事件相關(guān)電位在腦卒中偏癱病人上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)腦電特征研究中的應(yīng)用

李 海，趙江莉，危昔均，王冰水，毛玉瑢，李 樂，黃東鋒，3

腦血管病已成為我國(guó)居民死亡的主要疾病[1]，腦卒中是單病種致殘率最高的疾病，給社會(huì)、家庭造成沉重的負(fù)擔(dān)[2]。上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙是腦卒中病人最常見的功能障礙[3-7]。腦卒中后上肢運(yùn)動(dòng)腦電特征的研究對(duì)運(yùn)動(dòng)重建的神經(jīng)機(jī)制研究及康復(fù)策略制定具有重要意義。事件相關(guān)電位(event-related potential，ERP)技術(shù)是一種靈活的非侵入性手段，其中運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮層電位(movement-related cortical potential，MRCP)被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)及腦損傷后的康復(fù)機(jī)制研究。卒中后偏癱病人運(yùn)動(dòng)時(shí)，偏癱肢體對(duì)側(cè)皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)運(yùn)動(dòng)電位(motor potential，MP)波幅增加，提示損傷區(qū)域執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令的能量需求增加，但對(duì)MRCP潛伏期的影響一直存在爭(zhēng)議[8-9]。事件相關(guān)去同步化(event-related desynchronization，ERD)指的是與感覺處理或運(yùn)動(dòng)行為相關(guān)頻率下降的現(xiàn)象。在初級(jí)感覺運(yùn)動(dòng)皮層被記錄到的與α節(jié)律相同頻率范圍的腦電活動(dòng)被稱為mu節(jié)律，人類主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行和準(zhǔn)備階段及運(yùn)動(dòng)想象和運(yùn)動(dòng)觀察過程皮層感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域均出現(xiàn)mu-ERD[10-12]，腦卒中病人受損半球的ERD值與肢體剩余運(yùn)動(dòng)能力呈正相關(guān)[13]。本課題組前期已進(jìn)行正常人群運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行時(shí)的ERP研究，發(fā)現(xiàn)正常受試運(yùn)動(dòng)過程中腦電在時(shí)域和時(shí)頻域的變化表現(xiàn)出不同特征。mu-ERD被發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備階段具有更強(qiáng)的對(duì)側(cè)控制特征，可能是檢測(cè)運(yùn)動(dòng)意圖的更好指標(biāo)[14]。為探討腦卒中后偏癱病人上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備、執(zhí)行過程的腦電活動(dòng)在時(shí)域和時(shí)頻域方面的特征性改變，本研究應(yīng)用指令運(yùn)動(dòng)及提示指令運(yùn)動(dòng)范式進(jìn)行腦卒中病人單側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)的腦電ERP試驗(yàn)，為進(jìn)一步探討腦卒中后上肢運(yùn)動(dòng)控制的神經(jīng)康復(fù)機(jī)制及神經(jīng)可塑性機(jī)制提供神經(jīng)電生理依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 招募以偏癱為主要癥狀的腦卒中恢復(fù)期至慢性期病人參加本研究。入選標(biāo)準(zhǔn)：①經(jīng) CT 或磁共振成像(MRI)檢查確診為腦卒中(病程時(shí)間>1個(gè)月)；②單側(cè)皮層或皮層下病灶損害；③Brunnstrom 分期≥2 期；④起病前為右利手；⑤無嚴(yán)重認(rèn)知功能障礙，可配合完成所有研究評(píng)估項(xiàng)目；⑥符合及耐受ERP檢查要求；⑦自愿簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：①充血性心力衰竭；②下肢深靜脈血栓；③惡性進(jìn)行性高血壓；④呼吸功能衰竭；⑤活動(dòng)性肝病、肝腎功能不全等嚴(yán)重并發(fā)疾病，一般情況差，不能配合完成研究評(píng)估項(xiàng)目者；⑥嚴(yán)重認(rèn)知功能障礙不能理解并執(zhí)行試驗(yàn)任務(wù)者；⑦上肢骨關(guān)節(jié)疾病不能進(jìn)行研究所規(guī)定的上肢運(yùn)動(dòng)者；⑧既往有精神疾病史或服用抗精神病藥物病史；⑨有嚴(yán)重的偏側(cè)空間忽略。本研究獲得醫(yī)院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，病人參加研究之前均已被告知研究具體內(nèi)容并簽署知情同意書。

