إدراك الحركة البيولوجية

تُعنى النماذج القديمة لإدراك الحركة البيولوجية بتتبع حركة المفاصل والأطراف بالنسبة لبعضها البعض بمرور الوقت. ^{[ 1 ]} ومع ذلك، أشارت تجارب حديثة في إدراك الحركة البيولوجية إلى أن معلومات الحركة غير مهمة للتعرف على الفعل. ^{[ 15 ]} يُبين هذا النموذج كيف يمكن إدراك الحركة البيولوجية من خلال تسلسلات التعرف على الوضعية ، بدلاً من الإدراك المباشر لمعلومات الحركة. أُجريت تجربة لاختبار صحة هذا النموذج، حيث عُرضت على المشاركين محفزات متحركة لنقاط ضوئية ورسومات لأشخاص يسيرون . تُطابق كل إطار من محفز المشي مع نموذج وضعية، ويُسجل تطورها على مخطط ثنائي الأبعاد للوضعية والزمن ، مما يدل على التعرف على الحركة.

إنشاء القوالب

تم إنشاء نماذج وضعية لمطابقة المحفزات باستخدام بيانات تتبع الحركة لتسعة أشخاص أثناء المشي. ^{[ 16 ]} تم تتبع الإحداثيات ثلاثية الأبعاد للمفاصل الرئيسية الاثني عشر (القدمين، والركبتين، والوركين، واليدين، والمرفقين، والكتفين) واستُكملت بينها لتوليد حركة الأطراف. تم إنشاء خمس مجموعات من الإسقاطات ثنائية الأبعاد: إلى اليسار، وإلى الأمام، وإلى اليمين، والاتجاهين المتوسطين بزاوية 45 درجة. أخيرًا، تم توحيد إسقاطات الأشخاص التسعة وفقًا لسرعة المشي (1.39 ثانية بمعدل 100 إطار لكل دورة)، والطول، وموقع الورك في فضاء الوضعية. تم اختيار أحد الأشخاص التسعة كمحفز للمشي، بينما تم الاحتفاظ بالثمانية المتبقين كنماذج للمطابقة.

مطابقة القوالب

تُحسب مطابقة القوالب عن طريق محاكاة الخلايا العصبية الانتقائية للوضعيات كما هو موضح في المرجع ^{[ 17 ].} تُثار الخلية العصبية بناءً على تشابهها مع إطار ثابت من محفز المشي. في هذه التجربة، تم توليد 4000 خلية عصبية (8 مشاة × 100 إطار لكل دورة × 5 إسقاطات ثنائية الأبعاد). يُحسب تشابه الخلية العصبية مع إطار من المحفز كما يلي:

${\displaystyle R_{\psi }(t)=\sum _{i=1}^{N}\exp \left(-{\frac {\left|(x_{i}(t),y_{i}(t))-(\mathrm {X} _{i},_{\psi },\mathrm {P} _{i},_{\psi })\right\vert ^{2}}{2\cdot \sigma }}\right)}$

أين${\displaystyle (x_{i},y_{i})}$صف نقطة التحفيز و${\displaystyle (c_{i},r_{i})}$صف موقع الطرف في ذلك الوقت${\displaystyle t}$؛${\displaystyle \psi }$يصف الوضعية المفضلة؛${\displaystyle R}$يصف استجابة الخلية العصبية لمحفز من${\displaystyle N}$النقاط؛ و${\displaystyle \sigma }$يصف عرض الأطراف.

محاكاة الاستجابة

يتغير العصبون الذي يُحاكي وضعية المشي المُحفزة بشكلٍ أدق مع مرور الوقت. يُمكن تمثيل نمط التنشيط العصبي بيانيًا في رسم ثنائي الأبعاد، يُسمى رسم الوضعية-الزمن. على المحور السيني، تُرتب النماذج زمنيًا وفقًا لنمط المشي للأمام. يمر الوقت على المحور الصادي، حيث تُمثل نقطة البداية نقطة الأصل. يُمثل إدراك حركة المشي للأمام بخط ذي ميل موجب من نقطة الأصل، بينما يُمثل المشي للخلف بخط ذي ميل سالب.

