運(yùn)動(dòng)想象重塑腦功能的研究進(jìn)展

吳拾瑤，隨力，楊蘭，劉亮

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093

前言

中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的腦具有高度可塑性，其可塑性和腦內(nèi)的突觸增強(qiáng)、細(xì)胞與血管再生、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重新連接及腦皮層重組與代償?shù)让懿豢煞?，腦結(jié)構(gòu)與功能會(huì)隨著學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，如電子競(jìng)技游戲、音樂訓(xùn)練、語言學(xué)習(xí)、運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)等發(fā)生變化［1］。在這些學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程中，單純的運(yùn)動(dòng)想象（Motor Imagery,MI）訓(xùn)練具有腦功能重塑的作用。MI指腦演練或模仿一個(gè)指定動(dòng)作且不伴隨實(shí)際動(dòng)作執(zhí)行的心理過程，MI訓(xùn)練及實(shí)際運(yùn)動(dòng)執(zhí)行時(shí)，腦內(nèi)的一些區(qū)域，如初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)、基底核和小腦都被激活了［2］。目前，MI訓(xùn)練不僅廣泛應(yīng)用于腦損傷后的康復(fù)訓(xùn)練中，也廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)員和藝術(shù)家的動(dòng)作靈活度訓(xùn)練［3-4］。本研究就近年來MI重塑腦功能相關(guān)研究進(jìn)行歸納和總結(jié)。

1 MI重塑腦功能的理論模式

MI的執(zhí)行方式分為動(dòng)覺想象（Kinesthetic Imagery,KI）與視覺想象（Visual Imagery,VI）兩種［5］，KI指以第一人稱想象自己實(shí)際完成動(dòng)作，自身是執(zhí)行者，想象肢體運(yùn)動(dòng)過程中的肌肉、肌腱以及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的感覺；VI指以第三人稱或旁觀者的角度觀察自己或者別人的肢體運(yùn)動(dòng)［6］。不論是KI還是VI都改善了運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)［7］。MI引起的活動(dòng)量雖然沒有產(chǎn)生實(shí)際運(yùn)動(dòng)，但MI過程興奮的腦區(qū)和實(shí)際運(yùn)動(dòng)興奮的腦區(qū)有很大程度的重疊，兩者都可以興奮皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)前區(qū)、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、扣帶回和頂葉皮質(zhì)等［8］，MI具有重塑腦功能的作用。

MI 重塑腦功能的理論模式有多種，較為公認(rèn)的是心理神經(jīng)肌肉理論模式和鏡像神經(jīng)元理論模式。心理神經(jīng)肌肉理論模式指人在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)計(jì)劃或?qū)嶋H運(yùn)動(dòng)時(shí)有“流程圖”產(chǎn)生并存儲(chǔ)于腦內(nèi)，如果實(shí)際活動(dòng)中所涉及的運(yùn)動(dòng)流程圖與MI 時(shí)所涉及的流程圖相同，就可通過MI 強(qiáng)化完善這一流程圖，即MI 訓(xùn)練可誘發(fā)出與實(shí)際運(yùn)動(dòng)類似的神經(jīng)生理反應(yīng)。程欣欣等［9］研究表明MI時(shí)，機(jī)體雖然并未執(zhí)行實(shí)際動(dòng)作，但外周相關(guān)肌肉出現(xiàn)了電活動(dòng)，即出現(xiàn)了心理神經(jīng)肌肉反應(yīng)。MI的另一種理論模式為鏡像神經(jīng)元理論模式，鏡像神經(jīng)元是一類特殊的視覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，人類的鏡像神經(jīng)元存在于中央前回的下部、額下回的后部、頂下小葉和頂內(nèi)溝內(nèi)部，這些區(qū)域構(gòu)成了人類鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)的核心［10］。有研究發(fā)現(xiàn)在人進(jìn)行MI時(shí)，初級(jí)和次級(jí)體感皮層有激活現(xiàn)象，推測(cè)是鏡像神經(jīng)元觸發(fā)導(dǎo)致的，并且刺激鏡像神經(jīng)元可用于康復(fù)訓(xùn)練中［11］。

目前MI重塑腦功能的幾種理論模式一致認(rèn)為，MI在大腦中反復(fù)想象某種動(dòng)作或情境，誘發(fā)和增強(qiáng)了來自外周感受器的感覺信息輸入以及來自大腦的沖動(dòng)信息傳出，促進(jìn)潛伏神經(jīng)傳導(dǎo)通路及休眠突觸的活化，加速腦功能重組。

