健康人平衡任務(wù)近紅外腦功能成像的系統(tǒng)研究

陳茜茜 陸 琰 鮑春蓉 權(quán)宏磊 任 婕 吳緒波1，△

1)上海中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，上海 201203 2)上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬第七人民醫(yī)院，上海 200137

平衡是指身體在運動或受到外力作用時，能自動調(diào)整并維持姿勢的一種能力[1]。平衡控制是一個閉環(huán)，一般認為維持平衡的環(huán)節(jié)包括感覺輸入、感覺整合、運動控制[2]。視覺、本體感覺、前庭系統(tǒng)的信息輸入是保持平衡過程中重要的三大感覺輸入[3]。當身體處于不平衡的狀態(tài)時，中樞神經(jīng)系統(tǒng)將傳入的感覺信息整合傳出到運動系統(tǒng)，隨后身體作出相應(yīng)的反應(yīng)重新達到平衡。這時，感覺系統(tǒng)再次輸入新的感覺信息從而形成了一個閉合的環(huán)路。功能性近紅外光譜技術(shù)(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)具有便攜性、低成本、頭動偽跡影響小等優(yōu)點[4]，在動態(tài)任務(wù)腦功能成像研究中具有較大的優(yōu)勢[5]。fNIRS利用血紅蛋白(O2Hb)和脫氧血紅蛋白(HHb)在近紅外(700～900 nm)范圍內(nèi)的光學(xué)特性，在神經(jīng)-血管偶聯(lián)[6]過程中檢測腦血管中其濃度變化[4]，從而推測相關(guān)腦區(qū)及各腦區(qū)之間的關(guān)系。

目前，部分學(xué)者采用感覺統(tǒng)合測試(sensorial organization test，SOT)結(jié)合fNIRS的方式，對平衡任務(wù)期間針對視覺、本體覺、前庭覺的影響及其相關(guān)腦區(qū)活動進行更進一步分析[7-11]。此外，也有在平衡任務(wù)中引入VR技術(shù)為研究提供了進行多樣和有目的任務(wù)的機會[12-14]。本文旨在通過fNIRS監(jiān)測不同任務(wù)態(tài)下健康人的相關(guān)腦區(qū)活動，歸納姿勢控制平衡的相關(guān)腦區(qū)，積極探索不同動態(tài)平衡任務(wù)、老化和相關(guān)腦區(qū)的相互關(guān)系。

1 資料與方法

1．1文獻納入標準(1)研究對象為健康人(≥18歲)，含有健康人組的實驗；(2)站立平衡任務(wù)；(3)有平衡任務(wù)期間的實時皮質(zhì)活動。

1．2文獻排除標準(1)缺少原文；(2)非中英文文獻；(3)文獻綜述、個案研究、討論、會議；(4)與平衡無關(guān)的干預(yù)和治療、藥物對任務(wù)的影響。

1．3文獻檢索策略計算機檢索PubMed、Cochrane、Web of Science、ScienceDirect、Medline、Embase等數(shù)據(jù)庫，檢索時限為2010-01—2020-01。采用主題詞與自由詞組合的方式檢索。英語檢索詞包括：Spectroscopy，Near-Infrared(主題詞)、postural balance(主題詞)、near-infrared spectroscopy、fNIRS；balance、balance control、postural control、postural ability、body equilibrium。對檢索出的文獻中的關(guān)鍵參考文獻進行了額外的抽查檢索，以進一步加強文獻綜述的可靠性。以PubMed為例，具體檢索策略如圖1所示。

1．4文獻篩選與資料提取將檢索到的所有中英文文獻導(dǎo)入Endnote X9版文獻檢索與管理軟件進行合并，剔重后閱讀題目，排除明顯無關(guān)文獻后，閱讀摘要、全文以確定是否納入(圖2)。資料提取內(nèi)容包括：(1) 納入研究的基本信息：文章題目、第一作者；(2)研究對象的基本特征：樣本量、年齡、性別；(3)具體的平衡任務(wù)；(4)本研究需要的神經(jīng)影像結(jié)果。

