腦卒中患者腦電、肌電相干性研究

趙晨鈺，畢勝

腦卒中是指突然發(fā)生的、由腦血管病變引起的局限性或全腦功能障礙，分為出血性和缺血性腦卒中[1]，具有發(fā)病率高、死亡率高、致殘率高、復(fù)發(fā)率高等四大特點(diǎn)[2]。在我國(guó)，每年都會(huì)有600多萬(wàn)新增腦卒中患者[3]，其中大約有2/3能存活下來，但卻有1/2的患者存在不同程度的運(yùn)動(dòng)功能障礙[2]，嚴(yán)重影響患者的生活及工作，給其家庭造成沉重的負(fù)擔(dān)。

目前針對(duì)腦卒中引起的運(yùn)動(dòng)功能障礙，康復(fù)評(píng)定主要以定性評(píng)價(jià)和半定量評(píng)價(jià)為主[4]，且多由醫(yī)師憑經(jīng)驗(yàn)做出判斷，主觀性強(qiáng)、效率低、靈敏度差[5-6]。因此，有效識(shí)別神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特征，構(gòu)建客觀量化的康復(fù)功能評(píng)價(jià)體系顯得尤為重要。腦電(Electroencephalogram，EEG)信號(hào)包含了大腦對(duì)軀體運(yùn)動(dòng)的控制信息，而表面肌電(Surface Electromyography，sEMG)信號(hào)則可以反映出肌肉對(duì)大腦控制意圖的功能響應(yīng)信息，能夠直接反應(yīng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)的功能狀態(tài)[5]，通過對(duì)EEG和EMG的研究，可以反應(yīng)腦損傷后異常的肌肉協(xié)同模式及大腦皮層功能重組的情況[7-10]，可以更系統(tǒng)地解釋運(yùn)動(dòng)控制過程及運(yùn)動(dòng)障礙的病理機(jī)制[5]，同時(shí)也為神經(jīng)康復(fù)的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)提供了新的方法。近年來關(guān)于腦電、肌電的相干性研究已成為運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)研究的趨勢(shì)，得到越來越多的重視。本文現(xiàn)將腦卒中患者的相干性研究文獻(xiàn)做一簡(jiǎn)單綜述。

1 相干性定義

相干性分析是近年來提出的一種反映信號(hào)間同步程度的分析方法[11]，是指兩個(gè)信號(hào)間的線性關(guān)系[7, 11]或相互依賴程度[12]，其大小可以用相干系數(shù)值表示。兩個(gè)信號(hào)a和b在某頻率f的相干系數(shù)值為兩者功率譜密度(Power-Spectrum Density，PSD)和互譜密度(Cross-Spectrum Density，CSD)的函數(shù)[11]?？赏ㄟ^數(shù)-模轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的頻譜分析得到兩個(gè)信號(hào)間的相干系數(shù)值。相干系數(shù)值為一個(gè)沒有單位的實(shí)數(shù)，范圍為0～1[7, 12-13]；0表示兩個(gè)信號(hào)間的功率和相位為非線性關(guān)系，1表示兩個(gè)信號(hào)間的功率和相位為完全的線性關(guān)系[7, 12-14]。相干系數(shù)值越大，說明兩個(gè)信號(hào)活動(dòng)的同步程度越高，兩者相互依賴、相互聯(lián)絡(luò)的程度越強(qiáng)[13]。

