع مدل داخلي.3.

18

کاربردهاي مدل داخلي جلوسو

زي!اد ت!اخير ت!اثير ب!ردن بين از ب!راي اس!تفاده موجود در حلقه فيدبک.

استفاده در تمرين ذهني(Mental Practice.)

اس!تفاده از خ!روجي حرک!تي ب!راي پيش بي!ني وکنسل کردن تاثيرات سنسوري حرکت.

19

واقعي و ذهنيtaskشباهت

عم!ل EMGتولي!د • در دخي!ل عض!الت در عض!الني فع!اليت و شب!يه !سازي،! نسبت ب!ه حا!لت !استراح!ت افزايش مي يابد.

هرچ!ه تالش بيش!تري ب!راي انج!ام واقعي ي!ک تس!ک ني!از باش!د، •تول!ي!د ش!ده !در !حي!ن ت!ص!ور انج!ام آن! !ن!يز اف!ز!ايش EMGدا!م!ن!ه ي !مي يابد.

M تص!ور چ!رخش • تص!ور ک!ار انج!ام ب!ا ي!ک دس!ت مج!روح ي!ا مثالمش!کلتر د!ارد، ب!يش!تري س!خ!تي M واق!ع!ا ک!ه! در !جه!تي د!س!ت

است.

ب!ا م!دت زم!ان • زي!ادي مدت زم!ان حرک!ات ذه!ني همبس!تگي حرکات واقعي دارد.

20

واقعي و ذهني taskشباهت )ادامه(

ذه!!ني، در طي • ن!!رخ ض!!ربان قلب و ک!!ار ک!ار هم تنفس م!يزان س!ختي ب!ا متناس!ب

باًال مي رود. متصور شده

هم • و ک!ارائي بهب!ود هم ذه!ني تم!رين با تعميم داريم.

حين • در موتورک!ورتکس ح!دود MIفع!اليت % حالت انجام واقعي است.30

21

استفاده از مدل جلوسو در تمرين ذهني

دينامي!ک • م!دل ي!ک تم!رين، تک!رار طري!ق از تش!کيل معک!وس دينامي!ک م!دل ي!ک و جلوس!و

ميشود.نرخ ي!ادگيري م!دل جلوس!و نس!بت ب!ه معک!وس، •

بسيار سريعتر است.تم!رين ذه!ني: ب!ا جلوگ!يري از ايج!اد ح!رکت، م!دل •

دينامي!ک معک!وس ب!ا اس!تفاده از في!دبک داخلي از م!دل دينامي!ک جلوس!و در مخچ!ه از طري!ق تم!رين

بهبود مي يابد.

22

شواهدي مبني بر وجود مدلهاي (1داخلي جلوسو )

23

شواهدي مبني بر وجود مدلهاي (2داخلي جلوسو )

• UCLاعمالي که خودمان انجام مي دهيم و اعمال •

انجام شده توسط ديگران

24

شواهدي مبني بر وجود مدلهاي (3داخلي جلوسو )

Grip Force-Load Force Coupling

25

شواهدي مبني بر وجود مدلهاي (4داخلي جلوسو )

• Nowak et al (2006)

Sagittal MRI of H.K.’s brain revealed almost complete absence of the cerebellum

26

Task I

27

Task II

28

Results Task IIسالم

بيمار

29

استفاده از چندين مدل جلوسو/ معکوس در ساختار محاسباتي

30

مزيت استفاده از ساختار مدوالر

با اس!تفاده از س!اختار م!دوًالر، ه!ر ي!ک از کن!ترل1.کنن!ده ه!ا ب!راي ک!ار ب!ا ي!ک ش!ي خ!اص ي!ا در ي!ک

محيط خاص استفاده مي شوند.را 2. امک!ان اين م!دوًالر س!اختار از اس!تفاده

ف!راهم ميکن!د ک!ه ه!ر ي!ک از م!دولها بتوانن!د ب!دون M تاثيرگ!ذاري روي رفتاره!اي حرک!تي ک!ه ف!رد قبال

ياد گرفته است، تطبيق يابند.ميت!وان از ت!رکيب م!دولهاي يادگرفت!ه ش!ده در 3.

موقعيتهاي جديد زيادي استفاده کرد.

31

شواهد مبني بر مدوالر بودن مدلهاي داخلي

دين!اميکي • محيطه!اي ب!ه ميتوان!د انس!ان متف!اوت ب!ا اس!تفاده از مف!اد مختل!ف ادپت

شود.

ک!ه • اين از deadaptدوم س!ريعتر ش!دن، adapt .شدن است

32

ترکيب چندين خبره )قهرماني و (1997والپرت،

33

MOSAIC (Imamizu & Kawato 2009)

ساختار مدلهاي داخلي را ميتوان با آزمايشهاي تعميم بررسي کرد.

