帕金森病是一种常见中枢神经系统退行性变性疾病,由于中脑黑质部位中的细胞发生病变致使多巴胺的合成减少,影响基底神经节回路,造成以运动功能障碍为主并发非运动障碍的症状。静息震颤是帕金森病患者最常见的运动功能障碍,严重影响患者的日常生活和社交。帕金森病的研究已有超过百年的历史,对静息震颤病理机制的研究随着神经电生理技术和信号分析技术的发展逐渐深入。从外周看,静息震颤是关节的非自主振荡往返运动,肌肉呈现节律性交替爆发式发放。从中枢观察,大脑皮层存在振荡信号,基底神经节核团的神经元群有协同发放。信号相干性分析显示,外周与中枢的神经信号有关联,这说明静息震颤是起源于大脑振荡信号的非自主运动。但是,脊髓回路作为大脑-脊髓-外周神经运动控制通路中的重要一环,是如何参与震颤信号的传递的,尚不清楚。目前,临床中干预静息震颤的方式主要是口服多巴胺相关药物和功能神经外科手术,这两种方式都是通过干预大脑的神经活动达到控制震颤运动的目的。经过长时间的服药,患者会出现服药的“开关期”现象,单纯的增加剂量的方式无法继续有效控制运动障碍症状。另外,长期的多巴胺类药物摄入,药物副作用显现,患者会出现更为复杂的运动障碍,如异动症。侵入式的功能神经外科手术一般针对的是至少患病三年的帕金森病患者,存在不可逆的脑损伤和其他手术风险。另外由于脑起搏器价格昂贵,手术普及率较低。研究人员也不断尝试从外周控制震颤的方法。例如利用功能性电刺激引发肌肉收缩,改变震颤时肌肉发放模式从而抑制震颤;利用肢体力学特性,增加外部负载或者使用变阻尼的夹具等方式控制震颤运动。这类尝试对系统开发以及系统控制要求较高,目前也没有广泛使用。本论文以神经运动控制为基础,研究脊髓回路在传递帕金森病患者静息震颤的神经运动控制信号过程中的机理,并基于脊髓回路的机理提出一种经皮电刺激诱发感觉反馈抑制帕金森病静息震颤的非侵入式方法。主要研究内容包括:1.根据神经生理的基础,建立脊髓固有神经元网络模型模块,结合前人的上肢肌肉骨骼虚拟模型,建立完整的皮层-脊髓上肢肌肉骨骼虚拟手臂模型。前人的肌肉骨骼虚拟手臂模型是基于神经生理构建而成,包括上肢肌肉骨骼的生物力学系统,运动神经元,肌肉,肌梭,高尔基腱器官以及脊髓的反馈回路等,可以真实的模拟肌肉被运动神经元募集后的发放情况以及上肢肘关节和肩关节的运动情况。加入脊髓固有神经元网络模块后,完整了大脑-脊髓-外周的两路下行神经通路,即单突触和多突触连接通路。2.基于皮层-脊髓上肢虚拟手臂模型,验证脊髓固有神经元网络在传递帕金森病静息震颤的震颤神经运动控制信号中的重要作用。基于多通道采集实验平台,设计实验采集分析帕金森病受试者静息震颤时上肢肩部和肘部关节自由度运动信号和上肢两对伸屈拮抗肌肉的肌电信号的信号特征。提出震颤信号经过脊髓单突触连接和多突触连接的两种假设,在SIMULINK建模仿真平台,设计仿真实验。将人体实验数据和仿真实验数据进行对比,判断假设是否成立。结果显示,在包含脊髓固有神经元网络的多突触连接下行通路模型仿真中,都可以重复出成对伸屈拮抗肌肉的交替节律性爆发式发放,虚拟手臂也根据模型输入的幅度不同呈现出不同程度的震颤运动,而在单突触连接下行通路模型仿真中,虚拟肌肉无法产生交替性的节律发放。结果说明,脊髓固有神经元网络在静息震颤运动信号的下行传递过程中起到了重要作用。3.研究经皮电刺激诱发皮肤反馈对帕金森病静息震颤的抑制作用。电刺激手背部皮肤产生的感觉可以通过桡浅神经传回脊髓,此皮肤反馈通过影响脊髓中间神经元对下行的运动控制信号有抑制作用。因此,基于多通道采集实验平台,设计实验研究电刺激皮肤反馈对帕金森病受试者静息震颤的影响。实验采集了上肢包括肩、肘和腕部七个关节自由度的运动信号,三对伸屈拮抗肌肉的肌电信号,全面评估电刺激前,中和后三个时间段的上肢运动和肌肉发放状况。结果显示,电刺激对震颤有明显的抑制,电刺激结束后,震颤又重新逐渐出现。大部分关节自由度和肌肉肌电,电刺激前和电刺激中有明显的统计差异。所有受试者的所有关节自由度的平均震颤幅度抑制率为61.56%±8.90%,所有肌肉肌电的平均抑制率为47.97%±25.77%。综上,本论文以帕金森病患者的静息震颤为研究重点,首次提出脊髓固有神经元网络在传递帕金森病患者静息震颤运动控制信号的重要作用的假设,使用计算模型仿真的方法仿真模拟出帕金森患者的上肢静息震颤。方法上,结合运动肌电采集实验和模型仿真,补足神经生理实验在人体实验方面的限制。并根据机制研究的结果,进一步研究干预脊髓回路对帕金森病静息震颤的抑制作用。结果提供了电刺激引发的皮肤反馈对帕金森病患者静息震颤抑制作用的直接证据,此方法有可能作为一种非侵入式的临床干预手段用于减轻帕金森病患者的静息震颤症状。