A fost o zi lungă. Deschideţi frigiderul şi luaţi o bună bere rece. O acţiune destul de simplă, nu-i aşa? Greşit. În timp ce dezbateţi între a alege o bere mică sau una mare, sistemul nervos calculează o problemă complexă: cât de tare să strângeţi doza de bere. Niciodată nu ştim cât de greu sau alunecos este un obiect decât atunci când îl prindem; avem nevoie de o metodă pentru a anticipa astfel de lucruri, astfel încât obiectele să nu ne alunece din mână. Timp de mai mulţi ani, cercetătorii credeau că forţa de prindere – cât de puternic prindem un obiect – este paralelă cu forţa de încărcare – greutatea – obiectului.

 

 

 


Un nou studiu demonstrează că cel mai important factor care determină cât de puternic prindem un obiect, precum un pahar, nu este ceea ce ştim despre acesta, ci ceea ce nu ştim.
Credit: Jeremy Brooks/Flickr.

În prezent, cercetători de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) au demonstrat că cel mai important factor în determinarea forţei de prindere nu este ceea ce estimăm despre obiectul respectiv, ci, mai curând, ceea ce nu putem estima. Maurice Smith, profesor de bioinginerie la Gordon McKay, şi postdoctorandul Alkis Hadjiosif au demonstrat că procentul variabilităţii asociate cu estimarea dinamicii fizice a unui obiect, precum greutatea, este cel mai important factor în determinarea forţei de prindere. Au descris rezultatele studiului lor în Journal of Neuroscience.

Să luăm doza de bere rece. Când o prindem, forţa de prindere minim necesară depinde de greutatea berii şi de coeficientul de frecare dintre suprafaţa sa şi a degetelor noastre. Deasupra acestei forţe minime, sistemul nervos analizează implicit factorii cu o margine de siguranţă pentru a ne proteja împotriva calculelor greşite, cum ar fi o doză mai grea sau mai alunecoasă decât ne aşteptăm. Studiile precedente au asumat că această margine de siguranţă reprezintă o fracţie fixă din forţa de prindere minim necesară, precum factorii de siguranţă utilizaţi la scară largă în designul ingineresc, dar Smith şi echipa sa s-au întrebat dacă aceasta este cea mai bună abordare.

„Nu ar fi mai eficient pentru sistemul motor să reducă marja de siguranţă când variabilitatea şi nesiguranţa sunt scăzute și să o mărească atunci când variabilitatea este mare?!”, se întreabă Smith. „Această linie de gândire conduce la ideea că marja de siguranţă ar trebui să fie determinată nu de estimarea sistemul nervos a forţei minim necesare, ci de estimarea nesiguranţei cu privire la această forţă. Din câte se pare, exact astfel se întâmplă.”

„Se pare că prin adaptarea marjei de siguranţă proporţional cu variabilitatea este posibil să fie menţinut controlul asupra probabilităţii de eşec într-un mod uniform atât în mediile de nesiguranţă mare, cât şi minimă. Aceasta oferă o siguranţă statistică fixă împotriva eşecului, cum ar fi alunecarea”, adaugă Hadjiosif.

Dacă prindeţi un pahar de bere gol cu care sunteţi obişnuiţi, procentul de nesiguranţă este scăzut. Cunoaşteţi greutatea paharului, cât de alunecos este, ceea ce se află înăuntru, cât de mult dă sau nu pe-afară conţinutul. Având în vedere aceste informaţii, sistemul motor poate face o estimare destul de precisă asupra dinamicii paharului şi a siguranţei utilizării forţei de prindere chiar deasupra limitei forţei minime necesare, cu doar o mică marjă de siguranţă.

Dar dacă prindeţi o ceaşcă opacă sau un obiect cu care nu sunteţi familiarizaţi, incertitudinea mare cu privire la forţa de prindere necesară ar necesita o prindere mai puternică cu o marjă de siguranţă mai mare pentru a diminua riscul de scăpare.

Variabilitatea dinamică a mediului înconjurător intră de asemenea în joc. Vă ţineţi berea mult mai strâns într-un bar aglomerat, unde o persoană s-ar putea lovi de berea dumneavoastră, decât în livingul de acasă.

Înţelegerea mecanismelor care stau la baza controlului forţei de prindere ar putea duce la o mai bună înţelegere a modului în care bolile neurologice afectează calculele neurale care stau la baza acestui control.

„Suntem încă în faza de început privind înţelegerea modului în care sistemul nervos funcţionează pentru a întreprinde calculele de care are nevoie. De exemplu, nu ştim cum neuronii calculează estimările variabilităţii şi incertitudinii. Controlul forţei de prindere ar putea fi un bun model pentru a răspunde la această întrebare”, subliniază Smith.

Smith şi Hadjiosif au observat că forţele de prindere sunt de trei ori mai sensibile la deviaţia standard a forţei de încărcare decât a forţei de încărcare preconizate.

Această sensibilitate conduce la nişte comportamente interesante.

„Sensibilitatea mare prezentată de variabilitatea forţelor de prindere oferă o predicţie surprinzătoare a faptului că manevrarea unui obiect neaşteptat de uşor conduce la forţe de prindere mai degrabă puternice decât slabe, cel puţin tranzitoriu”, afirmă Smith.

Să presupunem că prietenii vă dau o cutie ce vă aşteptaţi să fie plină cu roci, dar este, de fapt, plină cu bule de bumbac. Experimentarea acestei surprize are două efecte diferite. Scade aşteptările cu privire la cât de grea este cutia cu ocazia următoarei prinderi, dar măreşte şi nesiguranţa pe viitor crescând astfel marja de siguranţă pe care o folosiţi pentru această cutie.

„Deşi aşteptarea la o greutate redusă ar tinde să reducă forţa de prindere pe care sistemul nervos o produce, incertitudinea crescută cu privire la încărcătura estimată ar lărgi marja de siguranţă, crescând forţa de prindere în mod necorespunzător”, subliniază Hadjiosif. „Demonstrăm faptul că din cauza faptului că forţele de prindere sunt considerabil mai sensibile la incertitudine decât la încărcătura preconizată, lărgirea marjei de siguranţă este superioară efectului reducerii greutăţii preconizate, conducând la forţe de prindere care sunt de fapt mult mai mari a doua oară când veţi ridica un obiect neaşteptat de uşor.”

În aceste situaţii, numai după ce incertitudinea a fost diminuată prin ridicări repetate, forţele de prindere vor fi reduse pentru a corespunde obiectelor mult mai uşoare decât este aşteptat.

„Din câte ştim până acum, este prima dată când un sistem de învăţare motor a fost observat că răspunde la un stimul, iniţial prin virarea sistematică în direcţia greşită”, subliniază Hadjiosif.

Traducere de Vîjială Sergiu How we grab and hold on objects, cu acordul editorului