双人视觉运动学习诱导功能连接调制及其与表现相关的脑电图证据

　　本研究针对短时双人视觉运动适应训练能否引发即时大脑功能连接改变的问题，通过节点与边水平的脑电图功能连接分析和主成分回归方法，揭示了训练后β和γ波段右半球连接性降低、θ波段节点中心性与双人表现正相关的重要发现。该研究为理解运动学习的神经可塑性机制提供了新见解，对运动障碍康复策略具有潜在指导意义。

　　

人类感觉运动控制系统是一个复杂的网络，能够实现与环境的流畅交互。在这个系统中，运动适应是一个关键组成部分，它能够根据感觉反馈不断优化运动指令，使技能随着时间推移逐步提高。这个过程通过预测、误差检测和校正的循环来实现，确保动作执行的准确性并通过练习逐步提升。视觉运动适应就是其中一个典型例子，需要将视觉输入与运动动作相结合，以适应运动与视觉反馈之间空间关系的变化。

尽管神经可塑性相关的感觉运动适应可以在短时间范围内（从几分钟到几小时）发生，但双人训练是否能产生类似效果仍不清楚。日常活动需要协调的双人控制，但大多数研究都集中在单人运动上。在双人视觉运动适应的背景下，只有少数研究探讨了功能连接。例如，Desrochers等人发现，在学习进展过程中，β波段功率和相干性最初较高但随后降低；Serrien则报告β波段相干性在左半球-中线网络之间增加，表明较高的β波段相干性与任务难度较大相关。

神经可塑性可以表现为结构或功能变化，结构变化通常长期发生且更持久，而功能变化则更快发生。虽然现有文献大多关注长达数周或数月的长期变化，但最近研究表明，结构和功能神经可塑性都可以在短得多的时间框架内发生，甚至在一小时或几分钟的训练后就会出现。例如，Xu等人的动物研究在训练后几分钟内就观察到结构可塑性的迹象；Nierhaus等人报告在经过一小时的脑机接口训练后，结构和功能MRI都出现调制；Phang等人在中风后康复音乐治疗中检测到顶叶-额中央区域功能连接的即时变化。

基于这些背景，本研究旨在探讨双人视觉运动适应如何影响脑电图功能连接。研究假设短暂的双人训练会诱发即时功能变化，且变化程度与任务表现的改善相关。为此，研究采用了两种类型的视觉运动旋转任务：90度逆时针旋转和镜像反转。通过校正虚部相位锁定值评估脑电图连接性，在节点和边水平进行分析，以检查局部节点重要性和区域间通信的变化。使用主成分回归探讨了双人表现与这些连接指标之间的关系，并通过基于网络的统计比较学习前后的网络激活模式，以识别训练诱导的功能连接变化。

研究方法主要包含以下几个关键技术：研究招募了20名无神经系统疾病的右利手参与者，采用16通道脑电图系统采集信号，采样率为512 Hz。信号经过0.5-100 Hz带通滤波和50 Hz陷波滤波处理后，通过独立成分分析去除伪影，并使用表面拉普拉斯滤波器重新参考以增强局部活动。实验设计采用双人视觉运动跟踪任务，包含两种操纵杆-光标映射方式（上下旋转90度和镜像反转），任务难度分为简单、中等和困难三个级别。行为表现通过皮尔逊相关系数量化光标与轨迹位置之间的线性关系，并使用主成分分析将双手表现降维为双人表现指标。功能连接采用校正虚部相位锁定值（ciPLV）估计，计算了θ（3-7 Hz）、α（7-13 Hz）、β（13-35 Hz）和γ（35-50 Hz）四个频段的连接矩阵。节点水平通过接近中心性分析节点重要性，边水平使用基于网络的统计（NBS）检测组间差异，统计分析采用广义估计方程（GEE）和主成分回归方法。

短暂双人学习诱导表现显著改善

行为性能分析显示训练阶段主效应显著（χ2(1)=36.238, p<0.001），后训练阶段表现（M=0.708, SD=0.136）显著高于前训练阶段（M=0.545, SD=0.201）。

主成分分析显示第一主成分解释了94.3%的方差，能有效代表双人表现。

短暂双人学习后β和γ波段出现即时变化

节点水平分析显示，β和γ波段训练阶段主效应显著（β: χ2(1)=17.531, p<0.001; γ: χ2(1)=17.204, p<0.001）。事后检验发现β波段右前额（AF4）和感觉运动区（FC4、C4、CP4）接近中心性显著降低；γ波段右前额（AF4）、感觉运动区（FC4、C4、CP4）和枕叶（O2）接近中心性显著降低。

