預(yù)期性姿勢(shì)調(diào)節(jié)的神經(jīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展

陳意，謝運(yùn)娟，高強(qiáng)，2

1.四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院，四川成都市 610041；2.四川大學(xué)華西醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)中心，四川成都市610041

運(yùn)動(dòng)的實(shí)施有賴于姿勢(shì)控制的建立以及維持身體各節(jié)段適應(yīng)不同環(huán)境的姿勢(shì)方向，以確保動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性[1]。在突發(fā)內(nèi)部和外部姿勢(shì)干擾時(shí)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)對(duì)身體姿勢(shì)肌肉的快速反應(yīng)可分為預(yù)期性姿勢(shì)調(diào)節(jié)(anticipatory postural adjustments，APAs)和補(bǔ)償性姿勢(shì)調(diào)節(jié)(compensatory postural adjustments，CPAs)兩種機(jī)制，以維持身體質(zhì)心穩(wěn)定和保持特定的身體姿勢(shì)[2-3]。

APAs 在可預(yù)期的姿勢(shì)干擾之前產(chǎn)生，其機(jī)制為：CNS 依據(jù)來自視覺、聽覺、本體感覺和運(yùn)動(dòng)意圖等感知和認(rèn)知神經(jīng)信息，發(fā)出神經(jīng)沖動(dòng)，預(yù)先激活相關(guān)肌肉活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)肌肉活動(dòng)優(yōu)化控制[4-7]。APAs 的產(chǎn)生離不開CNS 調(diào)節(jié)，其執(zhí)行依賴于復(fù)雜的分布式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，涉及多個(gè)神經(jīng)結(jié)構(gòu)[8]。

1 APAs相關(guān)的腦結(jié)構(gòu)

1.1 大腦皮質(zhì)

1.1.1 前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)

前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)位于大腦額上回Brodmann 6 區(qū)[9]，內(nèi)側(cè)為輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)，外側(cè)為運(yùn)動(dòng)前區(qū)[10-11]。根據(jù)解剖和功能差異，輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)又分為喙部和尾部[12]；運(yùn)動(dòng)前區(qū)又分為腹外側(cè)喙部、腹外側(cè)尾部、背外側(cè)喙部和背外側(cè)尾部[13]。喙部區(qū)與前額葉相連，具有感覺運(yùn)動(dòng)的綜合功能[14]；尾部區(qū)的神經(jīng)纖維直接投射至初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)(primary motor area，M1)和脊髓，主要產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)功能[15]。

前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)是運(yùn)動(dòng)行為預(yù)測(cè)的重要神經(jīng)結(jié)構(gòu)，參與APAs神經(jīng)調(diào)控，在運(yùn)動(dòng)計(jì)劃和運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備中起至關(guān)重要的作用[16-17]。Li等[18]對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生前小鼠的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)環(huán)路進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)包含同比例的混合神經(jīng)元，通過胼胝體軸突耦合，在運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生前幾秒呈現(xiàn)持續(xù)的準(zhǔn)備活動(dòng)，對(duì)特定的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行預(yù)測(cè)。人類前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)在運(yùn)動(dòng)觸發(fā)前也出現(xiàn)雙側(cè)對(duì)稱預(yù)期電位[19-20]。Chang等[21]發(fā)現(xiàn)，前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)損傷患者雙下肢脛骨前肌收縮潛伏期延長，提示前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)損傷會(huì)導(dǎo)致步行起始階段APAs異常。因此，目前認(rèn)為前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)是介導(dǎo)APAs的主要神經(jīng)結(jié)構(gòu)之一。

前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)內(nèi)側(cè)的輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)更多涉及內(nèi)部自發(fā)運(yùn)動(dòng)的APAs 產(chǎn)生，在APAs 調(diào)控方面起關(guān)鍵作用[22]。輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)喙部?jī)?yōu)先參與更高層次的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃過程，輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)尾部則嚴(yán)格執(zhí)行運(yùn)動(dòng)實(shí)施。Richard等[23]采用重復(fù)經(jīng)顱磁刺激抑制健康人輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)，觀察步態(tài)起始表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)參與編碼步態(tài)啟動(dòng)準(zhǔn)備階段(即APAs)肌肉激活的時(shí)序。不少研究顯示[24-28]，帕金森患者輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)活性降低會(huì)導(dǎo)致APAs 異常，從而產(chǎn)生步行啟動(dòng)困難。

