帕金森病是一种神经退行性疾病,临床症状主要表现为静息震颤、运动迟缓、肌肉强直和步态紊乱等。约有70%的帕金森病患者伴有静息震颤的症状。静息震颤是一种非自主的节律性运动,其震颤频率一般为3-6赫兹,主要发生于手部等上肢的远端关节,但是震颤也会出现在某些患者的头部、下肢甚至躯干。前期研究发现,帕金森病的静息震颤类症状和运动迟缓/肌肉强直类症状可能源于不同神经回路的病理损伤。有研究结果表明,帕金森病患者的临床症状主要和多巴胺的缺失有关,但是多巴胺的消耗和随之而来的基底节的功能障碍与运动迟缓/肌肉强直类症状更相关,而不是静息震颤,并且运动迟缓/肌肉强直类症状对于多巴胺类药物治疗的效果比静息震颤更好。神经影像学研究揭示,多巴胺的缺失会影响较多的神经回路,如:皮质-纹状体-丘脑回路和小脑-丘脑-皮质回路。这两个回路在帕金森病的症状中也十分重要,皮质-纹状体-丘脑回路和运动迟缓/肌肉强直类的症状有关,而皮质-纹状体-丘脑回路和小脑-丘脑-皮质回路对于震颤的产生也至关重要。因此,这些结果表明帕金森病患者中运动迟缓/肌肉强直类症状和静息震颤症状的神经病理原因不近相同,以及这两类临床症状对患者运动功能的影响也不近相同。研究人员一直在探究帕金森病对运动功能的影响,之前的研究较多的关注运动迟缓或肌肉强直症状对运动的影响,而关于震颤对运动功能影响的研究相对较少,其中一个原因可能是震颤易干扰自主运动轨迹。然而,以震颤为主的帕金森患者,震颤也会影响其日常生活并会使患者出现焦虑等症状。本研究前半部分旨在通过特定运动任务,基于运动控制理论,建立可以评估患者自主运动控制能力的量化算法,以及可以判断震颤强度的量化方法,探究帕金森震颤和自主运动之间的相互作用关系,同时探究震颤潜在的发病机理和神经机制,为帕金森患者的临床研究提供参考,同时为之后更深入的研究打下基础。帕金森疾病严重影响了患者的日常生活质量,但是由于其病因和神经机制并不完全清楚,没有很好的治疗药物,只能在一定程度上控制病情发展。前期研究发现特定参数的皮肤表面电刺激方法可以诱发皮肤反馈,进而达到抑制震颤的效果,其潜在原因可能是诱发的皮肤传入信号可以干扰皮层-脊髓传递的下行震颤信号以抑制震颤。虽然该策略可以达到抑制震颤的目的,但是其在抑制震颤的同时对自主运动的影响仍不得而知。研究后半部分希望探究此电刺激对自主运动能力的影响,通过如其反应时间、运动时间、运动变异性等运动学指标评估受试者在接受电刺激之后运动能力的变化情况,结合肌群协同分析方法,对肌电信号进行特征提取,探究电刺激对帕金森病患者自主运动能力的影响及其潜在的神经机制。这些结果可以帮助理解震颤抑制的潜在机制并帮助进一步优化抑制策略。本论文的主要研究内容和成果包括以下四个方面:1.根据神经生理基础和神经运动控制模型,建立了基于最小急动度轨迹的自适应平滑模型,可以从受震颤干扰的运动轨迹中提取自主运动的运动轨迹。采用这种优化后的平滑模型拟合实际运动轨迹,使我们能够以较小的变异性量化帕金森病患者的运动学特征,是评估帕金森病患者运动功能表现的有效定量工具。2.探究帕金森病患者震颤活动和自主运动之间的相互作用。基于前期设计的自适应模型,我们提取了帕金森病患者的自主运动轨迹,同时计算了其反应时间和运动时间等运动学指标,并且通过功率谱密度方法计算了患者的震颤强度。结果显示,帕金森病患者的反应时间和运动时间相比健康受试者分别延长了43.4%和79.5%。线性混合效应模型分析无法有效揭示出震颤、运动迟缓和肌肉强直等症状对患者的反应时间或运动时间是否均有显著影响。然而,在线性回归和线性混合效应模型的分析结果中,均发现震颤强度与反应时间显著相关,而与运动时间无关,结果说明震颤可能是造成帕金森病患者运动功能障碍的影响因素之一。3.基于肌群协同算法和运动学指标,探究在帕金森病患者中,电刺激诱发的皮肤反馈在抑制震颤活动的同时,对患者自主运动功能表现的影响情况。结果显示,皮肤反馈电刺激在抑制震颤的同时显著减小了帕金森病患者的反应时间,减小程度达17.7%,但是电刺激对健康受试者的反应时间并无显著影响。然而,电刺激显著延长了帕金森病患者(15.7%)和健康受试者(8.6%)的运动时间。此外,帕金森病患者和健康受试者的运动变异性均未受皮肤反馈电刺激影响而发生显著改变。帕金森病患者和健康受试者的肌群协同分析揭示,皮肤反馈电刺激对肌群协同中时间曲线的功率谱密度影响较大,而对协同向量模式影响较小。这些发现为帕金森病患者中震颤活动可能延长其自主运动的反应时间这一现象提供了证据,并证明皮肤反馈电刺激在抑制震颤活动的同时,显著降低了自主运动的反应时间,但不会中断患者的自主运动控制。4.建立了基于震颤周期信号的肌群协同模式的分析方法,探究震颤的协同模式,通过比较有无电刺激情况下震颤的协同模式,探究电刺激对震颤的作用机制。结果显示,静息状态下,肌肉协同模式中的时间曲线呈现出两种主要的交替成分,其相位差接近180°,与肌电信号计算得到的结果无显著差异,可能分别分布于上肢中成对的拮抗肌与主动肌。皮肤反馈电刺激对协同向量影响不大,时间曲线的功率谱密度出现衰减,这可能是由于协同向量和时间曲线的控制指令可能通过不同的神经通路传递至脊髓运动神经元而导致的,但更深入的神经机制和神经作用通路需要未来进一步的探讨。综上,本研究建立了基于最小急动度轨迹模型的自适应平滑模型,可以从受震颤干扰的运动轨迹中提取自主运动的运动学特征。通过该模型,我们探究了震颤活动和自主运动之间的相互作用,并结合肌群协同算法,探究电刺激对帕金森病患者的震颤活动和自主运动功能模式的影响情况。研究结果为认识神经运动控制开辟了新思路和新方法,也对抑制帕金森病患者震颤活动的临床干预效果评估提供了参考和指导。