牽伸訓(xùn)練改善腦卒中后踝痙攣及下肢運功功能的皮層調(diào)控研究進展

李潔心,邵夢鳴,胡瀚尹,周煜達,劉文兵,徐彬,章水晶,舒馨馨，徐聰琴，邱紀(jì)方，

作者單位：1.浙江中醫(yī)藥大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院，康復(fù)醫(yī)學(xué)院，杭州 310053；2.浙江康復(fù)醫(yī)療中心(浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬康復(fù)醫(yī)院)，杭州 310053；3.浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第三醫(yī)院，杭州 310053；4.浙江特殊教育職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310023

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人口老齡化的加快，居民不健康生活方式的流行，腦卒中危險因素的普遍暴露等，我國腦卒中疾病負擔(dān)呈爆發(fā)式增長，目前腦卒中已成為成人致死、致殘的主要病因[1]。據(jù)推測，2030年我國腦血管病事件發(fā)生率將較2010年升高約50%[2]。一項關(guān)于70歲以下的腦卒中患者七年的隨訪研究發(fā)現(xiàn)：約有1/3的患者肌張力增加，1/2的患者出現(xiàn)典型的痙攣[3]。踝關(guān)節(jié)作為人體姿勢控制的微調(diào)樞紐，在步行與平衡的維持上起著至關(guān)重要的作用，而腦卒中后踝關(guān)節(jié)痙攣作為腦卒中主要功能障礙之一，會影響踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)活動度，最終會導(dǎo)致足下垂和足內(nèi)翻畸形，使足底不能有效地接觸地面，重心不能有效地前移，這直接影響了幸存者的步行、平衡及日常生活活動[4-5]。牽伸治療是預(yù)防和治療痙攣的主要干預(yù)手段[6-7]，現(xiàn)行的牽伸方案中往往包含被牽伸肌群及其拮抗肌的主動訓(xùn)練內(nèi)容，取得了較為滿意的治療效果[8-9]，如今，越來越多研究已證實：腦卒中患者運動功能的恢復(fù)和運動學(xué)習(xí)與腦的可塑性有關(guān)[10-11]，而牽伸訓(xùn)練改善下肢運動功能相關(guān)的皮層調(diào)控機制尚未明確。近年來，非侵入性神經(jīng)影像技術(shù)已被越來越多地應(yīng)用于探索腦卒中康復(fù)機制和療效的研究中[12-13]，本文將牽伸訓(xùn)練改善腦卒中后踝關(guān)節(jié)痙攣及下肢運動功能的研究現(xiàn)狀及利用非侵入性腦功能成像技術(shù)探索其大腦皮層調(diào)控機制進行綜述，為優(yōu)化康復(fù)治療方案、改善腦卒中患者下肢運動功能提供理論依據(jù)。

1 痙攣的概述

由于痙攣癥狀的復(fù)雜性，其定義尚未達成共識，目前應(yīng)用最廣泛的是1980年Lance[14]對“痙攣”的定義，他認為“痙攣”是一種運動障礙，其特征是肌張力隨牽伸速度增加而增加，這主要是由于牽張反射過度興奮所致，牽張反射過度興奮及肌張力過度增高可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的疼痛及肌肉和軟組織攣縮，最終影響幸存者的日常生活活動，降低幸存者的生活質(zhì)量[3,15]。

近期一篇關(guān)于腦卒中后痙攣狀態(tài)發(fā)生機制研究進展的綜述表明：脊髓上驅(qū)動、脊髓節(jié)段處理和外周機械改變共同作用導(dǎo)致了卒中后痙攣狀態(tài)的發(fā)生，文章還指出今后應(yīng)該評估損傷初期腦卒中后痙攣患者的神經(jīng)中樞結(jié)構(gòu)和功能的完整性，并研究不同階段大腦的激活情況，制定個體化的康復(fù)方案，及早保護大腦未受損區(qū)域，有助于增強皮質(zhì)脊髓神經(jīng)可塑性，減少痙攣狀態(tài)的發(fā)生并促進功能恢復(fù)[16]。

