Motor learning and Control
William H. Edwards(2010)
Theoretical Perspectives
Summary
◎ 과학적 이론들은 중요한 2가지 이론적 접근을 가진다. 이들 중 오래된 접근법은 인지 기반의 이론이고,
최근의 이론은 dynamical systems theory 이다.
◎ 인지 기반 이론들은 중추 신경계가 운동 프로그램을 조절하는 운동조절의 모든 요소들의 원인이 된다는 closed
system 이론들 이다. 이는 주로 정보 처리 모델들로 표현된다.
- 정보 처리 모델들은 closed-loop 또는 open-loop 조절 메커니즘을 가정한다. 가장 성공적인 정보처리 모델들은
1) Adam's closed-loop theory
2) Schmidt's schema theory(open-loop)
◎ Dynamical systems theory 역동적 시스템 이론은 인지기반 이론에 대해서 비판적 입장이다. Bernstein이 가장 먼저 인지 기반 이론들의 자유도 문제를 확인하고 한 가지 해결책으로 Synergy에 대한 개념을 제시했다.
◎ 현대의 Dynamical systems 이론들은 하위 시스템들 사이의 상호작용을 가정하는 open 시스템 이론들이다. 이 이론들의 학자들은 운동 협응과 숙련된 수행(기술의 완수)을 복잡한 시스템들의 협조적인 상호작용으로 나타난다고 본다. 움직임 시스템은
- Diverse
- Connected
- Interdependent
- Adapting
◎ 이들 관점에서 운동 기술(Motor skill)이라는 것은 다음과 같은 활성에 의해서 유도되는 시스템 요소들의 협동 조직으로 발생되는 출현(emergence)의 결과이다.
- Movement constrains
- Self-organization
- Attractors
◎ 이들 관점에서 학습(Learnig)은 움직임 환경의 활용과 탐구의 균형의 결과이다.
운동조절이란 개인이 한 task를 수행하기 위해서 자신의 행동을 조절하고 coordination하는 기전을 말한다
(Farber, 1993 ?).
motor control
; 인간 움직임과 안정성에 대해서 원인이 되는 기전의 기반이 되는 것과 관련된 학문분야(discipline)
motor learning
; 운동 기술의 수행과 수립에 기반이 되는 처리와 관련된 학문분야(discipline)
closed control system
; 조절 기전이 내부적이고 폐쇄적인 시스템
open control system
; 그 자체를 둘러싸는 환경과 상호작용하고 그 조절 기전에 주어지는 외부적 영향에 반응하는 시스템
motor program
; 특정한 기술을 산출하는 데 있어서 근육활성을 명령하는 규칙들로 구성된 절차기억
정보처리 모델은 지각단계, 의사결정, 프로그램 단계로 나뉜다. 지각단계의 
sensation; 환경으로부터 오는 적절한 정보를 검출, 선택
perception; 기억안에 저장된 정보와 감각을 비교 처리하는 의미가 주어지는 단계
decision-making ; 지각에서 행위를 결정하는 과정까지 정보를 변환 행위를 위해 기억과 비교
programming ; 의사결정 이후 결정된 행위 프로그램 준비(e,g. 인출-자세변화-근육명령, 타이밍-감각시스템활성, 지향-행위가 시작)
정보처리의 closed-loop 시스템
- servo-mechanism ; 요구한 것과 실제 조절의 차이를 모니터링하여 자동조절하는 기전
closed-loop control
; 행동과정 동안 정확성 참조를 비교하고 필요로 할 때 수정된 오류를 피드백하는 조절 시스템
- 장점; 새로운 기술습득에 적절, 시작되고 있는 움직임의 수정 가능, 정밀하고 정확한 움직임 초래
- 단점; 다른 중요한 과제를 이용할 수 없음. 시간의 지체
open-loop control
; 움직임 명령이 미리 구성되고 피드백으로부터 수정된 중재없이 실행되는 조절 시스템(감각 피드백 모니터링 기전이 없음), 행위를 위한 운동 시스템을 준비하기 위해서 환경적 정보를 사용=> feed forward(행위 시작 이전에 행위의 산출과 관련된 감각정보), 움직임의 명령은 시작전에 미리 완벽하게 설정, 일상에서 빠르고 자동적인 수행
- 장점; 빠른 움직임을 만들어냄, 주의 자원을 다른 과제를 할 수 있게 의식을 돌릴 수 있다(멀티 테스킹)
- 단점; 숙련도에 영향을 받지 않는다, 환경 변화에 영향을 받지 않는다.
