下肢截肢患者運(yùn)動(dòng)表象的腦電功率譜改變

單新穎，俞夢孫

1.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京市 100191；2.國家康復(fù)輔具研究中心，老年功能障礙康復(fù)輔助技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市 100176；3.空軍特色醫(yī)學(xué)中心，北京市100142

0 引言

截肢不僅給患者生活帶來諸多不便和心理傷害，還會(huì)給社會(huì)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。截肢伴隨的感覺運(yùn)動(dòng)剝奪和肢體行為變化為研究大腦可塑性提供基礎(chǔ)。上肢截肢后，大腦可塑性變化不局限于缺失的手部感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)，手部感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的功能連接也降低[1]。下肢截肢患者感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)降低，視覺皮質(zhì)改變[2-3]。截肢后，與肢體感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)緊密聯(lián)系的大腦皮質(zhì)發(fā)生變化[4-6]。

腦電圖是頭皮表面記錄到的大腦神經(jīng)元產(chǎn)生的電活動(dòng)，不同外界刺激或大腦自發(fā)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不同腦電節(jié)律。根據(jù)中心頻率和頻段寬度，腦電節(jié)律被分成δ、θ、α 和β 等頻段。其中α 頻段(8～13 Hz)與情感加工有關(guān)，被認(rèn)為是腦-身體-精神整合的通用代碼；β 頻段(13～30 Hz)被認(rèn)為與運(yùn)動(dòng)、活躍、交流想法有關(guān)，與靜態(tài)運(yùn)動(dòng)控制中的知覺反應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)[7]。腦電的功率譜估計(jì)是將時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)，被廣泛用于分析各類具有振蕩和節(jié)律模式的信號(hào)，是一個(gè)重要的腦電分析工具。Pfurtscheller等[8]的研究證實(shí)，α和β頻段與運(yùn)動(dòng)相關(guān)。苗欣等[9]研究發(fā)現(xiàn)，前交叉韌帶斷裂后，患側(cè)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，腦電功率譜顯著高于健側(cè)。焦磊磊等[10]使用功率譜作為一種評(píng)價(jià)腦卒中認(rèn)知障礙患者治療前后的腦電特征指標(biāo)之一。觀察功率譜特異性變化，可以研究不同大腦功能狀態(tài)下神經(jīng)元的同步電活動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)表象是應(yīng)用最廣泛的認(rèn)知任務(wù)之一[11]。運(yùn)動(dòng)表象(運(yùn)動(dòng)行為的動(dòng)態(tài)心理表征，不伴隨真實(shí)運(yùn)動(dòng))是研究運(yùn)動(dòng)認(rèn)知基礎(chǔ)廣泛使用的心理表象范式[12]。運(yùn)動(dòng)表象只表象動(dòng)作而不執(zhí)行，但與實(shí)際運(yùn)動(dòng)涉及相同的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[13-14]。運(yùn)動(dòng)表象作為自發(fā)腦電節(jié)律信號(hào)，也是一個(gè)非常重要的腦機(jī)接口范式[11,15]，具有較大應(yīng)用潛力[16]。無論是進(jìn)行真實(shí)運(yùn)動(dòng)還是運(yùn)動(dòng)表象，都會(huì)使得初級(jí)運(yùn)動(dòng)感覺皮質(zhì)附近α 與β 節(jié)律能量降低或升高。Pfurtscheller等[17]設(shè)計(jì)一種基于運(yùn)動(dòng)表象試驗(yàn)范式，選用C3、C4 作為感興趣電極。此方案已成為基于運(yùn)動(dòng)表象的腦機(jī)接口經(jīng)典范式，并在腦機(jī)接口競賽中廣泛使用。國內(nèi)的運(yùn)動(dòng)表象腦電信號(hào)識(shí)別，也采用這一范式[18-20]。運(yùn)動(dòng)表象會(huì)激活與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行相同的感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域，并產(chǎn)生與執(zhí)行該動(dòng)作相同的腦電模式，通常運(yùn)動(dòng)執(zhí)行中激活的腦區(qū)域與運(yùn)動(dòng)表象激活的區(qū)域相同，但有所區(qū)別[21]。

