مفهوم مدلهاي داخلي در مغز ارائه: فاطمه ياوري استاد راهنما: جناب آقاي دکتر توحيدخواه ارديبهشت 91

1. باسمه تعالي مفهوم مدلهاي داخلي در مغزارائه: فاطمه ياورياستاد راهنما: جناب آقاي دکتر توحيدخواهارديبهشت 91

2. 1 2 3 4 فهرست مطالب مقدمه مدلهاي داخلي، کاربرد آنها و شواهد موجود مرور برخي از مدلهاي محاسباتي مدولار محاسبه مدلهاي داخلي در مغز

3. مقدمه • علوم و دانش مربوط به شناخت مغز هنوز در مراحل اوليه خود است... • چگونگي کنترل حرکات انسان توسط مغز و يادگيري حرکات..

4. http://www.cs.washington.edu/homes/todorov/ http://www.columbiampl.org/index.html http://www.icn.ucl.ac.uk/motorcontrol/ http://www.cns.atr.jp/~kawato/ http://www.shadmehrlab.org/ http://thorlab.seas.wustl.edu/

5. مقدمه (ادامه) سوالات 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؟ • چه نوع ابزار رياضي را مي‏توان براي توصيف محاسبات مغز در انجام حرکات استفاده کرد؟ • آسيب‏هاي وارده به مغز، چه تاثيري در کنترل حرکات دارند؟ • آيا مي توان توانبخشي را بهبود داد؟ • ...

6. مقدمه (ادامه) کاربرد: • شناخت عملکرد مغز انسان • بيماري‏هاي مرتبط • استفاده از اين روش‏هاي کنترلي در کنترل حرکات روبوت‏ها

7. مقدمه (ادامه) • هر مدل، براي توجيه شرايط خاصي از سيستم ارائه مي‏شود و معمولاً قادر به توجيه جلوه‏هاي ديگري از سيستم نخواهد بود. • بر اساس نتايج آزمايشگاهي← مدلي از سيستم براي توجيه عملکرد سيستم در آن شرايط آزمايشي ←طراحي و اجراي آزمايشها و بررسيهاي جديد ← به روز کردن مدل. • به موازات پيشرفت‏هاي حاصله در تئوري کنترل، تجهيزات آزمايشگاهي و آزمايش‏هاي تجربي، مدل‏هاي ارائه‏شده روزبه‏روز کامل‏تر شده‏اند.

8. مکانيزمهاي کنترل حرکات مکانيزم کنترل حلقه بسته 1 • استفاده از اطلاعات فيدبک‏هاي حسي. • توانايي توجيه حرکات دقيق و سرعت پايين انسان. • عدم توانائي توجيه حرکات مهارتي و سريع اندام‏هاي بدن به ويژه دست و چشم. ! • مکانيزم کنترل حلقه باز • 1- نظريه بلوک‏هاي سازنده اوليه [Morraso & Mussa-Ivaldi 1982]. • 2- نظريه برنامه‏ي حرکتي تعميم‏يافته [Schmidt et al. 1979]. • 3- نظريه نقطه‏ي تعادل [Feldman 1966]. 2

9. مقدمه (ادامه) • انجام حتي ساده ترين حرکات به صورت قابل اطمينان. • آشکار شدن اهميت اين نيروهاي متعامل براي مهندسان. • خواص passive ماهيچه ها براي جبران فيزيک پيچيده عضلات کافي نيستند و مغز، براي هر حرکت بايد نيروي خاص موردنياز آن کار را پيش بيني کند.

10. تفاوت کنترل حرکات در انسان و روبات • خستگي ماهيچه ها و تغيير پاسخ آنها از يک حرکت به حرکت بعدي • دقت سنسورهاي ثبت حرکت روبوت نسبت به نورونهاي حس عمقي ما • انتقال اطلاعات از سنسورها و موتورهاي روبوت به کنترلر با سرعت بسيار زياد، پردازش سريع اطلاعات سنسوري توسط کنترلر و صدور فرمانهاي مورد نياز در فاصله ي ميلي ثانيه • انتقال بسيار کندتر اطلاعات در خطوط انتقالي بدن انسان (آکسونها) و نياز به دهها ميلي ثانيه زمان براي انجام محاسبات عصبي.

11. تئوري هاي مدل مبنا

12. يادگيري مهارت حرکتي از ديدگاه نظريه‏هاي مدل مبنا • يادگيري مهارتهاي حرکتي (ايجاد حافظه هاي حرکتي) = ايجاد مدلهاي داخلي و بهبود آنها. • محتواي حافظه‏ي حرکتي = مدل داخلي از ديناميک کار. • فاز اوليه‏ي تعليم: استفاده از اطلاعات اخذشده توسط فيدبک‏هاي حسي (بينائي و حس عمقي) براي تصحيح حرکات. • پس از تمرين زياد، ديگر شخص متکي به استفاده از فيدبک‏هاي حسي خود نيست و حرکت بصورت جلوسو يا مدارباز انجام خواهد شد.