※ 두 시스템의 가장 큰 차이는 운동 숙련도에 주어지는 감각피드백의 유무.
두가지 모델은 운동기술의 조절과 학습의 원인이 되는 다양한 처리를 이해할 수 있게 한다. 행위를 중추신경계와 말초신경계로 시작하고 조절하는 차이. closed-loop와 open-loop는 빠른 과제를 수행할 때 속도와 정확도 사이의 균형을 고려할 때 같이 작용한다.
speed-accuracy trade-off
; 이율배반적 균형, 서로 상충된 균형
Fitts' law
; 이산 표적 과제에서 운동 속도와 정확도 사이의 수학적 관계를 나타낸다.
- 떨어진 영역을 클릭하는데 걸리는 시간은 영역까지의 거리와 영역의 폭에 따라 달라진다. 멀리 있을 수록 버튼이 작을 수록 클리하는데 걸리는 시간이 더 많이 걸린다.
인지기반 이론적 틀에서 조절의 세 단계
1) 운동 준비단계
2) open-loop를 통해서 시작
3) 운동의 종착단계(피드백 이용)
Adams' Closed-loop theory
memory trace ; 요구된 행동의 시작과 선택하는 역할
perception trace ; 기억(memory trace)에 의해서 실행된 동작의 정확도를 평가한다.
Novelty problem
; 그들이 자신을 위해 특별한 운동 프로그램을 발전해 오고 있지 않기 때문에 개인은 학습된 움직임의 훈련되지않은 변화를 효율적으로 만들 수 없을 것이다.
Storage problem
; 광대한 기억 능력은 사람이 만들 수 있는 거의 무수한 운동을 조절하는 것에 대한 모든 독립된 프로그램을 저장할 필요가 있을 것이다.
Schmidt's Schema Theory
generalized motor program(GMP)
; 행동의 전체 집합을 조절하는 것에서 일반화된 규칙의 추상적 표상
Schema Theory
; 운동 프로그램이 행위의 전체 집합을 조절하는 것에서 일반화 될 수 있는 규칙의 추상적 세트로 만들어진다는 가정.
invariant feature
; 움직임의 타이밍, 힘, 사용된 근육, 또는 다른 특징들과 상관없이 같거나 지속적으로 유지하는 운동의 구성요소
1) 절차 2) 타이밍 3) 힘
movement class
; 전형적으로 일반적인 협응 패턴을 공유하는 단일 일반화된 운동 프로그램에 의해서 조절된 가능한 모든 운동들
-> 새로움과 기억의 저장문제를 해결
variant feature
; 한 가지 수행 시도에서 신체의 상태, 환경적 요소, 과제 목적을 포함하는 또 다른 시도까지 변화하는 운동 프로그램의 측면
parameters
; 어떤 상황에서 특정한 요구를 만나는 일반화된 운동 프로그램(GMP)의 불변 특징에 추가되어져야 하는 기술의 특징들
schema
; 학습자가 운동문제에 직면했을 때 의사결정을 하게하는 규칙들이다.
성공적 목표 완수는 네 단계의 정보 이용
1) 시각조건의 운동 정보(몸 숙이기)
2) 반응의 자세한 사양(속도, 힘)
3) 감각 피드백 정보
4) 반응의 결과
variability of practice theory
; 가장 좋은 학습 경험은 목표기술과 목표 맥락의 환경적 조건과 운동 요소가 다양한 것이라는 개념
Prelude to Dynamical Systems theory - The Bernsteinian Perspective
dynamical systems theory
; 인간운동 시스템이 그것을 둘러싸는 많은 환경과 상호작용하고 내부시스템 안정성을 만드는 운동 패턴에 반응한다고 가정하는 운동조절과 운동학습 이론
problem of the homunculus
; 뇌가 홀로 한 운동의 모든 측면을 조절할 수 없다는 인지기반 이론의 비평적 한 형태
Bernstein이 주장하는 인지기반 모델의 두 가지 문제점
1) 움직임의 조절은 근육활동 조절에 명령을 내리는 중추적 기전만 가지고 이루어지지 않고 관성, 반발력, 중력 또는 구심력 같은 신체를 움직이게 하는 다른 힘들도 고려되어야 한다(상황조건 다양성 문제).
