近紅外腦成像在腦卒中患者騎車運動中的研究

中風(fēng)是美國和其他發(fā)達(dá)國家致殘的主要原因之一，對于中風(fēng)患者來說，步行通常受到肌肉無力、肌肉協(xié)同異常和痙攣的限制，改善中風(fēng)患者步行功能的康復(fù)項目之一是腿部自行車運動。自行車運動的已知效果主要歸因于腿部肌肉的積極收縮。然而，被動循環(huán)運動，即使在沒有主動肌肉收縮的情況下進(jìn)行，也可以引起對中風(fēng)恢復(fù)有益的感覺輸入。

在臨床環(huán)境中，外部反饋可以提高技能訓(xùn)練的有效性，增強(qiáng)被試的動機(jī)。本研究的目的是研究皮層下腦卒中患者在無外部速度反饋和有外部速度反饋的自定步速主動循環(huán)和運動驅(qū)動被動循環(huán)過程中的皮層控制。我們假設(shè)被動和主動騎車會激活類似的皮層區(qū)域，騎車速度的反饋可能會導(dǎo)致額外的皮層激活，從而改善中風(fēng)患者的騎車表現(xiàn)。

二、研究方法

2.1實驗被試
17名首次皮質(zhì)下卒中導(dǎo)致偏癱的患者，身體狀況穩(wěn)定，沒有其他神經(jīng)或骨科疾病歷史。

2.2實驗流程
有三種騎行條件:主動無視覺反饋(active_nVF)、主動有視覺反饋(active_VF)和被動。在進(jìn)行active_nVF活動之前，進(jìn)行了讓受試者以每分鐘50轉(zhuǎn)的穩(wěn)定速度蹬車的練習(xí)，并在他們面前的電腦顯示器上持續(xù)顯示騎行速度。當(dāng)被試能夠始終跟上節(jié)奏時，去除視覺反饋，開始正式采集active_nVF的數(shù)據(jù)。

在active_VF中，在數(shù)據(jù)采集過程中不斷提供目標(biāo)和自循環(huán)速度的視覺反饋。受試者被要求調(diào)整騎行速度以匹配目標(biāo)速度。在被動騎行任務(wù)中，踏板是由嵌入在測力計中的電機(jī)驅(qū)動的，受試者被要求不要干預(yù)，只允許踏板移動他們的腿。被動式測功器的運動速度也設(shè)置為每分鐘50轉(zhuǎn)。對于數(shù)據(jù)收集，每個循環(huán)任務(wù)開始時都有一個40秒的基線，然后是8個20秒的循環(huán)周期和30秒的休息周期，結(jié)果是440秒的測試過程，如圖1c所示。從近紅外光譜(NIRS)信號測量大腦皮層的激活需要的時間流程。

圖1  實驗流程圖

2.3數(shù)據(jù)采集和處理

實驗采用ISS Imagent血氧計（使用波長為690和830 nm的激光二極管），采樣頻率為19.8 Hz。數(shù)據(jù)使用開源軟件Homer進(jìn)行分析，首先，使用0.0016 ~ 0.80 Hz帶通濾波器消除緩慢漂移和心臟搏動，然后對每個循環(huán)周期的DHbO數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以獲得對循環(huán)事件的平均響應(yīng)。為了評估區(qū)域激活的半球間不對稱性，計算每個皮層區(qū)域的側(cè)度指數(shù)(LI)。LI值介于-1和1之間，LI值為正，表明受影響半球的激活程度高于未受影響的半球，反之亦然。

三、研究結(jié)果

與active_nVF相比，active_VF的騎行性能有所改善，速度變化(P 0.001)和SI增加。在光學(xué)影像的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在active_nVF期間，激活主要集中在SMC，而SMC的激活與active_VF期間相似。在被動循環(huán)過程中，SMC的激活比SMA和PMC更加明顯。

圖2  有無反饋測試條件下的騎行性能變化

圖3  光學(xué)影像結(jié)果圖

四、實驗結(jié)論
在被動循環(huán)中皮層的激活模式與主動循環(huán)中無速度反饋的激活模式相似，盡管未受影響側(cè)SMC的激活水平較小。因此，被動循環(huán)可能有助于激活腦皮層區(qū)域，促進(jìn)腦卒中后的運動恢復(fù)。當(dāng)提供速度反饋時，未受影響側(cè)的騎行表現(xiàn)和PMC的激活均得到改善，提示PMC可能參與控制騎行表現(xiàn)以適應(yīng)外部反饋在腦卒中患者中的使用。
 

Lin, P. Y., Chen, J. J., & Lin, S. I. (2013). The cortical control of cycling exercise in stroke patients: an fNIRS study. Human brain mapping, 34(10), 2381–2390.

Doi.org/10.1002/hbm.22072