1.1.2 M1

M1 位于大腦中央溝正前方、中央前回的Brodmann 4 區(qū)，其獨(dú)特特征是該區(qū)存在強(qiáng)大的皮質(zhì)脊髓神經(jīng)元[29]。Massion等[30]發(fā)現(xiàn)，M1損傷患者在非負(fù)重條件下，在雙手抬舉任務(wù)中，損傷對(duì)側(cè)手臂APAs受損。M1投射的皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)纖維在運(yùn)動(dòng)觸發(fā)前的反應(yīng)期被激活，局部?jī)?nèi)在聯(lián)絡(luò)神經(jīng)元介導(dǎo)產(chǎn)生I 波，節(jié)段性運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位，由此參與APAs 調(diào)控；已產(chǎn)生的APAs 程序經(jīng)皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)通路傳導(dǎo)至目標(biāo)肌群，進(jìn)行姿勢(shì)調(diào)節(jié)[31]。

1.2 基底節(jié)

基底節(jié)是位于腦半球深部的核團(tuán)，包括尾狀核、殼核、蒼白球、杏仁核等，其相關(guān)核團(tuán)分別散布于間腦、中腦和腦橋?；咨窠?jīng)節(jié)和相關(guān)核團(tuán)組成皮質(zhì)下細(xì)胞群，主要參與運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行以及行為和情緒管理[32]。1962 年，Martin 等[33]發(fā)現(xiàn)帕金森病患者存在姿勢(shì)反應(yīng)和協(xié)調(diào)性缺損，提出基底節(jié)參與姿勢(shì)控制。隨后的研究均發(fā)現(xiàn)帕金森病患者站立位下存在APAs異常[34-35]。此外，亨廷頓病患者也存在邁步起始階段APAs 受損[36]。Bolzoni 等[37]發(fā)現(xiàn)，食指快速彎曲時(shí)，穩(wěn)定手臂的肢體內(nèi)APAs(如肱三頭肌活化、肱二頭肌和三角肌前束抑制)在帕金森病患者中表現(xiàn)異常，顯示基底節(jié)可能參與肢體內(nèi)APAs調(diào)控。

1.3 腦干

腦干上端與大腦相接，下端與脊髓相連，自上而下分為中腦、腦橋和延髓三部分。腳橋核位于腦橋基底部，直接與皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)相連[38]。在帕金森病患者中，腳橋核直接參與調(diào)節(jié)APAs；腳橋核與輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)之間的聯(lián)系異常，與患者邁步困難有關(guān)；腳橋核與輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)的相互作用，與邁步起始階段APAs 時(shí)程延長有關(guān)。因此，腳橋核與輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)共同協(xié)同調(diào)節(jié)APAs時(shí)序[39]。

腦橋延髓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)神經(jīng)元軸突呈彌散性投射，許多網(wǎng)狀神經(jīng)元直接聯(lián)系脊髓的頸段和腰段[40]。Schepens 等[41]發(fā)現(xiàn)，腦橋延髓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)出的獨(dú)立會(huì)聚信號(hào)有助于貓?jiān)谟|地過程中姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)控制。腦橋延髓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也參與人體APAs 的整合并投射到脊髓，進(jìn)行姿勢(shì)調(diào)節(jié)。Delval 等[42]觀察不同強(qiáng)度聽覺刺激對(duì)步態(tài)起始過程中APAs 產(chǎn)生的影響，證實(shí)腦橋延髓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參與調(diào)控APAs。聽覺刺激可以觸發(fā)準(zhǔn)備好的運(yùn)動(dòng)程序，即感覺輸入可以使腦橋延髓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或M1 激發(fā)已儲(chǔ)存的運(yùn)動(dòng)程序的執(zhí)行。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也參與驚嚇反射時(shí)APAs的形成[42]。

1.4 小腦

小腦位于顱后窩，由外層的灰質(zhì)(皮質(zhì))、內(nèi)層的白質(zhì)(傳入和傳出神經(jīng)纖維)和三對(duì)深部核團(tuán)(頂核、中間核和齒狀核)組成，分為新小腦、舊小腦和古小腦三部分，能調(diào)節(jié)肌張力，維持身體平衡，協(xié)調(diào)隨意運(yùn)動(dòng)[43]。小腦神經(jīng)元在β 頻率帶上與丘腦和皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)的神經(jīng)元同步振蕩，參與APAs 并維持運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)過程[44-45]。APAs 在小腦損傷患者中仍然存在，但APAs與運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)不同步[46]。使用重復(fù)經(jīng)顱磁刺激抑制健康受試者小腦后葉，可改變下肢肌肉的激活模式，增強(qiáng)下肢肌肉內(nèi)的共同活化，提示小腦可能與APAs 產(chǎn)生過程中肌肉內(nèi)和肌肉間的協(xié)調(diào)耦合有關(guān)。