2 牽伸訓(xùn)練的有效性及應(yīng)用

2.1 牽伸的定義與目的 痙攣對于康復(fù)醫(yī)生及治療師來說是一個非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，臨床上有多種治療關(guān)節(jié)痙攣的干預(yù)措施，比如：物理治療、藥物治療、手術(shù)治療、矯形器和輔助器具等，其中牽伸是物理治療中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)[17]。牽伸訓(xùn)練是運用力學(xué)原理，通過人工或器械的方式，按功能所需擴大關(guān)節(jié)活動范圍，并維持一段時間，從而使肌肉與軟組織進行持續(xù)的牽伸[18]，其目的是維持或增加軟組織的延展性，使肌肉張力正?；瑴p輕疼痛和改善功能[19]。

2.2 牽伸訓(xùn)練對踝關(guān)節(jié)痙攣及下肢運動功能的有效性 牽伸可以通過手法，這樣更接近臨床實踐，但很難標(biāo)準(zhǔn)化；也可機械地進行(即使用智能反饋控制裝置)，這樣可為康復(fù)訓(xùn)練提供良好的控制干預(yù)[20]。甄希成等[18]證明了手法被動牽伸治療可明顯改善偏癱患者的下肢肌張力、痙攣、神經(jīng)控制。但是由于康復(fù)治療師徒手牽拉費時費力、力度不均、強度不易控制，且牽伸程度主要取決于治療師的經(jīng)驗和主觀的關(guān)節(jié)“終末感覺”，故難以達到預(yù)期康復(fù)效果[21]，由此引發(fā)了牽伸訓(xùn)練技術(shù)的革新——即智能牽伸，也就是“機器人輔助定量被動牽伸聯(lián)合主動訓(xùn)練”，它既可解放康復(fù)治療師雙手，又能定量和客觀地測量功能損害，還能提高功能障礙的康復(fù)效果，是一種較為有效的治療技術(shù)[22-23]。基于此，Gao等[24]運用智能控制下的踝關(guān)節(jié)牽伸裝置及超聲測量研究了腦卒中后踝關(guān)節(jié)痙攣/攣縮患者重復(fù)牽伸后踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性(包括阻力矩、剛度和粘滯指數(shù))及跟腱長度的變化，發(fā)現(xiàn)重復(fù)牽伸放松踝關(guān)節(jié)，能夠增加被動關(guān)節(jié)活動度(passive range of motion，PROM)，降低關(guān)節(jié)僵硬度，增加肌束長度，改善幸存者受損小腿肌肉的力量輸出。現(xiàn)行的牽伸治療方案中往往包含了被牽伸肌群的主動訓(xùn)練，并取得了更為滿意的治療效果[8-9,24]。Pradhan等[25]研究了被動動態(tài)牽伸聯(lián)合主動訓(xùn)練與常規(guī)被動動態(tài)重復(fù)牽伸對腦卒中后痙攣患者的康復(fù)效果差異，隨訪結(jié)果顯示：相比常規(guī)被動動態(tài)重復(fù)牽伸，被動動態(tài)牽伸聯(lián)合主動訓(xùn)練組患者的日常生活活動指數(shù)和改良Rankin量表評分、痙攣程度和肌力的改善更顯著。Wu等[8]使用踝關(guān)節(jié)機器人做了類似研究，發(fā)現(xiàn)被動牽伸聯(lián)合主動訓(xùn)練的牽伸方案有益于踝關(guān)節(jié)痙攣、平衡與運動能力的康復(fù)。研究人員推測，干預(yù)后評估指標(biāo)的改善可能有三方面原因：首先，被動牽伸延長了痙攣的肌肉，從而使被動關(guān)節(jié)活動度增加以及關(guān)節(jié)僵硬度降低，這可能有助于肌肉發(fā)力和踝關(guān)節(jié)功能的改善；隨后進行的生物反饋游戲進一步改善了踝關(guān)節(jié)的運動控制能力和靈活性；此外，踝部痙攣減輕，這可能是被動牽伸聯(lián)合主動運動訓(xùn)練聯(lián)合的結(jié)果。以上研究均表明，被動牽伸聯(lián)合主動訓(xùn)練方案可有效改善患者踝關(guān)節(jié)痙攣及運動控制，提高運動及日常生活活動能力，目前認為其機理之一在于踝關(guān)節(jié)被動牽伸聯(lián)合主動訓(xùn)練能顯著改善踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性，如痙攣腓腸肌內(nèi)側(cè)肌束長度、羽狀夾角和肌肉厚度等[26]，從而降低了關(guān)節(jié)僵硬度，改善踝關(guān)節(jié)的主動關(guān)節(jié)活動度( active range of motion，AROM)和PROM和肌力等，并在影像學(xué)上得以驗證[8,9]。如今越來越多研究已證實：腦卒中患者運動功能的恢復(fù)與腦的可塑性有關(guān)[10,11,27]，部分研究者推測踝關(guān)節(jié)功能障礙的改善可能是因為主動訓(xùn)練聯(lián)合激勵性游戲提高了患者的積極性及學(xué)習(xí)效率[28-29]，但目前牽伸訓(xùn)練對腦卒中踝部痙攣患者下肢運動功能康復(fù)相關(guān)的皮層機制研究較少，尚待研究人員對被動牽伸聯(lián)合主動訓(xùn)練改善踝關(guān)節(jié)痙攣及下肢平衡與步行能力相關(guān)的皮層調(diào)控機制進行更加深入地研究與探索。

