تعديل المنعكسات يمكّن التحكم في السرعة في محاكاة المشي والجري البشري

لماذا يهم هذا في كيفية تحركنا

تتضمن الحياة اليومية تغيّرات سلسة في السرعة: التجول، التسارع للحاق بالحافلة، التحول إلى هرولة، أو الانطلاق في جري. نادراً ما نفكر فيما يتطلبه نظامنا العصبي لإدارة هذه التحولات دون أن نتعثر. تستخدم هذه الدراسة محاكيات حاسوبية مفصّلة للجسم البشري والحبل الشوكي لطرح سؤال بسيط لكنه عميق: هل يمكن للحلقات الراجعة السريعة والآلية في الحبل الشوكي — منعكساتنا — أن تتولى بمفردها معظم مهمة التحكم في السرعة وتساعد حتى في الانتقال بين المشي والجري؟

نظرة داخل "الطيار الآلي" بالجسم

عندما نمشي أو نجري، لا يدير الدماغ كل عضلة تفصيلياً. بدلاً من ذلك، يحتوي الحبل الشوكي على دوائر تضبط تلقائياً نشاط العضلات استناداً إلى إشارات من العضلات والأوتار. تستجيب هذه المنعكسات لطول العضلة وقوتها، وتساعدنا على البقاء منتصبين ومتحركين. هناك دوائر أخرى تُعرف بمولِّدات النمط المركزي يمكنها إنتاج نشاط إيقاعي بذاتها، وتضيف المراكز العليا في الدماغ التخطيط والتنعيم. وبما أن كل هذه الأنظمة مترابطة بشدة في البشر الحقيقيين، فتكاد تكون تجربة المنعكسات معزولة في المختبر أمراً مستحيلاً. لذلك لجأ المؤلفون إلى نموذج حاسوبي عصبي-عضلي-هيكلي: إنسان افتراضي قائم على فيزياء له عظام ومفاصل وتسع عضلات رئيسية في كل ساق، يعمل فقط عبر تغذية راجعة شبيهة بالمنعكسات بين أزواج العضلات.

اختبار ما تستطيع المنعكسات فعله وحدها

في النموذج، يستقبل كل مسار منعكسي طول العضلة أو قوتها ويرسل إشارة مثبطة أو منشّطة إلى نفس العضلة أو عضلة مقابلة، وذلك بوساطة كسب وتحويل بإزاحة. هناك 71 قيمة قابلة للضبط بهذا الشكل في المجمل. بحث الفريق أولاً عن تراكيب لهذه القيم تُنتج مشياً وجرياً مستقراً بسرعات بطيئة جداً وسريعة جداً. وجدوا أنه بتغيير مكاسب ومنزلقات هذه المنعكسات فقط، استطاع النموذج المشي بثبات من نحو 0.45 م/ث إلى 1.93 م/ث والجري من 2.0 م/ث إلى 3.4 م/ث — نطاق يغطي سرعات المشي البشرية النموذجية ويصل إلى سرعات جري واقعية لكثير من الناس. ومن اللافت أن حدود السرعات للمشي والجري تقاربت حول سرعة الانتقال المعتادة من المشي إلى الجري لدى البشر، رغم أن ذلك لم يُبنى مسبقاً في النموذج.

من العديد من المقابض إلى استراتيجية تحكم مركّزة

مع أن 71 معامل متاحاً، أراد المؤلفون معرفة ما إذا كان على الجهاز العصبي حقاً تعديلها جميعاً للتحكم في السرعة. حلّلوا عدداً كبيراً من الحلول الناجحة للمشي والجري وسألوا أي مسارات منعكسية تغيّرت أكثر عبر السرعات. باستخدام طريقة إحصائية، حدّدوا مجموعة أصغر من المنعكسات «المفتاحية» التي حملت معظم التباين المتعلق بالسرعة. ومن اللافت أن السماح بتغيّر 30 من هذه المعاملات المفتاحية فقط حافظ تقريباً على النطاق الكامل للسرعات الممكنة للمشي والجري. ثم طوّر الباحثون منحنيات رياضية بسيطة ربطت كل إعداد منعكسي مفتاحي بالسرعة العامة للنموذج، فأنشأ ذلك دالة مدمجة لتعديل السرعة: أدخل السرعة المطلوبة فتعيد مجموعة كاملة من مكاسب ومنزلقات المنعكسات للمتحكم.

تغيير السرعة أثناء الحركة والتبديل بين النمطين

بعد ذلك، اختبر الفريق ما إذا كانت دالة تعديل السرعة هذه يمكن استخدامها بطريقتين. في الوضع "غير المتصل" (offline)، اختاروا سرعة مستهدفة قبل المحاكاة، ولّدوا معلمات المنعكس من الدالة، ثم شغّلوا النموذج. في الوضع "المتصل" (online)، غيّروا السرعة المستهدفة أثناء المحاكاة وحدثوا معلمات المنعكس باستمرار بينما كان الشخص الافتراضي يمشي أو يجري. في كلا الوضعين، ضَبَط النموذج سرعته بسلاسة عبر نطاق كبير، وخصوصاً في الجري حيث تطابقت السرعات الفعلية والمستهدفة بقرب كبير. أظهر المشي مطابقة أقل مثالية لكنه ظل يتبع التغيرات المطلوبة في الشكل والاتجاه. من خلال تبديل كامل مجموعة معلمات المنعكس فجأة من حل مشي سريع إلى حل جري بطيء، أنتجوا أيضاً انتقالات سلسة بين المشي والجري دون قواعد توقيت عليا إضافية.

ما يعنيه هذا لفهمنا للحركة

لا تدّعي الدراسة أن البشر الحقيقيين يعتمدون على المنعكسات فقط؛ فالنظام العصبي يستخدم أيضاً دوائر مولّدة للنمط، وأجهزة توازن، وأوامر دماغية. لكن هذه المحاكاة تظهر من حيث المبدأ أن المنعكسات المضبوطة والمعدّلة بعناية قادرة وحدها على التحكم في السرعة ودعم انتقالات النمط في جسد واقعي. وهذا يوحي بأن التغذية الراجعة الشوكية قد تتحمّل جزءاً أكبر من عبء الحركة اليومية مما كان يُقدّر سابقاً، تاركة للمراكز العليا في الدماغ التركيز على التخطيط واتخاذ القرار. كما تشير النتائج إلى استراتيجيات تحكم أبسط وأكثر صلابة للروبوتات ذات الأرجل والأطراف الاصطناعية التي تعتمد بشكل كبير على تغذية راجعة شبيهة بالمنعكس بدلاً من متحكمات مركزية معقّدة.

الاستشهاد: Bunz, E.K., Bruel, A.J., Ijspeert, A.J. et al. Modulating reflexes enables speed control in simulated human walking and running. Sci Rep 16, 13028 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-48509-z

الكلمات المفتاحية: تنقل الإنسان, منعكسات الحبل الشوكي, سرعة المشية, نمذجة عصبية-عضلية-هيكلية, الانتقال من المشي إلى الجري