2 相干性分類

2.1 EEG-EMG相干 EEG-EMG相干指的是大腦活動(dòng)時(shí)的腦電信號(hào)和肌肉收縮時(shí)的肌電信號(hào)節(jié)律活動(dòng)之間的線性耦合[12]，可以用來探索大腦皮層的腦電信號(hào)與表面肌電信號(hào)間的關(guān)聯(lián)性，又被稱為皮層肌肉相干性(Corticomuscular Coherence，CMC)。通過對(duì)健康人的研究已經(jīng)證明控制肌肉功能的直接連接都來自于對(duì)側(cè)大腦運(yùn)動(dòng)皮層，而與肌肉同側(cè)的運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)域沒有明顯相干性[12]。這一結(jié)論與生理學(xué)中左右軀體的運(yùn)動(dòng)、感覺分別受對(duì)側(cè)大腦半球支配相一致[12]。Chakarov等[15]研究發(fā)現(xiàn)在15～45Hz頻段的CMC值隨動(dòng)態(tài)力量水平的增長(zhǎng)呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，即CMC值是一個(gè)高水平的動(dòng)態(tài)同步過程。但也有研究表明beta頻段(13～30Hz)的CMC值與靜態(tài)力量的輸出有關(guān)，而gamma頻段(31～45Hz)的相干性與動(dòng)態(tài)力量的輸出有關(guān)[16]。而Mendez-Balbuena等[17]則發(fā)現(xiàn)在不同低水平力量的頻率不可預(yù)測(cè)的情況下，CMC值明顯更低，力的頻率的不可預(yù)測(cè)性會(huì)導(dǎo)致皮質(zhì)脊髓束同步性的減低、皮層和肌肉活化作用的增加及性能減低。通過對(duì)健康人的研究，表明EEG-EMG相干性可能與運(yùn)動(dòng)的性能(如力量等)有關(guān)，也許可以通過相干評(píng)價(jià)腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)性能，但不同頻段相干值的意義等仍需進(jìn)一步研究。

2.2 EEG-EEG相干 EEG-EEG相干是指成對(duì)腦電信號(hào)在某一頻率范圍內(nèi)波動(dòng)形式的一致程度[13]。精確的說，兩個(gè)腦電信號(hào)間的相干性被定義為兩者間的互功率(即兩個(gè)信號(hào)間的絕對(duì)功率值標(biāo)準(zhǔn)化)[8]。人類大腦的活動(dòng)分為不同的功能區(qū)域，各個(gè)功能區(qū)并不是相互獨(dú)立存在的，而是在時(shí)間、空間和頻域上具有一定的聯(lián)系，從而形成一個(gè)個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[11]。這種網(wǎng)絡(luò)間的聯(lián)系依賴于具有相似特征的神經(jīng)元同時(shí)放電而產(chǎn)生的同步震蕩，以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信息的傳導(dǎo)和不同大腦功能區(qū)間的協(xié)同工作[11, 18]。

EEG-EEG相干性分析可以作為不同大腦皮層區(qū)域間功能聯(lián)系的指示器[8]，有效提取腦功能區(qū)間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系和協(xié)同工作模式[11]。可用EEG-EEG相干性分析大腦皮層區(qū)域間的功能耦合，研究不同腦區(qū)間的功能聯(lián)系，為患者的進(jìn)一步康復(fù)治療提供依據(jù)。

2.3 EMG-EMG相干 EMG-EMG相干性可用于評(píng)估兩塊肌肉在頻域中活化的一致程度，即可以量化兩肌肉間的振蕩同步，為控制肌肉的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元間共突觸驅(qū)動(dòng)共享提供客觀的檢測(cè)方法[19]。頭皮腦電的記錄存在一定的困難[14]，且容易受到外部多種因素干擾，如眼電信號(hào)、視覺反饋等。但是在同樣的任務(wù)中，導(dǎo)致EEG-EMG相干性的驅(qū)動(dòng)同樣可以引起共同激活的主動(dòng)肌群間的肌間相干性。EMG-EMG相干性原理也許可以給出一種關(guān)于下行皮質(zhì)驅(qū)動(dòng)的信息(類似于皮層肌肉耦合信息)，可為皮質(zhì)下運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)提供一種額外的見解[14]。