3 牽伸訓(xùn)練改善踝關(guān)節(jié)痙攣及下肢運動功能的皮層調(diào)控機制探討

3.1 非侵入性腦功能成像技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用 近年來，非侵入性腦功能成像技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于腦可塑性機制研究當(dāng)中，尤其是血氧水平依賴-功能性核磁共振成像(blood oxygenation level dependent-functional MRI，BOLD-fMRI)及功能性近紅外光譜技術(shù)(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)[12]，BOLD-fMRI憑借其無創(chuàng)、無電離輻射及空間分辨率高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于腦功能成像技術(shù)的研究中，但它也有一定的局限性，如便捷性差,診斷費用昂貴，易導(dǎo)致幽閉恐懼癥人群緊張焦慮情緒等[30]；fNIRS作為一種新興的無創(chuàng)性神經(jīng)影像技術(shù)，憑借其便捷、時間分辨率高等優(yōu)點，使其在科研領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，它通過實時地動態(tài)監(jiān)測大腦皮層氧合血紅蛋白(oxygenated hemoglobin，oxy-Hb)、脫氧血紅蛋白(deoxyhemoglobin，deoxy-Hb)、總血紅蛋白(total hemoglobin，T-Hb)的濃度變化，間接地反映了大腦皮層的活動，且在研究運動想象過程中更具優(yōu)勢，逐漸在神經(jīng)功能檢測技術(shù)中脫穎而出[31]，兩者目前已被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域研究與臨床實踐中，為探索神經(jīng)系統(tǒng)損傷性疾病運動功能的康復(fù)機制提供了理論依據(jù)[32-33]。

