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    不同支撐模式下自由式滑雪空中技巧運(yùn)動(dòng)員大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)對(duì)下肢肌肉控制模式的研究

    2021-03-26 06:32:32付彥銘袁維帥
    體育科學(xué) 2021年1期
    關(guān)鍵詞:前肌腓腸肌波段

    郭 峰,付彥銘,李 東,袁維帥,王 新*

    (1.沈陽(yáng)體育學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110102;2.東北大學(xué) 理學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110102)

    平衡在維持人體站立、行走以及協(xié)調(diào)完成人體各種動(dòng)作中具有重要的作用。作為技巧類運(yùn)動(dòng)員,通常需要更高的平衡控制能力來(lái)確保落地穩(wěn)定性。而復(fù)雜多變的動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)和雪面物理因素干擾,使得在“動(dòng)作-平衡動(dòng)態(tài)耦合”狀態(tài)下,自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員落地平衡穩(wěn)定控制難度更高,也是影響該項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的關(guān)鍵因素和研究難點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員平衡能力的評(píng)估以往多采用靜態(tài)平衡能力進(jìn)行評(píng)價(jià)(婁彥濤 等,2016;閆紅光 等,2009,2012),但由于不同指標(biāo)的敏感度不同,其評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異。婁彥濤等(2016)選取COP在X軸、Y軸方向移動(dòng)的速度、總距離、平均距離以及速度矩等作為評(píng)價(jià)指標(biāo),比較了自自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目國(guó)家隊(duì)和青年隊(duì)運(yùn)動(dòng)員在睜、閉眼狀態(tài)下單腿、雙腿靜態(tài)站立平衡過(guò)程中COP的差別,研究?jī)H發(fā)現(xiàn)COP的移動(dòng)速度指標(biāo)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,而并未報(bào)告COP移動(dòng)距離指標(biāo)的差異。

    人體的站立平衡是在大腦的控制下完成的,已有研究表明,大腦皮質(zhì)在人體站立平衡過(guò)程中起到重要的調(diào)控作用,如當(dāng)人體發(fā)生腦卒中時(shí),其站立平衡控制能力減弱(Bonan et al.,2004)。經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)研究表明,人體在站立平衡時(shí),其大腦相關(guān)皮質(zhì)區(qū)的皮質(zhì)血流量顯著高于其在坐位狀態(tài)下的皮質(zhì)血流量(Obata et al.,2009)。還有學(xué)者使用腦電(electroencephalography,EEG)技術(shù)發(fā)現(xiàn)人體在靜態(tài)站立平衡控制任務(wù)中,不同頻率段的腦波發(fā)生了顯著變化(Percio et al.,2007;Thibault et al.,2014;Varghese et al.,2015)。這些研究說(shuō)明,大腦皮質(zhì)在人體站立平衡過(guò)程或者在身體姿勢(shì)維持中可能起到了重要作用。但無(wú)論大腦皮質(zhì)興奮性、腦血流動(dòng)力學(xué),還是腦電頻段的變化,都不能直接說(shuō)明大腦皮質(zhì)在平衡控制中的作用。為了建立人體在站立平衡過(guò)程中大腦皮質(zhì)與肌肉之間直接的功能聯(lián)系,Murnaghan等(2014)引入了大腦皮質(zhì)-肌肉相干(corticomuscular coherence,CMC)的評(píng)價(jià)方法,它可以幫助我們直接了解人體在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)過(guò)程中大腦皮質(zhì)對(duì)肌肉的控制情況。CMC是對(duì)某一頻段的EEG信號(hào)和肌電(electromyography,EMG)信號(hào)的頻譜進(jìn)行相關(guān)分析的一種方法,通常選擇EEG的β(13~30 Hz)和γ(31~45 Hz)頻段進(jìn)行分析(Campfens et al.,2013;Mima et al.,1999;Slobounov et al.,2009)。該評(píng)價(jià)方法已廣泛應(yīng)用于大腦皮質(zhì)對(duì)肌肉控制的研究中,如運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞時(shí)神經(jīng)肌肉控制發(fā)生的變化(張肅等,2016),腦卒中患者康復(fù)治療過(guò)程中神經(jīng)肌肉協(xié)調(diào)性的評(píng)價(jià)(Larsen et al.,2017;Von Carlowitz-Ghori et al.,2014),身體姿勢(shì)控制中的神經(jīng)機(jī)制研究(Liu et al.,2019)。

    在運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中,為了提高平衡能力,自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員經(jīng)常在高難度的平衡控制任務(wù)中進(jìn)行訓(xùn)練,如以單腿站立于非平穩(wěn)的氣墊完成平衡控制。盡管長(zhǎng)期的平衡專項(xiàng)訓(xùn)練提高了該項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員的平衡控制能力,但在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下,運(yùn)動(dòng)員在騰空后的著陸過(guò)程中摔倒的現(xiàn)象依舊經(jīng)常發(fā)生。雖然對(duì)自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員的平衡能力已進(jìn)行了較多探究,但關(guān)于該項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員在復(fù)雜多變的環(huán)境下神經(jīng)對(duì)肌肉的控制策略研究涉及較少。有研究表明,單腿測(cè)試能更好地揭示平衡穩(wěn)定控制中存在的問(wèn)題(劉波等,2007)。同時(shí),軟支撐模式影響感受器的信息輸入,導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)接受的本體感覺(jué)信息不充分,可以用來(lái)分析被干擾的感覺(jué)成分在姿勢(shì)平衡中的作用(Matsuda et al.,2008)?;诖?,本研究采用CMC的評(píng)價(jià)方法探究自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員在不同的平衡控制難度任務(wù)下大腦皮質(zhì)對(duì)下肢肌肉的控制機(jī)制,為訓(xùn)練提供科學(xué)的參考依據(jù)。

