Snabbrörliga fingertopparna peka eller trycka på en yta är nödvändigt för vardagen till, säg, plocka upp små föremål, använd en BlackBerry eller en iPhone.
Men forskare vid University of Southern California säga att denna till synes triviala handling är resultatet av en komplex neuromotoriska-mekanisk process orkestrerat med tidsbestämning av hjärnan, nervsystemet och musklerna i handen.
USC Viterbi Ingenjörshögskolan biomedicinsk ingenjör Francisco Valero-Cuevas arbetar för att förstå de biologiska, neurologiska och mekaniska egenskaper hos den mänskliga handen som gör att händiga manipulation och gör det möjligt för en person att förstå och knäcka ett ägg, fast en knapp eller fumla med en mobiltelefon för att besvara ett samtal.
"När man tittar på sidan tycker du, fem fingrar, vad kan vara enklare" Valero-Cuevas sa, "men vi verkligen inte förstår väl vad en hand är bio-mekaniskt, hur den styrs neurologiskt, hur sjukdomen försämrar den, och hur behandlingen bäst kan återställa dess funktion. Det är svårt att veta hur var och en av dess 30-plus muskler bidrar till att vardagliga funktioner som att använda en mobiltelefon eller utför de många fingret uppgifter som krävs för att klä dig själv. "
I en studie som publiceras online i den 6 februari 2008 numret av The Journal of Neuroscience, med titeln "Neural Kontroll av rörelse-to-Force Övergångar med fingertoppen," Valero-Cuevas och medförfattare Madhusudhan Venkadesan vid Cornell University Institutionen för matematik frågade volontärer att utnyttja och trycka mot en yta med pekfingret samtidigt som forskarna spelat in fingertoppen kraft och elektrisk aktivitet i alla muskler i handen.
Dessa forskare, i en första-of-a-kind experiment, inspelad 3D fingertopp kraft plus hela muskelkoordination mönstret samtidigt med intramuskulärt electromyograms från alla sju muskler av pekfingret. Ämnen ombads att ta fram en nedåtgående knacka rörelse, följt av en välriktad vertikal fingertopp kraft mot en stel yta. Forskarna fann att muskelkoordination mönstret tydligt gått från att för rörelse som för kraft (~ 65 ms) innan kontakt. Venkadesan är matematisk modellering och analys visade att den underliggande neurala kontrollen också växlas mellan sinsemellan oförenliga strategier i en tidskritisk sätt.
"Vi tror att det mänskliga nervsystemet använder ett förvånansvärt tidskritiska och neuralt krävande strategi för denna vanliga och till synes triviala uppgiften att knacka och sedan trycka in exakt, vilket är en nödvändig komponent i skicklig manipulation", säger Valero-Cuevas, som innehar en gemensamt möte i USC School of Dentistry division av Biokinesiology och sjukgymnastik.
"Våra data tyder på att specialiserade neurala kretsar kan ha utvecklats för handen på grund av den tidskritiska neurala kontroll som är nödvändig för att utföra den abrupta övergången från rörelse (TAP) till statisk kraft (push)," sade han. "I TAP-push-övning, fann vi att hjärnan måste byta från kranen kommandot för att trycka kommando medan fingertoppen fortfarande är i rörelse. Neurofysiologiska begränsningar hindrar en momentan eller perfekt byta, så vi spekulerar att det måste vara specialiserade kretsar och strategier som tillåter människor att göra det effektivt.
"Om övergången mellan motor kommandon som inte ligger rätt i tiden och genomförs, kommer ditt ursprungliga styrkorna vara missriktad och du helt enkelt inte kommer att kunna plocka upp ett ägg, ett glas vin eller en liten pärla snabbt", sade han.