3.2 運用fNIRS及fMRI探索牽伸訓(xùn)練相關(guān)的腦區(qū)激活 國內(nèi)外已有利用非侵入性腦功能成像技術(shù)探索踝關(guān)節(jié)運動與大腦皮層激活之間關(guān)系的研究：例如，Vér等[34]利用fMRI研究了腦卒中后踝關(guān)節(jié)痙攣患者踝關(guān)節(jié)持續(xù)被動運動(continuous passive motion ，CPM)時的腦區(qū)激活，結(jié)果顯示：踝關(guān)節(jié)持續(xù)被動運動可增加對側(cè)中央前回、中央后回、顳上回及同側(cè)中央后回、小腦的激活。Miyai等[35]應(yīng)用fNIRS獲取了8例健康受試者在足主動背屈和跖屈交替運動任務(wù)的大腦皮層oxy-Hb、deoxy-Hb、T-Hb的濃度變化差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者足主動背屈與跖屈交替運動激活了內(nèi)側(cè)初級感覺運動皮質(zhì)(sensorimotor cortex，SMC)和輔助運動區(qū)(supplementary motor area，SMA)，這表明SMC和SMA在健康人群足主動背屈與跖屈交替運動中起重要作用。蔣天裕等[36]利用fMRI對6名健康受試者在踝關(guān)節(jié)主動背屈和主動跖屈過程中大腦激活區(qū)域的變化進行了觀察與對比，分析數(shù)據(jù)顯示踝關(guān)節(jié)主動背屈的興奮區(qū)主要涉及雙側(cè)第1軀體運動區(qū)( primary motor area, MⅠ)和第1軀體感覺皮質(zhì)( primary somatosensory cortex，SⅠ)，且對側(cè)大腦半球興奮區(qū)域面積大于同側(cè)；雙側(cè)主要視區(qū)及小腦蚓部；抑制區(qū)為19區(qū)、20區(qū)和39區(qū)；而踝關(guān)節(jié)主動跖屈的興奮區(qū)主要包括對側(cè)第2軀體運動區(qū)(secondary motor area, MⅡ)、紋狀體及同側(cè)SMA、邊緣系統(tǒng)；抑制區(qū)域為雙側(cè)中央前回和中央后回中上部位、頂上小葉和頂下小葉以及前額皮質(zhì)，并基于以上試驗結(jié)果得出結(jié)論：多個皮質(zhì)區(qū)域和皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)參與調(diào)控踝關(guān)節(jié)運動，但當(dāng)受試者進行踝關(guān)節(jié)背屈運動，MⅠ起的作用可能更大，而當(dāng)受試者進行跖屈運動時，則其他多個皮質(zhì)區(qū)域和皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)起的作用可能更大，由此可見大腦對踝關(guān)節(jié)主動背屈和主動跖屈運動控制的成分不完全對等。Trinastic等[37]對8例健康受試者也進行了類似試驗，得出類似結(jié)論，即踝關(guān)節(jié)主動背屈和跖屈可能由共享和獨立的神經(jīng)回路控制。Tanaka等[38]通過fNIRS測量任務(wù)相關(guān)的腦區(qū)激活部位，闡明主動訓(xùn)練的有效性，他利用fNIRS初步比較了腦卒中后偏癱患者患側(cè)肢體膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)被動運動與健側(cè)肢體激勵性主動訓(xùn)練的腦區(qū)激活部位及程度的差異，結(jié)果顯示兩種訓(xùn)練模式激活的腦區(qū)區(qū)域大小及程度略有不同。Iandolo等[39]納入了4例健康受試者參與試驗，研究了主動、被動任務(wù)中不同類型的踝關(guān)節(jié)跖屈運動的神經(jīng)相關(guān)性，結(jié)果顯示：在被動任務(wù)期間激活了與相應(yīng)主動運動的相同大腦區(qū)域(MⅠ、PMC、SMA和SⅠ)，但激活率比主動運動低，且受試者在執(zhí)行單足任務(wù)時對側(cè)半球顯示大腦激活，在雙足進行主動背屈任務(wù)期間，受試者表現(xiàn)出上述區(qū)域的雙側(cè)激活，表明膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)主動訓(xùn)練與被動訓(xùn)練腦區(qū)激活區(qū)域及程度稍有差異。腦卒中功能恢復(fù)是一個復(fù)雜的機制，可能是替代與功能代償兩種恢復(fù)機制相結(jié)合的結(jié)果[10]，許多研究探討了康復(fù)干預(yù)后運動功能的恢復(fù)，且已有充分的證據(jù)表明健康的大腦區(qū)域部分代償了受損區(qū)域的功能[40-41]。MⅠ、SMA和PMC負責(zé)運動的執(zhí)行，這些腦區(qū)形成了運動網(wǎng)絡(luò)(motor networks，MNW)，主要負責(zé)指揮和控制各種運動[42]。Nagy等[43]運用fMRI分析了亞急性腦卒中偏癱患者(腦卒中后1周～30天以內(nèi))非受累側(cè)和受累側(cè)踝關(guān)節(jié)在進行CPM期間兩半球的運動網(wǎng)絡(luò)和連通性差異，發(fā)現(xiàn)當(dāng)受累側(cè)踝關(guān)節(jié)執(zhí)行CPM任務(wù)時，在cMⅠ和cSⅠ(i表示同側(cè)，c表示對側(cè))中導(dǎo)致更強的自我抑制，而在SMA中導(dǎo)致較弱的自我抑制；在非受累側(cè)踝關(guān)節(jié)CPM期間，cSMA激活了cMⅠ的神經(jīng)活動；相較于非受累側(cè)踝關(guān)節(jié)運動，受累側(cè)任務(wù)過程中半球間cMⅠ→iMⅠ連接強度更顯著，由于連接強度差異源于真實的神經(jīng)活動，這可能進一步驗證了腦卒中后健側(cè)MⅠ對受損運動皮層的部分功能代償。