    1 研究對(duì)象與方法

    1.1 研究對(duì)象

    本研究以17名自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象(身高:167.8±8.9 cm;體重:62.3±10.2 kg;年齡:20.8±4.4歲;訓(xùn)練年限:7.2±1.1年)。受試者符合如下納入標(biāo)準(zhǔn):1)測(cè)試時(shí)身體沒(méi)有關(guān)節(jié)損傷情況;2)實(shí)驗(yàn)前3個(gè)月沒(méi)有發(fā)生過(guò)損傷;3)實(shí)驗(yàn)前24 h沒(méi)有進(jìn)行過(guò)大強(qiáng)度訓(xùn)練,沒(méi)有飲酒和咖啡因攝入;4)在測(cè)試時(shí)未攝入神經(jīng)或精神治療類的藥物。排除標(biāo)準(zhǔn):上下肢以及腰、肩、頸和頭部受過(guò)外傷者。實(shí)驗(yàn)前和所有受試者說(shuō)明具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,每一名受試者均簽署知情同意書。

    1.2 研究方法

    1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

    為了讓受試者完成不同難度的平衡控制任務(wù),要求受試者以單腿站立于硬/軟支撐面平衡儀上完成靜態(tài)站立平衡任務(wù)。在硬支撐條件下,受試者直接站立于平衡儀平面上;在軟支撐條件下,受試者站在平鋪于平衡儀上的5 cm厚的T-foam軟墊上。

    在站立平衡過(guò)程中采用睜眼方式,受訓(xùn)者雙眼目視前方墻上的一個(gè)固定點(diǎn),左/右側(cè)單腿站立交替進(jìn)行,每次站立持續(xù)時(shí)間為30 s。在站立平衡過(guò)程中,同步采集受試者的EEG和下肢肌肉的表面EMG信號(hào)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,下肢肌肉選取股內(nèi)側(cè)肌、腓腸肌外側(cè)頭、脛骨前?。↗acobs et al.,2015)。硬/軟支撐面、左/右腿站立按照隨機(jī)原則進(jìn)行。

    1.2.2 實(shí)驗(yàn)器材與材料

    64導(dǎo)聯(lián)腦電記錄儀(ANT Neuro,Enschede,荷蘭)、便攜式平衡儀(HUMAC Balance,美國(guó))、軟墊、腦電膏(GT50,格林泰克,武漢)、表面電極(申風(fēng),上海)、磨砂膏、砂紙、綁帶。

    1.2.3 測(cè)試流程與實(shí)驗(yàn)步驟

    為了降低腦電電極的阻抗,實(shí)驗(yàn)開始前受試者先清洗頭發(fā),然后吹干頭發(fā)。佩戴腦電帽,在下肢相關(guān)肌肉皮膚表面粘貼表面電極,連接肌電電極連線。為了防止肌電電極線抖動(dòng),將電極線捆綁在肢體表面,但不能影響下肢的運(yùn)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)開始前受試者進(jìn)行10 min簡(jiǎn)單的熱身活動(dòng),主要是上下肢的拉伸運(yùn)動(dòng)以及慢跑運(yùn)動(dòng)。熱身休息5 min后,開始正式實(shí)驗(yàn)。受試者分別以左/右腿,在軟支撐面和硬支撐面條件下完成睜眼狀態(tài)的單腿站立平衡控制任務(wù),每種條件下的平衡任務(wù)持續(xù)30 s。受試者單腿站立相對(duì)穩(wěn)定后開始采集EEG信號(hào),記錄EEG數(shù)據(jù)30 s后,受試者方可落下另一腿從支撐平臺(tái)下來(lái)。

    1.2.4 數(shù)據(jù)采集與處理

    1.2.4.1 平衡數(shù)據(jù)采集與處理

    為了評(píng)價(jià)受試者在不同難度單腿站立平衡任務(wù)過(guò)程中身體平衡穩(wěn)定性,令受試者站立在便攜式平衡儀上。受試者按照要求站立于標(biāo)準(zhǔn)位置后,執(zhí)行單腿站立平衡任務(wù),同時(shí)開始記錄數(shù)據(jù),平衡數(shù)據(jù)的采樣頻率為100 Hz,采樣時(shí)間為30 s。

    為了評(píng)價(jià)受試者不同難度站立平衡任務(wù)過(guò)程中平衡穩(wěn)定性變化,本研究選取了身體壓力中心(COP)在X軸和Y軸上移動(dòng)位移的標(biāo)準(zhǔn)差(Lemos et al.,2015),標(biāo)準(zhǔn)差越大說(shuō)明受試者在該方向的平衡穩(wěn)定性越差,標(biāo)準(zhǔn)差越小說(shuō)明受試者在該方向的平衡穩(wěn)定性越好,分別用SDCOPX和SDCOPY表示。X軸為站立平衡時(shí)身體的左右方向,Y軸為身體前后方向。同時(shí),也選取了COP的移動(dòng)軌跡長(zhǎng)度(COP Length)來(lái)評(píng)價(jià)受試者的平衡穩(wěn)定性(婁彥濤等,2016)。

    1.2.4.2 EEG數(shù)據(jù)采集與處理

    本研究采用多導(dǎo)聯(lián)腦電儀eegoTMmylab采集受試者在站立平衡控制過(guò)程中的EEG信號(hào)。測(cè)試前,受試者佩戴好腦電帽后,在每一個(gè)電極點(diǎn)注射導(dǎo)電膏,通過(guò)調(diào)整導(dǎo)電膏的量使每一個(gè)電極點(diǎn)的電極阻抗都降到5 kΩ以下。EEG采樣頻率為2 000 Hz,帶通濾波范圍0.1~100 Hz。接地電極位于腦電帽FPz與Fz電極之間的位置,參考電極為腦電帽CPz點(diǎn)。

