運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞對(duì)肌電與腦電相干性分析

【摘 要】大腦是人體的運(yùn)動(dòng)中樞，脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元生物電活動(dòng)受大腦皮層控制產(chǎn)生肌電信號(hào)，大腦皮層自發(fā)或誘發(fā)的腦電活動(dòng)則稱之為腦電信號(hào)。探討二者之間的關(guān)系對(duì)于深入認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的本質(zhì)具有重要意義，文章?lián)俗龊?jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)性分析。

【關(guān)鍵詞】運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞;肌電;腦電

一、實(shí)驗(yàn)階段

（一）受試者選取

從XX高校隨機(jī)選取15名健康青年男性志愿者作為受試者，受試者皆無(wú)專業(yè)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練經(jīng)歷，且都是右利手;所有受試者在實(shí)驗(yàn)前需接受問卷調(diào)查，確保受試者身體健康狀況良好。

（二）實(shí)驗(yàn)程序

正式實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前，受試者坐在座椅上，上身保持直立，分別調(diào)節(jié)座椅高度和身體姿勢(shì)，使得髖、膝、踝關(guān)節(jié)保持90°，雙腳平放于地面。右前臂與右上臂保持垂直，右上臂與水平面保持垂直，另一側(cè)手臂自然下垂于體側(cè)。囑咐受試者身體保持放松，內(nèi)心保持平靜，記錄受試者在安靜狀態(tài)自由眨眼20次過程中的眼電和腦電活動(dòng)，已備后期去除眼電偽跡時(shí)用。之后進(jìn)行屈肘疲勞負(fù)荷實(shí)驗(yàn)。受試者在保持實(shí)驗(yàn)開始前準(zhǔn)備姿勢(shì)的條件下，使受試者右臂腕部拉住可在肘關(guān)節(jié)處產(chǎn)生20%MVC的重物，至受試者不能堅(jiān)持負(fù)荷運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。記錄靜態(tài)屈肘疲勞負(fù)荷過程中受試者肱二頭肌表面肌電信號(hào)及腦電信號(hào)。

（三）表面肌電信號(hào)采集

記錄實(shí)驗(yàn)過程中受試者右側(cè)肱二頭肌表面肌電信號(hào)。放置電極前利用磨砂膏打磨皮膚表面以去除角質(zhì)和表面污垢，之后用75%酒精棉球清理皮膚表面，以減小阻抗。利用醫(yī)用膠帶將測(cè)試電極置于右側(cè)肱二頭肌肌腹表面，兩電極間距2cm。通過注射針管往每個(gè)肌電測(cè)試電極內(nèi)注入導(dǎo)電膏，并通過導(dǎo)聯(lián)電阻監(jiān)測(cè)圖了解測(cè)試導(dǎo)聯(lián)與皮膚的接觸情況。實(shí)驗(yàn)過程中保證2個(gè)測(cè)試肌電電極的電阻低于10000Ω，SEMG采樣頻率設(shè)置為2000HZ，帶通濾波1～1000HZ。

（四）腦電信號(hào)采集

按照國(guó)際10/20系統(tǒng)安放電極。實(shí)驗(yàn)時(shí)先讓受試者帶上電極帽，并將具有松緊性的電極帽套罩在電極帽上，以增加腦電電極與頭皮的接觸。通過注射針管往每個(gè)腦電電極內(nèi)注入導(dǎo)電膏，在此過程中通過腦電記錄系統(tǒng)自帶的腦電導(dǎo)聯(lián)電阻監(jiān)測(cè)圖可以確定腦電導(dǎo)聯(lián)與頭皮的電阻值及接觸情況，并根據(jù)接觸情況對(duì)某些特定電極進(jìn)行處理（在電極表面施加壓力、增加注入導(dǎo)電膏量等方法）。實(shí)驗(yàn)過程中保證每一腦電導(dǎo)聯(lián)與頭皮接觸的電阻低于5000Ω。選取頭頂作為參考電極。腦電信號(hào)的采集參數(shù)設(shè)置為：采樣頻率2000HZ，帶通濾波0.01～100HZ。設(shè)置腦電信號(hào)采集系統(tǒng)參數(shù)為50HZ以屏蔽50HZ交流電信號(hào)對(duì)測(cè)試腦電信號(hào)的影響。

二、研究數(shù)據(jù)

靜態(tài)屈肘疲勞負(fù)荷實(shí)驗(yàn)過程中肱二頭肌SEMG指標(biāo)隨運(yùn)動(dòng)時(shí)間的變化曲線如圖1所示。通過對(duì)各受試者疲勞負(fù)荷實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，各受試者運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間為364.93±93.92S，其中，運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間的最大值為561.00S，最小值為249.00S。隨著靜態(tài)屈肘運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，肱二頭肌SEMG指標(biāo)RMS表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)（P<0.05），而MF表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)（P<0.05，圖1）。

由圖2可知，運(yùn)動(dòng)開始、結(jié)束階段內(nèi)記錄的EEG功率譜在α、β、γ頻段內(nèi)的均值分別在3000μV2、2000μV2和1000μV2左右，而開始、結(jié)束階段內(nèi)記錄的SEMG功率譜在α、β、γ頻段內(nèi)的均值則分別在20000μV2、40000μV2和40000μV2左右。運(yùn)動(dòng)開始、結(jié)束階段所記錄的EEG與SEMG功率譜在α、β、γ頻段內(nèi)的值皆有顯著性差異，運(yùn)動(dòng)結(jié)束階段內(nèi)記錄的EEG與SEMG功率譜值要顯著高于運(yùn)動(dòng)開始階段。

