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慢性踝不稳患者双侧下肢单脚站时脑激活的特征研究

2025-04-12 91 上传者：管理员

摘要：目的：采用功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy,fNIRS）探究慢性踝不稳人群、健康无扭伤人群双侧下肢在执行单脚站任务时的脑皮层激活特点。方法：纳入16例健康未扭伤受试者、16例单侧慢性踝不稳受试者，在左右单脚站的任务状态下，同时进行f NIRS脑功能信号采集。基于氧合血红蛋白（HbO2）的浓度变化，计算两组受试人群各脑区的激活程度（β值），并在背外侧前额叶区、初级感觉区、辅助运动区、颞中回等九个脑区层面比较双侧下肢在单脚站任务时的组间差异。结果：基于激活程度（β值）的皮层分析发现，慢性踝不稳人群进行患腿单脚站时，右侧辅助运动区（ch28）、左侧韦尼克区（ch51）显著激活；慢性踝不稳人群进行健腿单脚站时，右侧背外侧前额叶区（ch15）、初级感觉区（ch33）、颞中回（ch40）显著激活。结论：慢性踝不稳患者双侧下肢单脚站任务下脑皮层激活特征均与健康未扭伤人群有异，存在姿势控制神经机制的改变。姿势控制状态下，背外侧前额叶区、躯体感觉区、颞中回区、辅助运动区、韦尼克区激活高于健康组。

关键词：
体育活动
功能性近红外光谱技术
双侧
慢性踝不稳
踝周肌力
运动损伤
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踝关节扭伤是体育活动中常见的运动损伤之一，其中约40%的患者会反复扭伤，发展成慢性踝关节不稳定（chronic ankle instability，CAI）[1]，表现出双侧踝周肌力下降，本体感异常，反复“打软腿”等系列症状[2—6]，生活质量受到严重影响，但目前暂无有效的治疗手段，功能缺陷依旧存在[7]。而近年来出现中枢神经系统的神经可塑性理论为解释提供了新的可能[8—9]。韧带损伤后关节局部的疼痛、炎症、肿胀等反应影响感觉反馈，感觉皮层活动减少；恐惧及运动代偿等因素影响辅助运动等皮层活动，运动皮层激活因此受抑制，反馈准确性进一步降低，导致双侧踝关节持续的错误输出[8]。但目前对于慢性踝不稳患者运动状态下皮层激活的特征缺乏研究和统一的定论[10]，尤其是双侧下肢的激活结果。因此，本研究拟采用功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS），这一新兴的无创神经监测技术，通过实时监测CAI人群及健康未扭伤人群单腿平衡状态下大脑皮层氧合血红蛋白等的浓度变化，探索CAI人群健患侧单脚站时皮层激活的差异。

1、资料与方法

1.1一般资料

本研究纳入健康未扭伤人群、慢性踝关节不稳人群作为受试者。使用G*power 3.1软件进行样本量估算，设 α=0.05，检验效能1-β=0.8，效应量（effect size）为0.9，得出每组需要样本16例，共32例[11]。所有受试均签署知情同意书，且本研究获得上海复旦大学附属华山医院伦理委员会批准，批件号（2016）临审第（314）号。慢性踝不稳组纳入标准：①均为单侧扭伤；②至少发生过1次严重的踝扭伤；③初次踝扭伤发生于研究招募前12个月；④最近一次踝扭伤发生于研究招募前3个月；⑤发生过打软腿和/或反复踝关节扭伤和/或踝关节不稳定感；⑥CAIT分数＜24[12]。健康未扭伤组纳入标准：①无踝关节扭伤史；②无打软腿；③CAIT分数≥26。排除标准：①研究招募前3个月内有下肢关节的急性损伤，并导致1天及以上体力活动暂停；②下肢关节有肌肉骨骼损伤史；③下肢关节手术史（如关节、肌肉、神经系统手术史）者；④前庭功能障碍者；⑤神经和或精神疾病史以及相关药物服用史者。2021年11月—2022年8月，本研究共纳入符合要求的CAI患者16例及健康未扭伤对照16例。其中CAI组男性5例，女性11例，年龄22—34岁；健康未扭伤组男性9例，女性7例，年龄20—36岁；两组年龄、身高、体重均无显著性差异（P＞0.05，表1）；CAIT得分有显著性差异（P＜0.05）。

