Habilidades Motoras Finas de la Mano: Anatomía, Control y Aplicaciones
La mano humana es un instrumento extraordinario de destreza y versatilidad. A pesar de los impresionantes avances recientes en la ingeniería, la mayoría de las pinzas robóticas son torpes e incómodas en comparación con la mano humana. Esta versatilidad se basa en el diseño mecánico de la mano, su aparato muscular y un sofisticado control neurofisiológico.
Función Motora de la Mano: La Prensión
La función motora de la mano está estrechamente relacionada con su función sensorial. La mano se utiliza tanto para explorar objetos por el tacto como para manipularlos. La función sensorial-motora combinada de la mano que agarra se denomina prensión.
Anatomía y Mecánica de la Mano
La mano es una estructura anatómica compleja. Hay 27 huesos en la mano, la muñeca y el antebrazo humanos: 14 huesos falángicos en los dedos, cinco huesos metacarpianos en la zona de la palma de la mano y ocho huesos carpianos en la muñeca. Estos huesos están conectados por cuatro grupos principales de articulaciones:
- Las articulaciones interfalángicas distales
- Las articulaciones interfalángicas proximales
- Las articulaciones metacarpofalángicas
- Las articulaciones carpometacarpianas
Con mayor frecuencia, los humanos aplican fuerzas a los objetos sostenidos con las yemas de los dedos. Desde el punto de vista de la mecánica, el diseño de la mano combina cadenas seriales y paralelas. Un dedo individual puede verse como un mecanismo serial, con varias articulaciones que conectan la punta del dedo con la muñeca. Estos mecanismos son redundantes en las tareas cinemáticas que suelen tener menos restricciones de tarea que el número de articulaciones. Sin embargo, si se desea aplicar un determinado vector de fuerza con la punta del dedo en condiciones isométricas, un mecanismo serial se vuelve sobreconstreñido porque un vector de fuerza (F) en el punto final define inequívocamente todos los momentos de fuerza de la articulación (un vector M): F = JTM, donde J es la jacobiana del sistema y T es el signo para la transposición. En contraste, cuando varios dedos presionan sobre un objeto rígido, actúan en paralelo. En esta tarea, los dedos están sobreconstreñidos en la cinemática, porque el movimiento de un dedo induce el movimiento de todos los demás dedos. Sin embargo, este mecanismo paralelo es redundante en las tareas de producción de fuerza isométrica porque un número infinito de combinaciones de fuerzas de los dedos puede producir una fuerza total requerida.
Músculos de la Mano
La mano está servida por dos grupos musculares principales: los músculos intrínsecos y extrínsecos. Los vientres de los músculos intrínsecos se encuentran dentro de la mano (se muestran dos en el panel superior de la Figura 129). Los músculos flexores intrínsecos son específicos de los dedos en su acción de flexión y abducción-aducción, es decir, sus tendones distales se unen a las falanges proximales de un solo dedo. Sin embargo, estos músculos también se unen a una estructura tendinosa que forma el llamado mecanismo extensor, una red de tejidos elásticos pasivos que producen una acción extensora en las articulaciones distales de los dedos (el panel inferior de la Figura 129). Como resultado, la activación de un músculo intrínseco produce una acción focal en la articulación metacarpofalángica correspondiente y también contribuye a la extensión del dedo (y otros dedos) en las falanges distales. Los vientres de los músculos extrínsecos se encuentran en el antebrazo. Cada músculo extrínseco tiene varios tendones distales que se unen a los dedos individuales. Por ejemplo, el flexor digitorum superficialis (FDS) envía cuatro tendones a los cuatro dedos de la mano. Estos tendones se unen a las falanges intermedias (líneas discontinuas en el panel superior de la Figura 129). El otro flexor principal, el flexor digitorum profundis (FDP) tiene cuatro tendones que se unen a las falanges distales de los cuatro dedos (solo se muestra uno en la Figura 129). Estos músculos a veces no se consideran como estructuras fisiológicas únicas, sino como combinaciones de varios compartimentos musculares. Un compartimento es un grupo de fibras musculares inervadas por un subgrupo de unidades motoras del conjunto que inerva todo el músculo. Los compartimentos producen fuerzas que se transmiten principalmente a uno de los cuatro tendones y dan lugar a efectos motores predominantes en uno de los cuatro dedos. Este diseño del aparato muscular de la mano puede considerarse como una contribución a la interdependencia de las fuerzas y los movimientos producidos por los dedos individuales. Esta interdependencia no es absolutamente obligatoria; los músicos profesionales, por ejemplo, aprenden a anularla y producir acciones de los dedos mucho más independientes.