    根據(jù)Jacobs等(2015)和Chen等(2018)的研究,本研究進(jìn)行CMC計(jì)算時(shí)使用基于Matlab語(yǔ)言環(huán)境開發(fā)的EEGlab工具箱對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理:1)將EEG信號(hào)進(jìn)行Butterworth四階帶通濾波,為了去除站立平衡過(guò)程中動(dòng)作偽跡對(duì)EEG信號(hào)的影響,高通截止頻率設(shè)置為5 Hz,為了去除高頻噪音的影響,將低通截止頻率設(shè)置為50 Hz,即對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行5~50 Hz的帶通濾波,另外,為了去除工頻信號(hào)對(duì)EEG信號(hào)的影響,對(duì)50 Hz頻率成分進(jìn)行陷波處理;2)為了降低數(shù)據(jù)樣本量,將EEG信號(hào)進(jìn)行降采樣處理,采樣頻率重新設(shè)置為250 Hz;3)根據(jù)肌電的激活時(shí)程,對(duì)EEG數(shù)據(jù)按照1 s的長(zhǎng)度進(jìn)行分段;4)鑒于站立平衡過(guò)程中的身體重心不穩(wěn)會(huì)對(duì)個(gè)別通道EEG信號(hào)造成影響,對(duì)有嚴(yán)重干擾的EEG信號(hào)通道進(jìn)行插值處理;5)將EEG數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以雙側(cè)乳突連接的重參考數(shù)據(jù);6)通過(guò)肉眼觀察去掉有嚴(yán)重偽跡干擾的EEG數(shù)據(jù)段;7)對(duì)初步處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立成分分析(ICA),去掉EEG信號(hào)中的眼電、肌電、心電、動(dòng)作偽跡等干擾成分;8)對(duì)數(shù)據(jù)使用閾值法再次去除偽跡,閾值標(biāo)準(zhǔn)為±80 μV,即EEG信號(hào)幅值>80 μV或<-80 μV的EEG分段都將被去掉。本研究最終所有受試者保留下來(lái)的無(wú)干擾的EEG分段數(shù)為24.5±3.2,為了進(jìn)行CMC計(jì)算,最終選取每一名受試者無(wú)干擾的20段EEG數(shù)據(jù)進(jìn)行CMC計(jì)算。

    1.2.4.3 EMG數(shù)據(jù)采集與處理

    根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道本研究選取了受試者雙側(cè)下肢的股內(nèi)側(cè)肌(vastus medialis,VM)、腓腸肌外側(cè)頭(gastrocnemius lateralis,GL)、脛骨前?。╰ibialis anterior,TA)作為目標(biāo)測(cè)試肌肉。EMG信號(hào)通過(guò)腦電儀的肌電擴(kuò)增口采集,ANT腦電儀最多可以提供6塊肌肉的EMG信號(hào)采集。EMG信號(hào)采用雙極記錄方式,2個(gè)記錄電極距離為1.5 cm,2個(gè)記錄電極連線方向與肌纖維方向平行,EMG信號(hào)的采樣頻率為2 000 Hz,帶通濾波范圍為1~500 Hz。粘貼電極之前,先用磨砂膏打磨皮膚去除皮膚油脂和角質(zhì)皮,用酒精擦拭干凈。粘貼電極完成后,連接電極線,為了避免在站立平衡過(guò)程中電極線抖動(dòng)引起EMG信號(hào)飄移,使用彈性繃帶將電極線捆綁在大腿周圍,捆綁時(shí)注意不影響關(guān)節(jié)活動(dòng)。

    為了進(jìn)行CMC計(jì)算,將原始EMG信號(hào)進(jìn)行如下預(yù)處理:1)對(duì)EMG信號(hào)進(jìn)行帶通濾波,濾波范圍為5~50 Hz;2)然后對(duì)EMG信號(hào)進(jìn)行降采樣處理,采樣頻率降為250 Hz;3)對(duì)EMG信號(hào)進(jìn)行全波整流;4)EMG與EEG信號(hào)同步分段,每段數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度同樣為1 s。

    為了觀察在軟、硬支撐面引起的不同難度站立平衡時(shí)下肢不同肌肉肌電活動(dòng)水平的差別,將原始EMG信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,帶通濾波5~150 Hz,將原始EMG信號(hào)降采樣為500 Hz,然后進(jìn)行全波整流。將每一塊肌肉的EMG信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,即將在每一個(gè)條件狀態(tài)下的平均肌電幅值除以各自肌肉在最大隨意收縮(maximal voluntary contractions,MVC)時(shí)產(chǎn)生的最大EMG幅值。每塊肌肉單獨(dú)進(jìn)行MVC測(cè)試,每次MVC測(cè)試持續(xù)時(shí)間為3~5 s。將峰值附近1 s時(shí)間窗內(nèi)的EMG幅值求平均值用于標(biāo)準(zhǔn)化處理。所有EMG幅值都是最大EMG幅值的百分?jǐn)?shù),表示為EMGnormalized(%)。

    1.2.4.4 CMC計(jì)算

    將所有分段后的全部肌肉的EMG信號(hào)和全部通道的EEG信號(hào)進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換,分別求出每段EMG信號(hào)和EEG信號(hào)的功率譜密度,然后按照幅值平方法求EEG信號(hào)與EMG信號(hào)的CMC值,見(jiàn)公式1。