2 結(jié)果

2．1文獻概況通過數(shù)據(jù)庫檢索共獲得文獻1 141篇，剔重后剩余文獻672篇。經(jīng)閱讀文題和摘要排除651篇。通過閱讀全文，排除文獻7篇，最終納入系統(tǒng)綜述14篇。納入研究的過程和篩選標準見圖2。納入研究的詳細信息見表1。

2．2自動動態(tài)平衡任務(wù)9篇文獻[8-11，12，15-18]對262例健康人進行了自動動態(tài)平衡任務(wù)之下相關(guān)腦區(qū)fNIRS成像結(jié)果的報告，fNIRS的光源探測器通常定位于額葉、顳葉、頂葉、枕葉。其中5篇[8-11，15]探討了不同感覺輸入對姿勢控制與平衡的影響。實驗表明，僅有前庭覺輸入的情況下，STG、SMG被激活。HIROMASA等[8]評價了11例健康年輕男性在SOT 6種情況下的表現(xiàn)，在僅測試前庭覺的條件下，f-Op、STG、p-Op、SMA被明顯激活。KARIM等[9]發(fā)現(xiàn)，當完全依賴前庭信息進行平衡控制時，雙側(cè)STG、SMG被激活。LIN等[11]還發(fā)現(xiàn)，老年人枕葉ROI也明顯激活。DLPFC在姿勢控制中參與分配注意力資源。TEO等[10]發(fā)現(xiàn)，隨著感覺復(fù)雜性的增加，年輕人和老年人雙側(cè)DLPFC激活且老年人表現(xiàn)出更大程度的激活。HELMICH等[15]的實驗中年輕人在不穩(wěn)定平面上閉眼的情況下，DLPFC激活。

其他4篇文獻[12，16-18]描述了在站立活動時重新獲得穩(wěn)定狀態(tài)過程中腦皮質(zhì)的活動。HEROLD等[17]報告了當健康人從穩(wěn)定到不穩(wěn)定平面上進行姿勢與平衡控制時，SMA、中央后回、中央前回的O2Hb上升。同時ROSEN等[16]也發(fā)現(xiàn)，在60 s的睜眼單腳站立實驗中健康人這三個區(qū)域O2Hb較大。在8 s的默數(shù)站立任務(wù)中，MAHONEY等[18]描述在整個過程中PFC血氧飽和度上升，但后4 s中PFC的上升減少，表明在后4 s中被試完成了相似水平的姿勢控制。KARIM等[12]使用VR技術(shù)設(shè)計不同難度讓受試者做模擬滑雪任務(wù)，在雙側(cè)STG和SMG均觀察到激活。

圖1 PubMed檢索策略

圖2 文獻篩選流程圖

表1 納入文獻的基本信息

續(xù)表

注：f-Op：額下回；p-Op：右頂蓋；STG：顳上回；SMG：緣上回；SMA：輔助運動區(qū)；PFC：前額葉皮質(zhì)；DLPFC：背外側(cè)前額葉皮質(zhì)。ST：單任務(wù)；DT：雙重任務(wù)

2．3他動動態(tài)平衡任務(wù)2篇文獻[13-14]報告了受試者在他動動態(tài)平衡任務(wù)中PFC的腦血氧飽和度的變化。在BASSO MORO等[13]的試驗中，設(shè)置干擾程度為4個等級，隨著干擾程度的增大，平衡板前后擺動的速度變快，被試的PFC O2Hb升高；從3～4難度等級變化中，PFC的O2Hb、HHb變化趨于穩(wěn)定。在任務(wù)中雙側(cè)PFC激活程度增大以應(yīng)對任務(wù)難度的增加，與FERRARI等[14]的試驗結(jié)果相同。