2 MI重塑腦功能的實(shí)現(xiàn)方式

早前的自主MI訓(xùn)練屬于純粹的心理訓(xùn)練，雖然操作方便，但訓(xùn)練期間完全依賴被試者的主觀感受，因此MI訓(xùn)練期間易受到外界條件的干擾，不利于后續(xù)的結(jié)果分析與驗(yàn)證。隨著技術(shù)的發(fā)展，MI訓(xùn)練開始和腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface,BCI）技術(shù)結(jié)合起來，使得在訓(xùn)練過程中的信號(hào)能被即時(shí)測(cè)量與反饋。BCI是在大腦和計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立的不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路技術(shù)。BCI作為近年來發(fā)展迅速的一種新型智能交互方式，可將MI的心理活動(dòng)轉(zhuǎn)換為可分析處理的腦信號(hào)，這些腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)，以控制外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)一定的功能，將MI轉(zhuǎn)變?yōu)樾袆?dòng)和反饋［12］。多種腦功能測(cè)量技術(shù)，如腦電、功能性核磁共振（functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）和功能性近紅外光譜技術(shù)［13］，獲取的腦信號(hào)都已被報(bào)道可以成功應(yīng)用到基于BCI的MI（BCI-MI）訓(xùn)練中。BCIMI訓(xùn)練可有效地進(jìn)行腦功能重塑，在腦功能增強(qiáng)和康復(fù)中起到重要作用。Ethan等［12］的研究表明在腦卒中患者中，采用BCI-MI訓(xùn)練后，病灶側(cè)病灶區(qū)以外的運(yùn)動(dòng)區(qū)功能恢復(fù)并替代病灶區(qū)功能，顳、額、枕、頂葉多個(gè)腦區(qū)間功能連接增強(qiáng)，表明BCI-MI具有重塑腦功能的作用。

BCI-MI使神經(jīng)生理及腦代謝活動(dòng)得到實(shí)時(shí)捕捉與量化，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中能隨時(shí)了解被試者的狀態(tài)，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與實(shí)驗(yàn)可控性方面優(yōu)于自主MI。特別是近年來隨著腦功能信號(hào)人工智能算法的改進(jìn)和BCI信息傳輸速率的提高，BCI-MI有了較大的發(fā)展空間。因此，BCI-MI是MI發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3 MI重塑腦功能的評(píng)估

MI是在不產(chǎn)生實(shí)際動(dòng)作的情況下促進(jìn)腦功能重塑的心理訓(xùn)練，其評(píng)估方法大體可劃分為定性評(píng)估和定量評(píng)估。定性評(píng)估是在MI訓(xùn)練結(jié)束后使用主觀問卷調(diào)查來評(píng)估MI的作用效果，主要采用MI量表進(jìn)行評(píng)估。MI量表有多種，目前臨床上廣泛應(yīng)用的是運(yùn)動(dòng)覺及視覺想象問卷-20（Kinesthetic and Visual Imagery Questionnaire-20, KVIQ-20）及精簡(jiǎn)版視覺想象問卷-10（Visual Imagery Questionnnaire-10,KVIQ-10），這兩種想象問卷量表將運(yùn)動(dòng)覺、視覺成分分為5級(jí)來評(píng)估MI能力的精準(zhǔn)度，兩種量表不過分依賴被試者，適用于健康和患病人群。

定量評(píng)估是采用神經(jīng)影像及神經(jīng)電生理方法，如腦電圖（Electroencephalography, EEG）和fMRI 等，評(píng)估MI對(duì)腦功能的重塑程度。擁有較高時(shí)間分辨率的EEG 是使用頻率最高的一項(xiàng)技術(shù)，EEG 中事件相關(guān)去同步化（Event-Related Desynchronization, ERD）與事件相關(guān)同步化（Event-Related Synchronization,ERS）信號(hào)是最常使用的指標(biāo)。運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)備、執(zhí)行與想象都會(huì)在感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)產(chǎn)生局限性的ERD 或ERS，最大值集中在α 頻段和β 頻段。具有較高空間分辨率的fMRI 也廣泛應(yīng)用于MI 重塑腦功能的評(píng)估中。相關(guān)研究顯示，MI能激活包括前運(yùn)動(dòng)皮層、初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層、前扣帶皮層以及小腦等區(qū)域［6］，其中初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中也同樣被激活，只是MI 的激活程度較弱，這證明了MI 能激活運(yùn)動(dòng)功能區(qū)。Nierhaus等［14］通過fMRI 測(cè)量可知左感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)、頂葉內(nèi)側(cè)區(qū)和左枕葉區(qū)的T1加權(quán)強(qiáng)度增加，表明MI 對(duì)fMRI 中腦功能重塑性參數(shù)的影響。