    根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,在某一頻率帶內(nèi)并不是所有的CMC都具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Chen et al,2018),因此,需要計(jì)算CMC的顯著性標(biāo)準(zhǔn)閾值。本研究以0.05為統(tǒng)計(jì)學(xué)標(biāo)準(zhǔn),其相干閾值(Coherence Threshold,CT)為CT=1-0.051/N-1,此處N為頻譜估計(jì)時(shí)的窗口數(shù),經(jīng)過(guò)計(jì)算,CMC的閾值CT=0.078。本研究選擇閾值以上CMC圍成的面積作為分析數(shù)據(jù)(圖1)。

    圖1 閾值以上CMC面積的確定方法Figure 1.Determination of CMC Area above Threshold

    由于 β波頻率帶(13~30 Hz)和 γ波頻率帶(31~45 Hz)的帶寬不同,所以,要對(duì)不同頻率段CMC面積進(jìn)行比較,需先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(Normalized Area Coherence,NAC),即將某一頻段相干曲線面積值除以頻率帶的帶寬長(zhǎng)度。假設(shè)2個(gè)頻率帶的截止頻率點(diǎn)表示為(f1~f2),根據(jù)Chen等(2018)的研究,標(biāo)準(zhǔn)化CMC面積(NAC(f1~f2))的計(jì)算方法如公式2所示,其中,f1和f2分別表示頻率帶的下限和上限,Δf代表頻率分辨率。

    為了將不同條件下的標(biāo)準(zhǔn)化相干系數(shù)進(jìn)行量化比較,根據(jù)Jacobs等(2015)的報(bào)道并結(jié)合CMC腦電地形圖的分布特征(圖2),分別選擇了兩側(cè)大腦半球?qū)?yīng)腿部肌肉的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)的電極(FC1、C1、CP1、Cz、FC2、C2、CP1)進(jìn)行量化分析(圖3)。在進(jìn)行量化比較分析時(shí),選取對(duì)側(cè)的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)電極點(diǎn)以及中央點(diǎn)Cz的CMC總和進(jìn)行比較(Jacobs et al.,2015)。

    圖2 受試者在軟支撐面條件下左腿單腿站立時(shí)γ波段與TA的CMC值在大腦頭皮的地形圖分布Figure 2.Topography of CMC between Gamma Band and TA during Left Leg Stance on Soft Support

    圖3 受試者站立平衡過(guò)程中下肢相關(guān)肌肉EMG信號(hào)和覆蓋感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)電極點(diǎn)EEG信號(hào)Figure 3.EMG Signals from Lower Limbs and EEG Signals from Sensorimotor Cortex during Single-leg Standing

    1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

    本研究使用Graph Pad 8.3.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,針對(duì)不同的研究目的,設(shè)計(jì)了不同的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方案。

    首先,為了觀察軟/硬支撐面、支撐腿對(duì)身體壓力中心(COP)的影響,設(shè)計(jì)了2×2的兩因素重復(fù)測(cè)量方差分析,自變量分別為:支撐面(2水平:硬、軟支撐平面)×站立腿(2水平:左腿、右腿)。經(jīng)Kolmogorov-Smirnov法檢驗(yàn)后,反映COP變異的指標(biāo)SDCOPX和SDCOPY不符合正態(tài)分布,因此,采用了非參數(shù)檢驗(yàn)法Friedman進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,顯著性標(biāo)準(zhǔn)α=0.05,數(shù)據(jù)使用平均值和95%IC表示。

    為了觀察軟/硬支撐、支撐腿、肌肉對(duì)下肢肌肉EMG信號(hào)的影響,設(shè)計(jì)了2×2×3的三因素重復(fù)測(cè)量方差分析,自變量為:支撐面(2水平:硬、軟支撐平面)×站立腿(2水平:左腿、右腿)×肌肉(3水平:TA、GL、MV)。Kolmogorov-Smirnov法檢驗(yàn)后,標(biāo)準(zhǔn)化EMG幅值EMGnormalized(%)數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布。因此,在兩組之間比較時(shí)采用了非參數(shù)檢驗(yàn)法Wilcoxon,顯著性標(biāo)準(zhǔn)α=0.05,數(shù)據(jù)使用平均值和95%IC表示。

    采用三因素重復(fù)測(cè)量方差分析觀察不同自變量對(duì)因變量CMC的影響,3個(gè)自變量分別為:支撐面(2水平:硬、軟支撐平面)×肌肉(2水平:TA、GL)×頻段(2水平:β、γ),由于VM的EMG幅值很低,而得到的CMC值非常低,沒(méi)有達(dá)到顯著性閾值的標(biāo)準(zhǔn),所以沒(méi)有觀察VM肌肉的CMC,而主要觀察了TA和GL兩塊肌肉的CMC。使用Turkey法進(jìn)行兩組之間的多重比較校正,顯著性標(biāo)準(zhǔn)α=0.05。

    2 結(jié)果

    2.1 不同站立平衡任務(wù)下COP變化

    COP變化的雙因素重復(fù)測(cè)量方差結(jié)果顯示,站立腿×支撐平面之間對(duì) SDCOPX(F=2.871,P=0.096 4)、SDCOPY(F=0.702,P=0.406)、COP Length(F=0.179,P=0.672)均沒(méi)有顯著的交互作用。不同站立腿對(duì)上述3個(gè)COP指標(biāo)也沒(méi)有顯著性的主效應(yīng)(P>0.05)。但是支撐面的特點(diǎn)對(duì)受試者站立平衡過(guò)程中COP的變化有顯著性影響[SDCOPX(F=9.589,P=0.003 2),SDCOPY(F=18.01,P<0.000 1)]。在軟支撐面站立平衡過(guò)程中,左腿站立和右腿站立的COP的擺動(dòng)程度顯著大于硬支撐面(圖4),可見(jiàn),不同支撐面性質(zhì)會(huì)顯著影響身體的平衡穩(wěn)定性,軟支撐時(shí)引起身體平衡穩(wěn)定性下降,身體平衡控制的難度明顯增大。另外,在站立平衡中,受試者COP在身體前后方向(Y軸)發(fā)生的擺動(dòng)要顯著大于身體左右方向(X軸)發(fā)生的擺動(dòng)(P<0.001)。