3 腦卒中患者相干性研究

3.1 EEG-EMG相干性研究 Hallett等[20]為評(píng)估錐體束損傷后，身體對(duì)側(cè)和同側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層與肌肉間的功能聯(lián)系，對(duì)皮層下卒中患者進(jìn)行屈肘、伸腕及手指抓握動(dòng)作時(shí)的EEG-EMG相干性研究，結(jié)果與正常人的研究相似，顯著相干性出現(xiàn)在對(duì)側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)，身體同側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)沒有觀察到明顯的相干性[12]。他們認(rèn)為只有身體對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)聯(lián)系失敗時(shí)，同側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)才會(huì)發(fā)揮作用，所以運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)較好的患者，同側(cè)EEG-EMG相干性不顯著[20]；另一種解釋是身體同側(cè)的感覺運(yùn)動(dòng)皮層是通過皮層-皮層間的連系或多突觸通路來幫助患側(cè)大腦進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的[21]。此外，他們還發(fā)現(xiàn)患者患側(cè)手部和前臂的肌肉相干性更小，但肱二頭肌的相干性與健側(cè)沒有明顯不同，這可能是由于肩肘的運(yùn)動(dòng)功能首先恢復(fù)的原因，但機(jī)制尚不清楚[20]。由于EEG-EMG相干性研究多集中于功能恢復(fù)較好的患者，研究結(jié)果多與正常人相似。為此，Yin Fang等[22]對(duì)功能恢復(fù)較差的卒中患者在做“伸手夠物動(dòng)作(reaching動(dòng)作)”時(shí)進(jìn)行EEG-EMG相干性研究；結(jié)果表明患者患側(cè)的三角肌、肱二頭肌、肱三頭肌的EEG-EMG相干性在beta和gamma頻段都降低，且gamma頻段EEG-EMG相干性降低更顯著甚至是缺失。已有研究表明beta頻段(13～30Hz)皮層肌肉相干性與靜態(tài)力輸出有關(guān)，gamma頻段(31～45Hz)皮層肌肉相干性多與認(rèn)知、記憶等大腦皮層信息整合有關(guān)[16]。因此，通過對(duì)不同頻段的EEG-EMG相干性進(jìn)行分析，可以對(duì)神經(jīng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的不同功能狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

Carlowitz-Ghori等[23]也進(jìn)行了腦卒中急性期和慢性期兩個(gè)階段的CMC研究：通過對(duì)8～44Hz頻段拇短展肌的研究表明卒中急性期健側(cè)CMC幅度比患側(cè)大，且比慢性期健側(cè)CMC幅度大；與慢性期及健康對(duì)照組相比，急性期健患兩側(cè)的CMC峰值所在頻率都降低；而慢性期，CMC在幅度和頻率方面都沒有表現(xiàn)出大腦半球間或組間差異。因此，卒中急性期CMC的改變是一種抑制性的臨時(shí)減低，在恢復(fù)過程中可以逐漸正?；痆23]。說明CMC在幅度和頻率方面的變化隨著時(shí)間的推移可以反映出運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的過程。

馬培培等[5]通過對(duì)卒中患者下肢膝關(guān)節(jié)“屈、伸”運(yùn)動(dòng)的研究表明隨著運(yùn)動(dòng)功能的逐漸恢復(fù)，患者健患兩側(cè)EEG-EMG相干性在gamma頻段的差異會(huì)逐漸縮小，這為康復(fù)過程運(yùn)動(dòng)功能的評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。由此進(jìn)一步說明EEG-EMG相干性可以用來描述卒中病人運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)狀態(tài)，且定量化的評(píng)價(jià)更客觀。

3.2 EEG-EEG相干性研究 Hallett等[18]為研究童年期卒中導(dǎo)致肌張力障礙的起因，對(duì)兒童期卒中遺留肌張力障礙的患者和健康對(duì)照組進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在休息狀態(tài)下患者半球間相干性顯著小于正常人，功能越差，肌張力障礙越嚴(yán)重，相干性越小?；颊咝菹顟B(tài)下大腦半球間的相干性減低反應(yīng)出大腦半球間聯(lián)系的減少，這可能與結(jié)構(gòu)的改變及神經(jīng)的可塑性有關(guān)，對(duì)于肌張力障礙的產(chǎn)生有潛在的作用。Mottaz等[24]發(fā)現(xiàn)通過神經(jīng)反饋訓(xùn)練可增強(qiáng)卒中患者大腦半球運(yùn)動(dòng)皮層間的相干性。這種相干性的增加與卒中后運(yùn)動(dòng)功能的持續(xù)提高有關(guān)。此外，Tung等[25]通過EEG-EEG相干性分析評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口技術(shù)對(duì)于上肢卒中康復(fù)的療效，治療前后Fugl-Meyer評(píng)分的改變與≥0.5的相干指標(biāo)的數(shù)目組成正相關(guān)，表明運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)與患側(cè)半球激活量的增加有關(guān)，即可以直接用腦電信號(hào)追蹤以腦機(jī)接口為基礎(chǔ)的卒中康復(fù)治療的性能。以上研究對(duì)于評(píng)價(jià)卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能具有一定的臨床意義。

