運動性肌肉疲勞對肌電與腦電相干性分析

【摘 要】大腦是人體的運動中樞，脊髓運動神經元生物電活動受大腦皮層控制產生肌電信號，大腦皮層自發或誘發的腦電活動則稱之為腦電信號。探討二者之間的關系對于深入認識運動性肌肉疲勞的本質具有重要意義，文章據此做簡單的實驗性分析。

【關鍵詞】運動性肌肉疲勞;肌電;腦電

一、實驗階段

（一）受試者選取

從XX高校隨機選取15名健康青年男性志愿者作為受試者，受試者皆無專業體育運動訓練經歷，且都是右利手;所有受試者在實驗前需接受問卷調查，確保受試者身體健康狀況良好。

（二）實驗程序

正式實驗進行之前，受試者坐在座椅上，上身保持直立，分別調節座椅高度和身體姿勢，使得髖、膝、踝關節保持90°，雙腳平放于地面。右前臂與右上臂保持垂直，右上臂與水平面保持垂直，另一側手臂自然下垂于體側。囑咐受試者身體保持放松，內心保持平靜，記錄受試者在安靜狀態自由眨眼20次過程中的眼電和腦電活動，已備后期去除眼電偽跡時用。之后進行屈肘疲勞負荷實驗。受試者在保持實驗開始前準備姿勢的條件下，使受試者右臂腕部拉住可在肘關節處產生20%MVC的重物，至受試者不能堅持負荷運動任務時結束實驗。記錄靜態屈肘疲勞負荷過程中受試者肱二頭肌表面肌電信號及腦電信號。

（三）表面肌電信號采集

記錄實驗過程中受試者右側肱二頭肌表面肌電信號。放置電極前利用磨砂膏打磨皮膚表面以去除角質和表面污垢，之后用75%酒精棉球清理皮膚表面，以減小阻抗。利用醫用膠帶將測試電極置于右側肱二頭肌肌腹表面，兩電極間距2cm。通過注射針管往每個肌電測試電極內注入導電膏，并通過導聯電阻監測圖了解測試導聯與皮膚的接觸情況。實驗過程中保證2個測試肌電電極的電阻低于10000Ω，SEMG采樣頻率設置為2000HZ，帶通濾波1～1000HZ。

（四）腦電信號采集

按照國際10/20系統安放電極。實驗時先讓受試者帶上電極帽，并將具有松緊性的電極帽套罩在電極帽上，以增加腦電電極與頭皮的接觸。通過注射針管往每個腦電電極內注入導電膏，在此過程中通過腦電記錄系統自帶的腦電導聯電阻監測圖可以確定腦電導聯與頭皮的電阻值及接觸情況，并根據接觸情況對某些特定電極進行處理（在電極表面施加壓力、增加注入導電膏量等方法）。實驗過程中保證每一腦電導聯與頭皮接觸的電阻低于5000Ω。選取頭頂作為參考電極。腦電信號的采集參數設置為：采樣頻率2000HZ，帶通濾波0.01～100HZ。設置腦電信號采集系統參數為50HZ以屏蔽50HZ交流電信號對測試腦電信號的影響。

二、研究數據

靜態屈肘疲勞負荷實驗過程中肱二頭肌SEMG指標隨運動時間的變化曲線如圖1所示。通過對各受試者疲勞負荷實驗運動持續時間進行統計發現，各受試者運動持續時間為364.93±93.92S，其中，運動持續時間的最大值為561.00S，最小值為249.00S。隨著靜態屈肘運動持續時間的延長，肱二頭肌SEMG指標RMS表現出逐漸增大的趨勢（P<0.05），而MF表現出逐漸減小的趨勢（P<0.05，圖1）。

由圖2可知，運動開始、結束階段內記錄的EEG功率譜在α、β、γ頻段內的均值分別在3000μV2、2000μV2和1000μV2左右，而開始、結束階段內記錄的SEMG功率譜在α、β、γ頻段內的均值則分別在20000μV2、40000μV2和40000μV2左右。運動開始、結束階段所記錄的EEG與SEMG功率譜在α、β、γ頻段內的值皆有顯著性差異，運動結束階段內記錄的EEG與SEMG功率譜值要顯著高于運動開始階段。

