不同力量水平下上肢运动控制任务诱发的大脑激活模式研究

《Scientific Reports》：The brain activation on upper extremity motor control tasks in different forces levels

　　本研究针对上肢运动控制中力量调节的神经机制这一关键问题，通过结合功能性近红外光谱(fNIRS)与机器人手臂技术，系统探讨了健康成年人在执行静态与动态两种运动模式、以及三种不同力量难度任务时，大脑皮层激活的差异。研究发现，任务难度主要激活对侧初级运动皮层(cM1)、双侧前运动皮层(PMC)和同侧前额叶皮层(iPFC)，而运动类型（静态/动态）的差异则主要由前额叶皮层(PFC)区分。该研究为理解大脑如何分别调控运动的力量与模式提供了新证据，对神经系统疾病康复评估及脑机接口(BCI)开发具有重要意义。

　　

在日常生活中，我们能够轻松地完成诸如伸手取物、握持水杯等上肢动作，这背后是大脑精密的运动控制系统在发挥作用。然而，对于帕金森病、脑卒中患者或老年人而言，这种看似简单的运动控制能力可能会受到损害，严重影响其生活质量。理解大脑如何在不同的力量要求下控制上肢运动，对于开发有效的康复策略和辅助技术至关重要。以往的研究虽然揭示了某些大脑区域与运动控制相关，但对于力量水平与运动类型如何分别影响大脑激活模式，仍缺乏系统性的探索。为此，来自国立成功大学的研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项研究，利用先进的功能性近红外光谱(fNIRS)技术，结合机器人手臂，深入探究了健康成年人在不同力量水平的上肢运动控制任务中大脑的激活情况。

研究者采用了功能性近红外光谱(fNIRS)这一非侵入性的脑功能成像技术来监测大脑皮层的血流动力学响应，特别是氧合血红蛋白(HbO)浓度的变化。同时，他们使用UR3e机器人手臂来精确控制和引导参与者完成标准化的上肢运动任务。研究招募了18名健康年轻成年人作为参与者。实验设计包含了两种运动类型（静态按压和动态跟随）以及三种基于力量水平的任务难度（4N-简单，12N-中等，20N-困难），共构成六种实验条件。fNIRS的探头按照国际10-10系统放置，重点监测四个关键脑区：初级运动皮层(M1)、前运动皮层(PMC)、辅助运动区(SMA)和前额叶皮层(PFC)，并区分了对侧和同侧半球。

（A）任务难度与运动类型的交互效应

统计分析显示，任务难度和运动类型在所有被检测的大脑区域中均未表现出显著的交互作用。这表明，任务难度（力量大小）和运动类型（静态或动态）对大脑激活的影响是相对独立的，可能由不同的神经通路所控制。

（B）任务难度的效应

研究结果发现，任务难度在对侧初级运动皮层(cM1)、双侧前运动皮层(PMC)以及同侧前额叶皮层(iPFC)均产生了显著的主效应。随着任务难度从“简单”提升到“困难”，这些脑区的HbO浓度均呈现显著上升的趋势。例如，在cM1区域，困难任务相比简单任务引起了HbO平均浓度41.015 μmol的显著增加。这一结果清晰地表明，cM1、PMC和iPFC在调节输出力量以应对更高任务要求方面扮演着核心角色。

（C）运动类型的效应

运动类型（静态 vs. 动态）的显著效应仅出现在前额叶皮层(PFC)的双侧半球。具体表现为，静态任务条件下的HbO浓度显著高于动态任务条件，平均差异约为24-25 μmol。这说明PFC，特别是背外侧前额叶皮层(DLPFC)，在规划和监督运动的执行模式方面起着关键作用，而其他运动相关皮层（如M1, PMC, SMA）则对运动类型本身不敏感。

任务对大脑半球的影响

分析还揭示了大脑半球激活的不对称性。在对侧初级运动皮层(cM1)的激活显著强于同侧(iM1)，这符合运动控制的交叉支配原理。有趣的是，在前额叶皮层(PFC)，同侧半球(iPFC)的激活反而比其对侧(cPFC)更强，这可能与其在力量调节中的特殊功能有关。而PMC和SMA则未表现出显著的半球间差异，提示它们可能双侧协同参与运动准备和序列化。

本研究通过精细的实验设计证实，上肢运动的力量控制与运动模式控制在大脑中由相对独立的神经网络负责。任务难度的增加（即所需力量的增大）会显著调动对侧初级运动皮层(cM1)、双侧前运动皮层(PMC)和同侧前额叶皮层(iPFC)的资源；而运动类型的差异（静态维持 vs. 动态移动）则主要由前额叶皮层(PFC)来区分。这一发现深化了我们对运动控制层级组织的理解，不仅具有重要的理论价值，而且为临床实践提供了新的视角。例如，在脑卒中或帕金森病患者的康复评估中，可以分别考察其力量调节和运动模式控制相关的脑区功能，从而进行更有针对性的干预。此外，该研究也为开发更智能的脑机接口(BCI)和机器人辅助康复设备提供了关键的神经科学依据，未来或能根据患者特定脑区的激活状态，个性化地调整训练任务的难度和类型，以优化康复效果。