【摘要】：運(yùn)動(dòng)控制研究能夠揭示正常生理狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生和控制的神經(jīng)生理,是推動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制理論研究、臨床治療運(yùn)動(dòng)障礙和康復(fù)的基礎(chǔ)。人類(lèi)大腦如何產(chǎn)生和調(diào)控復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)信號(hào),產(chǎn)生精確的姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)、保證有序協(xié)調(diào)的隨意運(yùn)動(dòng),是神經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制研究需要解決的問(wèn)題。大腦損傷對(duì)姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生和協(xié)調(diào)造成影響,甚至威脅損傷者的健康和生命。腦卒中造成的運(yùn)動(dòng)功能障礙給我國(guó)社會(huì)帶來(lái)了沉重的醫(yī)療、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)壓力,在運(yùn)動(dòng)控制研究指導(dǎo)下尋求更有效的臨床卒中康復(fù)手段尤為必要。本文主要研究了正常人運(yùn)動(dòng)的模塊化控制機(jī)制及腦卒中對(duì)模塊化運(yùn)動(dòng)控制的影響,為腦卒中運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)臨床實(shí)踐提供指導(dǎo)。這里的模塊化控制包括姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)的模塊化控制、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的模塊協(xié)調(diào)控制。簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的神經(jīng)機(jī)理是理解正常人運(yùn)動(dòng)和腦卒中患者運(yùn)動(dòng)障礙的基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)控制和感覺(jué)反饋信號(hào)形成閉環(huán)控制,從而實(shí)現(xiàn)精確的靜態(tài)姿勢(shì)和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。由于目前神經(jīng)生理研究的限制,我們對(duì)正常人體簡(jiǎn)單姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制、運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)的調(diào)控作用尚不清晰。研究首先結(jié)合正常人上肢運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)和皮質(zhì)脊髓-虛擬手臂計(jì)算學(xué)模型,探尋正常生理狀態(tài)下肌肉(α)和肌梭(γ)控制信號(hào)的傳導(dǎo)和在姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)控制中的調(diào)控機(jī)制。在姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)控制通路的生理實(shí)驗(yàn)啟示下,我們?cè)谏窠?jīng)肌肉骨骼模型平臺(tái)中,構(gòu)建了姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)的單獨(dú)控制模塊。其中靜態(tài)指令(α_s,γ_s)用以維持姿勢(shì),動(dòng)態(tài)指令(α_d,γ_d)控制運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生,靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指令分別沿獨(dú)立通路下行。研究以α、γ運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的發(fā)放特點(diǎn)、人體的生理及運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)為指導(dǎo),模擬正常人姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng),仿真實(shí)現(xiàn)了與真實(shí)運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)相近的運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡及肌肉活動(dòng)。研究結(jié)果說(shuō)明靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下的α、γ指令及相互協(xié)調(diào)是精確姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)控制的必要條件,揭示了正常生理狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)指令在姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的神經(jīng)生物力學(xué)作用和可能機(jī)制。在簡(jiǎn)單姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的基礎(chǔ)之上,大腦能夠協(xié)調(diào)高自由度的肌肉骨骼系統(tǒng)產(chǎn)生流暢、高效的隨意運(yùn)動(dòng),肌群協(xié)同被認(rèn)為是中樞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的神經(jīng)基礎(chǔ)和策略。其以肌群為模塊,以特定的時(shí)間及空間特點(diǎn)協(xié)調(diào)控制復(fù)雜的神經(jīng)肌肉骨骼系統(tǒng)。正常生理狀態(tài)下的肌群協(xié)同機(jī)制研究有助于幫助理解神經(jīng)協(xié)調(diào)機(jī)制,而協(xié)調(diào)性運(yùn)動(dòng)控制是運(yùn)動(dòng)水平的反映,肌群協(xié)同的變化可能代表運(yùn)動(dòng)功能的改變,因此可能對(duì)腦卒中運(yùn)動(dòng)功能障礙觀察、評(píng)價(jià)及制定康復(fù)策略具有指導(dǎo)意義。我們對(duì)正常人復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中的神經(jīng)肌肉協(xié)調(diào)機(jī)制展開(kāi)探索,并將其推廣到腦卒中患者運(yùn)動(dòng)分析及臨床康復(fù)中�？紤]到上肢因其運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性和高使用率成為腦卒中運(yùn)動(dòng)康復(fù)的難點(diǎn)和重點(diǎn),研究選取了上肢前向和側(cè)向伸展特定動(dòng)作,將正常人及腦卒中患者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的肌電信號(hào)分解為協(xié)同向量(包含功能肌群內(nèi)每塊肌肉貢獻(xiàn)權(quán)重)和時(shí)間曲線(相應(yīng)向量的激勵(lì)曲線)。通過(guò)構(gòu)建正常人的基準(zhǔn)協(xié)同模式,并與基準(zhǔn)模式對(duì)比,我們發(fā)現(xiàn)患者的肌群活動(dòng)在時(shí)間空間上均有異常表現(xiàn)。我們進(jìn)一步使用肌群協(xié)同相似度來(lái)量化患者的神經(jīng)肌肉功能表現(xiàn),結(jié)果顯示肌群協(xié)同表現(xiàn)與患者運(yùn)動(dòng)學(xué)表現(xiàn)及臨床功能量表顯著相關(guān),說(shuō)明腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能損傷也發(fā)生在肌群神經(jīng)活動(dòng)層面,且具有評(píng)價(jià)損傷程度不同患者運(yùn)動(dòng)功能的潛力�；颊哌\(yùn)動(dòng)功能隨時(shí)間和訓(xùn)練發(fā)生變化,康復(fù)訓(xùn)練是否能夠提高神經(jīng)肌肉協(xié)調(diào)控制能力、肌群協(xié)同相似度能否反映這一變化尚不清楚。我們將肌群協(xié)同分析及相似度指標(biāo)研究進(jìn)一步拓展,應(yīng)用在功能性電刺激康復(fù)訓(xùn)練后患者的運(yùn)動(dòng)功能變化評(píng)價(jià)中。我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)施了任務(wù)導(dǎo)向的評(píng)測(cè)和康復(fù)訓(xùn)練結(jié)合的實(shí)驗(yàn)范式,對(duì)患者上肢伸展進(jìn)行連續(xù)的功能性電刺激,并對(duì)比訓(xùn)練前后伸展運(yùn)動(dòng)的肌群協(xié)同表現(xiàn)。結(jié)果表明,電刺激訓(xùn)練后肌群協(xié)同表現(xiàn)提高,且肌群協(xié)同相似度與部分運(yùn)動(dòng)功能指標(biāo)同步變化。這說(shuō)明運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)在神經(jīng)肌肉功能上得到反映,肌群協(xié)同表現(xiàn)是卒中運(yùn)動(dòng)康復(fù)效果評(píng)價(jià)的可行方法;同時(shí),患者肌群協(xié)同在時(shí)間和空間上的變化也提示其神經(jīng)肌肉控制方式變化的方向,為下一步的康復(fù)治療提供具體指導(dǎo)。綜上,本研究分析了正常人和腦卒中患者運(yùn)動(dòng)的模塊化控制機(jī)制。首先以仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法研究了簡(jiǎn)單姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)獨(dú)立模塊的神經(jīng)調(diào)控機(jī)理,進(jìn)一步探索了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)肌群協(xié)同協(xié)調(diào)控制的普遍機(jī)制,并將其應(yīng)用于腦卒中運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的臨床實(shí)踐中。研究為神經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制研究提供了新的計(jì)算學(xué)分析方法,為腦卒中運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)提供了神經(jīng)肌肉協(xié)調(diào)控制層面的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)策略和干預(yù)手段參考。
【圖文】：