上肢截肢患者在運(yùn)動(dòng)表象(心理旋轉(zhuǎn))任務(wù)下，事件相關(guān)電位(event-related potential,ERP) N200 成分振幅低于健康人，提示手圖片的感知減少[22]。健康人對(duì)右側(cè)正向刺激的旋轉(zhuǎn)相關(guān)ERP成分振幅大于左側(cè)正向刺激，而截肢患者對(duì)左側(cè)(健側(cè))正向刺激的旋轉(zhuǎn)相關(guān)ERP 成分振幅大于右側(cè)(患側(cè))[4,23]。截肢大腦可塑性改變的研究以往主要集中在上肢截肢[24]。下肢截肢比上肢截肢更普遍，同樣影響身體和心理。本文通過腦電功率譜分析下肢截肢者的大腦皮質(zhì)改變。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2021年4月至10月，通過國家康復(fù)輔具研究中心附屬康復(fù)醫(yī)院招募下肢截肢患者21例，其中左下肢截肢11例，右下肢截肢10例。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①截肢病程≥6 個(gè)月；②能配合完成測試。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①存在重大系統(tǒng)性疾病，如腦血管疾病、炎癥等，精神疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病；②嚴(yán)重視聽覺障礙。

脫落標(biāo)準(zhǔn)：①穿戴腦電帽后阻抗偏大；②各種原因不能完成全部試驗(yàn)。

招募醫(yī)院后勤部門工作人員18例為對(duì)照組。兩組性別、年齡、受教育程度無顯著性差異(P>0.05)。見表1。

表1 兩組一般情況比較

本研究經(jīng)國家康復(fù)輔具研究中心附屬康復(fù)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(No.S20220206)，所有受試者試驗(yàn)前均簽署知情同意書。

1.2 方法

被試坐在舒適扶手椅上，面對(duì)19 英寸(1 英寸=2.54 cm)電腦屏幕，測試前先進(jìn)行上、下肢運(yùn)動(dòng)表象訓(xùn)練，熟悉任務(wù)；測試過程中，被試應(yīng)避免隨意運(yùn)動(dòng)。測試包括兩個(gè)階段，每個(gè)階段由60 次任務(wù)組成，其間休息5 min。測試開始時(shí)，電腦屏幕黑色背景上出現(xiàn)白色“+”2 s，之后隨機(jī)呈現(xiàn)左右箭頭5 s，被試根據(jù)箭頭方向分別表象對(duì)應(yīng)側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)(包括腿和腳)，休息3 s后開始下一次任務(wù)[25]。

1.3 數(shù)據(jù)采集和處理

采用256 通道腦電采集系統(tǒng)(美國EGI 公司)采集腦電數(shù)據(jù)，包括256 通道腦電采集放大器和256 導(dǎo)聯(lián)電極帽。以Cz 為參考電極，頭皮阻抗<50 kΩ，采樣頻率500 Hz。采用MatLab 2017aEEGLAB 軟件對(duì)原始腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括：有限脈沖響應(yīng)帶通濾波，頻率0.1～30 Hz；選擇所有電極平均參考，從腦電信號(hào)中提取刺激出現(xiàn)前1 000 ms 到刺激出現(xiàn)后2 000 ms 的腦電數(shù)據(jù)并進(jìn)行分段，手動(dòng)插值明顯的壞導(dǎo)，去除含有明顯漂移或偽跡的分段數(shù)據(jù)；采用獨(dú)立成分分析進(jìn)行計(jì)算，剔除偽跡相關(guān)的獨(dú)立成分，特別是頭動(dòng)、眼動(dòng)、眨眼等成分。

采用快速傅里葉變換將腦電信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域。感興趣電極為C3 和C4[17]，感興趣頻段為α 和β，采用STEP1軟件對(duì)預(yù)處理后的腦電圖數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析[26]。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，以()表示，組間比較采用方差分析。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

在α 頻段，運(yùn)動(dòng)表象部位主效應(yīng)不顯著(F=0.679,P=0.415)；在β 頻段，運(yùn)動(dòng)表象部位主效應(yīng)顯著(F=19.39,P<0.001)，患者表象右側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，β 段的功率譜更大。

單因素方差分析顯示，在α 頻段，三組間各電極各表象部位功率譜均無顯著性差異(P>0.05)。見表2。在β 頻段，表象部位在左腿、右腿、左腳時(shí)，C4電極三組間功率值有顯著差異性(P<0.05)，右下肢截肢者最高。見表3。

表2 α頻段不同運(yùn)動(dòng)表象部位各組C3、C4電極功率值 單位：μV2

表3 β頻段不同運(yùn)動(dòng)表象部位各組C3、C4電極功率值 單位：μV2

3 討論

本研究顯示，下肢截肢患者在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)表象時(shí)，β功率譜升高，尤其是在表象左下肢運(yùn)動(dòng)時(shí)。

