生物运动控制系统

人体或动物体中由起通讯及控制作用的神经和运动效应器官组成的系统称为生物运动控制系统，这是生物控制论的主要研究对象之一。运动功能是动物界的重要功能，在各种运动中一般只把由神经控制的运动系统称为运动控制系统，而血细胞的变形运动等不包括在此类范围。生物运动控制系统往往与感觉神经及肌肉联系在一起，故又称为感觉运动控制系统，或神经肌肉控制系统，或感觉神经肌肉控制系统。
生物运动控制系统根据其神经及肌肉类型可分为自主感觉运动系统及随意运动系统两类。前者主要由自主神经及平滑肌构成，后者主要由中枢神经及骨胳肌构成。生物运动控制系统根据被控制器官的不同大致分为： 眼部运动，其中包括瞳孔控制系统，眼球跟踪运动及晶状体调焦运动；头部运动； 肢体运动等。另外，前庭-动眼反射(VOR)及视动振颤(OKN)等也是运动控制系统的重要课题，其中VOR是研究头动及眼动的互相关系，OKN是研究在旋转运动目标刺激下的眼球运动规律，并作为一种专门诊断手段。
用生物控制论的方法对运动系统的研究，不仅能分析、模拟和预测人体器官的运动规律、功能局限性等，而且也能从神经系统信息与控制角度探索新的诊断治疗途径。瞳孔控制系统 其主要通道是视网膜获得光的信息，由视神经传向顶盖前区换元，经伊魏核(Edinger-West-phal Nuclear)后，再通过睫状神经节去控制瞳孔括约肌。当照射到眼部的光增加时，瞳孔就缩小，以减少输入的光通量，所以它基本上是不通过大脑皮质的较低级的自主神经与虹膜平滑肌组成的负反馈控制系统。由于瞳孔通路明确简单，所以医生们很早就用瞳孔对光的反应来检查视觉通路或神经系统的疾病。由于瞳孔运动是最简单的一维变化，而且易于用红外线方法作无接触无损伤的精确测量，因此它是生物控制论研究运动控制系统的典型课题之一。
生物控制论实验研究的先驱Stark首先应用控制理论的频率法，分析人的瞳孔对光反应，利用不同频率及强度按正弦变化的刺激光，作为受试者眼睛的输入信号。当输入信号幅度很小时，系统可以认为是近似线性的。应用红外线光电反射法或红外电视法，就能测出在不同频率光的刺激下瞳孔反应的振幅与相位特性，从而得到瞳孔控制系统的传递函数。研究瞳孔系统传递函数的意义，不仅在于用控制工程的定量函数关系代替医生一般的定性描述，而且在于能预测和检验一种特殊的生物运动现象——自发振荡现象。由控制理论知道，任何反馈控制系统在满足一定条件时，都能产生自激振荡，而这振荡与外部输入无关。作为负反馈控制的瞳孔系统，只要从传递函数上找到相移为180°的频率(大致是1Hz左右)，如果同时满足振幅条件，瞳孔就应该在输入光强不变的情况下振荡起来。实验结果与传递函数的理论预计完全相符。
英国Marcus Gunn 曾用光源交替地分别照射双眼来检查某些病人，发现患有某种神经炎的病人的某侧眼在光照射时，瞳孔反而扩大。对这一现象，近年来从双眼瞳孔运动的控制论观点出发，应用实验及系统模型的研究方法给予了解释，不仅阐明了这是双眼瞳孔相互耦合作用的结果，而且还能由计算机模型决定出检查这种病人所使用的最佳频率及最适宜的背景光照度。
眼球运动控制系统 眼球由六块眼肌固定于眼眶中，在中枢神经系统的控制下可作三个自由度的运动。眼球运动主要有跳动和平滑跟踪两种运动。跳动是眼球注视方位突然变化的运动。在目标图象中包含有位置信息时，就可以作为刺激引起眼球跳动。研究表明跳动具有采样控制的特点，即中枢神经在进行眼球跳动控制时，不是连续进行的，而是在对目标位置信息进行采样后，把采到信息数据进行计算并作出判断，再发出跳动运动的控制信号，使眼球快速跳动，并且在采样后到跳动运动完毕期间(约200ms)，对任何位置信息都不再引起反应。平滑跟踪运动是眼球随着运动图象而运动，这是运动目标的速度信息输入到控制眼动的中枢神经系统中所引起的一种伺服控制运动。在眼球平滑跟踪中，系统连续进行对目标速度的检测、计算，及眼球运动反馈控制等，而在没有运动目标时就不能产生平滑跟踪运动。用静止图象作为刺激输入，眼球只可能产生跳动运动。实验证明，跳动和平滑跟踪两种眼球运动，虽然依靠了同样的三对眼肌和同样的输入输出神经，但由于参加作用的中枢神经控制机制不同，所以它们是两套独立的控制系统。例如，能由病人眼球运动中跳动控制正常而平滑跟踪功能消失的现象来诊断中枢神经系统病变。眼动研究还表明，精神分裂症患者在注意一个固定点目标时会产生一系列微跳动，这有可能作为诊断的客观依据。眼动控制的研究结果发现，阅读困难症病人在阅读过程中会出现大量的回跳眼动，并有较长的眼跳潜伏期，说明他们的中枢神经与眼球跳动运动之间的协调有障碍，因此眼球运动的分析也可以作为检查这种病人的客观诊断手段。