13. مدل‏هاي داخلي در مغز مدل جلوسو (پيش‏بيني‏کننده) فرمان‏هاي حرکتي توالي‏هاي سنسوري حالت مطلوب فرمان‏هاي حرکتي موردنياز مدل معکوس (کنترل‏کننده) دو نوع مدل داخلي: 1- مدل داخلي جلوسو: پيش‏بيني حالت بدن يا قسمت خاصي از آن با استفاده از کپي وابران از فرمان‏هاي حرکتي. 2- مدل داخلي معکوس: با داشتن حالات سنسوري مطلوب، فرمان حرکتي مورد نياز را توليد مي‏کند.

14. مدل داخلي معکوس هر دو نوع مدل داخلي مدل داخلي: جلوسو، معکوس يا هر دو؟ 1 3 • مدل داخلي جلوسو 2

15. مدل داخلي معکوس مدل داخلي: جلوسو، معکوس يا هر دو؟ (ادامه) 1 • مي‏تواند مستقيماً به عنوان کنترل‏کننده در مسير جلوسو استفاده شود. • Kawato & Gomi 1992 • Katayama & Kawato 1993 • Shidara et al. 1993

16. مدل داخلي: جلوسو، معکوس يا هر دو؟ (ادامه) • مدل داخلي جلوسو • Towhidkhah 1993 & 1996 • Wolpert et al. 1995 • Mehta & Schaal 2002 2 امکان استفاده از کنترل فيدبک در کنترل حرکات سريع در حضور تاخيرهاي زماني را فراهم مي‏کند (پيش‏بيني‏کننده).

17. مدل داخلي: جلوسو، معکوس يا هر دو؟ (ادامه) هر دو نوع مدل داخلي 3 • بهوشان و شادمهر (1999) سه ساختار کنترلي را با هم مقايسه کردند: • استفاده از مدل معکوس در مسير جلوسو. • استفاده از مدل جلوسو به عنوان پيش‏بيني‏کننده. • استفاده همزمان از دو نوع مدل داخلي. • استفاده همزمان از دو نوع مدل داخلي. • Bhushan & Shadmehr 1999 • Kawato 1999 • Wolpert & Ghahramani 2000

18. کاربردهاي مدل داخلي جلوسو • استفاده براي از بين بردن تاثير تاخير زياد موجود در حلقه فيدبک. • استفاده در تمرين ذهني (Mental Practice). • استفاده از خروجي حرکتي براي پيش بيني و کنسل کردن تاثيرات سنسوري حرکت.

19. شباهت task واقعي و ذهني توليد EMGو فعاليت عضلاني در عضلات دخيل در عمل شبيه سازي، نسبت به حالت استراحت افزايش مي يابد. هرچه تلاش بيشتري براي انجام واقعي يک تسک نياز باشد، دامنه ي EMGتوليد شده در حين تصور انجام آن نيز افزايش مي يابد. تصور کار انجام با يک دست مجروح يا مثلاً تصور چرخش دست در جهتي که واقعاً سختي بيشتري دارد، مشکلتر است. مدت زمان حرکات ذهني همبستگي زيادي با مدت زمان حرکات واقعي دارد.

20. شباهت task واقعي و ذهني (ادامه) • در طي کار ذهني، نرخ ضربان قلب و تنفسهم متناسب با ميزان سختي کار متصور شده بالا مي رود. • با تمرين ذهني هم بهبود کارائي و هم تعميم داريم. • فعاليت موتورکورتکس در حين MI حدود 30% حالت انجام واقعي است.

21. استفاده از مدل جلوسو در تمرين ذهني • از طريق تکرار تمرين، يک مدل ديناميک جلوسو و يک مدل ديناميک معکوس تشکيل مي‏شود. • نرخ يادگيري مدل جلوسو نسبت به معکوس، بسيار سريع‏تر است. • تمرين ذهني: با جلوگيري از ايجاد حرکت، مدل ديناميک معکوس با استفاده از فيدبک داخلي از مدل ديناميک جلوسو در مخچه از طريق تمرين بهبود مي يابد.

22. شواهدي مبني بر وجود مدلهاي داخلي جلوسو (1)

23. شواهدي مبني بر وجود مدلهاي داخلي جلوسو (2) • UCL • اعمالي که خودمان انجام مي دهيم و اعمال انجام شده توسط ديگران

24. شواهدي مبني بر وجود مدلهاي داخلي جلوسو (3) Grip Force-Load Force Coupling

25. شواهدي مبني بر وجود مدلهاي داخلي جلوسو (4) • Nowaket 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 II سالم بيمار

29. استفاده از چندين مدل جلوسو/ معکوس در ساختار محاسباتي

30. مزيت استفاده از ساختار مدولار • با استفاده از ساختار مدولار، هر يک از کنترلکنندهها براي کار با يک شي خاص يا در يک محيط خاص استفاده ميشوند. • استفاده از ساختار مدولار اين امکان را فراهم ميکند که هر يک از مدولها بتوانند بدون تاثيرگذاري روي رفتارهاي حرکتي که فرد قبلاً ياد گرفته است، تطبيق يابند. • ميتوان از ترکيب مدولهاي يادگرفتهشده در موقعيتهاي جديد زيادي استفاده کرد.

