Fundamentals of Neuromechanics

این کتاب یک چارچوب مفهومی و محاسباتی برای مطالعه نحوه استفاده سیستم عصبی از خواص تشریحی اندام ها برای تولید عملکرد مکانیکی ارائه می دهد. مطالعه کنترل عصبی اندام‌ها از لحاظ تاریخی بر استفاده از بهینه‌سازی برای یافتن راه‌حل‌هایی برای مشکل افزونگی عضلانی تأکید کرده است. یعنی چگونه سیستم عصبی یک الگوی هماهنگی عضلانی خاص را انتخاب می‌کند، وقتی که تعداد زیادی از ماهیچه‌های یک اندام اجازه راه‌حل‌های متعدد را می‌دهند؟
من این مشکل را از دیدگاه نوظهور نورومکانیک که بر یافتن و اجرای خانواده‌های راه‌حل‌های امکان‌پذیر، به جای یک راه‌حل بهینه واحد و منحصربه‌فرد تأکید می‌کند، دوباره بررسی می‌کنم. خانواده‌های راه‌حل‌های امکان‌پذیر به‌طور طبیعی از تعامل میان دستورات عصبی امکان‌پذیر، آناتومی اندام و محدودیت‌های کار پدید می‌آیند. چنین دیدگاه جایگزینی برای کنترل عصبی عملکرد اندام ها نه تنها از نظر بیولوژیکی قابل قبول است، بلکه بر محوری ترین اصول و بحث ها در زمینه های کنترل عصبی، رباتیک، توانبخشی و سازگاری های تکاملی مغز و بدن روشن می شود. این دیدگاه از دوره‌هایی که من به مهندسان و دانشمندان علوم زیستی در دانشگاه کرنل و دانشگاه کالیفرنیای جنوبی تدریس کردم، ایجاد شد و با ترکیب مفاهیم اساسی از مکانیک، آناتومی، ریاضیات، رباتیک و علوم اعصاب با پیشرفت‌هایی در زمینه هندسه محاسباتی امکان‌پذیر شد.
مبانی نورومکانیک برای دانشمندان علوم اعصاب، روباتیک، مهندسان، پزشکان، زیست شناسان تکاملی، ورزشکاران و درمانگران فیزیکی و شغلی در نظر گرفته شده است که به دنبال ارتقای درک خود از مکانیک عصبی هستند. بنابراین، لحن کاملاً آموزشی، جذاب، یکپارچه و عملی است تا برای افرادی که از طیف گسترده‌ای از رشته‌ها هستند قابل دسترسی باشد. من سعی می‌کنم مرز بین در دسترس قرار دادن توضیح ریاضی برای دانشمندان علوم زندگی را طی کنم و شگفتی و پیچیدگی علوم اعصاب را به مهندسان و دانشمندان محاسباتی منتقل کنم. در حالی که هیچ رویکردی نمی تواند امیدوار باشد که به طور قطعی سؤالات مهم در این زمینه های مرتبط را حل کند، من امیدوارم که زمینه و ابزارهای اساسی را در اختیار شما قرار دهم تا به شما امکان مشارکت در زمینه نوظهور نورومکانیک را بدهم.

This book provides a conceptual and computational framework to study how the nervous system exploits the anatomical properties of limbs to produce mechanical function. The study of the neural control of limbs has historically emphasized the use of optimization to find solutions to the muscle redundancy problem. That is, how does the nervous system select a specific muscle coordination pattern when the many muscles of a limb allow for multiple solutions?
I revisit this problem from the emerging perspective of neuromechanics that emphasizes finding and implementing families of feasible solutions, instead of a single and unique optimal solution. Those families of feasible solutions emerge naturally from the interactions among the feasible neural commands, anatomy of the limb, and constraints of the task. Such alternative perspective to the neural control of limb function is not only biologically plausible, but sheds light on the most central tenets and debates in the fields of neural control, robotics, rehabilitation, and brain-body co-evolutionary adaptations. This perspective developed from courses I taught to engineers and life scientists at Cornell University and the University of Southern California, and is made possible by combining fundamental concepts from mechanics, anatomy, mathematics, robotics and neuroscience with advances in the field of computational geometry.
Fundamentals of Neuromechanics is intended for neuroscientists, roboticists, engineers, physicians, evolutionary biologists, athletes, and physical and occupational therapists seeking to advance their understanding of neuromechanics. Therefore, the tone is decidedly pedagogical, engaging, integrative, and practical to make it accessible to people coming from a broad spectrum of disciplines. I attempt to tread the line between making the mathematical exposition accessible to life scientists, and convey the wonder and complexity of neuroscience to engineers and computational scientists. While no one approach can hope to definitively resolve the important questions in these related fields, I hope to provide you with the fundamental background and tools to allow you to contribute to the emerging field of neuromechanics.