Tecnologia Científica

Obtendo um controle sobre a função da mão
Publicados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences , os resultados trazem uma nova compreensão sobre o controle neural e a evolução da mão humana e, potencialmente, novas maneiras de ajudar nas deficiências.
Por Yale University - 27/03/2022



Os seres humanos são incomparáveis ​​no reino animal em destreza manual. Usamos ferramentas, seguramos canetas, agulhas de linha e muito mais, sem pensar nos desafios que o sistema nervoso enfrenta ao aplicar forças com precisão com as pontas dos dedos. Uma equipe de pesquisadores partiu para descobrir o que é preciso para agarrar com a ponta dos dedos, o que é crucial para a destreza da mão humana. Publicados na  revista Proceedings of the National Academy of Sciences ,  os resultados trazem uma nova compreensão sobre o controle neural e a evolução da mão humana e, potencialmente, novas maneiras de ajudar nas deficiências.

Liderados por Madhusudhan Venkadesan , professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais, os pesquisadores analisaram a estabilidade dos dedos ao aplicar força com a ponta. Especificamente, eles estudaram o que é conhecido como “pegada de precisão”, em que o dedo indicador está em uma postura flexionada, como ao enfiar uma agulha ou manusear um objeto fino. O problema com esse estilo de agarrar é que o dedo tem uma tendência natural a se dobrar de repente, uma espécie de movimento rápido de encaixe das articulações. Manter uma pegada estável, sem nenhum tipo de dobra dos dedos, é fundamental para pegar coisas e outras tarefas cotidianas. Então, o que impede nossos dedos de dobrarem o tempo todo? 

"Um resultado clássico da mecânica prevê que uma cadeia de hastes conectadas a juntas, chamadas de ligações mecânicas, se dobrarão quando forem comprimidas", disse Neelima Sharma, principal autora, ex-aluna de doutorado no laboratório de Venkadesan e agora pós-doutoranda. na Universidade de Chicago. “Isso é como um fio fino que se dobraria se você tentasse espremer ao longo de seu comprimento. Os dedos também são como essas ligações e as forças da ponta dos dedos teriam o efeito de fazer com que o dedo se dobrasse.” Para descobrir a rapidez com que nossos dedos se dobram, eles realizaram um experimento no qual pediram às pessoas que empurrassem com a ponta de seus dedos indicadores flexionados o mais forte que pudessem em uma superfície plana. O dedo permaneceu estável a maior parte do tempo, mas ocasionalmente estalou e dobrou. Os pesquisadores queriam saber quanto nossos reflexos são responsáveis ​​pela manutenção da estabilidade.  

“Todo o movimento de encaixe é incrivelmente rápido – principalmente abaixo de 50 milissegundos”, disse Venkadesan. Normalmente, leva cerca de esse tempo para um sinal nervoso da ponta do dedo atingir a medula espinhal e voltar. “Portanto, mal dá tempo – e provavelmente não há tempo suficiente – para uma resposta reflexa estabilizadora.” 

Se não os reflexos neurais, o que poderia ser responsável por manter nossos dedos estáveis? Os pesquisadores pensaram que a ação de mola de nossos músculos pode ser responsável. Mas um modelo matemático que eles desenvolveram para o dedo previu que o uso de músculos para fornecer rigidez teria o custo de redução da força. Então eles conduziram outra série de experimentos onde aplicaram rigidez externa fixando uma tala nas articulações do dedo, deixando os músculos se concentrarem na força e não na estabilidade. 

“Quando adicionamos uma tala, todo mundo ficou mais forte”, disse Venkadesan – cerca de 30% mais forte em média. Ainda mais interessante para os pesquisadores foi como esses ganhos variaram entre os sujeitos. “Queríamos entender por que é diferente de pessoa para pessoa. E o que você vê é que as pessoas que reduziram mais sua cocontração poderiam produzir mais força.” A cocontração é a contração simultânea de vários músculos que nos ajuda a aumentar a rigidez, como tensionar o corpo ao contrair muitos músculos. 

Eles concluíram que as habilidades motoras de preensão de precisão vêm de uma troca entre estabilidade, força e flexibilidade dos dedos, o que requer um controle neural cuidadoso de vários músculos. Ao agarrar, os músculos de ambos os lados das articulações dos dedos se contraem para estabilizar as articulações, mas reduzem a força e a complacência de nossos dedos. 

Venkadesan compara os dedos, mão e braço a uma marionete, sendo suas cordas os músculos e tendões. “Seu sistema neural precisa ser cuidadoso ao orquestrar todos esses músculos para operar essa marionete e mantê-la estável”, disse ele. “Uma vez aprendido isso, o ato de estabilização acontece devido à mecânica do sistema.”

E ao modelar matematicamente essas mecânicas, os pesquisadores conseguiram determinar que elas não são exclusivas dos dedos. “É um problema mais geral que se aplica a qualquer parte do corpo multilink – pernas inteiras, corpo inteiro”, disse ele. “Alguma versão dessa troca de três vias – estabilidade, força e flexibilidade – inevitavelmente se aplica.”

Além de abrir caminhos para tratar lesões e construir próteses, essa janela para o funcionamento das mãos e outros membros oferece algumas direções a serem exploradas em termos da evolução humana inicial. “Algumas morfologias de mão são melhores para gerenciar o trade-off do que outras? Como as mãos de nossos primeiros ancestrais bípedes, de cerca de 3 a 4 milhões de anos atrás, se comparam com a mão humana moderna? Há toda uma série de questões em aberto a serem investigadas.”

 

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