2) 다양한 신체적 환경적용과 가변적인 상호작용이 협조적 행동을 산출하는 것에 있어서 의미있게 조직되는 것이 어떤 방식으로 이루어지는가?(자유도 문제)
degrees of freedom
; 전 시스템이 독립적으로 다양할 수 있는 차원의 수
synergy
; 단일 집단의 행동 단위에서 같이 활동하는 것에 있어서 일시적으로 협력하는 관절, 근육, 세포들의 모둠
- coordinative structure로 불린다.
freezing the degrees of freedom
; 사지와 관절의 움직임을 제한 하는 것
dynamical system 이론의 주요사항
1) 기술을 학습하는 것은 이용가능한 자유도가 점차적으로 증가됨을 의미한다.
2) 이용가능한 자유도의 점차적 증가로 인해 학습은 점점 더 많은 자유도를 조절하는 능력으로 인해 동반되어질 것이다 .
학습은 신체적 움직임을 협조적으로 이용할 수 있는 자유도의 증가, 그럼에 따라서 환경 조건의 변화를 활용 가능한 운동 패턴이 증가한다. 만일 학습을 통해 더 많은 자유도가 이용가능해진다면, 인지적 용량이 한정된 상태에서 어떻게 학습자가 계속적으로 증가하는 움직임의 옵션 조절을 배울 수 있을까?
- 학습을 통해 synergy를 습득
- 단일 행동 단위를 학습
synergy는 근육과 관절의 집합으로 정의되고 과제 특이적으로 일치성을 보이는 다중 자유도 앙상블로 요소들을 변환하는 임시적이고 유연성 있는 기능적 조직의 집합이다.
dynamical system
; 시간에 걸쳐 다르게 나타나고 유동적인 어떤 시스템
complexity
; 연결되고 상호의존적인 그리고 적응력 있는 다양한 요소로 구성된 시스템들의 특징
emergence
; 복잡한 시스템 요소의 자가 조직으로부터 나타나는 새로운 상태 또는 패턴의 자발적 발생(출현)
self-organization
; 새로운 상태나 패턴으로 출현하기 위하여 synergy 형태로 적응하는 복잡한 시스템에서 요소들의 성질(경향)
운동행위 연구에서 중요한 부분
1) 시스템들은 항상 특정 범위내에서 나타나는 활동으로 제한(constraint)된다.
2) 시스템들의 상호작용으로 새로운 패턴이 발생되는 self-organization
3) attractors로 불리는 선호하는 행동으로 나타난다.
인간 움직임에서는 생리학적, 환경적 제약
organismic constraint
; 신체적 특징, 행동적 특징(인지, 동기, 정서, 심리)과 같은 사람에 대한 제약
state space
; 한 시스템이 가정 가능한 모든 패턴 또는 상태
environmental constraint
; 중력, 온도와 같은 물리적 환경과 문화적 규범과 같은 사회적 특징
task constraint
; 과제목적, 사용된 도구와 부여된 규칙과 절차와 같은 수행된 과제에 의해 주어지는 인간 움직임의 제약
phase shift
; self-organization의 결과로서 하나의 조직적 패턴에서 또다른 것으로 자발적 변환
attractor
; 선호하는 안정된 상태
- 인간에서 attractor는 특정상황에서 가장 효율적인 안정된 운동 패턴을 유지할 수 있는 시,공간적 근육 조직의 상태를 말한다.
dynamical system에서 learning
1) 생태공간에 대한 학습자의 탐구를 촉진
2) 안정적이고 효과적인 운동 패턴을 최적화 시키기위한 다양한 환경적 조건에서 이용될 수 있는 attractor를 깊은 분지(basin)로 발달 시키는 것
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