MI 重塑腦功能的定性評(píng)估和定量評(píng)估中，定性評(píng)估過于主觀，定量評(píng)估中的神經(jīng)影像學(xué)和神經(jīng)電生理學(xué)評(píng)估方法也需結(jié)合被試者的主觀感受進(jìn)行具體分析，因此，目前較理想的MI重塑腦功能的評(píng)估方法應(yīng)該是定性評(píng)估和定量評(píng)估的有機(jī)結(jié)合。

4 MI重塑腦功能的應(yīng)用

MI 訓(xùn)練中感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)激活能調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)［8］。Pascual-Leone等［15］最早研究了MI的腦功能重塑作用，提出皮層重組可由心理練習(xí)引起，

MI 和實(shí)際運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了相似的腦功能重塑作用。MI的腦功能重塑目前可應(yīng)用于健康人群的腦功能增強(qiáng)及疾病狀態(tài)下的腦功能康復(fù)。表1歸納了近年來對(duì)幾類健康人群進(jìn)行MI訓(xùn)練的腦功能重塑結(jié)果。

表1 健康人群MI訓(xùn)練重塑腦功能的研究Tab.1 Studies of MI training for remodeling brain functions in healthy people

MI 也廣泛應(yīng)用于康復(fù)領(lǐng)域，作為一種康復(fù)療法參與到患者的康復(fù)訓(xùn)練中。有研究指出，結(jié)合MI 的康復(fù)療法可促進(jìn)腦內(nèi)激活區(qū)向患側(cè)擴(kuò)散，使腦內(nèi)激活趨于正常，患側(cè)運(yùn)動(dòng)功能改善［20］。腦卒中患者進(jìn)行MI 訓(xùn)練，采用磁共振彌散張量成像測(cè)量發(fā)現(xiàn)患者各向異性分?jǐn)?shù)提高了，表明MI 訓(xùn)練有助于腦卒中患者受損白質(zhì)纖維的恢復(fù)［21］。同樣，對(duì)腦出血患者進(jìn)行偏癱側(cè)上肢功能MI 訓(xùn)練，fMRI 結(jié)果顯示，訓(xùn)練后患者被激活的腦區(qū)由初級(jí)軀體感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)（SM1）和雙側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)（SMA）轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)側(cè)SM1及少量同側(cè)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1），表明了MI訓(xùn)練能使患者腦區(qū)功能逐步接近于正常狀態(tài)［22］。

上述健康人群和疾病狀態(tài)下進(jìn)行MI訓(xùn)練的研究結(jié)果顯示在整個(gè)MI期間，頂葉皮層與殼核相比實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中更活躍［23］，但是執(zhí)行不同MI訓(xùn)練時(shí)激活的腦區(qū)有所不同。依據(jù)近年來有關(guān)執(zhí)行MI的方式和激活腦區(qū)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系研究結(jié)果，可將MI歸納為BCI-MI［14］、上下肢MI［24］與情景MI［8］這3種類別，詳見表2。

表2 基于MI方式和激活腦區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系的MI類別Tab.2 MI categories based on MI methods and the corresponding activated brain regions

MI類別和激活腦區(qū)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系在針對(duì)不同人群、不同功能需求而制定個(gè)性化的MI 訓(xùn)練中具有較重要的借鑒意義。雖然不同類型的MI訓(xùn)練和激活腦區(qū)之間存在上述的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但并不意味著進(jìn)行相應(yīng)的MI訓(xùn)練就能激活該訓(xùn)練方式所對(duì)應(yīng)的所有腦區(qū)，腦區(qū)的激活除與MI 的類別有關(guān)外，還與被試在MI訓(xùn)練中的集中度、完成任務(wù)的能力有關(guān)，甚至和腦功能的監(jiān)測(cè)設(shè)備有關(guān)系，如采用fMRI能夠檢測(cè)到MI中M1 腦區(qū)的激活，但采用正電子發(fā)射斷層掃描往往檢測(cè)不到M1 腦區(qū)的激活，這可能和PET 的低時(shí)間、低空間分辨率性能有關(guān)。

