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為什麽手臂會自動漂浮起來?所謂的康斯塔姆現象 (Kohnstamm phenomenon) 原理是什麽?

2014-11-27科學

Kohnstamm phenomenon 是一種非自主運動現象。在完全放松時候,腦中的運動皮層處於靜息狀態,不對肌肉群發出主動的運動指令。此時,另一串控制訊號被外化,被肢體運動體現出來[1]:

上圖中的下面一行是在Kohnstamm phenomenon喚起時候的肌電(Electromyography, EMG)訊號,易於理解的,在Push階段,主要是由運動皮層發出的訊號。在relax階段,是由另一個運動控制中樞——基底節發出的訊號[2],該訊號要經過一段時間才能衰減到接近0的水平。

實際上,腦運動皮層發出的訊號,都要經過基底節和下級神經核團的調變,才傳遞到目標肌肉群。我們的大腦運動皮層在發出運動訊號的時候,其訊號的內容並不是具體的肌肉控制總成,而是比較高級的、抽象的訊號,比如控制肢體運動到某個方位。該高級訊號傳遞到基底節和下級核團時,才被轉譯為肌肉群控制訊號,並透過反饋機制傳遞到腦皮層,以精確的控制。

具體在Kohnstamm phenomenon的喚起階段,手臂側推墻壁(push up)時,腦皮層發出訊號要求手臂側推至最大角度,基底節和下級核團調動對應的肌肉群。在放松階段,腦皮層的訊號逐漸的消失,而且沒有一個抑制訊號從其發出。基底節和下級核團的訊號發出機制在沒有受到上級控制的情況下,保持了此前的訊號發出狀態,而且是逐漸衰減的。這種非自主訊號(基底節不受意識控制)需要一定的時間冷卻才能歸零。

基底節的功能受損,比如帕金森癥患者,其發出的訊號會變得異常,患者因此會有不自主的抖動。

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[1] Ghosh, Arko, John Rothwell, and Patrick Haggard. "Using voluntary motor commands to inhibit involuntary arm movements." Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 281.1794 (2014): 20141139.

[2] Mink, Jonathan W. "The basal ganglia: focused selection and inhibition of competing motor programs." Progress in neurobiology 50.4 (1996): 381-425.