1.2 腦電試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集 腦電數(shù)據(jù)采集在屏蔽試驗(yàn)室進(jìn)行，屏蔽室消除電磁信號(hào)及環(huán)境噪音干擾，觀察窗供研究人員觀察受試者試驗(yàn)時(shí)的行為反應(yīng)。試驗(yàn)時(shí)受試者坐于放置電腦屏幕的桌子前，屏幕距受試者約75 cm(雙眼水平)，受試者雙側(cè)前臂置于桌面。Brain Products公司(Munich，Germany)生產(chǎn)的32導(dǎo)聯(lián)Ag/AgCl電極主動(dòng)電極帽actiCap(Herrsching，Germany)用來記錄腦電信號(hào)，基于擴(kuò)展的國(guó)際10-20系統(tǒng)定位，參考電極位置FCz，地電極位置AFz，采樣率1 000 Hz，試驗(yàn)期間電極阻抗保持在5 kOhm以下以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。將左右各一對(duì)表面電極分別置于雙側(cè)的橈側(cè)腕伸肌(ECR)處以記錄伸腕運(yùn)動(dòng)表面肌電信號(hào)。

本研究中的運(yùn)動(dòng)任務(wù)為雙上肢分別進(jìn)行單側(cè)伸腕運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)1為指令運(yùn)動(dòng)范式，屏幕上隨機(jī)呈現(xiàn)向左或向右的實(shí)心箭頭，E-prime軟件隨機(jī)選擇，左右方向各重復(fù)40次，總共80個(gè)循環(huán)。受試者根據(jù)箭頭方向做左側(cè)或右側(cè)伸腕展活動(dòng)1次，然后回歸休息位直到下一個(gè)運(yùn)動(dòng)指令出現(xiàn)。試驗(yàn)2為提示指令運(yùn)動(dòng)范式，在試驗(yàn)1的圖片運(yùn)動(dòng)指令前1 000 ms屏幕提示運(yùn)動(dòng)方向(虛心箭頭)，運(yùn)動(dòng)指令后受試者按照同樣規(guī)則進(jìn)行伸腕運(yùn)動(dòng)。

1.3 肌電及腦電數(shù)據(jù)分析方法 腦電數(shù)據(jù)分析軟件Brain Vision Analyzer 2.1(Brain Products，Germany)，數(shù)據(jù)分析軟件Matlab 2016a(The MathWorks Inc.，USA)和Letswave(版本7，https：//letswave.cn/)用于分析離線EEG數(shù)據(jù)。Brain Vision Analyzer 2.1軟件的EMG附加組件用于分析EMG數(shù)據(jù)。

肌電數(shù)據(jù)選取活動(dòng)側(cè)上肢肌電起始時(shí)間、峰值時(shí)間、峰值波幅，由Brain Vision Analyzer 2.1肌電分析組件運(yùn)行分析，肌電起始點(diǎn)閾值為在正負(fù)任一方向?yàn)槌^基線平均值的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差[9]，肌電峰值時(shí)間、峰值波幅由軟件計(jì)算后導(dǎo)出。EEG數(shù)據(jù)取平均值，眼電對(duì)腦電的干擾應(yīng)用基于獨(dú)立成分分析(independent component analysis，ICA)的眼電矯正方法進(jìn)行半自動(dòng)矯正，去除眼電干擾后的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行帶寬濾波(0.01～50 Hz)、去偽跡處理，然后根據(jù)視覺指令信號(hào)進(jìn)行分段、基線矯正。分段并基線矯正處理后的腦電數(shù)據(jù)按進(jìn)行疊加平均，得到腦電ERP波形。MP的潛伏期、波幅作為運(yùn)動(dòng)相關(guān)電位的主要統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)，選擇代表初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的C3、Cz、C4導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析比較。分段后的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行平均連續(xù)小波轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)基線矯正后得到時(shí)間-頻率譜圖，本研究選擇觀察頻率范圍為0～30 Hz，提取mu-ERD(8～13 Hz)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備階段-0.5～0 s，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行階段0.5～1.5 s數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 使用IBM SPSS 22統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)采取雙側(cè)檢驗(yàn)，α=0.05為統(tǒng)計(jì)可接受的臨界概率值。根據(jù)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，雙側(cè)伸腕運(yùn)動(dòng)的參數(shù)在受試者的患側(cè)及健側(cè)之間、檢驗(yàn)試驗(yàn)1和試驗(yàn)2同側(cè)相關(guān)參數(shù)之間進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)或Wilcoxon檢驗(yàn)。腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行不同導(dǎo)聯(lián)位置的Kruskal WallisH檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1 一般資料 因本研究為臨床基礎(chǔ)研究，入選僅以偏癱為主要癥狀的腦卒中恢復(fù)期病人，可進(jìn)行伸腕運(yùn)動(dòng)，語(yǔ)言、認(rèn)知功能良好，可理解、溝通并配合腦電ERP試驗(yàn)，入選病人存在一定難度。研究期間共17例腦卒中病人完成研究，其中男14例，女3例；年齡(54.10±10.95)歲；腦卒中原因：腦梗死10例，腦出血7例；左側(cè)偏癱9例，右側(cè)偏癱8例。本課題組前期使用相同ERP范式已進(jìn)行正常人群研究[14]，未發(fā)現(xiàn)不同性別之間運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦電特征的差異，故本研究未進(jìn)行性別分層研究。

