手指力量的神经肌肉调节机制初步研究

摘要

人类手指运动功能的实现与大脑神经系统的运动控制有着密切的关系，从手投射到运动皮层的面积可知大脑对手指运动的控制机制十分复杂。目前，关于人手的神经调控机制的研究探讨主要从皮层神经活动、肌电信号以及肌肉力量等方面展开。随意收缩运动中除了不同运动相关皮层之间存在相互联系外，初级运动皮层的神经活动和肌肉表面产生的电信号也是相关联的，这种关联性反映了大脑皮层活动与肌肉收缩控制之间的功能性联系。因此，将脑磁信号(Magnetoencephalography,MEG)与表面肌电信号(surface Electromyography,sEMG)结合起来，对皮层神经活动和肌肉活动之间的协调作用进行研究，并对皮层肌肉相干性进行定量估计，对于研究中枢神经系统对手指运动功能的控制和调节机制具有重要意义。
　　本文基于MEG对手指力量的神经肌肉调节机制从以下几个方面做了初步探讨：首先设计了不同的手指运动模式，包括简单的节律性按键任务以及不同的指力跟踪任务，其中指力跟踪任务又包括食指较小力量、食指较大力量、食指中指自然合力和食指中指平均分配力量四种模式，并对几种不同的手指动作模式下的功率谱进行了初步分析。其次，探讨了手指节律性按键运动中皮层之间的功能性联系在时频域的变化，选择活动最为强烈的MLC15通道的MEG信号作为参考，分析了其余运动相关皮层通道信号与该参考信号的相干性。然后，通过对指力跟踪任务中运动皮层的MEG与sEMG之间相干性(CMC)的分析，探讨了大脑皮层活动与肌肉收缩控制之间的功能性联系及协调作用。最后，通过对四种不同的指力跟踪任务中的sEMG与指力信号的相干性系数峰值及其峰值频率的对比分析，发现力量水平对相干性系数峰值及其峰值频率的影响不明显，但是不同的分配模式下上述两个特征值则表现出明显的差异，而且平均分配模式下的峰值较自然分配模式下的高，但是峰值频率却明显低于自然分配模式。
　　神经肌肉调节作用的研究结果表明：(1)随着力量水平的增加，beta频带的CMC随之增大，皮层活动和运动神经元之间的协调作用增强，以使皮质脊髓的相互作用趋于稳定；中枢系统(皮层)与外围系统在生理性震颤中的驱动机制可能是导致alpha频带CMC存在并且随力量增加而增大的原因。(2)beta频带的CMC依赖于运动的精确程度，所以同侧beta频带的CMC在难度不同的两种分配模式中的差异可能是受到指力跟踪的精确性影响。(3)gamma频带的CMC随任务难度增加而增大，平均分配力量模式任务难度较大，涉及到的同侧以及高级的神经活动增强，需要更多的注意力和更为复杂、持续的视觉和体感信息的快速整合，从而导致gamma频带的CMC随难度增加而变得强烈。(4)手指协调运动过程中对sEMG/Force相干性幅度的调制与相干频率的调制不是完全相同的神经信息处理进程，二者可能是相互独立的生理过程，而且不同的手指协同作用以及不同的力量分配模式下的神经调控机理是有差异的。虽然CMC的生理基础尚不清楚，但是目前普遍认为CMC能够反映大脑与肌肉之间的信息传递，并且与力量控制有关。
　　另外，通过事件相关功率谱的分析和皮层神经活动之间的相干性分析也得到一些提示性的信息：(1)alpha频带的ERD随力量水平增加向中央及同侧转移，可能是由力量水平增大，辅助运动皮层和同侧运动皮层的神经活动随之增强所导致。(2)beta频带的ERD/ERS随着任务难度增加而增强，这是由于运动性能的改善伴随着beta频带功率谱的增加，在平均分配力量模式下，为了更好的做到指力跟踪，需要集中更多的注意力以促进皮质脊髓间的信息传递，从而导致功率谱的增强。(3)在较为复杂的运动模式中涉及到的各种信息整合加工比较多，gamma频带和高级信息的加工有关，所以导致随任务难度增加神经活动由低频带向gamma频带转移。上述结论有待通过加大样本进行统计分析后进一步探讨。

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1 绪 论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 手指力量的神经肌肉调节研究现状

1.3 本研究的目的和研究内容

1.4 内容安排

2 手指运动的神经控制理论基础

2.1手的解剖结构

2.2 手指运动生理特性

2.3 手指运动的皮层神经控制机理

3 手指动作相关MEG和sEMG信号的检测及预处理

3.1 手指运动实验设计

3.2 指力跟踪检测装置系统设计

3.3 MEG及sEMG的采集与预处理

4 不同手指运动模式下MEG的功率谱分析

4.1 功率谱分析理论基础

4.2 不同手指运动模式下的功率谱分析

4.3 结果分析讨论

5 MEG、sEMG及指力信号的相干性分析

5.1 相干性分析的算法实现与理论基础[4]

5.2 皮层神经活动之间的相干性

5.3 皮层神经与肌肉活动之间的相干性

5.4 sEMG与指力信号之间的相干性

6 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

附 录