使用fNIRS监测健康成年人在多种运动时肌肉血氧和脑皮层活动

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研究背景

研究表明在自主控制运动任务(voluntary control movement, i.e. HA)时对肌肉施加电刺激(Electrical stimulation ,ES)，相比仅是模仿运动可以提高对肌肉的控制力。然而，在不同HA任务期间施加电刺激以及HA对脑皮质影响依旧未知。此文旨在利用fNIRS研究在HA期间施加多种电刺激对肌肉血氧的影响及血氧变化与脑皮质的关系。
 

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研究方法
 

2.1、被试

19位年龄在23.70 ± 3.00的成年男性，没有精神、心脏、膝盖的疾病。全部被试在实验前均未进行高强度运动。
 

2.2、实验设定

整体布置如下图。

设备使用ISS Imagent的NIRS。肌肉血氧变换用SpO2指标评价，光源和检测器之间的距离为1.95、2.01、2.46、2.51、2.97、3.04、3.45和3.53厘米，采样频率为5Hz；脑皮质活动用HbO，HbR，HbT等指标评价，光源波长为使用690nm和830nm两种，光源数量为14个，探测器数量为4个。

脑皮层电极配置如下图，分别布置在感觉运动顶叶(SMC)，辅助运动区(SMA)，前运动顶叶(PMC)等脑区。实验前采集180s静息态数据，每个trials包括30s休息和20s训练(isometric)。重复8次以后会有一个长时间休息。

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研究结果

下图是时域下膝关节伸展收缩运动的氧饱和度 (SpO2) 变化。 ΔSpO2 和耗竭速率是根据等距的双曲正切方程计算的收缩阶段。

垂直虚线表示分别是等长收缩的开始（30 秒）和结束（50 秒）。
 

下图是长伸膝阶段五种方式的 ΔSpO2。等距膝关节伸展中五种模式的时间常数（以秒为单位）相位（较小的时间常数值表示消耗速度快）。* 表示条件之间的显着差异。

下图是血红蛋白皮质区域变化的浓度，即 [HbO]（红线）、[HbR]（蓝线）和 [HbT]（绿线），在伸膝期间（黄色条）覆盖双侧 SMC、PMC、和 SMA 用于 VOL、ES、HA-I、HA-II 和 HA-III 模式。

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实验结论

增加ES水平可以提高HA任务下肌肉耗氧需求。ES刺激可以产生与肌肉收缩(VOL)类似的脑皮层活动，但是强度要弱于自主肌肉运动。HA期间脑皮层活动水平还取决于皮层位置的功能特异性(functional specificity)。但是低强度HA不能增加肌肉氧需求。

Assessments of Muscle Oxygenation and Cortical Activity Using Functional Near-infrared Spectroscopy in Healthy Adults During Hybrid Activation. Tai-You Lin et al. IEEE Transactions. 10.1109/TNSRE.2015.2429655.