    圖4 受試者在軟、硬支撐面條件下左/右單腿站立平衡過(guò)程中COP在X和Y軸移動(dòng)距離的變異程度以及平均位移變化Figure 4.Variability of COP on X and Y axis and Average COP Displacement during Right/Left Leg Standing on Firm/Soft Support Surface

    圖5 受試者左、右單腿站立時(shí)兩種支撐面對(duì)下肢肌肉EMG活動(dòng)的影響Figure 5.Effect of Two Support Surfaces on EMG Activities from Right/Left Lower Limb Muscles during Static Standing Balance

    2.2 不同站立平衡任務(wù)下下肢肌肉EMG變化

    從圖5中可以看出,在不同支撐面上站立時(shí)下肢肌肉的肌電活動(dòng)發(fā)生了顯著性變化。受試者在軟支撐面上站立時(shí)TA和GL的EMG幅值顯著增加(P<0.05),VM的EMG幅值在左腿站立時(shí)顯著增加(P<0.05),而在右腿站立時(shí)并沒(méi)有顯著性變化。

    2.3 不同站立平衡任務(wù)下CMC

    圖6為受試者左/右腿分別在硬支撐面和軟支撐面條件下站立平衡過(guò)程中,大腦不同電極位置點(diǎn)(C1、C2、FC1、FC2、CP1、CP2、Cz)與下肢 TA 和 GL 肌肉之間的CMC平均曲線變化情況。可以看出,在站立平衡控制過(guò)程中,具有意義的CMC主要集中在β波段(13~30 Hz)和高頻段的γ波段(31~45 Hz)。

    圖6 不同站立平衡任務(wù)下所有受試者不同電極位置CMC平均曲線Figure 6.Averaged CMC Curves from Different Electrodes during Different Standing Balance Tasks in all Subjects

    為了將不同支撐面條件以及不同頻率段的CMC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析比較,本研究將CMC進(jìn)行了進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)化處理,指標(biāo)為NAC。對(duì)于NAC來(lái)說(shuō),支撐面×肌肉×支撐腿之間沒(méi)有顯著的交互作用(F=0.744,P=0.389),但支撐面、肌肉、支撐腿之間存在顯著的主效應(yīng)(P<0.05)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),β波段在軟支撐單腿站立過(guò)程中產(chǎn)生的NAC,LTA顯著高于RTA(P<0.05);在硬支撐單腿站立過(guò)程中,LTA顯著高于LGA(P<0.05)。在軟/硬支撐面之間比較時(shí),β波段表現(xiàn)為軟支撐時(shí)的相干系數(shù)高于硬支撐,但僅在RGL表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)(圖7A)。

    圖7 受試者在不同支撐面條件下單腿站立平衡時(shí)不同站立腿之間NAC的比較Figure 7.Comparisons of NAC between Right and Left Leg Muscles during Standing on Respectively Firm and Soft Support Surface

    γ波段在軟支撐面單腿站立過(guò)程中RTA顯著高于LTA(P<0.05),而在硬支撐面單腿站立過(guò)程中RTA顯著高于LTA(P<0.05);在軟/硬支撐面之間比較時(shí),表現(xiàn)為硬支撐高于軟支撐條件,但主要表現(xiàn)為TA上有顯著性差異(P<0.05)(圖7B)。

    對(duì)不同頻段下對(duì)應(yīng)的NAC進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn),無(wú)論是在軟支撐平面條件下還是硬支撐平面條件下,都表現(xiàn)為γ波段對(duì)應(yīng)的NAC值高于β波段,且在TA和GL都有顯著性差異(圖8)。

    圖8 受試者在不同單腿站立平衡任務(wù)下β波和γ波NAC變化Figure 8.Changes of NAC in β and γ Band during Different Standing Balance Tasks

    3 分析

    3.1 不同站立平衡任務(wù)下COP變化

    Adlerton等(2003)將平衡能力定義為維持身體重心在水平支撐面上的穩(wěn)定能力。因此,身體平衡和身體穩(wěn)定性通常是同一種表述方法。身體壓力中心(COP)是評(píng)價(jià)平衡過(guò)程中身體穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo),該指標(biāo)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于平衡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)之中(Ageberg et al.,2001)。

    本研究結(jié)果顯示,受試者無(wú)論左腿還是右腿站立,其在軟支撐平面上站立平衡時(shí)COP的波動(dòng)顯著高于硬支撐面,說(shuō)明對(duì)于受試者來(lái)說(shuō)在軟支撐平面站立時(shí)平衡控制難度更大。從COP在不同方向軸的變化來(lái)看,受試者COP在身體前后方向擺動(dòng)的程度顯著要高于左右方向。主要原因可能與人體在站立時(shí)COP投影主要位于踝關(guān)節(jié)之前,身體重力作用使得身體有向前傾的趨勢(shì),而機(jī)體為了防止身體向前傾倒,會(huì)加大身體在前后軸方向上的平衡控制,導(dǎo)致身體前后軸上的波動(dòng)更大(Winter,1995)。閆紅光等(2009,2012)對(duì)我國(guó)優(yōu)秀男子自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員的靜態(tài)平衡能力進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),男子運(yùn)動(dòng)員在睜眼雙腿站立時(shí)身體重心在身體前后(Y軸)方向移動(dòng)的距離要大于在身體左右(X軸)方向移動(dòng)的距離。這與本研究得出的結(jié)果相近。圖4C中COP在水平支撐面上移動(dòng)的總距離在軟、硬支撐時(shí)并沒(méi)有體現(xiàn)出差異,而其COP擺動(dòng)的程度(標(biāo)準(zhǔn)差)卻存在顯著性差異。Lemos等(2015)使用COP變化的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)價(jià)受試者身體在雙腳不同站立寬度下平衡穩(wěn)定性的差別,獲得了較好的評(píng)價(jià)效果。Sakamoto等(2018)使用COP的變異程度來(lái)評(píng)價(jià)身體平衡穩(wěn)定性,變異程度越高,說(shuō)明身體重心擺動(dòng)越明顯。