2.2 肌電表現(xiàn) 試驗(yàn)1指令運(yùn)動(dòng)范式下肌電峰值時(shí)間，患側(cè)為(956.6±249.4)ms，健側(cè)為(743.0±201.2)ms，患側(cè)與健側(cè)比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=3.486，P=0.006)?；紓?cè)和健側(cè)分別進(jìn)行指令運(yùn)動(dòng)和提示指令運(yùn)動(dòng)時(shí)，提示運(yùn)動(dòng)下肌電起始時(shí)間、峰值時(shí)間均縮短(P<0.01)。詳見圖1。

*P<0.05，**P<0.01。圖1 指令運(yùn)動(dòng)及提示指令運(yùn)動(dòng)范式下腦卒中病人肌電起始時(shí)間和峰值時(shí)間比較

2.2 運(yùn)動(dòng)相關(guān)電位 1例腦卒中病人兩種范式下ERP試驗(yàn)的腦電數(shù)據(jù)預(yù)處理后所得MRCP圖形詳見圖2。

所有受試者兩種范式下ERP試驗(yàn)各分析導(dǎo)聯(lián)位置的MP數(shù)據(jù)見表1。配對(duì)樣本W(wǎng)ilcoxon檢驗(yàn)顯示，試驗(yàn)1運(yùn)動(dòng)范式下運(yùn)動(dòng)肢體對(duì)側(cè)皮層(Z=-3.516，P<0.001)、Cz(Z=-3.258，P=0.001)、同側(cè)皮層(Z=-2.430，P=0.015)的MP波幅，健側(cè)、患側(cè)運(yùn)動(dòng)比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；試驗(yàn)2運(yùn)動(dòng)范式下運(yùn)動(dòng)肢體對(duì)側(cè)皮層(Z=-2.201，P=0.028)、Cz(Z=-2.481，P=0.013)的MP波幅，健側(cè)、患側(cè)運(yùn)動(dòng)比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)不同導(dǎo)聯(lián)位置的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行Kruskal-WallisH檢驗(yàn)，結(jié)果顯示試驗(yàn)1健側(cè)、患側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)各導(dǎo)聯(lián)MP波幅比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(患側(cè)P<0.001，健側(cè)P=0.022)，詳見圖3，試驗(yàn)2患側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)各導(dǎo)聯(lián)MP波幅比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.026)。兩種范式下腦電數(shù)據(jù)配對(duì)樣本W(wǎng)ilcoxon檢驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)2提示下指令活動(dòng)較試驗(yàn)1指令活動(dòng)患側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)Cz(Z=-2.341，P=0.019)、患側(cè)肢體同側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層(未受損腦區(qū))的MP潛伏期縮短(Z=-2.691，P=0.007)；而健側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)兩種范式情況下運(yùn)動(dòng)的各皮層位置MP潛伏期比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 腦卒中病人兩種范式下ERP試驗(yàn)的動(dòng)作電位[(±s)，M(P25，P75)]

圖3 試驗(yàn)1患健側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)皮層的MP波幅

2.3 運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦電時(shí)頻域改變 提取運(yùn)動(dòng)執(zhí)行階段8～13 Hz、0.5～1.5 s的平均反應(yīng)值，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備階段8～13 Hz、-0.5～0 s的平均反應(yīng)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，mu-ERD平均反應(yīng)值進(jìn)行各導(dǎo)聯(lián)位置間的Kruskal-WallisH檢驗(yàn)、健患側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)的Wilcoxon檢驗(yàn)，不同導(dǎo)聯(lián)位置及健患側(cè)腦區(qū)之間數(shù)據(jù)比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。詳見表2。

表2 腦卒中病人兩種運(yùn)動(dòng)范式下mu-ERD平均反應(yīng)值[M(P25，P75)]

3 討 論

腦卒中病人運(yùn)動(dòng)時(shí)患側(cè)肌電峰值時(shí)間較健側(cè)延長(zhǎng)，提示患側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)功能受損。提供視覺提示的情況下，健側(cè)肢體和患側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)的肌電起始時(shí)間和峰值時(shí)間均縮短，說明視覺提示可以起到協(xié)助運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備過程，易化運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)的作用，幫助加速神經(jīng)運(yùn)動(dòng)功能受損病人的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)速度[15-16]。提示在腦卒中運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)過程中為病人提供視覺提示有助于運(yùn)動(dòng)皮層的準(zhǔn)備，加速運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)和執(zhí)行。