الكشف عن الحركة في فضاء الوضعية

تتبع مخططات الوضعية الزمنية المستخدمة في هذا النموذج مخططات المكان والزمان المتعارف عليها لوصف حركة الأجسام. ^{[ 18 ]} تُحدد مخططات المكان والزمان، التي يُمثل فيها الزمن على المحور الرأسي (y) والبعد المكاني على المحور الأفقي (x)، سرعة الجسم من خلال ميل الخط. ويمكن الكشف عن معلومات حول حركة الجسم باستخدام مرشحات مكانية-زمانية . ^{[ 19 ] [ 20 ]} في نموذج الحركة البيولوجية هذا، يتم الكشف عن الحركة بطريقة مماثلة، ولكن مع استبدال البعد المكاني بمساحة الوضعية على طول المحور الأفقي (x)، ويتم الكشف عن حركة الجسم باستخدام مرشحات الوضعية الزمنية بدلاً من مرشحات المكان والزمان.

مرشحات الوضعية الزمنية

يتم أولاً تطبيع الاستجابات العصبية كما هو موضح في ^{[ 21 ]}

${\displaystyle \nu _{\psi }(t)={\frac {R_{\psi }(t)-{\bar {R}}}{\bar {R}}}}$

أين${\displaystyle R_{y}(t)}$يصف الاستجابة العصبية؛${\displaystyle _{\psi }}$يصف الوضعية المفضلة في ذلك الوقت${\displaystyle t}$؛${\displaystyle {\bar {R}}}$يصف متوسط ​​الاستجابة العصبية لجميع الخلايا العصبية${\displaystyle t}$؛ و${\displaystyle n_{y}(t)}$يصف الاستجابة المعيارية. يتم تعريف المرشحات للمشي للأمام والخلف (${\displaystyle g^{f},g^{b}}$على التوالي). يتم وصف استجابة مرشح الوضعية الزمنية

${\displaystyle r_{\psi }(\tau )=\sum _{t=0ms}^{\tau }\sum _{p=1}^{100}g_{\tau ,\psi }(t,p)\cdot \nu _{\psi }(t)}$

أين${\displaystyle r}$هي استجابة المرشح في الوقت${\displaystyle \tau }$؛ و${\displaystyle p}$يصف بُعد الوضعية. يتم تطبيع استجابة المرشح بواسطة

${\displaystyle N_{\psi }(\tau )=\max \left[\left({\frac {r_{\psi }(\tau )}{\sum _{t}\sum _{p}g_{\tau ,\psi }(t,p)^{2}}}\right),0\right]}$

أين${\displaystyle N}$يصف هذا استجابة العصبون الذي يختار حركة الجسم. وأخيرًا، يتم حساب حركة الجسم بواسطة

${\displaystyle \varepsilon _{\psi }(\tau )=N_{\psi }^{F}(\tau )^{2}-N_{\psi }^{B}(\tau )^{2}}$

أين${\displaystyle \varepsilon }$يصف طاقة حركة الجسم.

يقترح النموذج التالي إمكانية التعرف على الحركة البيولوجية من خلال استخلاص سمة أساسية واحدة: حركة التدفق البصري الموضعي السائدة . وقد استُنتجت هذه الافتراضات من نتائج التحليل الإحصائي والتجارب النفسية الفيزيائية . ^{[ 22 ]}

أُجري تحليل المكونات الرئيسية أولًا على صور ثنائية الأبعاد لأجسام متحركة كاملة، وصور أخرى لأجسام متحركة مُضاءة بنقاط ضوئية. وكشف التحليل عن تشابه كبير في خصائص التدفق البصري الموضعي السائدة بين الصورتين (الشكل 1). ^{[ 22 ]} وبما أن الأشخاص قادرون على تمييز الحركة البيولوجية عند مشاهدة صورة متحركة مُضاءة بنقاط ضوئية، فإن أوجه التشابه بين هاتين الصورتين قد تُسلط الضوء على خصائص أساسية ضرورية لتمييز الحركة البيولوجية.