三、討論階段

從實驗過程中測試肌肉肱二頭肌SEMG的變化情況看，時域指標RMS隨運動持續時間表現出良好的增加趨勢，頻域指標MF隨運動持續時間表現出逐漸減小的趨勢。前期對次最大負荷靜態收縮誘發運動性肌肉疲勞引起SEMG指標變化的相關研究表明，RMS隨運動持續時間逐漸增加、頻域指標MF隨運動持續時間逐漸減小，是肌肉在次最大負荷靜態收縮誘發局部肌肉疲勞的典型特征。本研究中，RMS、MF隨運動持續時間的變化情況一方面反映了疲勞負荷實驗過程中神經肌肉系統功能狀況的變化;另一方面，也提示本實驗疲勞模型設計的科學性和所獲實驗數據的有效性。

在運動性肌肉疲勞引起參與收縮肌肉SEMG與EEG功率譜能量變化的研究方面，研究表明，在拇收肌進行靜態最大自主收縮誘發疲勞后，腦對側區導聯記錄EEG振幅RMS都出現增加，其中，RMS在β頻段內的值最大，在γ頻段內的值最小。30%MVC靜態屈肘誘發屈肘肌疲勞運動后半段內測試肌肉SEMG及EEG功率譜能量皆出現顯著性的增加，其中，EEG能量在β頻段內的增加尤為顯著。本研究中，疲勞引起測試肌肉SEMG與EEG能量在各頻段皆出現顯著性的增加。由于運動性肌肉疲勞中運動皮層、脊髓前角運動神經元激活能力下降及肌肉外周收縮能力下降，為維持既定的負荷運動任務和補償由中樞與外周的一系列變化，中樞神經系統募集更多的皮層脊髓細胞和運動單位參與肌肉收縮。兩信號的相干性分析結果反映了兩分析源信號在不同頻率或頻段內的接近程度。

本研究結果表明，以20%MVC恒定負荷靜態收縮誘發屈肘肌疲勞引起肱二頭肌SEMG與腦電C5導聯記錄腦電在β頻段、SEMG與腦電Pz導聯記錄EEG相干函數在α頻段內頻率一致性的增加。由于運動皮層對軀體運動的對側性支配原理，在受試者右側肘關節屈曲運動過程中，左腦區作為支配該運動的最主要皮層區域，在其表面記錄到的EEG可以反映出皮層對運動控制的重要信息;而C5導聯作為左腦區區域的導聯，其記錄EEG與肱二頭肌SEMG相干函數在β頻段內的值增加，提示，疲勞引起外周收縮肌肉與對側腦區運動皮層活動的振蕩耦合性增加。對于運動皮層與外周肌肉生物電活動頻率一致性產生的生理學機制，最初的研究認為其與皮質脊髓軸突及其發出抵達脊髓運動神經元的單突觸連接調節活動密切相關。

此外，有研究認為，肌電與腦電相干性分析結果可能跟同步放電的運動皮層神經元數目有關。最近的研究則表明，肌電與腦電相干性分析結果是一個受到多種因素影響的復雜問題，其中，外周肌肉的感覺反饋作用及倫肖細胞抑制作用的變化等都會對運動皮層與外周肌肉生物電活動頻率一致性產生影響。本研究中發現的運動性肌肉疲勞引起肌電與腦電相干函數在β頻段內的增加可能跟疲勞后各種原因引起上運動神經元對脊髓內α運動神經元支配性的改變、疲勞后參與活動的運動皮層細胞活動的同步性增加、傳入纖維反饋調節作用變化、疲勞引起的倫肖細胞抑制作用降低等因素共同作用進而引起皮層調節活動的改變有關。因此，通過以上討論可以看出，運動性肌肉疲勞誘發肌電與腦電信號相干函數在β頻段內值的變化是疲勞后中樞與外周特定性改變引起的必然外在反映。這種變化一方面揭示了疲勞引起中樞與外周耦合性的總體變化;另一方面，也為深入認識和探索疲勞中運動皮層、脊髓、外周肌肉、神經傳導通路及相關調控系統之間功能活動的聯系提供了參考依據。

【參考文獻】

[1]運動性肌肉疲勞過程中主動肌與拮抗肌sEMG相干性分析[J]. 王樂軍，黃勇，龔銘新，毋江波，李占強，岳增科.體育科學. 2011（10）

[2]不同形式肌肉運動疲勞前后肌電參數及腦電α指數的變化特征[J]. 張立，周彬.武漢體育學院學報. 2010（04）

作者簡介：李梅杰（1982—），河南周口人，黃河科技學院副教授，研究方向：體育教育訓練學。

項目來源：2019年度河南省教育廳重點項目，項目編號：19A890012 ，項目名稱：力竭運動致大鼠紅細胞氧化應激損傷及其機制研究。