三、討論階段

從實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)試肌肉肱二頭肌SEMG的變化情況看，時(shí)域指標(biāo)RMS隨運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間表現(xiàn)出良好的增加趨勢(shì)，頻域指標(biāo)MF隨運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。前期對(duì)次最大負(fù)荷靜態(tài)收縮誘發(fā)運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞引起SEMG指標(biāo)變化的相關(guān)研究表明，RMS隨運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間逐漸增加、頻域指標(biāo)MF隨運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間逐漸減小，是肌肉在次最大負(fù)荷靜態(tài)收縮誘發(fā)局部肌肉疲勞的典型特征。本研究中，RMS、MF隨運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間的變化情況一方面反映了疲勞負(fù)荷實(shí)驗(yàn)過程中神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能狀況的變化;另一方面，也提示本實(shí)驗(yàn)疲勞模型設(shè)計(jì)的科學(xué)性和所獲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。

在運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞引起參與收縮肌肉SEMG與EEG功率譜能量變化的研究方面，研究表明，在拇收肌進(jìn)行靜態(tài)最大自主收縮誘發(fā)疲勞后，腦對(duì)側(cè)區(qū)導(dǎo)聯(lián)記錄EEG振幅RMS都出現(xiàn)增加，其中，RMS在β頻段內(nèi)的值最大，在γ頻段內(nèi)的值最小。30%MVC靜態(tài)屈肘誘發(fā)屈肘肌疲勞運(yùn)動(dòng)后半段內(nèi)測(cè)試肌肉SEMG及EEG功率譜能量皆出現(xiàn)顯著性的增加，其中，EEG能量在β頻段內(nèi)的增加尤為顯著。本研究中，疲勞引起測(cè)試肌肉SEMG與EEG能量在各頻段皆出現(xiàn)顯著性的增加。由于運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞中運(yùn)動(dòng)皮層、脊髓前角運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元激活能力下降及肌肉外周收縮能力下降，為維持既定的負(fù)荷運(yùn)動(dòng)任務(wù)和補(bǔ)償由中樞與外周的一系列變化，中樞神經(jīng)系統(tǒng)募集更多的皮層脊髓細(xì)胞和運(yùn)動(dòng)單位參與肌肉收縮。兩信號(hào)的相干性分析結(jié)果反映了兩分析源信號(hào)在不同頻率或頻段內(nèi)的接近程度。

本研究結(jié)果表明，以20%MVC恒定負(fù)荷靜態(tài)收縮誘發(fā)屈肘肌疲勞引起肱二頭肌SEMG與腦電C5導(dǎo)聯(lián)記錄腦電在β頻段、SEMG與腦電Pz導(dǎo)聯(lián)記錄EEG相干函數(shù)在α頻段內(nèi)頻率一致性的增加。由于運(yùn)動(dòng)皮層對(duì)軀體運(yùn)動(dòng)的對(duì)側(cè)性支配原理，在受試者右側(cè)肘關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動(dòng)過程中，左腦區(qū)作為支配該運(yùn)動(dòng)的最主要皮層區(qū)域，在其表面記錄到的EEG可以反映出皮層對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的重要信息;而C5導(dǎo)聯(lián)作為左腦區(qū)區(qū)域的導(dǎo)聯(lián)，其記錄EEG與肱二頭肌SEMG相干函數(shù)在β頻段內(nèi)的值增加，提示，疲勞引起外周收縮肌肉與對(duì)側(cè)腦區(qū)運(yùn)動(dòng)皮層活動(dòng)的振蕩耦合性增加。對(duì)于運(yùn)動(dòng)皮層與外周肌肉生物電活動(dòng)頻率一致性產(chǎn)生的生理學(xué)機(jī)制，最初的研究認(rèn)為其與皮質(zhì)脊髓軸突及其發(fā)出抵達(dá)脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的單突觸連接調(diào)節(jié)活動(dòng)密切相關(guān)。

此外，有研究認(rèn)為，肌電與腦電相干性分析結(jié)果可能跟同步放電的運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元數(shù)目有關(guān)。最近的研究則表明，肌電與腦電相干性分析結(jié)果是一個(gè)受到多種因素影響的復(fù)雜問題，其中，外周肌肉的感覺反饋?zhàn)饔眉皞愋ぜ?xì)胞抑制作用的變化等都會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層與外周肌肉生物電活動(dòng)頻率一致性產(chǎn)生影響。本研究中發(fā)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞引起肌電與腦電相干函數(shù)在β頻段內(nèi)的增加可能跟疲勞后各種原因引起上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元對(duì)脊髓內(nèi)α運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元支配性的改變、疲勞后參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)皮層細(xì)胞活動(dòng)的同步性增加、傳入纖維反饋調(diào)節(jié)作用變化、疲勞引起的倫肖細(xì)胞抑制作用降低等因素共同作用進(jìn)而引起皮層調(diào)節(jié)活動(dòng)的改變有關(guān)。因此，通過以上討論可以看出，運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞誘發(fā)肌電與腦電信號(hào)相干函數(shù)在β頻段內(nèi)值的變化是疲勞后中樞與外周特定性改變引起的必然外在反映。這種變化一方面揭示了疲勞引起中樞與外周耦合性的總體變化;另一方面，也為深入認(rèn)識(shí)和探索疲勞中運(yùn)動(dòng)皮層、脊髓、外周肌肉、神經(jīng)傳導(dǎo)通路及相關(guān)調(diào)控系統(tǒng)之間功能活動(dòng)的聯(lián)系提供了參考依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

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作者簡(jiǎn)介：李梅杰（1982—），河南周口人，黃河科技學(xué)院副教授，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。

項(xiàng)目來(lái)源：2019年度河南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：19A890012 ，項(xiàng)目名稱：力竭運(yùn)動(dòng)致大鼠紅細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷及其機(jī)制研究。