أظهرت التجارب النفسية الفيزيائية أن المشاركين قادرون على تمييز الحركة البيولوجية باستخدام محفز CFS الذي يحتوي على حركة معاكسة في الاتجاه الأفقي، بالإضافة إلى نقاط تتحرك عشوائيًا في الاتجاه الأفقي (الشكل 2). ^{[ 22 ]} ونظرًا لحركة النقاط، لم يكن من الممكن مطابقة هذا المحفز مع نموذج الهيكل العظمي البشري ، مما يشير إلى أن تمييز الحركة البيولوجية قد لا يعتمد بشكل كبير على الشكل كسمة أساسية. كما أظهرت التجارب النفسية الفيزيائية أن المشاركين يتعرفون على الحركة البيولوجية بشكل مماثل لكل من محفز CFS ومحفز SPS، وهو محفز تُعاد فيه تعيين نقاط المشي الضوئي النقطي إلى مواقع مختلفة داخل شكل جسم الإنسان لكل إطار رقمي، مما يُبرز أهمية الشكل مقارنةً بالحركة (الشكل 1). ^{[ 23 ]} تُظهر نتائج التجارب النفسية الفيزيائية التالية أن الحركة سمة أساسية يمكن استخدامها لتمييز الحركة البيولوجية.

تُبرز التحليلات الإحصائية والتجارب النفسية الفيزيائية التالية أهمية أنماط الحركة الموضعية السائدة في التعرف على الحركة البيولوجية. علاوة على ذلك، ونظرًا لقدرة الأفراد على التعرف على الحركة البيولوجية عند التعرض لمحفز CFS، يُفترض أن الحركة الأفقية المقابلة والمعلومات الموضعية العامة مهمة للتعرف على الحركة البيولوجية.

يحتوي النموذج التالي على كاشفات مصممة من خلايا عصبية موجودة تستخلص خصائص الحركة بتعقيد متزايد. (الشكل 4). ^{[ 22 ]}

كاشفات الحركة المحلية

تكشف هذه الكواشف عن اتجاهات الحركة المختلفة، وقد تم تصميمها باستخدام الخلايا العصبية في منطقة V1/2 ومنطقة MT لدى القرود ^{[ 24 ].} وتكون مخرجات كواشف الحركة المحلية كما يلي:

${\displaystyle G_{p}(x)=H(v(x),v_{1},v_{2})\cdot b(\theta ,\theta _{p})}$

أين${\displaystyle x}$هو الوضع ذو الاتجاه المفضل${\displaystyle \theta _{p},}$،${\displaystyle v}$ هي السرعة،${\displaystyle \theta }$هذا هو الاتجاه، و${\displaystyle H}$هل دالة ضبط السرعة المستطيلة بحيث

${\displaystyle H(v,v_{1},v_{2})=1}$ل${\displaystyle v_{1}<v<v_{2}}$و${\displaystyle H(v,v_{1},v_{2})=0}$خلاف ذلك.

يتم تحديد اتجاه ضبط كاشفات طاقة الحركة بواسطة

${\displaystyle b(\theta ,\theta _{p})=\left\{\left({\frac {1}{2}}\right)\left[\ 1+cos(\theta ,\theta _{p})\right]\ \right\}^{q}}$

أين${\displaystyle q}$هو مُعامل يُحدد عرض دالة ضبط الاتجاه. (q=2 للمحاكاة).

كاشفات عصبية لاختيار حركة الخصم

تُستخدم كاشفات عصبية، كما يلي، لرصد الحركة الأفقية والرأسية للخصم، وذلك بتجميع مخرجات كاشفات طاقة الحركة المحلية السابقة في حقلين فرعيين متجاورين. تُدمج كاشفات الحركة المحلية التي تتشارك نفس اتجاه الحركة في الحقل الفرعي نفسه. وقد صُممت هذه الكاشفات على غرار الخلايا العصبية الحساسة لحركة الخصم، مثل تلك الموجودة في الفص الصدغي الأوسط ( MT) والفص الصدغي العلوي الإنسي (MST) . ^{[ 25 ] [ 26 ]} كما رُبطت منطقة KO/V3B بمعالجة الحواف والأجسام المتحركة وحركة الخصم. يستطيع المرضى الذين يعانون من تلف في مناطق المسار الظهري، ولكن مع سلامة منطقة KO/V3B لديهم، كما هو الحال في المريض AF، إدراك الحركة البيولوجية. ^{[ 27 ]}

تكون مخرجات هذه الكواشف كما يلي:

${\displaystyle o_{l}(x)={\sqrt {max(g_{p}(x_{i}))max(g_{r}(x_{j}))}}}$

أين${\displaystyle x}$هو الموضع الذي يتمركز عنده الإخراج، وتفضيلات الاتجاه${\displaystyle p}$و${\displaystyle r}$، و${\displaystyle i,j}$تشير إلى المواقع المكانية لحقلين فرعيين.

