Multi-Element Synergies in Force Production and Release Task

Abstract

The human body has more degrees of freedom (DOF) than the minimum number of elements required to accomplish a certain task. This is called motor redundancy, and the human body has characteristics of motor redundancy in various hierarchies. Therefore, the mechanism by which the CNS controls redundant DOFs is one of the most actively studied areas of human movement science. The purpose of this study is to understand the role of the human multi-element control mechanism (synergy) characterized by redundancy in terms of actual performance. To this end, we conducted four experimental studies that simulated the shooting action of archery, a task aimed at accurate and consistent performance. In the first three studies (chapter 3, 4, 5), we examined whether the hierarchically redundant human motor system can be understood as a motor abundance that plays a positive role for the performance (accuracy and precision) from the synergy point of view. And in the fourth study (chapter 6), we examined how the performance of the task is related to the human multi-element control in the feedforward form. An analytical method based on the uncontrolled manifold hypothesis (UCM) confirmed the interaction patterns between each element (each hand, each finger, or each muscle group), and this has been performed correlation analysis with the accuracy and precision (consistency) of the task. As a result, increasing kinetic degrees of freedom increases multi-finger synergy, which has a positive effect on improving task performance, and the positive effects of this increase can also be extended to hierarchical tasks. Additionally, the anticipatory mechanism of abundant degrees of freedom has a positive effect on the consistency of the task. This confirms the theory that the characteristics of the human motor control system, motor redundancy, is not a computational burden of the central nervous system but a positive contributor to task performance through various solutions.

인체는 일반적으로 특정 과제를 수행하기 위해 최소한으로 요구되는 것보다 큰 운동역학적 자유도를 가지고 있다. 이를 운동요소과잉이라고 하며, 인체는 여러 계층에 걸쳐 운동요소과잉의 특성을 띠고있다. 때문에 우리의 중추신경계가 과잉 된 자유도를 어떻게 효율적으로 제어할 수 있는지 확인하는 것은 인간운동과학 분야의 주된 연구 주제 중 하나이다. 본 연구의 목적은 요소 과잉의 특성을 가진 인간의 다중요소제어기전(시너지)을 실제 과제 수행의 측면에서 이해하는 것이다. 이를 위해 우리는 정확하고 일관된 결과를 지향하는 과제인 양궁의 슈팅 동작을 모방하여 네 차례의 실험 연구를 진행하였다. 그 중 첫번째에서 세번째까지의 연구(chapter 3, 4, 5)를 통해서는 인체 시스템의 계층적 운동요소과잉 특성에 따른 다중요소제어기전이 과제의 정확성 및 일관성에 긍정적으로 기여하는지 확인하였고, 네번째 연구(chapter 6)를 통해서는 인간의 예측적 다중요소제어가 과제의 수행과 어떠한 관련이 있는지를 살펴보았다. 비제어다양체(UCM) 가설에 기반한 분석방법을 통해 각 요소(양손, 각 손가락, 또는 각각의 근육 군) 간의 상호작용 양상(시너지 지수)을 확인하였고, 이를 과제의 정확성 및 일관성과 연관 지어 살펴보았다. 결과적으로, 손가락의 운동역학적 자유도의 증가에 따라 각 요소들 간의 시너지 지수는 증가하였고, 이는 과제 수행의 향상과 관련 있다는 사실을 확인하였다. 이러한 양상은 인체의 여러 계층으로 확장하여 해석할 수 있다는 것 역시 확인하였으며, 인체의 과잉 된 운동요소들의 예측적 제어 기전 역시 과제의 일관성에 기여한다는 것을 확인하였다. 이를 통해 우리는 인간의 운동제어시스템의 특성인 운동요소과잉은 중추신경계에 있어 계산상의 부담이 아니며, 오히려 동작의 다양성을 통해 과제 수행에 기여하는 긍정적 요인이라는 것을 확인하였다.