3.3 運用fNIRS及fMRI探索痙攣改善與皮層激活之間的關(guān)系 國內(nèi)外關(guān)于痙攣改善與皮層激活關(guān)系的研究較少，對于表現(xiàn)出痙攣和運動障礙的腦卒中幸存者而言，運動康復(fù)是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，痙攣會限制協(xié)調(diào)運動的有效練習(xí)，阻礙功能康復(fù)，降低生活質(zhì)量[4,44]。為了優(yōu)化痙攣治療方案，需要更好地理解痙攣相關(guān)神經(jīng)可塑性的機制，客觀研究腦卒中痙攣的腦功能相關(guān)性，并確定與康復(fù)誘導(dǎo)的痙攣緩解相關(guān)的特定區(qū)域腦功能變化。 Pundik等[45]進行了相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：痙攣改善與任務(wù)相關(guān)大腦激活變化具有顯著相關(guān)性，對側(cè)運動區(qū)可能有助于恢復(fù)慢性腦卒中患者對肌肉張力的控制。Bergfeldt等[46]也發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化主動運動任務(wù)時，運動皮層和PMC(主要為對側(cè))腦區(qū)激活增加，而在綜合性局灶性痙攣治療后，以對側(cè)為主的激活總體減少。全身振動(whole body vibration, WBV) 作為踝部痙攣的另一康復(fù)治療措施，也可減輕腦卒中后偏癱患者的痙攣狀態(tài)，提高患者的步行能力[47]。Miyara等[48]首先利用30Hz的WBV分別作用于11例腦卒中患者偏癱下肢的腘繩肌、腓腸肌和比目魚肌，持續(xù)5min，在WBV治療后，受試者保持30s靜息狀態(tài)(基線)、患肢進行30s的主動踝關(guān)節(jié)背屈任務(wù)和再保持30s靜息狀態(tài)，評估WBV干預(yù)前后踝關(guān)節(jié)的改良Ashworth 評分(modified Ashworth scale，MAS)、AROM、PROM，并通過fNIRS記錄與WBV干預(yù)前后痙攣側(cè)肢體的主動踝關(guān)節(jié)背屈相關(guān)的雙側(cè)SMC的oxy-Hb濃度的變化，數(shù)據(jù)顯示：WBV改善了MAS、AROM和PROM，且在腦卒中痙攣性偏癱患者執(zhí)行主動踝關(guān)節(jié)背屈任務(wù)期間，WBV干預(yù)后雙側(cè)SMC的oxy-Hb濃度立即增加，雙側(cè)SMC激活差異減少，另外，WBV干預(yù)后的即刻雙側(cè)SMC的oxy-Hb濃度高于干預(yù)前oxy-Hb，結(jié)果表明WBV不僅可改善臨床癥狀，還可引起腦卒中患者主動踝關(guān)節(jié)背屈期間SMC激活急性增加。

4 小結(jié)與展望

由于腦卒中高發(fā)病率與高致殘率的特點，腦卒中后功能障礙的康復(fù)已成為全世界關(guān)注的熱點，踝關(guān)節(jié)被動牽伸聯(lián)合主動訓(xùn)練能有效改善踝關(guān)節(jié)痙攣，運動控制，提高平衡、運動及日常生活活動能力，其機理之一在于被動牽伸聯(lián)合主動訓(xùn)練訓(xùn)練可改善踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性，但踝關(guān)節(jié)與牽伸訓(xùn)練相關(guān)的中樞調(diào)控機制尚未明確，既往關(guān)于踝關(guān)節(jié)活動的研究較多聚焦于健康人群，且試驗檢測技術(shù)偏重于fMRI，而基于fNIRS的、與腦卒中后踝部痙攣及其下肢運動功能康復(fù)相關(guān)的皮層機制研究還很少，因此，該領(lǐng)域還需進一步的研究與探索。