使用fNIRS監(jiān)測健康成年人在多種運(yùn)動時肌肉血氧和腦皮層活動

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研究背景

研究表明在自主控制運(yùn)動任務(wù)(voluntary control movement, i.e. HA)時對肌肉施加電刺激(Electrical stimulation ,ES)，相比僅是模仿運(yùn)動可以提高對肌肉的控制力。然而，在不同HA任務(wù)期間施加電刺激以及HA對腦皮質(zhì)影響依舊未知。此文旨在利用fNIRS研究在HA期間施加多種電刺激對肌肉血氧的影響及血氧變化與腦皮質(zhì)的關(guān)系。
 

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研究方法
 

2.1、被試

19位年齡在23.70 ± 3.00的成年男性，沒有精神、心臟、膝蓋的疾病。全部被試在實驗前均未進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)動。
 

2.2、實驗設(shè)定

整體布置如下圖。

設(shè)備使用ISS Imagent的NIRS。肌肉血氧變換用SpO2指標(biāo)評價，光源和檢測器之間的距離為1.95、2.01、2.46、2.51、2.97、3.04、3.45和3.53厘米，采樣頻率為5Hz；腦皮質(zhì)活動用HbO，HbR，HbT等指標(biāo)評價，光源波長為使用690nm和830nm兩種，光源數(shù)量為14個，探測器數(shù)量為4個。

腦皮層電極配置如下圖，分別布置在感覺運(yùn)動頂葉(SMC)，輔助運(yùn)動區(qū)(SMA)，前運(yùn)動頂葉(PMC)等腦區(qū)。實驗前采集180s靜息態(tài)數(shù)據(jù)，每個trials包括30s休息和20s訓(xùn)練(isometric)。重復(fù)8次以后會有一個長時間休息。

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研究結(jié)果

下圖是時域下膝關(guān)節(jié)伸展收縮運(yùn)動的氧飽和度 (SpO2) 變化。 ΔSpO2 和耗竭速率是根據(jù)等距的雙曲正切方程計算的收縮階段。

垂直虛線表示分別是等長收縮的開始（30 秒）和結(jié)束（50 秒）。
 

下圖是長伸膝階段五種方式的 ΔSpO2。等距膝關(guān)節(jié)伸展中五種模式的時間常數(shù)（以秒為單位）相位（較小的時間常數(shù)值表示消耗速度快）。* 表示條件之間的顯著差異。

下圖是血紅蛋白皮質(zhì)區(qū)域變化的濃度，即 [HbO]（紅線）、[HbR]（藍(lán)線）和 [HbT]（綠線），在伸膝期間（黃色條）覆蓋雙側(cè) SMC、PMC、和 SMA 用于 VOL、ES、HA-I、HA-II 和 HA-III 模式。

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實驗結(jié)論

增加ES水平可以提高HA任務(wù)下肌肉耗氧需求。ES刺激可以產(chǎn)生與肌肉收縮(VOL)類似的腦皮層活動，但是強(qiáng)度要弱于自主肌肉運(yùn)動。HA期間腦皮層活動水平還取決于皮層位置的功能特異性(functional specificity)。但是低強(qiáng)度HA不能增加肌肉氧需求。

Assessments of Muscle Oxygenation and Cortical Activity Using Functional Near-infrared Spectroscopy in Healthy Adults During Hybrid Activation. Tai-You Lin et al. IEEE Transactions. 10.1109/TNSRE.2015.2429655.