Mapas Corticales de la Mano
La mano humana tiene un sistema de control cortical altamente desarrollado que se refleja en las grandes proyecciones de la mano en diferentes áreas corticales, incluida la corteza motora primaria. La corteza motora primaria y el tracto corticoespinal son cruciales para el correcto funcionamiento de la mano. En los casos de accidente cerebrovascular que afectan a las áreas motoras corticales, el cuadro clínico suele incluir una alteración importante de la función de la mano que también es notoriamente difícil de recuperar. En particular, los pacientes que sufren un accidente cerebrovascular se vuelven menos capaces de mover un dedo a la vez; más bien, un intento de mover un dedo provoca el movimiento de todos los dedos de la mano. Los estudios que utilizan técnicas de cartografía cerebral (revisados en las Secciones 15 y 16) han demostrado importantes reorganizaciones de los mapas corticales tras la amputación de un dedo o un entrenamiento especializado como la lectura de Braille, la interpretación de un instrumento musical o la práctica de una tarea artificial de laboratorio. Este fenómeno, llamado plasticidad neuronal (véase la Sección 15), es probable que medie procesos como el aprendizaje motor y la rehabilitación motora.
Control Jerárquico de la Mano: Margen de Seguridad
Durante las tareas de agarre, el control de la mano se considera a menudo basado en una jerarquía de dos niveles (Figura 130). En el nivel superior, la tarea se comparte entre las acciones del pulgar y el dedo virtual opuesto (VF). Este último término implica un dedo imaginario con una acción mecánica igual a la acción combinada de los dedos reales que participan en la tarea. Más formalmente, VF produce una llave igual a la suma de las llaves producidas por los dedos. En el nivel inferior, la acción de VF se comparte entre los dedos reales. Los dos niveles se tratarán como Tarea → {Th,VF} y VF → {I,M,R,L}. Por ejemplo, imagina que la mano sostiene un objeto en el aire utilizando el llamado agarre prismático con los puntos de contacto de los cinco dedos en un plano, el plano de agarre (Figura 131). Para simplificar, supongamos también que el par externo actúa sobre el objeto en el mismo plano. Sujetar los objetos requiere que se cumplan las siguientes ecuaciones de estática:
F V F n + F t h n = 0 (17)
F V F t + F t h t + L = 0
Tq + F V F n d V F + F V F t r V F ≡ M V F + F t h n d t h + F t h t r t h ≡ M t h = 0
donde los subíndices th y VF se refieren al pulgar y al dedo virtual, respectivamente; los superíndices n y t representan las componentes de fuerza normal y tangencial, respectivamente; L es la carga (peso del objeto), Tq es el par externo, y los coeficientes d y r representan los brazos de momento de la fuerza normal y tangencial con respecto a un centro preseleccionado, respectivamente. Además, para aplicar una determinada fuerza tangencial al objeto, la fuerza normal debe ser lo suficientemente grande. Dado un coeficiente de fricción μ, la siguiente desigualdad debe cumplirse para cada dedo para evitar el deslizamiento:
Fn ≥ Ft/μ.
Típicamente, los humanos aplican fuerzas normales más altas de las necesarias para las condiciones de fricción dadas. Esto se cuantifica con un índice llamado margen de seguridad (SM):
SM = (μFn − Ft)/Ft.
SM es un índice útil que distingue diferentes subpoblaciones, por ejemplo, las personas mayores tienen valores de SM más altos que las personas más jóvenes, mientras que las personas con síndrome de Down tienen valores de SM más altos que las personas sin síndrome de Down. Ten en cuenta que las ecuaciones 17 son redundantes. Esto significa que un número infinito de combinaciones de fuerzas del pulgar y VF y puntos de aplicación de la fuerza pueden resolver estas ecuaciones. Si una persona realiza la tarea de sujetar un objeto estáticamente muchas veces, estas variables muestran ajustes covariados a lo largo de las pruebas. Estos ajustes reflejan las sinergias de prensión en el nivel Tarea → {Th,VF}. La acción de VF se comparte en el nivel inferior entre las acciones de los dedos individuales, i—índice, m—medio, r—anular y l—meñique:
F V F n = F i n + F m n + F r n + F l n (18)
F V F t = F i t + F m t + F r t + F l t
M V F = F i n d i + F m n d m + F r n d r + F l n d l ≡ Moment of the normal forces ≡ M n + F i t r i + F m t r m + F r t r r + F l t r l ≡ Moment of the tangential forces ≡ M t
Este sistema de ecuaciones también es redundante. Las ecuaciones permiten un número infinito de soluciones (conjuntos de variables en los lados derechos), y de hecho se realizan diferentes soluciones en diferentes pruebas para acciones dadas de VF (variables en los lados izquierdos de las ecuaciones). Esto significa que las sinergias de prensión pueden estudiarse tanto en los niveles Tarea → {Th,VF} como en VF → {I,M,R,L}.