يتم إعطاء الناتج النهائي لكاشف حركة الخصم على النحو التالي:

${\displaystyle o_{l}(x)=max(o_{l}(x_{k}))}$

حيث يكون الناتج هو الاستجابات المجمعة لأجهزة الكشف من النوع${\displaystyle l}$في${\displaystyle x_{k}}$مواقع مكانية مختلفة.

كاشفات أنماط التدفق البصري

يقوم كل كاشف بتحليل إطار واحد من محفز التدريب وحساب مجال التدفق البصري اللحظي لهذا الإطار تحديدًا. وتقوم هذه الكواشف بنمذجة الخلايا العصبية في التلم الصدغي العلوي ^{[ 28 ]} ومنطقة الوجه المغزلية ^{[ 29 ].}

يتم ترتيب مدخلات هذه الكواشف من المتجه u، وهي تتكون من استجابات كواشف حركة الخصم السابقة. ويكون الناتج كما يلي:

${\displaystyle G(u)=e^{(u-u_{0})^{T}C(u-u_{0})}}$

بحيث${\displaystyle u_{0}}$يمثل مركز دالة الأساس الشعاعي لكل عصبون و${\displaystyle C}$هي مصفوفة قطرية تحتوي على عناصر تم تحديدها أثناء التدريب وتتوافق مع المتجه u. تساوي هذه العناصر صفرًا إذا لم يتجاوز التباين أثناء التدريب عتبة معينة. وإلا، فإن هذه العناصر تساوي مقلوب التباين.

بما أن التعرف على الحركة البيولوجية يعتمد على تسلسل النشاط، فإن النموذج التالي انتقائي للتسلسل. يتم نمذجة نشاط عصبون نمط التدفق البصري بالمعادلة التالية:

${\displaystyle \tau H_{k}^{l}(t)=-H_{k}^{l}(t)+\sum _{m}w(k-m)f(H_{k}^{l}(t)+G_{k}^{l}(t))}$

في أي${\displaystyle k}$هو إطار محدد في${\displaystyle l}$تسلسل التدريب رقم -th،${\displaystyle \tau }$هو ثابت الزمن.${\displaystyle f(H)}$دالة العتبة،${\displaystyle w(m)}$هي نواة تفاعل غير متناظرة، و${\displaystyle G_{k}^{l}(t)}$يتم الحصول عليها من القسم السابق.

كاشفات أنماط الحركة البيولوجية الكاملة: تقوم الكاشفات التالية بجمع مخرجات كاشفات أنماط التدفق البصري لتنشيط أنماط الحركة الكاملة بشكل انتقائي (مثل المشي يمينًا مقابل المشي يسارًا). تحاكي هذه الكاشفات الخلايا العصبية المشابهة لتلك التي تحاكيها كاشفات أنماط التدفق البصري.

التلم الصدغي العلوي ^{[ 28 ]} ومنطقة الوجه المغزلية ^{[ 29 ]}

تتمثل مدخلات هذه الكواشف في نشاط كواشف حركة التدفق البصري،${\displaystyle H_{l}^{l}(t)}$مخرجات هذه الكواشف هي كالتالي:

${\displaystyle \tau _{s}P^{l}(t)=-P^{l}(t)+\sum _{k}H_{l}^{l}(t)}$

بحيث${\displaystyle P^{l}(t)}$هو نشاط كاشف نمط الحركة البيولوجية الكامل استجابةً لنوع النمط${\displaystyle l}$(مثلاً: المشي إلى اليسار)،${\displaystyle \tau _{s}}$يساوي ثابت الزمن (استُخدم 150 مللي ثانية في المحاكاة)، و${\displaystyle H_{k}^{l}(t)}$يساوي نشاط كاشف نمط التدفق البصري في الإطار رقم k في التسلسل l.

باستخدام التحديد الصحيح لاتجاه المشي لكل من محفزات CFS وSPS، تمكن النموذج من محاكاة نتائج مماثلة للتجارب السيكوفيزيائية (حيث استطاع تحديد اتجاه المشي لكل من محفزات CFS وSPS، وزادت دقة التحديد مع ازدياد عدد النقاط). ويُفترض أن التعرف على الحركة البيولوجية أصبح ممكنًا بفضل معلومات الحركة الأفقية للخصم الموجودة في كل من محفزات CFS وSPS.