31. شواهد مبني بر مدولار بودن مدلهاي داخلي • انسان ميتواند به محيطهاي ديناميکي متفاوت با استفاده از مفاد مختلف ادپت شود. • دوم اين که deadaptشدن، سريعتر از adaptشدن است.

32. ترکيب چندين خبره (قهرماني و والپرت، 1997)

33. MOSAIC (Imamizu & Kawato 2009)

34. مغز چگونه يک مدل داخلي را محاسبه مي کند؟ ساختار مدلهاي داخلي را ميتوان با آزمايشهاي تعميم بررسي کرد.

35. شکل ظاهري بطري ← فراخواني يک مدل داخلي براي پيشگوئي نيروي لازم براي بلند کردن اين بطري • تخمين بيش از واقعي جرم بطري ← توليد نيروي زياد • مکانيزمهاي تصحيح آنلاين خطا ← کاهش اثر خطاي پيش بيني

36. مغز چگونه يک مدل داخلي را محاسبه مي کند؟ • اگر مدل داخلي را متشکل از يکسري المان بگيريم: • اگر حساسيت المانها به حرکت به سمت بالا مشابه حساسيت آنها به حرکت 90 درجه اي باشد، تعميم مشاهده مي شود. • اگر المانهاي فعال شونده براي بالابردن و حرکت افقي متفاوت باشند، تعميم مشاهده نمي شود. • نحوه تاثير خطاي بلند کردن روي يک حرکت ديگر با همان بطري • تعميم تجربه به دست آمده از حرکت بالابردن به يک حرکت در زاويه اي با 90 درجه اختلاف توسط 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 اصلاح دستورات حرکتي • با train مسيرها در ميدان نيرو نيز تقريباً مستقيم ميشوند. • توانائي مغز در اصلاح دستورات حرکتي و پيشگوئي نيروها در catch trial آشکار مي شود.

42. ترژکتوريها در ميدان catch حالت اوليه ترژکتوريها درميدان نيرو

43. train باعث تغيير دستورات حرکتي مي شود: • Tape: تابعي از زمان (ورودي: جهت و زمان، خروجي: نيرو) • تست اين ايده: * train افراد در يک ميدان نيرو * تست با رسم يک دايره در همان ميدان • سيستم عصبي در طي آموزش، ارتباط حالات سنسوري دست (موقعيت و سرعت آن) با نيروها را ياد مي گيرد.

44. 2محاسبه مدل داخلي براي هر ماهيچه يک PD(جهت غالب) تعريف مي شود که جهتي از حرکت در مختصات کارتزين به مرکزيت دست است که در آن، ماهيچه ي مذکور، بيشترين فعاليت را از خود نشان مي دهد. مشاهده شده است که زماني که فرد به ميدان نيروي خاصي ادپت ميشود PDماهيچه هاي خاصي مي چرخد. به نظر اين يک نتيجه ي بديهي است چرا که دستورات اعمالي به ماهيچه ها بايد با يادگيري و ادپت شدن تغيير کنند. ايجاد يک مدل داخلي بايد همراه با يک چرخش خاص در PD ماهيچه هاي خاص باشد.

45. 2محاسبه مدل داخلي تعليم مدلهاي داخلي (3) سلولهاي شبيه ماهيچه در M1 در موتورکورتکس ميمون در شرايط خاصي که PD ماهيچه تغيير کرد PDبرخي از سلولها در (M1) Primary Motor Cortex هم عوض شد. اين نتايج پيشنهاد مي دهند که امکان دارد M1در محاسبه ي مدل داخلي نقش داشته باشد.

46. محاسبه مدل داخلي با استفاده از کد جمعيت 2. براي نمايش مدل داخلي : • مدل داخلي= نگاشتي از ورودي سنسوري (Ө) به گشتاور مفصل. • هر پايه يک تابع تنظيم giدارد که فعال شدن را به صورت تابعي از موقعيت و سرعت عضله بيان مي کند. • تعميم تحت تاثير شکل منحني تنظيم پايه ها خواهد بود. • K بالا← 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

47. نظريه‏هاي مدل‏مبنا: مزايا توانائي توجيه حرکات بسيار سريع توجيه نحوه تطبيق يافتن انسان به يک ميدان نيرو و ايجاد پس‏تاثير تجربياتفرد در انجام حرکات، بصورت يک مدل جلوسو و/يا معکوس از ديناميک حرکتي مورد نظر در ساختار وارد مي‏شود.

48. نظريه‏هاي مدل‏مبنا: ضعف • عدم توانائي توجيه عملکرد سيستم کنترل حرکات در حين ”اکتساب يک مهارت جدي“. • در ابتداي يادگيري يک مهارت جديد: مدل غيردقيق يا حتي متضاد. • با اين وجود: اجراي قابل قبول حرکت مهارتي 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

49. با تشکراز توجه شما