1.2研究方法

1.2.1研究设备：

本研究使用64通道的台式功能性近红外成像设备NirScan-6000B（丹阳慧创，中国）进行受试者的脑功能采集。采集头帽基于10/20国际标准导联系统设计，含24个探头、24个光源搭配组成64个通道，探头与光源间距离为30mm。设备采样波长为730nm和850nm，采样频率为11Hz，可监测受试大脑皮层氧合血红蛋白及脱氧血红蛋白的浓度变化。根据MNI坐标信息，所有通道被划分至9个脑区（图1），分别为背外侧前额叶区（dorsolateralprefrontal cortex，DLPFC）、初级感觉区（primarysensory cortex，S1）、初级运动区（primary motorcortex，M1）、体感联合区（somatosensory association cortex）、辅助运动区（supplementary motor area，SMA）、颞上回（superior temporal gyrus，STG）、颞中回（middle temporal gyrus，MTG）、韦尼克区（Wernicke's area）、视觉区（visual cortex）。

1.2.2采集方法：

所有受试进入评定室后，熟悉环境及采集流程，平定情绪。佩戴采集头帽后脱鞋双脚站，双眼目视前方，根据语音指令完成3次单脚站任务。每一次任务为60s，前30s为持续单脚站，后30s为双脚站休息。“单脚站”提示时，受试屈曲髋膝关节至足尖抬离地面并保持30s；“休息”提示时，受试双脚站30s。本研究评估内容为双侧，左侧下肢结束任务后休息5min，后测量右侧下肢。正式开始前，嘱受试进行1次任务，熟悉动作及流程。测试过程中，出现抬起侧下肢着地或上肢抓握周边物品时，任务将重新开始。过程中避免非必要的言语沟通及肢体动作。具体范式见图2。

1.3数据分析

使用NirSpark近红外数据处理软件中的Preprocess、BlockAvg及GLM模块进行数据的处理。步骤：①消除运动伪影（样条插值）；②光强信号转为光密度数据（标准差阈值为6，峰阈值为0.5）；③噪声处理（低通及高通滤波，0.01—0.1Hz[13—14）；]④左侧扭伤患者的大脑数据左右翻转；⑤光密度数据转为氧合血红蛋白浓度（oxyhemoglobin，HbO2）数据（修正Beer-Lamber定律，路径差分因子为﹣6—6）；⑥使用HRF模型计算任务相关皮质激活程度的β值（一般线性模型）。

1.4统计学分析

使用SPSS 23.0软件进行统计分析。对计量数据进行正态检验，均符合正态分布，采用独立样本t检验进行组间比较。显著性阈值设为P＜0.05，并对其进行错误发现率（false discovery rate，FDR）矫正。

2、结果

2.1慢性踝关节不稳人群在患腿单脚站任务时的脑激活分析

在患侧单脚站任务中，与健康人相比，有13个通道的 β 值存在显著性差异（ch23、26、28、30、38、40、44、46、47、48、51、56、62），且患者 β 值高于健康人。其中辅助运动区（ch28）、韦尼克区—角回（ch51）的两通道β值通过FDR校正。该结果显示，右侧辅助运动区及左侧韦尼克区激活显著。结果见表2。

2.2慢性踝关节不稳人群在健腿单脚站任务时的脑激活分析

在健侧单脚站任务中，与健康人相比，有5个通道的 β 值具有显著性差异（ch15、18、33、39、40），患者 β 值高于健康人。其中背外侧前额叶（ch15）、初级感觉区（ch33）、颞中回（ch40）的三通道 β 值通过FDR校正。该结果显示，右侧背外侧前额叶、初级感觉区及颞中回激活显著。结果见表2。