- 10 -圖 2-1 人體感覺(jué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖。感覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可分為腦、脊髓、周?chē)杏X(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)三個(gè)水平層次。腦包含運(yùn)動(dòng)及感覺(jué)相關(guān)皮層、基底節(jié)、腦干、小腦等，脊髓包含脊髓固有神經(jīng)元、下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元、脊髓反射回路等，周?chē)杏X(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包含運(yùn)動(dòng)傳出神經(jīng)及其支配的肌肉肌梭等效應(yīng)器、感受器及其感覺(jué)傳入神經(jīng)、執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的骨骼關(guān)節(jié)等。運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)信號(hào)在層次間經(jīng)調(diào)節(jié)后下行和上行，實(shí)現(xiàn)軀體隨意運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)反饋。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

-運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的單突觸或多突觸通道最終由前角 α 運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元發(fā)出，同時(shí)經(jīng)元參與調(diào)節(jié)肌梭靈敏度，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的體表淺感覺(jué)和軀體本體感受器信號(hào)反饋到脊髓后角，或經(jīng)過(guò)中間神經(jīng)元、脊髓反射回路中參與調(diào)節(jié)運(yùn)，或反饋至上層中樞神經(jīng)結(jié)構(gòu)中。1 α 運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)1) α 運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元哺乳類(lèi)動(dòng)物中，控制軀體隨意運(yùn)動(dòng)的脊髓下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元包含 α，，β，γ 三類(lèi)γ 運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元分別支配肌梭外、肌梭內(nèi)肌肉纖維，β 運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元占運(yùn)動(dòng)神分之一，一般認(rèn)為支配肌梭內(nèi)、外纖維，但難以觀察到因此機(jī)制尚不清如圖 2-2 所示，α 運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元胞體位于脊髓前角，胞體較 γ 神經(jīng)元大，數(shù) β 或 γ 神經(jīng)元。α 運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元生長(zhǎng)有大量的樹(shù)突，以接收大量的突觸信號(hào)髓鞘包裹，沖動(dòng)傳導(dǎo)速度較快，在人體中的傳導(dǎo)速度為 40~60m/s[70]，軸大可到 1 m，如支配成年人足部肌肉的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。支配每塊肌肉的 α元數(shù)量由幾十到幾百不等。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：R743.3;TP13;TN911.7

【參考文獻(xiàn)】

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1 謝青;宋小慧;;腦卒中康復(fù)治療技術(shù)發(fā)展史[J];中國(guó)現(xiàn)代神經(jīng)疾病雜志;2015年03期

本文編號(hào)：2698508