    3.2 不同站立平衡任務(wù)下下肢肌肉EMG活動(dòng)變化

    Borg等(2007)研究表明,踝關(guān)節(jié)周圍的肌肉在維持人體站立平衡中有重要作用,看似簡(jiǎn)單的站立姿勢(shì),涉及復(fù)雜的肌肉動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。人體在靜態(tài)站立時(shí)由于重力作用使得身體有向前傾斜的趨勢(shì)。在矢狀面上調(diào)節(jié)身體平衡主要依靠跖屈?。▽?duì)抗重力向后拉身體),如腓腸肌和比目魚肌。Borg等(2007)采用測(cè)力平板和EMG同步評(píng)價(jià)人體站平衡過(guò)程中下肢肌肉的活動(dòng),研究發(fā)現(xiàn),在雙腿站力平衡中身體前后方向COP變化曲線與經(jīng)過(guò)低通濾波后的腓腸肌EMG信號(hào)的相位高度相關(guān)。因此,他們認(rèn)為身體前后方向的COP變化與腓腸肌EMG活動(dòng)密切相關(guān)。Giulio等(2009)研究發(fā)現(xiàn),受試者在雙腳站立時(shí),身體前后方向的擺動(dòng)程度與下肢踝關(guān)節(jié)背屈角度呈高度正相關(guān),同時(shí)與腓腸肌的EMG活動(dòng)強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。Masani等(2013)研究發(fā)現(xiàn),脛骨前肌與足的內(nèi)翻/外翻有關(guān)。Lemos等(2015)使用EMG結(jié)合COP的研究方法,觀察了人體在雙腿站立平衡過(guò)程中腓腸肌活動(dòng)對(duì)身體左右方向COP的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著雙腳站立寬度逐漸變小,在身體左右方向上的COP移動(dòng)的幅度明顯增加,同時(shí)伴隨著脛骨前肌EMG活動(dòng)水平增加。提示,脛骨前肌激動(dòng)活動(dòng)與身體左右方向的平衡控制密切相關(guān)(McCullough et al.,2011)。本研究結(jié)果顯示,受試者的腓腸肌和脛骨前肌在維持站立平衡過(guò)程中積極放電,這與這兩塊肌肉在維持踝關(guān)節(jié)不同方向的平衡功能密切相關(guān),且受試者在平衡控制難度增加的情況下,這些肌肉的電活動(dòng)增強(qiáng)。提示,機(jī)體為了適應(yīng)新的平衡條件,大腦中樞會(huì)增強(qiáng)神經(jīng)沖動(dòng),加強(qiáng)這些肌肉的活動(dòng),從而保證身體在較高的平衡控制難度下維持平衡。

    3.3 不同站立平衡任務(wù)下CMC變化

    人體姿勢(shì)的平衡控制是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)參與下完成的,眾多研究表明,大腦皮質(zhì)在人體站立平衡過(guò)程中起到重要的調(diào)控作用(Obata et al.,2009;Percio et al.,2007;Thibault et al.,2014;Varghese et al.,2015)。在這個(gè)控制過(guò)程中涉及到多個(gè)大腦皮質(zhì)功能區(qū)的參與,如感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)、視覺(jué)皮質(zhì)區(qū)等。運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)作為直接投射到脊髓的通路,對(duì)下肢肌肉具有直接調(diào)控作用,而踝關(guān)節(jié)周圍的肌肉能夠提供感覺(jué)信息到大腦的軀體感覺(jué)區(qū),進(jìn)而協(xié)助身體調(diào)整平衡控制(Loram et al.,2005),而CMC可以直接反映大腦皮質(zhì)對(duì)下肢肌肉的控制情況。

    本研究發(fā)現(xiàn),受試者在難度較高的軟支撐面單腿站立平衡過(guò)程中,對(duì)側(cè)大腦半球感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)對(duì)應(yīng)的CMC值顯著高于硬支撐面條件,這種顯著性差異主要發(fā)生在腓腸肌外側(cè)頭。而且γ波段的CMC值高于β波段,主要發(fā)生在脛骨前肌,這可能與非穩(wěn)定狀態(tài)下肢肌肉的工作性質(zhì)有關(guān)。另外,左/右腿之間的同一塊肌肉的CMC并不一致,鑒于雙側(cè)下肢相關(guān)指標(biāo)并未表現(xiàn)出完全的對(duì)稱性,我們認(rèn)為其原因可能是因?yàn)橄轮∪獾膫魅胄畔⒎答伝蛳轮滦锌刂乒δ懿煌瑥亩鹱?右腿CMC反應(yīng)不同。從文獻(xiàn)上來(lái)看,很少有學(xué)者探究不同平衡控制難度對(duì)人體站立平衡時(shí)CMC的影響。我們只發(fā)現(xiàn)Jacobs等(2015)觀察了健康受試者雙腳站立時(shí)站立寬度、軟/硬支撐面、睜/閉眼對(duì)大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)β頻率段與下肢脛骨前肌、腓腸肌外側(cè)頭之間的CMC的影響。他們發(fā)現(xiàn),在睜眼狀態(tài)下雙腿寬支撐站立時(shí)CMC值顯著高于窄支撐,但是他們并未發(fā)現(xiàn)人體在軟支撐面和硬支撐面站立平衡時(shí)CMC值之間存在差異,這可能與本研究的平衡站立方式不同有關(guān)。在本研究中,支撐面的平穩(wěn)性不同對(duì)大腦β波頻率段EEG與右腿腓腸肌外側(cè)頭EMG之間的CMC有顯著性的影響,對(duì)大腦γ波頻率段EEG與左/右腿腓腸肌外側(cè)頭EMG之間的CMC都有顯著性的影響,這從大腦神經(jīng)控制的角度直接證明了腓腸肌在調(diào)節(jié)身體姿勢(shì)擺動(dòng)中的作用。Masani等(2003)研究發(fā)現(xiàn),腓腸肌與控制不同速度下身體姿勢(shì)擺動(dòng)有關(guān)系。本研究中,不同支撐面引起的不同難度平衡控制過(guò)程對(duì)腓腸肌的CMC有顯著影響。提示,大腦皮質(zhì)對(duì)來(lái)自腓腸肌傳入的感覺(jué)信息的處理或者大腦皮質(zhì)對(duì)腓腸肌的控制在高難度平衡控制時(shí)變得更加突出。

