本体感觉损伤对前馈运动控制的影响：基于脑损伤患者指鼻任务运动学分析的横断面研究

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Does Proprioceptive Impairment Affect Feedforward Motor Control? A Cross-Sectional Study on Patients With Brain Damage

　　本研究针对感觉性共济失调与小脑性共济失调患者上肢运动控制机制不清的问题，通过比较健康对照组、中枢神经系统体感损伤组(SP)和小脑损伤组(CP)在指鼻任务中的运动学特征，发现两组患者均存在运动效率下降和运动平滑度(SM)降低。特别值得注意的是，小脑损伤患者表现出速度峰值(vmax)及其出现时间(t%)的试次间变异性显著增加，提示前馈运动控制模型受损。该研究为理解不同神经系统损伤导致的共济失调提供了新的理论框架，对制定针对性康复策略具有重要意义。

　　

当我们伸手触摸自己的鼻子时，这个看似简单的动作背后隐藏着精密的神经调控机制。中枢神经系统通过内部模型来预测和优化运动行为，其中正向模型通过整合运动指令副本和本体感觉信息，预测动作执行后的身体状态。小脑被认为是实现这一模型的关键脑区，而本体感觉系统则负责在运动执行过程中提供反馈校正。然而，当这些神经系统出现损伤时，患者会表现出相似的运动障碍症状——感觉性共济失调和小脑性共济失调都表现为运动失调、意向性震颤和动作不流畅等现象。这两种不同类型的神经系统损伤是如何影响运动控制机制的？它们是否通过共同的神经通路导致相似的运动障碍表现？这些问题一直是神经康复领域亟待解决的重要科学问题。

为了深入探究这一问题，Nicola Valè教授团队在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上发表了一项创新性研究。研究人员设计了一项横断面研究，通过比较健康对照组、中枢神经系统体感处理区域损伤患者(SP组)和小脑或小脑脚损伤患者(CP组)在执行指鼻任务时的运动学特征，试图从计算神经科学的角度建立一个统一的理论框架，来解释感觉性和小脑性共济失调的运动控制障碍机制。

研究团队采用了多学科交叉的研究方法，主要技术手段包括基于OpenPose的无标记运动捕捉系统，该系统通过卷积神经网络从RGB-D相机数据中提取二维关键点，并计算三维坐标，采样频率为60Hz。该系统在前期验证中与光电系统相比显示出3-5%的相对平均绝对误差，且在不同人群中的精度保持一致。此外，研究还采用了标准化的临床评估工具，包括Fugl-Meyer上肢评估量表(FMA-UL)、Motricity Index(MI)肌力指数、Erasmus MC改良版诺丁汉感觉评估(EmNSA)以及国际共济失调评定量表(ICARS)等，确保了对患者运动功能和感觉功能的全面评估。

运动效率分析结果

研究发现，两组患者组均比健康对照组运动速度更慢，平均速度(v_m)和峰值速度(v_max)显著降低。特别是在试次间变异性方面，小脑损伤患者表现出速度峰值及其出现时间的更大变异性。重复测量方差分析显示组别效应显著(F=5.242, p=0.012)，条件与组别交互作用也达到显著性水平(F=5.38, p=0.011)。这些结果表明，小脑损伤患者在执行重复性运动任务时表现出明显的不稳定性，这反映了其运动计划能力的受损。

运动计划与预期运动控制结果

在运动开始后150毫秒的早期速度(E_v)分析中，两组患者组均显示出比健康对照组更慢的早期运动速度，表明其预期运动控制能力受损。更重要的是，小脑损伤患者在速度峰值出现时间(t%)的变异性方面表现出独特的异常模式，特别是在睁眼条件下，其变异性显著高于健康对照组和体感损伤组。运动平滑度(SM)分析显示，两组患者组的平滑度值均低于健康对照组，且在闭眼条件下表现进一步恶化。

运动轨迹与准确性结果

研究人员还分析了运动早期偏离理想轨迹的程度(E_d)，发现在闭眼条件下，体感损伤患者表现出更大的轨迹偏离趋势。然而，在指向准确性方面，即手指与鼻子之间的距离测量值，三组之间并未发现显著差异。这可能提示患者通过降低运动速度来补偿其运动控制缺陷，从而维持相对准确的动作终点精度。

临床与仪器评估结果的相关性分析

有趣的是，研究发现上肢功能损伤程度(FMA-UL评分)与任何运动参数均无显著相关性。然而，在小脑损伤组中，共济失调严重程度(ICARS评分)与运动速度呈负相关，即共济失调越严重的患者运动速度越慢。在体感损伤组中，本体感觉功能(EmNSA评分)与运动速度及指向准确性显著相关，特别是在闭眼条件下，这表明本体感觉在无视觉反馈的运动控制中起着关键作用。

研究结论与讨论部分强调了该研究的理论贡献和临床意义。从计算神经科学的角度，小脑损伤可能直接影响正向模型的准确性，导致其对运动后果的预测能力受损。虽然这些患者具有相对完整的本体感觉信息和正确的肢体位置估计，但由于小脑损伤使得正向模型输出的预测信息不可靠，运动系统不得不更多地依赖延迟的反馈控制，这解释了小脑性共济失调患者典型的终端运动振荡现象。

而对于体感损伤患者，虽然其小脑功能完整，正向模型本身可能保持正常，但由于本体感觉信息的缺失或不可靠，导致运动计划阶段的身体状态估计不准确，进而影响运动指令的生成和预期控制。这些患者更加依赖视觉反馈来补偿本体感觉的缺失，这在闭眼条件下表现得尤为明显。

该研究的创新之处在于提出了一个统一的理论框架来解释两种不同类型神经系统损伤导致的共济失调现象。研究结果表明，虽然小脑损伤和体感损伤影响运动控制的机制不同，但都涉及预期运动控制功能的障碍。小脑损伤主要影响正向模型的实施，导致运动计划的不稳定性和变异性增加；而体感损伤则影响运动计划的初始状态估计，导致运动效率降低和视觉依赖增强。

这一理论框架不仅深化了我们对运动控制神经机制的理解，而且为临床康复策略的制定提供了重要启示。针对小脑损伤患者，康复训练应着重于提高运动计划的稳定性和预测准确性；而对于体感损伤患者，则需要加强视觉-运动协调训练和本体感觉再教育。此外，研究结果还支持了最优反馈控制理论的预测，即神经系统在选择运动策略时会权衡运动准确性和能量消耗，患者可能通过降低运动速度来优先保证动作终点精度。

该研究的局限性包括样本量相对较小、病因异质性较高以及缺乏年龄匹配的对照组等。未来研究需要在更大样本中验证这些发现，并进一步探讨不同病因对运动控制障碍的具体影响。尽管如此，这项研究为理解共济失调的神经机制提供了新的视角，并为开发针对性的康复干预措施奠定了重要基础。