3.3 EMG-EMG相干性研究 Kamper等[10]研究慢性輕偏癱卒中患者拇指與手指(除拇指外的其余四指)間耦合(簡(jiǎn)稱“手指-拇指”耦合)的變異。動(dòng)力學(xué)研究表明在卒中患者自主活動(dòng)時(shí)，手指和拇指屈肌間強(qiáng)有力的聯(lián)合顯而易見：在手指屈曲時(shí)，會(huì)產(chǎn)生拇指屈曲和內(nèi)收方向的力；同樣，在拇指屈曲時(shí)也會(huì)在其余四指產(chǎn)生屈曲方向的力，這些結(jié)果表明卒中患者在進(jìn)行獨(dú)立手指屈曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，指淺屈肌和拇長(zhǎng)屈肌間的關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)；Kamper等[10]假設(shè)腦卒中后出現(xiàn)皮質(zhì)重組，共同的皮質(zhì)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致了這種耦合現(xiàn)象，但在手指屈曲和拇指屈曲時(shí)，指淺屈肌-拇長(zhǎng)屈肌沒有明顯的相干性，反而在拇指伸展中，觀察到了這一對(duì)肌肉的相干性，這些結(jié)果表明共同的皮層驅(qū)動(dòng)是有限的，實(shí)驗(yàn)觀察到的屈肌耦合也許有其他的來源(皮層下或脊髓)，大腦皮層改變也許間接導(dǎo)致了手指-拇指耦合的增加。因此對(duì)于腦卒中導(dǎo)致的手指屈曲及拇指屈曲的機(jī)制有待進(jìn)一步研究，以便更好的指導(dǎo)患者的康復(fù)訓(xùn)練。

Kisiel-Sajewicz等[9]對(duì)腦卒中患者在reaching動(dòng)作中肩肘協(xié)同肌肉間電信號(hào)的功能耦合進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)卒中病人僅三角肌-肱三頭肌肌間相干值在0～11Hz頻段低于正常對(duì)照組，且這種功能耦合的弱化具有時(shí)間和頻率依賴性；此研究中屈肩肌和伸肘肌之間的EMG-EMG相干性降低，表明腦卒中后中樞神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)命令功能的損傷可以弱化協(xié)同肌間的功能耦合并使運(yùn)動(dòng)性能降低，并且這種一致性的減低主要發(fā)生在原動(dòng)肌(三角肌和肱三頭肌)。而實(shí)現(xiàn)精確平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)，適度的中樞神經(jīng)系統(tǒng)規(guī)劃對(duì)于制定最佳運(yùn)動(dòng)命令和控制是至關(guān)重要的[26]。以上研究也許可反映與卒中相關(guān)的皮質(zhì)脊髓網(wǎng)絡(luò)交流的中斷，但對(duì)于頻率差異產(chǎn)生的機(jī)制仍不清楚，仍需進(jìn)一步研究。

4 小結(jié)和展望

相干性分析能夠用來檢測(cè)卒中患者肢體的運(yùn)動(dòng)功能狀態(tài)，對(duì)于探索運(yùn)動(dòng)障礙性疾病的病理機(jī)制、客觀指導(dǎo)卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練有重要作用。然而目前卒中患者相干性研究多為小樣本研究，在康復(fù)評(píng)定方面尚缺乏統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)。因此，關(guān)于腦卒中患者相干性研究還需要進(jìn)行大規(guī)模臨床研究，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)、電生理學(xué)等，得出可用于腦卒中偏癱患者臨床評(píng)估的定量參考指標(biāo)，以利于指導(dǎo)康復(fù)治療。

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