腦卒中病人患側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)MP波幅在對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層以及運(yùn)動(dòng)中央?yún)^(qū)域均明顯增高。MP成分由運(yùn)動(dòng)皮層下電活動(dòng)疊加產(chǎn)生[17]，并一定程度上與運(yùn)動(dòng)興奮的傳入相關(guān)[18]，MP波幅可能與運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備及執(zhí)行的能量需求與能量消耗相關(guān)[19]。腦卒中偏癱病人運(yùn)動(dòng)神經(jīng)通路的損傷完全或不完全阻斷了既往已經(jīng)建立的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)連接，故而嘗試完成同樣運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)時(shí)的神經(jīng)支配效率降低，產(chǎn)生更多的能量需求與消耗。本研究對(duì)腦卒中病人運(yùn)動(dòng)相關(guān)電位波幅的發(fā)現(xiàn)與既往文獻(xiàn)的報(bào)道[8-9]是一致的。在對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的研究發(fā)現(xiàn)，通過反復(fù)練習(xí)掌握某項(xiàng)運(yùn)動(dòng)技能后進(jìn)行該運(yùn)動(dòng)時(shí)大腦的運(yùn)動(dòng)相關(guān)電位波幅下降，潛伏期延長(zhǎng)，反映了隨著對(duì)運(yùn)動(dòng)技能的掌握大腦運(yùn)動(dòng)皮層的運(yùn)動(dòng)控制效率提高，能量需求及消耗減少[20]。在腦卒中運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域，這些研究結(jié)果支持康復(fù)干預(yù)的劑量控制原則，即增加目標(biāo)運(yùn)動(dòng)技能的鍛煉劑量有望提高運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的收益。如強(qiáng)制性誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)療法已被證實(shí)可以改善腦卒中病人的上肢活動(dòng)能力、生活質(zhì)量和社會(huì)參與[21-24]，但是強(qiáng)制性誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)療法是否比同等劑量的常規(guī)治療相比更有優(yōu)勢(shì)還不明確[25-26]。強(qiáng)制性誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)有效性的機(jī)制可能與限制健側(cè)肢體或軀干的活動(dòng)，強(qiáng)制患側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)從而增加其運(yùn)動(dòng)劑量有關(guān)，通過不斷強(qiáng)化訓(xùn)練患側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)控制的神經(jīng)環(huán)路而提高中樞神經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制效率，從而改善患側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)功能。

腦卒中病人運(yùn)動(dòng)時(shí)偏癱肢體同側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的改變值得關(guān)注。試驗(yàn)2提示下患側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)，Cz及同側(cè)(未損傷腦區(qū))皮層MP潛伏期縮短。腦卒中病人患肢對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層功能受損的情況下，提示對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的調(diào)節(jié)作用可能是通過運(yùn)動(dòng)中央?yún)^(qū)及損傷對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的代償作用來實(shí)現(xiàn)的[27-28]。

mu-ERD被認(rèn)為是大腦激活的反映[29]，正常健康人運(yùn)動(dòng)時(shí)腦電時(shí)頻域特征為執(zhí)行階段雙側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層激活，而中央?yún)^(qū)激活不明顯，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備階段主要為對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的激活[14]。腦卒中病人運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備及運(yùn)動(dòng)執(zhí)行階段都表現(xiàn)為雙側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層及中央?yún)^(qū)的激活，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備階段的ERD偏側(cè)性不明顯。本研究結(jié)果提示腦卒中病人運(yùn)動(dòng)時(shí)大腦皮層對(duì)比正常健康人群產(chǎn)生了更大范圍的激活。這一現(xiàn)象同時(shí)印證了腦卒中運(yùn)動(dòng)康復(fù)過程中的同側(cè)代償機(jī)制和相鄰區(qū)域代償機(jī)制，反映了未受損區(qū)域代償?shù)钠又亟M康復(fù)機(jī)制，這和既往動(dòng)物模型研究結(jié)果[30]一致，且這種代償作用體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)備和執(zhí)行階段。

腦卒中病人患側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)功能受損的情況下，視覺提示仍然可以起到協(xié)助運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備過程，易化運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)的作用?；紓?cè)肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)MP波幅在對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層以及運(yùn)動(dòng)中央?yún)^(qū)域顯著增高，提示下患側(cè)活動(dòng)時(shí)，Cz及未損傷側(cè)皮層MP潛伏期縮短，反映了中央?yún)^(qū)及損傷對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的代償作用。腦卒中病人單側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生更大范圍的皮層mu-ERD，提示中央?yún)^(qū)及對(duì)側(cè)未受損區(qū)域的代償機(jī)制。ERP技術(shù)可應(yīng)用于腦卒中病人的運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦電活動(dòng)研究并展示其特征性改變。