边分析显示β和γ波段右半球连接性显著降低（β: p=0.011; γ: p<0.001），与节点水平结果一致。

双人表现随θ波段节点依赖性增加而提高

偏相关分析显示θ波段八个节点（AF4、T7、CP3、CPz、Pz、O1、O2）接近中心性与双人表现显著正相关。

主成分回归分析表明，θ波段节点接近中心性能显著预测双人表现（F(1,38)=24.116, R2=0.383, p<0.001），留一法交叉验证显示良好预测能力（R2=0.340, RMSE=0.219）。

研究结论表明，短暂双人视觉运动训练能引起显著的功能连接改变，表现为非优势右半球区域节点接近中心性和连接性降低。θ波段接近中心性与表现的正相关表明，随着性能提高，神经网络会重组为更集中化的处理策略。这些发现强调了大脑在短暂双人训练后快速神经可塑性适应的能力，为理解运动康复策略提供了基础。

讨论部分进一步阐释了这些发现的深层意义。运动技能学习涉及多个时间尺度，快速学习由短期功能变化驱动，而慢速学习导致持久结构变化。虽然本研究未调查大脑结构变化，但功能连接的即时变化反映了运动学习的早期阶段。运动偏侧化理论认为每个半球专门负责不同的运动控制机制：左半球采用预测控制，右半球采用阻抗控制。双人转移使训练一只手能增强另一只手的表现，但每个半球选择性地获得与其专业对齐的技能。

β波段事件相关去同步/同步（ERDS）和功能连接的改变在注意和感觉运动控制中发挥不同作用。较强的区域间β波段同步通常与任务复杂度增加相关，但随着对干扰的重复暴露，β波段连接性倾向于降低，反映任务熟练度提高。节点接近中心性的降低可能类似地表明熟练度提高，系统对信息处理和整合的特定节点依赖减少。

本研究中使用的不对称双人跟踪任务可能涉及高阶控制机制，增加了右半球对感觉运动处理和左半球对时空整合的需求。研究观察到右半球（包括前额和感觉运动区域）节点中心性降低可能反映对成功适应的右半球机制依赖减少，而左半球缺乏变化可能表明其继续参与适应所需的感觉整合。

γ波段ERDS也与运动控制相关。运动训练与前额和运动相关区域之间以及前额叶和右半球之间γ波段连接性减少相关，与本研究边水平结果一致。这种减少被认为反映了从反馈控制向前馈控制的转变，性能改善和任务自动性降低降低了感觉整合和运动校正的神经需求。

θ波段结果可能与额顶叶网络招募相关。额顶叶网络包括背侧前额皮层、背外侧前额叶皮层、顶下小叶、顶内沟、外侧顶叶皮层和内侧扣带皮层，对快速、准确和灵活地协调执行控制至关重要。研究中观察到双人表现与θ波段前额、中央顶叶和顶叶区域功能变化之间的显著相关性可能表明额顶叶网络的招募。额顶叶网络内的θ和α波段同步对认知控制至关重要，特别是在需要在不同规则集和视觉运动操作之间切换的任务中。

此外，结果还发现了颞叶和枕叶区域的显著连接相关性。额顶叶网络已知与其他脑区相互作用以调节认知功能。具体而言，工作记忆涉及局部和长程神经回路，由颞叶皮层中的θ-γ相位-振幅耦合和额颞叶皮层之间的θ相位同步驱动。枕叶区域的θ波段振荡与视觉空间注意相关，而枕叶皮层的α波段振荡支持感知和工作记忆的自上而下调制。总体而言，双人视觉运动学习似乎增强了额顶叶网络与其他脑区的相互作用，促进了工作记忆、视觉空间注意和目标导向行为的调节。

该研究存在三个主要局限性：参与者仅限于右利手男性，年龄范围狭窄，限制了结果的普适性；16通道低密度脑电图系统限制了神经记录的空间分辨率；虽然ciPLV有效减轻了容积传导引起的虚假连接，但它仍然是双变量和非方向性测量。未来研究应考虑采用高密度脑电图系统或补充神经影像模态（如fMRI）来提高空间分辨率。

总之，本研究证明了短暂双人视觉运动训练能引起显著的功能连接变化，表现为非优势右半球区域节点接近中心性和连接性降低。θ波段接近中心性与表现的正相关表明训练促进了神经网络向更集中化处理的重组。这些发现突出了短暂双人训练后大脑快速神经可塑性适应的能力，为未来旨在理解和增强运动障碍患者运动康复策略的研究奠定了基础。