正常人和脑卒中患者运动的模块化控制分析及应用

发布时间：2020-06-05 19:31

【摘要】：运动控制研究能够揭示正常生理状态下运动产生和控制的神经生理,是推动运动控制理论研究、临床治疗运动障碍和康复的基础。人类大脑如何产生和调控复杂的运动和感觉信号,产生精确的姿势和运动、保证有序协调的随意运动,是神经运动控制研究需要解决的问题。大脑损伤对姿势和运动的产生和协调造成影响,甚至威胁损伤者的健康和生命。脑卒中造成的运动功能障碍给我国社会带来了沉重的医疗、经济和社会压力,在运动控制研究指导下寻求更有效的临床卒中康复手段尤为必要。本文主要研究了正常人运动的模块化控制机制及脑卒中对模块化运动控制的影响,为脑卒中运动功能康复临床实践提供指导。这里的模块化控制包括姿势和运动的模块化控制、复杂运动的模块协调控制。简单运动产生的神经机理是理解正常人运动和脑卒中患者运动障碍的基础。运动控制和感觉反馈信号形成闭环控制,从而实现精确的静态姿势和动态运动。由于目前神经生理研究的限制,我们对正常人体简单姿势和运动的产生机制、运动控制信号的调控作用尚不清晰。研究首先结合正常人上肢运动实验和皮质脊髓-虚拟手臂计算学模型,探寻正常生理状态下肌肉(α)和肌梭(γ)控制信号的传导和在姿势和运动控制中的调控机制。在姿势和运动控制通路的生理实验启示下,我们在神经肌肉骨骼模型平台中,构建了姿势和运动的单独控制模块。其中静态指令(α_s,γ_s)用以维持姿势,动态指令(α_d,γ_d)控制运动产生,静态和动态指令分别沿独立通路下行。研究以α、γ运动神经的发放特点、人体的生理及运动学数据为指导,模拟正常人姿势和运动,仿真实现了与真实运动和姿势相近的运动学轨迹及肌肉活动。研究结果说明静态和动态下的α、γ指令及相互协调是精确姿势和运动控制的必要条件,揭示了正常生理状态下运动指令在姿势和运动过程中的神经生物力学作用和可能机制。在简单姿势和运动产生的基础之上,大脑能够协调高自由度的肌肉骨骼系统产生流畅、高效的随意运动,肌群协同被认为是中枢系统实现优化控制的神经基础和策略。其以肌群为模块,以特定的时间及空间特点协调控制复杂的神经肌肉骨骼系统。正常生理状态下的肌群协同机制研究有助于帮助理解神经协调机制,而协调性运动控制是运动水平的反映,肌群协同的变化可能代表运动功能的改变,因此可能对脑卒中运动功能障碍观察、评价及制定康复策略具有指导意义。我们对正常人复杂运动中的神经肌肉协调机制展开探索,并将其推广到脑卒中患者运动分析及临床康复中。考虑到上肢因其运动的复杂性和高使用率成为脑卒中运动康复的难点和重点,研究选取了上肢前向和侧向伸展特定动作,将正常人及脑卒中患者运动状态下的肌电信号分解为协同向量(包含功能肌群内每块肌肉贡献权重)和时间曲线(相应向量的激励曲线)。通过构建正常人的基准协同模式,并与基准模式对比,我们发现患者的肌群活动在时间空间上均有异常表现。我们进一步使用肌群协同相似度来量化患者的神经肌肉功能表现,结果显示肌群协同表现与患者运动学表现及临床功能量表显著相关,说明脑卒中患者的运动功能损伤也发生在肌群神经活动层面,且具有评价损伤程度不同患者运动功能的潜力。患者运动功能随时间和训练发生变化,康复训练是否能够提高神经肌肉协调控制能力、肌群协同相似度能否反映这一变化尚不清楚。我们将肌群协同分析及相似度指标研究进一步拓展,应用在功能性电刺激康复训练后患者的运动功能变化评价中。我们设计实施了任务导向的评测和康复训练结合的实验范式,对患者上肢伸展进行连续的功能性电刺激,并对比训练前后伸展运动的肌群协同表现。结果表明,电刺激训练后肌群协同表现提高,且肌群协同相似度与部分运动功能指标同步变化。这说明运动功能的恢复在神经肌肉功能上得到反映,肌群协同表现是卒中运动康复效果评价的可行方法;同时,患者肌群协同在时间和空间上的变化也提示其神经肌肉控制方式变化的方向,为下一步的康复治疗提供具体指导。综上,本研究分析了正常人和脑卒中患者运动的模块化控制机制。首先以仿真与实验结合的方法研究了简单姿势和运动独立模块的神经调控机理,进一步探索了复杂运动肌群协同协调控制的普遍机制,并将其应用于脑卒中运动功能康复的临床实践中。研究为神经运动控制研究提供了新的计算学分析方法,为脑卒中运动功能恢复提供了神经肌肉协调控制层面的运动功能评价策略和干预手段参考。
【图文】：

示意图,运动控制系统,示意图,感觉运动

- 10 -图 2-1 人体感觉运动控制系统示意图。感觉运动系统可分为脑、脊髓、周围感觉运动系统三个水平层次。脑包含运动及感觉相关皮层、基底节、脑干、小脑等，脊髓包含脊髓固有神经元、下运动神经元、脊髓反射回路等，周围感觉运动系统包含运动传出神经及其支配的肌肉肌梭等效应器、感受器及其感觉传入神经、执行运动的骨骼关节等。运动和感觉信号在层次间经调节后下行和上行，实现躯体随意运动和感觉反馈。引用自[34]。Fig.2-1 Human sensorimotor system. The sensorimotor system has three hierarchical levels: brainspinal cord and peripheral sensorimotor system. Brain includes sensory and motor cortex, basal

示意图,脊髓运动神经元,传入神经,运动神经元

-运动神经元的单突触或多突触通道最终由前角 α 运动神经元发出，同时经元参与调节肌梭灵敏度，运动过程中的体表浅感觉和躯体本体感受器信号反馈到脊髓后角，或经过中间神经元、脊髓反射回路中参与调节运，或反馈至上层中枢神经结构中。1 α 运动神经系统1) α 运动神经元哺乳类动物中，控制躯体随意运动的脊髓下运动神经元包含 α，，β，γ 三类γ 运动神经元分别支配肌梭外、肌梭内肌肉纤维，β 运动神经元占运动神分之一，一般认为支配肌梭内、外纤维，但难以观察到因此机制尚不清如图 2-2 所示，α 运动神经元胞体位于脊髓前角，胞体较 γ 神经元大，数 β 或 γ 神经元。α 运动神经元生长有大量的树突，以接收大量的突触信号髓鞘包裹，冲动传导速度较快，在人体中的传导速度为 40~60m/s[70]，轴大可到 1 m，如支配成年人足部肌肉的运动神经元。支配每块肌肉的 α元数量由几十到几百不等。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R743.3;TP13;TN911.7

【参考文献】