Interacción de los Dedos durante la Presión
La interacción de los dedos en el nivel VF → {I,M,R,L} se ha estudiado utilizando tareas de presión multidigital sin la participación del pulgar. El rendimiento de estas tareas se caracteriza por los fenómenos de reparto, esclavitud, déficit de fuerza y ajustes sinérgicos de la fuerza. El reparto implica que la fuerza total (u otra variable de rendimiento, por ejemplo, el momento total de fuerza) se reparte entre los cuatro dedos de una determinada manera, y este patrón de reparto es estable en un rango de magnitudes de fuerza. La esclavitud o la falta de individuación de los dedos puede verse cuando solo se indica a un dedo que produzca fuerza. En estas tareas, los demás dedos muestran una producción de fuerza no intencionada, con la magnitud de la fuerza no intencionada escalando proporcionalmente con la magnitud de la fuerza del dedo de la tarea. El déficit de fuerza refleja el hecho de que la fuerza voluntaria máxima producida por un dedo en una tarea de un solo dedo es mayor que la fuerza de este dedo en una producción de fuerza voluntaria máxima por varios dedos que presionan simultáneamente. La tarea de producir una fuerza total constante y submáxima (o momento de fuerza) con cuatro dedos es redundante; permite un número infinito de soluciones. El análisis de la varianza de la fuerza de los dedos documentó sinergias de estabilización de la fuerza y el momento de fuerza multidigital a través de una variedad de tareas de presión. Esto significa que, en diferentes pruebas, los participantes de estos estudios utilizaron diferentes combinaciones de fuerzas de los dedos para alcanzar los niveles requeridos de fuerza total con una precisión relativamente alta. En el marco de la hipótesis del conjunto incontrolado (véase la Sección 4), esto implica que la mayor parte de la varianza de la fuerza de los dedos se limitaba al UCM.
Sinergias de Prensión: Principio de Superposición
En las tareas de agarre que implican que el pulgar se oponga a los cuatro dedos, se han documentado sinergias que estabilizan variables como la fuerza normal total, la fuerza tangencial total y el momento total de fuerza en ambos niveles, Tarea → {VF,Th} y VF → {I,M,R,L}. Estos ajustes covariados de las variables elementales que mantenían un valor de una variable de rendimiento producida en el nivel seleccionado se han denominado sinergias de prensión. El análisis de las sinergias de prensión estáticas reveló que no se utilizaban todas las combinaciones posibles de variables elementales para satisfacer las restricciones. Las tareas típicas se realizaban como combinaciones de dos subtareas: una de ellas estaba relacionada con la producción de fuerza de agarre (que es un ejemplo de fuerza interna) y fuerza resultante, y la otra con la producción de acción de rotación (momento total de fuerza). En consecuencia, había dos sinergias principales: la que estabilizaba la fuerza y la que estabilizaba el momento. Esta organización se ajusta al principio de superposición introducido en la robótica para el control de las pinzas. El principio establece que las acciones hábiles de una pinza pueden descomponerse en varias acciones elementales que se controlan de forma independiente mediante controladores separados. Se ha demostrado que este control desacoplado en la robótica reduce el tiempo total de cálculo.
Control de avance de la fuerza de agarre
Cuando la mano sostiene un objeto como se muestra en la Figura 131, los dedos tienen que producir fuerzas tangenciales netas que contrarresten el peso del objeto (como en la ecuación 17). Si ahora el objeto se mueve rápidamente hacia un objetivo situado por encima de su posición inicial, las fuerzas tangenciales de los dedos tienen que mostrar una modulación temporal que corresponda a la modulación de la carga inercial:
F V F t + F t h t + m [ g − a ( t ) ] = 0
donde g es la aceleración de la gravedad y a(t) es la aceleración del objeto que varía en el tiempo. Para producir fuerzas tangenciales más altas que se necesitan para acelerar el objeto, las fuerzas normales también tienen que aumentar para evitar el deslizamiento y proporcionar un margen de seguridad adecuado. Varios estudios han demostrado que el aumento de las fuerzas normales se produce ligeramente antes o simultáneamente con el aumento de las fuerzas tangenciales asociadas al inicio del movimiento (Figura 132). Dado que no hay un retraso temporal en el aumento de la fuerza normal, se considera que se produce de forma anticipada. Los ajustes anticipados de las fuerzas normales a los cambios esperados en la carga externa que requieren la modulación de las fuerzas tangenciales se han observado en una variedad de condiciones, como la manipulación de objetos sostenidos con la mano y los movimientos de todo el cuerpo realizados con un objeto en la mano. En el marco de las ideas de control de fuerza (véase la Sección 1), se ha supuesto que estos ajustes son el resultado de cálculos neuronales realizados con la