綜述:運用控制理論研究正常成人、運動員及神經運動障礙患者的視覺運動控制能力

《Current Opinion in Behavioral Sciences》:Using control theory to study visuomotor control abilities in normal adults, athletes, and patients with neuromotor disorders

【字體: 時間:2025年05月16日 來源:Current Opinion in Behavioral Sciences 4.9

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  這篇綜述系統闡述了控制理論(Control Theory)在視覺運動控制(Visuomotor Control)研究中的應用進展,通過閉環反饋模型(Closed-loop Feedback)解析不同人群(正常成人、運動員、帕金森病PD患者)的感知-動作整合機制,為康復技術及人機交互系統開發提供理論框架。

  

引言

控制理論作為工程學與數學的交叉學科,為解析生物系統的動態調控提供了量化工具。其核心閉環反饋模型(Closed-loop Feedback)尤其適用于人類視覺運動控制研究——這一需要實時整合視覺輸入與運動輸出的復雜過程。通過實驗數據建模與計算分析,研究者能夠模擬目標追蹤、駕駛等場景中精確運動的生成機制。

背景

經典研究采用閉環手動控制任務(如操縱桿跟蹤屏幕目標),通過正弦擾動信號揭示人類操作者的補償控制策略。交叉模型(Crossover Model)等簡化數學模型,無需依賴神經細節即可預測行為輸出,成為系統辨識的重要工具。

正常成人的視覺運動控制

研究表明,視覺線索(如亮度、對比度)通過不同神經通路影響運動表現。Li等學者通過控制理論模型證實,運動系統優先處理高頻視覺信息,而感知系統側重低頻特征,支持"雙通路"假說。

運動員的特殊適應性

運動員群體展現出更優的預測控制能力,其前饋控制(Feedforward Control)權重顯著高于普通人群。例如,乒乓球運動員在目標軌跡預測任務中表現出更低的相位延遲和更高增益,反映長期訓練對神經可塑性的影響。

神經運動障礙患者的代償機制

帕金森。≒D)患者的研究揭示了基底節損傷對控制策略的影響。相較于健康人群,PD患者更依賴視覺反饋而非本體感覺,表現為閉環增益降低和延遲增加。這些發現為靶向康復訓練提供了生物力學標記。

控制理論與連續心理物理學

新興的連續心理物理學方法通過實時記錄眼動與手動追蹤數據,揭示了感知-動作耦合的動態特性。與控制理論結合后,可量化分析注意資源分配與運動誤差修正的時變關系。

未來展望

當前研究尚未充分探索多模態感覺整合的建模方法。開發基于深度學習的非線性控制系統、建立跨物種控制參數數據庫,以及優化虛擬現實(VR)康復平臺,將成為突破方向。

(注:全文嚴格依據原文內容縮編,未添加非文獻支持信息)

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