    盡管不同支撐面誘發(fā)不同難度的平衡控制對(duì)脛骨前肌的CMC沒(méi)有顯著影響,但本研究中在單腿站立平衡控制過(guò)程中脛骨前肌對(duì)應(yīng)的CMC超過(guò)閾值水平,另外,EMG數(shù)據(jù)也表明在站立平衡過(guò)程中脛骨前肌的電活動(dòng)較強(qiáng),說(shuō)明脛骨前肌在平衡控制過(guò)程中是具有重要作用的。Day等(2013)認(rèn)為,脛骨前肌在身體平衡控制過(guò)程中對(duì)糾正較大的后向擺動(dòng)位移時(shí)起到瞬時(shí)調(diào)節(jié)作用,另外,在身體擺動(dòng)過(guò)程中脛骨前肌可能起到關(guān)節(jié)位置輸入反饋源的作用。Giulio等(2009)研究發(fā)現(xiàn),在人體站立平衡過(guò)程中,脛骨前肌可能是一個(gè)更好的本體感覺(jué)輸入源,脛骨前肌肌肉長(zhǎng)度的變化可能在提供本體感覺(jué)信息中起到了重要作用。他們發(fā)現(xiàn),深層的脛骨前肌拉長(zhǎng)長(zhǎng)度與身體COP呈顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明深層脛骨前肌越拉長(zhǎng),身體越平穩(wěn),且這種關(guān)系比例在整個(gè)站立過(guò)程中占80%以上。他們認(rèn)為,在站立平衡過(guò)程中深層脛骨前肌被動(dòng)拉長(zhǎng)為大腦提供了重要的本體感覺(jué),進(jìn)而加強(qiáng)大腦對(duì)機(jī)體的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。這些本體感覺(jué)輸入到大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū),大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)再根據(jù)傳入的肌肉本體感覺(jué)發(fā)出傳出指令,去控制相關(guān)肌肉的活動(dòng)來(lái)維持身體平衡。大腦皮質(zhì)在感覺(jué)整合中的作用會(huì)引起感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和肌肉之間的偶聯(lián)。本研究結(jié)果顯示,大腦在處理不同性質(zhì)支撐面引起下肢肌肉產(chǎn)生的不同本體感覺(jué)信息時(shí)改變了大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)和控制肌肉之間的偶聯(lián)通信。

    已有研究表明,β波段EEG信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)對(duì)相關(guān)肌肉的運(yùn)動(dòng)控制中,β波節(jié)律活動(dòng)主要產(chǎn)生于初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū),并且β波節(jié)律活動(dòng)與機(jī)體維持穩(wěn)定狀態(tài)下的肌肉輸出力量有關(guān)(張肅 等,2016;Baker et al.,1997;Conway et al.,1995)。Ignacio等(2012)指出,大腦傳出的運(yùn)動(dòng)指令會(huì)產(chǎn)生β波頻率帶的皮質(zhì)-肌肉偶聯(lián)。但目前EEG的β波頻率帶在運(yùn)動(dòng)控制中的功能機(jī)制尚不明確。學(xué)者們普遍認(rèn)為,EEG的β波頻率段與恒定的力量輸出有關(guān),或者說(shuō)與運(yùn)動(dòng)任務(wù)的特點(diǎn)有關(guān)(動(dòng)力性或靜力性運(yùn)動(dòng))。Divekar等(2013)研究發(fā)現(xiàn),β波頻率段主要與靜力性運(yùn)動(dòng)有關(guān)。但這些研究都是針對(duì)上肢肌肉探究β波頻率段CMC變化,很少有學(xué)者觀察下肢肌肉是否存在β波頻率段CMC。本研究發(fā)現(xiàn),受試者在單腿站立靜態(tài)平衡過(guò)程中存在有生理意義的β波頻率段CMC,推測(cè)其可能與站立平衡過(guò)程中肌肉工作特征有關(guān)。本研究中優(yōu)秀自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員能夠完成30 s的單腿靜態(tài)站立平衡任務(wù),在這30 s中某些時(shí)間段內(nèi)受試者表現(xiàn)出比較平穩(wěn)的站立平衡,有些時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)為相對(duì)較大的身體擺動(dòng),在平穩(wěn)的站立平衡過(guò)程中踝關(guān)節(jié)沒(méi)有發(fā)生明顯的運(yùn)動(dòng),肌肉處于一種近似于靜力性的等長(zhǎng)收縮的過(guò)程,所以產(chǎn)生了β波頻率段的CMC。