2．4雙重任務(wù)3項研究[19-21]使用fNIRS監(jiān)測健康人在雙重任務(wù)期間的大腦活動。MARUSIC等[19]報告健康年輕人和老年人在任務(wù)期間的表現(xiàn)。在單任務(wù)和雙重任務(wù)中，當受試者從正常站立轉(zhuǎn)換成串聯(lián)步站立后，PFC的O2Hb顯著升高；將認知任務(wù)添加到正常站立中DLPFC的O2Hb并無明顯變化，表明在DLPFC中姿勢負荷對其影響大于認知負荷。ROSSO等[20]發(fā)現(xiàn)老年人在注意力單任務(wù)和雙重任務(wù)中DLPFC激活；年輕人僅在注意力單任務(wù)條件下，聽覺選擇反應(yīng)刺激引起DLPFC激活。關(guān)于閉眼站在平臺上的姿勢任務(wù)，年輕人和老年人DLPFC、SMG、STG均被激活，年輕人激活程度更高。在試驗中，老年人雙重任務(wù)干擾較大，表現(xiàn)出PFC和顳葉更大的激活。在FUJITA等[21]以雙腳站立和單腳站立作為姿勢任務(wù)，Stroop測試為認知任務(wù)的試驗中，報告了單腳站立單任務(wù)和雙任務(wù)中SMA和右側(cè)DLPFC激活程度比雙腳站立單任務(wù)大。

3 討論

站立被認為是相對自動運動任務(wù)，主要依賴于皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)，如基底神經(jīng)節(jié)和小腦的控制[17]。SMA參與動作計劃[22]和肢體協(xié)調(diào)[17]。從地面雙腳站立到更具挑戰(zhàn)性的站立，SMA被激活是對平衡情況的反應(yīng)，從而計劃維持平衡的動作[23]。研究[24]發(fā)現(xiàn)，SMA與中央前回、小腦區(qū)域有強烈共同激活作用；在不平衡情況下，共同被激活以保持平衡。

關(guān)于PFC的納入研究中[10-11，19-20]，老年人在平衡任務(wù)期間的腦活躍高于中年人和年輕人，與MIRELMAN等[25]實驗結(jié)果一致。隨著年齡增長，個體執(zhí)行任務(wù)的效率較低，大腦可能會增加某個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動，以彌補處理效率的下降。PFC的活躍性普遍增加，可能是適應(yīng)性大腦的標志[26-27]。但MARUSIC等[19]發(fā)現(xiàn)老化在執(zhí)行任務(wù)期間對O2Hb無顯著影響。值得注意的是，該研究選擇串聯(lián)步站立而非雙足站立的任務(wù)。引起結(jié)果差異可能是因老化使得大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的功能性連接變?nèi)鮗28]，而年輕人在更高姿勢和注意力要求的任務(wù)中可利用資源更多，也可能在更具挑戰(zhàn)性的姿勢任務(wù)下，腦區(qū)逐漸適應(yīng)這項任務(wù)[29]。

在SOT條件下的試驗普遍發(fā)現(xiàn)，當受試者視覺和本體感覺反饋均退化，主要依賴前庭信息時，顳頂葉區(qū)域的激活增加[8-11]。一項進行模擬滑雪游戲的研究中描述了SMG、STG的激活[12]?；┦嵌喔杏X輸入和統(tǒng)合的過程，SMG、STG參與調(diào)節(jié)了視覺、本體覺、前庭覺的信息處理。LIN等[11]的研究還發(fā)現(xiàn)，在任務(wù)期間視覺和本體感退化時，老年人的枕區(qū)相關(guān)皮質(zhì)也明顯激活，提示老年人更大程度地運用視覺和前庭覺維持平衡。有研究發(fā)現(xiàn)STG、視覺聯(lián)合皮質(zhì)參與視覺前庭的自我運動處理和來自不同感覺信號的信息整合[30]。在老化過程中，這可能是大腦完成任務(wù)的一種適應(yīng)性處理。

本次研究存在一些局限性。首先，納入文獻數(shù)量及其樣本量均較小，從而不具代表性和普遍性。第二，由于高皮層結(jié)構(gòu)的參與可能會隨著訓(xùn)練而改變[21]，由于符合要求文獻較少并未納入，未來可將此部分研究納入進行進一步分析。

SMA、SMG、STG、PFC參與平衡的控制。少量研究表明平衡任務(wù)期間中央前回、中央后回被激活。此外，老化對平衡任務(wù)期間PFC的影響有必要進行進一步研究。fNIRS在非臥床和平衡研究中具有明顯優(yōu)勢，未來可以使用多通道fNIRS對更多腦區(qū)更多更具挑戰(zhàn)性的動態(tài)平衡任務(wù)進行研究。