论文部分内容阅读
目的：
脑卒中具有高发病率、高死亡率和高致残率的特征。脑卒中患者经急性期进入恢复期后多留有不同程度的肢体瘫痪、肌肉痉挛、抑郁、失语等症状,其中以肢体瘫痪为主的运动障碍最为常见。对运动控制所涉及的脑部神经通路的深入理解,对临床的康复治疗具有指导性意义。人体的感觉系统包括视觉感觉系统、躯体感觉系统、听力感觉系统等,而前两个系统与运动控制紧密联系。因此,本文对不同感觉系统下第一骨间肌(first dorsal-interosseous,FDI)不同程度的等长收缩下的脑电信号进行了分析。探讨了运动皮层、皮质脊髓通路和大脑各个脑区功能连通性的变化。更进一步,研究了上肢在运动适应中的脑电变化,结合等长收缩的结果以期对运动控制的神经机制更加全面的了解。鉴于脑电信号来自高维混沌系统,探讨了复杂度指标之一的样品熵对短程脑电信号复杂性分析的可行性。
方法：
第一部分:实验数据采自11名健康受试者。通过在受试者右手食指前端悬挂重物使得受试者的FDI产生不同程度的等长收缩。受试者在实验过程中保持闭眼、睁眼和相关视觉反馈三种状态。实验过程中记录了受试者左右手FDI的表面肌电信号(surface Electromyography,sEMG)和34导脑电信号(Electroencephalograph,EEG),同时记录了受试者的眼电图(Electroocculography,EOG)。实验结束后把连续记录的脑电和肌电信号截取成512毫秒的片段,片段之间无重叠。所有数据片段经目测后删除含有噪音及伪迹部分。每位受试者不同状态下任意取150个片段以供分析。通过快速傅立叶变化(Fast Fourier Transform,FFT)对所得到的脑电信号和肌电进行功率谱(powerspectral)和相干(coherence)分析。比较了等长收缩程度引起的脑电功率谱和相干性变化,并针对不同生理状态进行了横向对比。
第二部分:实验数据采自8名健康受试者。首先受试者通过观察屏幕上的指示信号完成朝向左前方的提示后运动(cued movement),随后通过机器辅助装置,在受试者运动过程中施加垂直于运动方向顺时针方向的干扰(25牛顿)。受试者通过练习快速适应力场的干扰。在整个实验中同时记录了受试者右侧的股二头肌(Biceps)、股三头肌(Triceps)和肱桡肌(Brachioradialis)以及左侧的股二头肌。记录34导EEG信号和EOG信号,受试者手臂的移动轨迹同时也被记录。实验完成后对脑电、肌电信号和运动轨迹分别进行处理。通过目测加计算的方法从肌电中得到肌肉的激活时间(EMG onset)、失活时间(EMG offset)和该事件段内的肌电平均值(average EMG)。同样的方法分析运动轨迹得到运动的开始时间(movement onset)和结束时间(movementoffset)。对脑电信号分别进行了事件相关电位(event-related potential,ERP)分析、基于小波(wavelet)的事件相关去同步化/同步化(event-relateddesynchronization/synchronization)以及基于FFT。的相干分析。
第三部分:应用样品熵(sample entropy,SampEn)算法对颞叶癫痫病人脑电信号和双任务下ERP的复杂度进行了分析。对脑电信号的数据点长度以及样品熵算法中的参数r分别进行了数值计算与比较。
所有的结果均通过方差检验(analysis of variance,ANOVA)。P＜0.05表示存在差异显著性。
结果：
1.睁眼/闭眼状态下左侧运动区和顶叶的alpha频段相干性随着等长收缩程度而增高。
2.在视觉反馈下左侧运动区和顶叶相干性由alpha转移到beta频段,并于等长收缩程度呈正比关系;运动区的mu节律同时被抑制。
3.视觉反馈下左侧运动区和右手FDI的的脑电-肌电相干性(EEG-EMGcoherence)显著增加。
4.力场干扰下股二头肌的活动增强,同时股三头肌活动减弱。
5.上肢伸展运动的ERP中有两个明显成分,即N200和运动电位(motorfield,MF):右半脑的N200幅值显著高于左半脑;而两个半脑运动区的MF无显著性差异。
6.上肢伸展运动时大脑出现广泛分布的alpha频段的ERD/ERS,而beta频段的ERD/ERS集中在与运动有关的中央区。
7.两侧运动区alpha频段的相干性在力场适应中显著下降。
8.癫痫病人脑电的复杂度显著低于正常人;癫痫病灶所在半脑的脑电复杂度也低于对侧的正常半脑。
9.双任务下的脑电复杂度显著低于单任务的脑电。
结论：
1.大脑顶叶在肌肉的等长收缩中起到了某种确定性作用。
2.在肌肉控制中存在不同的调控机制,不同的感觉针对不同的调控机制。
3.在视觉反馈下皮质-脊髓通路(conicospinal pathway)活性增加。
4.运动中肌肉之间存在明显的协同作用。
5.对靶位点的空间定位,大脑呈现偏侧优势。
6.在上肢伸展运动中运动控制无偏侧优势。
7.运动适应可能改变大脑两侧运动区的功能连通性。
8.样品熵算法能够很好的刻画生理和病理状态下脑电复杂度的变化,具有一定的应用潜力。