近红外脑成像在脑卒中患者骑车运动中的研究

中风是美国和其他发达国家致残的主要原因之一，对于中风患者来说，步行通常受到肌肉无力、肌肉协同异常和痉挛的限制，改善中风患者步行功能的康复项目之一是腿部自行车运动。自行车运动的已知效果主要归因于腿部肌肉的积极收缩。然而，被动循环运动，即使在没有主动肌肉收缩的情况下进行，也可以引起对中风恢复有益的感觉输入。

在临床环境中，外部反馈可以提高技能训练的有效性，增强被试的动机。本研究的目的是研究皮层下脑卒中患者在无外部速度反馈和有外部速度反馈的自定步速主动循环和运动驱动被动循环过程中的皮层控制。我们假设被动和主动骑车会激活类似的皮层区域，骑车速度的反馈可能会导致额外的皮层激活，从而改善中风患者的骑车表现。

二、研究方法

2.1实验被试
17名首次皮质下卒中导致偏瘫的患者，身体状况稳定，没有其他神经或骨科疾病历史。

2.2实验流程
有三种骑行条件:主动无视觉反馈(active_nVF)、主动有视觉反馈(active_VF)和被动。在进行active_nVF活动之前，进行了让受试者以每分钟50转的稳定速度蹬车的练习，并在他们面前的电脑显示器上持续显示骑行速度。当被试能够始终跟上节奏时，去除视觉反馈，开始正式采集active_nVF的数据。

在active_VF中，在数据采集过程中不断提供目标和自循环速度的视觉反馈。受试者被要求调整骑行速度以匹配目标速度。在被动骑行任务中，踏板是由嵌入在测力计中的电机驱动的，受试者被要求不要干预，只允许踏板移动他们的腿。被动式测功器的运动速度也设置为每分钟50转。对于数据收集，每个循环任务开始时都有一个40秒的基线，然后是8个20秒的循环周期和30秒的休息周期，结果是440秒的测试过程，如图1c所示。从近红外光谱(NIRS)信号测量大脑皮层的激活需要的时间流程。

图1  实验流程图

2.3数据采集和处理

实验采用ISS Imagent血氧计（使用波长为690和830 nm的激光二极管），采样频率为19.8 Hz。数据使用开源软件Homer进行分析，首先，使用0.0016 ~ 0.80 Hz带通滤波器消除缓慢漂移和心脏搏动，然后对每个循环周期的DHbO数据进行平均，以获得对循环事件的平均响应。为了评估区域激活的半球间不对称性，计算每个皮层区域的侧度指数(LI)。LI值介于-1和1之间，LI值为正，表明受影响半球的激活程度高于未受影响的半球，反之亦然。

三、研究结果

与active_nVF相比，active_VF的骑行性能有所改善，速度变化(P 0.001)和SI增加。在光学影像的结果中发现，在active_nVF期间，激活主要集中在SMC，而SMC的激活与active_VF期间相似。在被动循环过程中，SMC的激活比SMA和PMC更加明显。

图2  有无反馈测试条件下的骑行性能变化

图3  光学影像结果图

四、实验结论
在被动循环中皮层的激活模式与主动循环中无速度反馈的激活模式相似，尽管未受影响侧SMC的激活水平较小。因此，被动循环可能有助于激活脑皮层区域，促进脑卒中后的运动恢复。当提供速度反馈时，未受影响侧的骑行表现和PMC的激活均得到改善，提示PMC可能参与控制骑行表现以适应外部反馈在脑卒中患者中的使用。
 

Lin, P. Y., Chen, J. J., & Lin, S. I. (2013). The cortical control of cycling exercise in stroke patients: an fNIRS study. Human brain mapping, 34(10), 2381–2390.

Doi.org/10.1002/hbm.22072