運(yùn)動(dòng)表象是個(gè)體排練或模擬給定動(dòng)作的心理過程，能夠激活與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行類似的大腦初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)；運(yùn)動(dòng)表象包含心理模擬的內(nèi)部加工，依賴運(yùn)動(dòng)意象的提取，需要?jiǎng)訂T更多注意資源。截肢者運(yùn)動(dòng)表象能力是否受損，證據(jù)并不一致[27-28]。α頻段抑制是運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)中運(yùn)動(dòng)表象的典型模式[29]，β 頻段是運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)始終能觀察到的最突出的節(jié)律[30]。Pfurtscheller 等[31]證實(shí)，在單手準(zhǔn)備和執(zhí)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)腦電α 頻段和β 頻段振幅降低，稱為事件相關(guān)去同步化(eventrelated desynchronization,ERD)；運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，振幅很快恢復(fù)到基線水平，并顯示出短暫的運(yùn)動(dòng)后事件相關(guān)同步化(event related synchronization,ERS)[32]。運(yùn)動(dòng)表象刺激后，α 頻段和β 頻段同樣出現(xiàn)明顯的ERD，提示運(yùn)動(dòng)表象和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行同樣可以激活相關(guān)功能腦區(qū)[33]。本研究沒有觀察下肢截肢患者與健康人在α 頻段功率值的差異，但β 頻段功率值增加，可能β 頻段對(duì)感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)可塑性更敏感。

感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)肌肉記憶的維持依賴于肢體感覺運(yùn)動(dòng)和視覺輸入，在運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)表象過程中，運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和視覺皮質(zhì)神經(jīng)元同步興奮。截肢后，腦皮質(zhì)缺乏肢體的感覺運(yùn)動(dòng)和視覺輸入，肢體圖式被打亂，運(yùn)動(dòng)意象和相應(yīng)的大腦活動(dòng)受到影響。另一方面，幻肢感可能也是截肢患者運(yùn)動(dòng)表象困難的原因，這與上肢截肢患者幻肢痛影響運(yùn)動(dòng)表象類似[4,23]。下肢截肢患者在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)表象任務(wù)時(shí)，需要提高β 頻段能量，彌補(bǔ)感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域功能網(wǎng)絡(luò)的不足。

盡管截肢患者無法執(zhí)行缺失肢體的運(yùn)動(dòng)，但依然保留著對(duì)殘肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)表象的能力。重復(fù)運(yùn)動(dòng)表象有助于促進(jìn)運(yùn)動(dòng)恢復(fù)，減輕幻肢痛[34]。截肢后運(yùn)動(dòng)表象可能受幻肢感的調(diào)節(jié)。下肢截肢患者中，有助于運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和表象的大腦半球通路被重組，尤其是運(yùn)動(dòng)前區(qū)和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)。運(yùn)動(dòng)表象能促進(jìn)截肢患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)，腦皮質(zhì)神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生適應(yīng)性地改變，表現(xiàn)為感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域重塑[35]。在截肢早期，大腦重塑導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)控制或運(yùn)動(dòng)抑制能力下降；當(dāng)使用殘肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和執(zhí)行時(shí)，對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)激活發(fā)生重構(gòu)，出現(xiàn)在后頂葉區(qū)，這可能反映截肢后對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的視覺空間反饋的適應(yīng)[36-37]。本研究顯示，截肢后運(yùn)動(dòng)表象時(shí)，β頻段能量增強(qiáng)，表明意象形成和轉(zhuǎn)換階段存在損傷，需要投入更大的認(rèn)知資源完成任務(wù)，推測這與大腦適應(yīng)性重塑和幻肢痛相關(guān)。

本研究采用經(jīng)典簡單運(yùn)動(dòng)表象范式，缺少生動(dòng)的運(yùn)動(dòng)表象范式誘發(fā)腦電信號(hào)，缺少運(yùn)動(dòng)表象反饋交互控制，對(duì)運(yùn)動(dòng)表象程度、正確率和反應(yīng)時(shí)等行為學(xué)數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步研究；本研究只分析了C3 和C4 兩個(gè)電極，下一步應(yīng)使用更多電極進(jìn)行更詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，有效利用256導(dǎo)高密度腦電的空間分辨率優(yōu)勢。

綜上所述，下肢截肢患者運(yùn)動(dòng)表象時(shí)β 頻段振蕩相比健康人更大，尤其是表象左側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)。提示下肢截肢能改變特定腦區(qū)的皮質(zhì)節(jié)律，對(duì)理解截肢患者的身體和心理差異性有重要價(jià)值，也為大腦控制假肢提供了截肢患者數(shù)據(jù)特異性依據(jù)。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。