表1健康组和慢性踝不稳组一般资料

表2健患腿单脚站任务时大脑皮质激活情况

图1 fNIRS通道与脑区配准示意图

图2 fNIRS单脚站任务范式示意图

3、讨论

CAI是踝关节扭伤后多见的疾病状态，不光是足踝功能出现退变，近来研究发现该类人群也存在感觉运动相关神经中枢的改变。但目前CAI人群皮层激活特点研究较少，尚无统一结论。本研究通过将CAI人群健、患腿与健康未扭伤人群对照，明确CAI人群健患腿单脚站时的皮层激活特点，为后续CAI的诊疗改进提供线索。此外，fNIRS的抗运动干扰及无噪声等优势使其在运动损伤研究领域独树一帜，使其临床应用的可能性增加[15]。

有研究发现CAI组在单脚站任务中，皮层激活比起健康对照组表现出更大的变异性[16]。该变异提示CAI人群为了维持单腿平衡，皮层激活策略发生了改变。而本研究的结果提示，这种激活策略的改变不光出现于患侧，健侧也出现了相应的变化。这与其他研究所发现的CAI影响未扭伤侧踝关节相符合，为CAI对双侧踝关节感觉运动功能的影响提供了理论依据[17—18]。

患腿站时的皮层激活特点为患侧韦尼克区显著激活，而健侧辅助运动区显著激活。正常状态下韦尼克区角回属于默认模式网络的一部分，执行注意力任务时激活下降[19]。但本研究发现该部分激活增加，提示执行功能和注意力发生变化。辅助运动区属于运动功能网络的重要一环，负责自我姿势的控制[20—21]。有研究发现CAI执行单脚站任务时较健康人群及单次扭伤后恢复人群，辅助运动区激活变异性更大[16]。本研究亦发现辅助运动区激活显著增加，该结果提示CAI在执行姿势控制时需要更多辅助运动区激活代偿。

其次，本研究发现健腿站时的皮层激活改变均发生于健侧皮层，研究发现单脚站时右侧背外侧前额叶区激活显著，背外侧前额叶区是大脑中认知执行的关键节点，解剖及功能上属于边缘系统[22]。同时有研究发现右侧DLPFC相较于左侧，在自动和规范性行为的主导效应更显著[23]，我们的研究结果与之相符。另外，本研究发现初级感觉区及颞中回激活显著。初级感觉区是接受处理躯体感觉信息的重要脑区，同时诱导与对侧初级运动区之间的半球间抑制[24—25]，该结果提示慢性踝不稳患者感觉信息处理存在缺陷，同时对侧运动激活受限。颞中回属于腹侧视觉网络，负责加工视觉空间信息[19]。同时是具有独特解剖学连接模式的子区域，主观认知及参与动作观察也是其代表性功能[26]。我们的研究结果提示CAI可能存在视空间认知缺陷。

CAI人群的单脚平衡姿势控制能力缺陷是将其与健康人群区分的特征[27]，现在皮层激活改变的存在已被证实，如果激活改变同运动控制一样存在特征性，那对于神经控制机制的理解将更进一步。不同脑区控制不同功能，为明确功能缺陷进行针对性康复提供可能。

本研究存在几点不足。首先，本研究仅观察了静态任务的激活表现，对于复杂运动功能的脑网络连接还需深入研究；其次，考虑到患者们的平衡功能，本研究仅讨论硬质地面，未讨论不同地面情况对于脑激活的影响；最后，fNIRS只能观察皮质的血氧变化，时间及空间分辨率相对有限，无法探讨皮质下脑功能的变化。因此，在后续的研究中，本课题将研究不同任务难度、疾病阶段对皮层可塑性的影响。

综上所述，CAI人群健患侧单脚站时均表现出皮层的特征性激活增加，提示CAI人群存在双侧下肢功能异常的可能，为后续研究临床干预的效果提供新可能。

基金资助:国家自然科学基金项目(81871823);

文章来源:许枭云,马腾佳,薛啸傲,等.慢性踝不稳患者双侧下肢单脚站时脑激活的特征研究[J].中国康复医学杂志,2025,40(04):550-554.