34

مغز چگونه يک مدل داخلي را محاسبه مي کند؟

35

فراخواني يک مدل داخلي ←شکل ظاهري بطري •براي پيشگوئي نيروي ًالزم براي بلند کردن اين

بطري توليد نيروي ←تخمين بيش از واقعي جرم بطري •

زياد کاهش اثر ←مکانيزمهاي تصحيح آنالين خطا •

خطاي پيش بيني

36

يکس!ري • از متش!کل را داخلي م!دل الم!اناگ!ر بگيريم:

ب!اًال – ب!ه س!مت ب!ه ح!رکت المانه!ا اگ!ر حساس!يت ح!رکت ب!ه آنه!ا اي 90مش!ابه حساس!يت درج!ه

. مي شود مشاهده تعميمباشد، و – ب!اًالبردن ب!راي ش!ونده فع!ال المانه!اي اگ!ر

نمي مش!اهده تعميم باش!ند، متف!اوتح!رکت افقي .شود

مغز چگونه يک مدل داخلي را محاسبه مي کند؟

نحوه تاثير خطاي بلند کردن روي يک حرکت ديگر •با همان بطري

تعميم تجرب!ه ب!ه دس!ت آم!ده از ح!رکت ب!اًالبردن ب!ه • درج!ه اختالف توس!ط 90ي!ک ح!رکت در زاوي!ه اي ب!ا

مغز

37

براي مطالعه خواص سيستم عصبي مورداستفاده توسط مغز براي پيش بيني

نيروها

38

ميدان نيرو)متناسب با سرعت دست(

39

بدون ميدان نيرو

40

با ميدان نيرو

41

توانائي مغز در اصالح دستورات حرکتي

M مس!تقيم trainبا • مس!يرها در مي!دان ن!يرو ن!يز تقريب!اميشوند.

و • حرک!!تي دس!!تورات اص!!الح در مغ!!ز توان!!ائي آشکار مي شود.catch trialپيشگوئي نيروها در

42

حالت اوليه ترژکتوريها

درميدان نيرو

ترژکتوريها در catchميدان

43

train :باعث تغيير دستورات حرکتي مي شود .1Tape ،تابعي از زمان )ورودي: جهت و زمان :

خروجي: نيرو(تست اين ايده:–

* trainافراد در يک ميدان نيرو * تست با رسم يک دايره در همان ميدان

سيستم عصبي در طي آموزش، ارتباط حاًالت 2.سنسوري دست )موقعيت و سرعت آن( با نيروها

را ياد مي گيرد.

45

)جهت غ\الب( تعري\ف مي PDبراي ه\ر ماهيچ\ه ي\ک •ش\ود \ک\ه ج\ه\تي \از ح\رکت\ در مختص\ات \ک\ارتزين ب\ه م\رک\زيت دس\ت اس\ت\ ک\ه در\ آن،\ ما\هيچ\ه ي م\ذکور،

بيشتر\ين فع\اليت را ا\ز خود ن\شان مي دهد.

مش\اهده ش\ده اس\ت ک\ه زم\اني ک\ه ف\رد ب\ه مي\دان •ماهيچ\ه ه\اي \خاص\ي \PDن\ي\روي خ\اص\ي ادپت\ ميش\ود

مي چرخد.

ک\ه • چ\را اس\ت ب\ديهي ي نتيج\ه ي\ک اين نظ\ر به دس\تورات اعم\الي ب\ه ماهيچ\ه ه\ا باي\د ب\ا ي\ادگيري و

ادپت شدن تغيير کنند.

ايجاد يک مدل داخلي بايد همراه با يک چرخش خاص ماهيچه هاي خاص باشد.PDدر

محاسبه مدل داخلي2

46

(3تعليم مدلهاي داخلي )

M1سلولهاي شبيه ماهيچه در •

در موتورک!ورتکس ميم!ون در ش!رايط خاص!ي •ک!رد PDک!ه تغي!ير ماهيچ!ه PD از ب!رخي

در Primary Motor Cortex( M1)س!لولها هم عوض شد.

M1اين نت!ايج پيش!نهاد مي دهن!د ک!ه امک!ان دارد •در محاس!به ي م!دل داخلي نقش داش!ته باش!د.

محاسبه مدل داخلي2

47

محاسبه مدل داخلي با استفاده از کد جمعيت

. براي نمايش مدل داخلي : 2( Өمدل داخلي= نگاشتي از ورودي سنسوري )•

به گشتاور مفصل.دارد که فعال شدن را giهر پايه يک تابع تنظيم •

به صورت تابعي از موقعيت و سرعت عضله بيان مي کند.

تعميم تحت تاثير شکل منحني تنظيم پايه ها •خواهد بود.

–K باًال← تغيير زياد خروجي پايه ها با تغيير موقعيت دست← تعميم کم

–K کم ← تغيير کند خروجي پايه ها با تغيير موقعيت دست و تعميم زياد

48

نظريههاي مدلمبنا: مزايا

فرد در انجام حرکات، بصورت يک تجربياتمدل جلوسو و/يا معکوس از ديناميک حرکتي

مورد نظر در ساختار وارد ميشود.

انسان به يک تطبيق يافتن توجيه نحوه ميدان نيرو و ايجاد پستاثير

توانائي توجيه حرکات بسيار سريع

49

نظريههاي مدلمبنا: ضعف

عدم توان!ائي توجي!ه عملک!رد سيس!تم کن!ترل حرک!ات در • ”اکتساب يک مهارت جدي“. حين

غ\يردقيقدر ابت!داي ي!ادگيري ي!ک مه!ارت جدي!د: م!دل •متضاد.يا حتي

اج!راي • وج!ود: اين قب\ول با مه!ارتي قاب\ل ح!رکت توسط سيستم کنترل حرکات.

دليل؟•

استفاده از تکنيک تنظيم امپدانس براي کنترل حرکات و جلوگيري از ناپايدار شدن در فاز اوليهي يادگيري يک

مهارت حرکتي و قبل از کامل شدن مدل داخلي

50

با تشکراز توجه شما