5 總結(jié)和展望

MI訓(xùn)練方便易行、材料簡(jiǎn)單，不僅是健康人群提高技能的常用訓(xùn)練方式，也是患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的有效途徑，MI不僅有利于四肢功能與步態(tài)恢復(fù)，更有利于腦功能重塑，且這些有益的變化在訓(xùn)練結(jié)束后還可持續(xù)。

在MI重塑腦功能研究領(lǐng)域，未來的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)可能在以下幾個(gè)方面：（1）在機(jī)制研究方面，腦功能重塑可以表現(xiàn)在神經(jīng)元、突觸、局部神經(jīng)環(huán)路、腦網(wǎng)絡(luò)連接及功能表現(xiàn)等各個(gè)方面，目前MI重塑腦功能的機(jī)制研究多是理論模式、激活腦區(qū)及功能表現(xiàn)［25］，未來的研究將朝著更深更廣的方向發(fā)展，微觀和亞微觀上將采用具有高時(shí)空分辨率的腦成像設(shè)備探索MI中的腦信息流向、交互與整合，揭示MI的腦網(wǎng)絡(luò)模式；宏觀上將進(jìn)一步研究MI對(duì)健康人群腦功能的增強(qiáng)作用及腦損傷患者的腦康復(fù)作用。微觀機(jī)制和宏觀機(jī)制的融合將是MI重塑腦功能機(jī)制研究的趨勢(shì)。（2）在MI的實(shí)現(xiàn)方式方面，BCI-MI訓(xùn)練和反饋是較好的MI的實(shí)現(xiàn)方式，這無疑是MI發(fā)展的必然趨勢(shì)。增強(qiáng)腦內(nèi)信號(hào)的監(jiān)測(cè)精度，提高BCI技術(shù)的準(zhǔn)確度和傳導(dǎo)速率，使MI的反饋更及時(shí)，誤差時(shí)延更少是BCI-MI實(shí)現(xiàn)方式需要達(dá)到的目標(biāo)［26］。BCI-MI反饋交互界面的設(shè)計(jì)，如何針對(duì)不同年齡、不同專業(yè)技能訓(xùn)練、不同疾病種類和疾病進(jìn)程等設(shè)計(jì)特異性的MI交互界面，使BCI-MI交互界面集專業(yè)性和趣味性于一體是未來的發(fā)展方向和趨勢(shì)之一，是實(shí)現(xiàn)MI在健康人群中提高腦功能，在腦疾病患者中實(shí)現(xiàn)腦康復(fù)目標(biāo)的必然要求。（3）在MI的腦功能評(píng)估方面，定性評(píng)估和定量評(píng)估相結(jié)合是MI的腦功能評(píng)估趨勢(shì)。腦結(jié)構(gòu)、腦高級(jí)功能的復(fù)雜性都決定了MI的腦功能評(píng)估方法上的多樣性，現(xiàn)有的腦成像技術(shù)和電生理學(xué)技術(shù)在腦功能評(píng)估中起到了重要作用，但由于每一種技術(shù)手段都有其固有的局限性，如fMRI在時(shí)間分辨率上，EEG在空間分辨率上不夠理想，因此，未來的MI重塑腦功能的評(píng)估將會(huì)朝著多種評(píng)價(jià)手段相結(jié)合、多模態(tài)評(píng)價(jià)方向發(fā)展。探索出最敏感的、最具普適性的評(píng)價(jià)參數(shù)也是發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展方向之一。同時(shí)，MI重塑腦功能的系列、追蹤評(píng)估也是MI的發(fā)展趨勢(shì)之一，是判定MI的短效性和長(zhǎng)效性的需求。

MI在腦功能重組與腦認(rèn)知方面有很大的探索空間，MI 重塑腦功能在很多領(lǐng)域，如康復(fù)醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動(dòng)、藝術(shù)表演等方面具有較廣闊的應(yīng)用前景，MI重塑腦功能的發(fā)展必將隨腦科學(xué)、BCI技術(shù)的發(fā)展及多學(xué)科交叉融合而進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。