    另外,在本研究中發(fā)現(xiàn)γ波段的CMC普遍高于β波段的CMC值。Jacobs等(2015)研究發(fā)現(xiàn),β波頻率段的CMC與站立支撐時(shí)的物理因素有關(guān),而與生理性因素(睜/閉眼)無(wú)關(guān)。他們認(rèn)為,CMC與身體擺動(dòng)動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系可能在其他頻率帶會(huì)更明顯,如γ頻率帶(31~45 Hz),但是他們沒(méi)有真正觀察γ波段的CMC,僅僅提出了一種推測(cè)。本研究證實(shí)了軟、硬支撐面對(duì)站立平衡時(shí)的CMC是有顯著性影響的,且這種影響在γ波段更為明顯。Omlor等(2007)指出,高度集中的注意力會(huì)增加大腦的γ波段成分,EEG的γ波段與動(dòng)力性肌肉收縮過(guò)程中的認(rèn)知有關(guān)。另外,一些研究表明,在動(dòng)力性肌肉收縮的過(guò)程中本體感覺(jué)反饋也是產(chǎn)生γ頻段腦波的主要原因(Omlor et al.,2007;Tecchio et al.,2008)。大腦皮質(zhì) γ波段的EEG-EMG偶聯(lián)在與軀體感覺(jué)相關(guān)的任務(wù)中起到重要作用。Omlor等(2007)研究認(rèn)為,人體在動(dòng)力性力量輸出期間,大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)會(huì)產(chǎn)生γ頻段的腦波,主要是為了整合視覺(jué)和本體感覺(jué)信息進(jìn)而保證大腦皮質(zhì)產(chǎn)生正確的運(yùn)動(dòng)指令。在本研究的30 s單腿平衡控制過(guò)程中,受試者并非始終維持一個(gè)完全穩(wěn)定的平衡狀態(tài),存在穩(wěn)定平衡狀態(tài)被破壞而又突然被糾正的過(guò)程,在這一過(guò)程中,受試者的踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生較明顯的運(yùn)動(dòng),此時(shí)踝關(guān)節(jié)周圍的肌肉并不是一種等長(zhǎng)收縮,而是一種“不明顯”的動(dòng)力性收縮,本研究中高采樣率的EEG捕捉到了該情況發(fā)生時(shí)大腦神經(jīng)元的活動(dòng)。此外,本研究受試者在完成單腿站立平衡時(shí)需要高度集中注意力,時(shí)刻注意努力保持自身的平衡,所以存在較強(qiáng)的γ波段CMC值。另外,本研究發(fā)現(xiàn),γ波段與腓腸肌之間的CMC值在軟支撐條件時(shí)顯著低于硬支撐條件時(shí),這可能與在軟支撐條件下本體感覺(jué)輸入受擾有關(guān)。Matsuda等(2008)發(fā)現(xiàn),軟支撐模式會(huì)影響人體本體感受器的信息輸入,導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)接受的本體感覺(jué)信息不充分。目前,關(guān)于人體運(yùn)動(dòng)時(shí)γ波段CMC產(chǎn)生機(jī)制較為復(fù)雜,且影響因素較多。Schoffelen等(2005)發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)前的準(zhǔn)備過(guò)程會(huì)影響γ波段CMC的參與比例;Omlor等(2007)研究發(fā)現(xiàn),γ波段CMC與視覺(jué)、認(rèn)知(注意/警覺(jué))、軀體感覺(jué)等信息的快速整合有關(guān);Andrykiewicz等(2007)和Chakarov等(2009)研究發(fā)現(xiàn),γ波段CMC受力量水平的影響,在特定的動(dòng)力性力量輸出范圍內(nèi)才出現(xiàn)了較強(qiáng)的γ波段CMC。因此,本研究中軟支撐條件下γ波段CMC值低于硬支撐時(shí)的CMC可能也與在兩種不同支撐面上注意水平以及踝關(guān)節(jié)輸出力量水平不同有關(guān)。

    4 結(jié)論

    自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員在難度較高的軟支撐面上完成站立平衡任務(wù)時(shí),下肢肌肉的EMG活動(dòng)顯著增加,提示,在增大平衡控制難度時(shí)大腦中樞發(fā)出的神經(jīng)沖動(dòng)增強(qiáng)。從反映大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)對(duì)下肢肌肉直接控制情況來(lái)看,在軟支撐站立平衡過(guò)程中,對(duì)側(cè)大腦半球感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)β波對(duì)應(yīng)的CMC高于硬支撐面條件,且主要體現(xiàn)在對(duì)腓腸肌的控制上,而γ波對(duì)應(yīng)的CMC在硬支撐時(shí)高于軟支撐。γ波段CMC顯著高于β波段,這可能與不同支撐模式平衡控制過(guò)程中下肢肌肉的工作性質(zhì)以及注意力有關(guān)。受試者在軟支撐條件下γ波段CMC值低于硬支撐時(shí)的CMC值,可能與軟支撐條件下本體感覺(jué)輸入受擾有關(guān)。

    5 研究不足

    本研究以自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象,在進(jìn)行CMC分析時(shí),個(gè)別肌肉的CMC并沒(méi)有表現(xiàn)出一致性的變化規(guī)律,其可能與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的個(gè)性化特征有關(guān)。每一名優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員都有可能形成自己獨(dú)特的神經(jīng)調(diào)控方式,對(duì)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行個(gè)體化的神經(jīng)控制研究是今后研究的重點(diǎn)。另外,本研究未對(duì)受試者下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)進(jìn)行科學(xué)的實(shí)驗(yàn)評(píng)估,可能對(duì)結(jié)果有一定的影響。

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