ayuda de modelos internos que reflejan la dinámica prevista de la interacción entre la mano y el objeto sostenido con la mano. Una serie de observaciones de ajustes anticipados deteriorados en pacientes con trastornos cerebelosos han apuntado al cerebelo como posible lugar donde se crean estos modelos internos. Los movimientos voluntarios de un objeto sostenido con la mano producen modulaciones predecibles de la carga. Si la carga cambia de forma impredecible, las señales de los receptores somatosensoriales de la mano (y posiblemente de segmentos más proximales) se utilizan para producir ajustes rápidos de la fuerza normal (de agarre). Por ejemplo, se observan ajustes de la fuerza normal si una fuerza vertical actúa inesperadamente sobre un objeto sostenido con la mano, aumentando así la carga en la dirección vertical. Estos ajustes se observan tras muy cortos retrasos temporales desde el momento del cambio de carga, del orden de 50-70 ms. Estos retrasos son más cortos que el tiempo de reacción simple; sugieren que los ajustes de la fuerza normal en estas condiciones son de origen reflejo; posiblemente pertenecen al grupo de reacciones preprogramadas o desencadenadas descritas en la Sección
Aplicaciones de la Habilidad Motora Fina de la Mano
Las habilidades motoras finas de la mano son esenciales para una amplia gama de actividades cotidianas, desde las más simples hasta las más complejas. Algunas de las aplicaciones más comunes incluyen:
- Escritura: La escritura requiere un control preciso de los músculos de la mano y los dedos para formar letras y palabras.
- Dibujo y Pintura: El dibujo y la pintura requieren habilidades motoras finas para controlar la presión y el movimiento del lápiz, pincel u otros instrumentos.
- Uso de Instrumentos Musicales: Instrumentos como el piano, la guitarra o el violín requieren un control preciso de los dedos para producir notas y acordes.
- Uso de Tecnología: La interacción con dispositivos digitales, como teléfonos inteligentes, ordenadores y tablets, exige un control preciso de los dedos para escribir, tocar la pantalla y manipular objetos virtuales.
- Trabajo Manual: Muchos oficios y profesiones, como la cirugía, la relojería, la mecánica y la costura, requieren habilidades motoras finas excepcionales.
Desarrollo de las Habilidades Motoras Finas
El desarrollo de las habilidades motoras finas en los niños es un proceso gradual que comienza en la infancia y continúa hasta la adolescencia. El juego es fundamental para este desarrollo, ya que proporciona oportunidades para que los niños practiquen movimientos finos y coordines sus manos y ojos. Algunas actividades que promueven el desarrollo de las habilidades motoras finas en niños son:
- Construcciones con bloques
- Juegos de manipulación de objetos pequeños
- Colorear y dibujar
- Recortar y pegar
- Aprender a usar cubiertos
- Aprender a abrochar botones y cremalleras
- Aprender a atar cordones
Importancia de las Habilidades Motoras Finas
Las habilidades motoras finas de la mano son esenciales para el desarrollo y la independencia de los niños. Un buen desarrollo de estas habilidades les permite realizar tareas cotidianas, expresar su creatividad y aprender habilidades académicas. Además, las habilidades motoras finas juegan un papel crucial en el desarrollo del lenguaje, la cognición y la autoestima.
Problemas en el Desarrollo de las Habilidades Motoras Finas
Algunos niños pueden experimentar dificultades en el desarrollo de las habilidades motoras finas. Estas dificultades pueden ser causadas por una variedad de factores, incluyendo:
- Problemas neurológicos, como parálisis cerebral o autismo
- Problemas de desarrollo, como síndrome de Down o distrofia muscular
- Falta de oportunidades para practicar movimientos finos
- Problemas de coordinación ojo-mano
Si se sospecha que un niño tiene dificultades en el desarrollo de las habilidades motoras finas, es importante buscar la ayuda de un profesional de la salud. Un terapeuta ocupacional puede evaluar las habilidades del niño y desarrollar un plan de tratamiento personalizado.
Conclusión
Las habilidades motoras finas de la mano son una parte integral de nuestra vida diaria. La comprensión de la anatomía, el control nervioso y las sinergias de prensión de la mano nos ayuda a apreciar la complejidad de esta estructura y la importancia de su desarrollo. La plasticidad neuronal, que permite que el cerebro se reorganice en respuesta a la experiencia, juega un papel crucial en la formación y la recuperación de las habilidades motoras finas. El desarrollo de estas habilidades es esencial para el aprendizaje, la independencia y la participación en una variedad de actividades. Si un niño experimenta dificultades en el desarrollo de las habilidades motoras finas, la intervención temprana y la terapia ocupacional pueden ser de gran beneficio.
Si quieres conocer otros artículos parecidos a Habilidades motoras finas de la mano: anatomía, control y aplicaciones puedes visitar la categoría Motor.