2 APAs相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路

Massion[47]將APAs 產(chǎn)生的神經(jīng)環(huán)路劃分為兩種模式。①分層模式：控制運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的通路發(fā)出側(cè)支控制APAs的姿勢(shì)網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)姿勢(shì)調(diào)節(jié)和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的時(shí)序是鎖定的，此模式發(fā)生在腿部肌肉承重時(shí)的姿勢(shì)調(diào)整和雙手負(fù)重任務(wù)中的姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。②平行模式：姿勢(shì)調(diào)整和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)分別由兩條獨(dú)立、平行的通路控制，如自發(fā)性邁步起始階段的APAs 通過此模式進(jìn)行姿勢(shì)調(diào)整。

2.1 分層模式

分層模式下，基底節(jié)和新小腦涉及運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的編碼，運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和周圍神經(jīng)負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行。支配運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的神經(jīng)環(huán)路為肢體對(duì)側(cè)M1 區(qū)發(fā)放神經(jīng)沖動(dòng)，通過皮質(zhì)脊髓束支配相應(yīng)肌群產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；支配姿勢(shì)調(diào)節(jié)的神經(jīng)環(huán)路為姿勢(shì)調(diào)整側(cè)的對(duì)側(cè)基底節(jié)作用于相應(yīng)的皮質(zhì)靶點(diǎn)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)，輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)發(fā)出沖動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)環(huán)路發(fā)出側(cè)支進(jìn)行姿勢(shì)控制。在此過程中，小腦負(fù)責(zé)神經(jīng)環(huán)路和姿勢(shì)調(diào)整環(huán)路支配的肌群的協(xié)調(diào)控制。具體的神經(jīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍需后續(xù)研究完善。

2.2 平行模式

平行模式下，輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)和基底節(jié)的神經(jīng)通路產(chǎn)生APAs，目標(biāo)側(cè)(如自發(fā)性邁步起始階段下肢的擺動(dòng)側(cè))的運(yùn)動(dòng)由前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)背外側(cè)和M1 神經(jīng)通路產(chǎn)生。兩條平行的神經(jīng)通路在腦干的姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)中心進(jìn)行整合，腦橋延髓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中APAs 和運(yùn)動(dòng)的脊髓投射神經(jīng)元群相互獨(dú)立[48]。

觀察健康受試者腦磁圖發(fā)現(xiàn)，在雙手負(fù)重上舉任務(wù)中，姿勢(shì)臂對(duì)側(cè)基底節(jié)、丘腦和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)均產(chǎn)生β 頻率(13～30 Hz)的事件相關(guān)去同步化(event-related desynchronization，ERD)震蕩[49]；且β-ERD 出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生前800 ms，與APAs 有關(guān)。此外，小腦神經(jīng)元也存在β 頻率震蕩，且與丘腦和皮質(zhì)的神經(jīng)元同步，共同維持姿勢(shì)控制[50]。進(jìn)一步觀察大腦β-ERD 證實(shí)基底節(jié)-丘腦-皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)環(huán)路介導(dǎo)APAs 產(chǎn)生。在此環(huán)路中，基底節(jié)的殼核接受來自運(yùn)動(dòng)和軀體感覺皮質(zhì)廣泛的傳入纖維，并通過蒼白球與丘腦相連；丘腦投射纖維到大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)(輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)等)，調(diào)節(jié)相應(yīng)肌群進(jìn)行姿勢(shì)控制[51]。與Massion 提出的神經(jīng)環(huán)路模式一致。雙手負(fù)重上舉任務(wù)APAs產(chǎn)生過程中，M1區(qū)還存在μ節(jié)律(8～13 Hz)去同步化現(xiàn)象[52]，但μ節(jié)律在APAs相關(guān)神經(jīng)環(huán)路中的具體作用尚無報(bào)道。

3 小結(jié)

APAs 的調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)?；坠?jié)和前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)參與APAs 相關(guān)運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的編碼；作為基底節(jié)皮質(zhì)靶點(diǎn)之一的輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)和腦干的腳橋核共同調(diào)節(jié)APAs時(shí)序；M1主要在APAs啟動(dòng)過程中投射皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)纖維至目標(biāo)肌群進(jìn)行調(diào)節(jié)；腦橋延髓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行纖維整合，并通過網(wǎng)狀神經(jīng)元投射到脊髓，調(diào)節(jié)目標(biāo)肌群；小腦主要與APAs 產(chǎn)生過程中肌肉群的協(xié)調(diào)耦合相關(guān)。但目前的研究尚未完全明確以上腦區(qū)在APAs 產(chǎn)生過程中的具體聯(lián)系，僅有簡(jiǎn)單的模式解釋APAs 產(chǎn)生的神經(jīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

許多研究表明，老年人、腦卒中偏癱患者、帕金森病患者、腰痛患者均存在姿勢(shì)控制APAs 異常[53-55]。明確與APAs 相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，了解其發(fā)生和調(diào)控機(jī)制，有助于深入理解運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)控制原理，探討新的康復(fù)治療措施。需要進(jìn)一步深入開展更多高質(zhì)量的研究，探索APAs 相關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。