【摘 要】
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运动感觉是人手动作灵活、精准控制的关键。截肢后缺乏运动感觉极大地影响了手部运动功能的重建,并已成为肌电假肢手弃用的重要原因。因此,为肌电假肢手提供有效的运动感觉反馈已成为假肢手控制领域的研究热点。肌梭是肢体运动感觉的主要感受器,运动阈值上神经肌肉电刺激(Neuromuscular electrical stimulation,NMES)诱发肌肉收缩可以激活肌梭产生运动感觉传入冲动,上传至中枢神经系
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(NSFC31771069):电刺激诱发肌梭感受器响应的肌电假肢手运动自主感知研究; 国家留学基金项目(201906050128);
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运动感觉是人手动作灵活、精准控制的关键。截肢后缺乏运动感觉极大地影响了手部运动功能的重建,并已成为肌电假肢手弃用的重要原因。因此,为肌电假肢手提供有效的运动感觉反馈已成为假肢手控制领域的研究热点。肌梭是肢体运动感觉的主要感受器,运动阈值上神经肌肉电刺激(Neuromuscular electrical stimulation,NMES)诱发肌肉收缩可以激活肌梭产生运动感觉传入冲动,上传至中枢神经系统引起感觉运动皮层的兴奋,从而诱发相应的肢体运动感觉。然而,中枢神经如何响应运动阈值上NMES诱发的肌肉收缩及其运动觉传入尚不清楚。同时,截肢患者伴随着外周运动传出与感觉传入通路、中枢神经功能的重塑性变化,手部截肢导致的远端关节感觉运动神经信息缺失将如何影响运动阈值上NMES诱发的中枢运动感觉响应模式也还知之甚少。为了探究前臂肌肉运动阈值上NMES对感觉运动中枢神经活动的调控作用,本论文在国家自然科学基金项目(NSFC31771069)、国家留学基金项目(201906050128)的支持下,开展了以下研究工作:(1)利用感觉运动皮层脑电Beta频段事件相关去同步(Event-related desynchronization,ERD)评估了四种不同NMES模式在控制诱发相同关节动作时诱发肌肉收缩之间的差异。研究发现,与传统脉冲电刺激(Conventional pulses,CP)相比,调制脉冲电刺激(Modulated pulses,MP),特别是宽脉冲MP,诱发显著较强的感觉运动皮层Beta ERD(),揭示了NMES脉冲编码方式可以调控中枢运动感觉响应。而且,本论文首次提出的Beta振荡活动量化指标()揭示了MP增强中枢运动感觉响应源自其增加了诱发肌肉收缩的中枢募集贡献,即激活肌梭传入纤维产生更多的感觉冲动,进而提升了感觉运动皮层Beta振荡活动强度。上述结果表明,NMES脉冲编码方式有望提升运动阈值上NMES对残肢末端肌肉的调控,以诱发更为自然的运动感觉。(2)以缺血性神经阻滞(Ischemic nerve block,INB)技术成功建立手部急性―缺失‖模型,并利用脑电Beta ERD与自适应定向传递函数(Adaptive directed transfer function,ADTF)探究了NMES诱发手指动作与肌肉收缩所引起的感觉运动皮层Beta振荡神经响应的局部与全局网络特征。研究发现,阻滞后,NMES诱发肌肉收缩引起对侧感觉运动皮层的Beta ERD与网络属性均显著弱于阻滞前的,但网络属性变化趋势与阻滞前诱发手指动作引起的相似,且相似系数分别为0.6531±0.21(聚类系数)与0.8447±0.06(全局效率)。更重要的是,NMES诱发手指动作引起对侧感觉运动皮层显著较强的Beta ERD与网络连接。而手部被阻滞后,NMES诱发肌肉收缩引起同侧感觉运动皮层显著较强的Beta ERD与网络连接,即同侧感觉运动皮层Beta振荡活动代偿性的动态响应模式。该结果将有助于通过运动阈值上NMES作用于残肢末端肌肉促使中枢神经响应从同侧中枢神经功能代偿向正常的对侧中枢神经反馈响应模式转变。(3)人手动作过程的动态变化反映了肌肉收缩的时变性,本论文运用不同时长NMES脉冲在手部被阻滞前后分别刺激健康被试者前臂指伸肌,记录电刺激诱发肌肉收缩、手指运动(阻滞前)及感觉运动中枢EEG信号。利用EEG源分析与格兰杰因果网络分析方法分别从源局部与全局网络研究了NMES动态诱发手指动作与肌肉收缩所引起的感觉运动皮层响应模式。研究发现,不同时长NMES诱发分时段手指动作的角加速度与对侧感觉运动皮层源Beta ERD的特征时刻及其对应特征值显著线性相关,且感觉运动皮层源网络属性的聚类系数和全局效率分别与角加速度线性负相关和正相关。这为NMES在诱发运动感觉时更合理地设置电刺激脉冲的持续时间提供了客观依据。进一步的源网络分析发现,NMES诱发手指动作的对侧感觉运动皮层源子网络呈现出down-top的反馈模式。手部关节被阻滞后,NMES诱发肌肉收缩引起的对侧感觉运动皮层源Beta ERD响应模式和网络属性均与阻滞前的相似。而同侧感觉运动皮层源的Beta ERD与网络连接显著增强,进一步从源水平揭示了阻滞后,同侧感觉运动皮层协同交流、代偿性地参与了NMES诱发肌肉收缩的中枢运动感觉响应。综上所述,本论文研究的价值在于针对NMES诱发肌肉收缩调控中枢神经活动的相关研究,首次引入缺血性神经阻滞技术,结合EEG多层面分析方法,探究了NMES诱发肌肉收缩所引起的感觉运动皮层神经响应,阐明了其内在神经响应生理机制,为手部截肢患者中枢运动感知功能的增强与评估以及肌电假肢手运动感觉反馈研究提供新的方法与电生理参考。
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