健康人平衡任務近紅外腦功能成像的系統研究

陳茜茜 陸 琰 鮑春蓉 權宏磊 任 婕 吳緒波1，△

1)上海中醫藥大學康復醫學院，上海 201203 2)上海中醫藥大學附屬第七人民醫院，上海 200137

平衡是指身體在運動或受到外力作用時，能自動調整并維持姿勢的一種能力[1]。平衡控制是一個閉環，一般認為維持平衡的環節包括感覺輸入、感覺整合、運動控制[2]。視覺、本體感覺、前庭系統的信息輸入是保持平衡過程中重要的三大感覺輸入[3]。當身體處于不平衡的狀態時，中樞神經系統將傳入的感覺信息整合傳出到運動系統，隨后身體作出相應的反應重新達到平衡。這時，感覺系統再次輸入新的感覺信息從而形成了一個閉合的環路。功能性近紅外光譜技術(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)具有便攜性、低成本、頭動偽跡影響小等優點[4]，在動態任務腦功能成像研究中具有較大的優勢[5]。fNIRS利用血紅蛋白(O2Hb)和脫氧血紅蛋白(HHb)在近紅外(700～900 nm)范圍內的光學特性，在神經-血管偶聯[6]過程中檢測腦血管中其濃度變化[4]，從而推測相關腦區及各腦區之間的關系。

目前，部分學者采用感覺統合測試(sensorial organization test，SOT)結合fNIRS的方式，對平衡任務期間針對視覺、本體覺、前庭覺的影響及其相關腦區活動進行更進一步分析[7-11]。此外，也有在平衡任務中引入VR技術為研究提供了進行多樣和有目的任務的機會[12-14]。本文旨在通過fNIRS監測不同任務態下健康人的相關腦區活動，歸納姿勢控制平衡的相關腦區，積極探索不同動態平衡任務、老化和相關腦區的相互關系。

1 資料與方法

1．1文獻納入標準(1)研究對象為健康人(≥18歲)，含有健康人組的實驗；(2)站立平衡任務；(3)有平衡任務期間的實時皮質活動。

1．2文獻排除標準(1)缺少原文；(2)非中英文文獻；(3)文獻綜述、個案研究、討論、會議；(4)與平衡無關的干預和治療、藥物對任務的影響。

1．3文獻檢索策略計算機檢索PubMed、Cochrane、Web of Science、ScienceDirect、Medline、Embase等數據庫，檢索時限為2010-01—2020-01。采用主題詞與自由詞組合的方式檢索。英語檢索詞包括：Spectroscopy，Near-Infrared(主題詞)、postural balance(主題詞)、near-infrared spectroscopy、fNIRS；balance、balance control、postural control、postural ability、body equilibrium。對檢索出的文獻中的關鍵參考文獻進行了額外的抽查檢索，以進一步加強文獻綜述的可靠性。以PubMed為例，具體檢索策略如圖1所示。

1．4文獻篩選與資料提取將檢索到的所有中英文文獻導入Endnote X9版文獻檢索與管理軟件進行合并，剔重后閱讀題目，排除明顯無關文獻后，閱讀摘要、全文以確定是否納入(圖2)。資料提取內容包括：(1) 納入研究的基本信息：文章題目、第一作者；(2)研究對象的基本特征：樣本量、年齡、性別；(3)具體的平衡任務；(4)本研究需要的神經影像結果。

2 結果

2．1文獻概況通過數據庫檢索共獲得文獻1 141篇，剔重后剩余文獻672篇。經閱讀文題和摘要排除651篇。通過閱讀全文，排除文獻7篇，最終納入系統綜述14篇。納入研究的過程和篩選標準見圖2。納入研究的詳細信息見表1。

2．2自動動態平衡任務9篇文獻[8-11，12，15-18]對262例健康人進行了自動動態平衡任務之下相關腦區fNIRS成像結果的報告，fNIRS的光源探測器通常定位于額葉、顳葉、頂葉、枕葉。其中5篇[8-11，15]探討了不同感覺輸入對姿勢控制與平衡的影響。實驗表明，僅有前庭覺輸入的情況下，STG、SMG被激活。HIROMASA等[8]評價了11例健康年輕男性在SOT 6種情況下的表現，在僅測試前庭覺的條件下，f-Op、STG、p-Op、SMA被明顯激活。KARIM等[9]發現，當完全依賴前庭信息進行平衡控制時，雙側STG、SMG被激活。LIN等[11]還發現，老年人枕葉ROI也明顯激活。DLPFC在姿勢控制中參與分配注意力資源。TEO等[10]發現，隨著感覺復雜性的增加，年輕人和老年人雙側DLPFC激活且老年人表現出更大程度的激活。HELMICH等[15]的實驗中年輕人在不穩定平面上閉眼的情況下，DLPFC激活。

其他4篇文獻[12，16-18]描述了在站立活動時重新獲得穩定狀態過程中腦皮質的活動。HEROLD等[17]報告了當健康人從穩定到不穩定平面上進行姿勢與平衡控制時，SMA、中央后回、中央前回的O2Hb上升。同時ROSEN等[16]也發現，在60 s的睜眼單腳站立實驗中健康人這三個區域O2Hb較大。在8 s的默數站立任務中，MAHONEY等[18]描述在整個過程中PFC血氧飽和度上升，但后4 s中PFC的上升減少，表明在后4 s中被試完成了相似水平的姿勢控制。KARIM等[12]使用VR技術設計不同難度讓受試者做模擬滑雪任務，在雙側STG和SMG均觀察到激活。

圖1 PubMed檢索策略

圖2 文獻篩選流程圖

表1 納入文獻的基本信息

續表

注：f-Op：額下回；p-Op：右頂蓋；STG：顳上回；SMG：緣上回；SMA：輔助運動區；PFC：前額葉皮質；DLPFC：背外側前額葉皮質。ST：單任務；DT：雙重任務

2．3他動動態平衡任務2篇文獻[13-14]報告了受試者在他動動態平衡任務中PFC的腦血氧飽和度的變化。在BASSO MORO等[13]的試驗中，設置干擾程度為4個等級，隨著干擾程度的增大，平衡板前后擺動的速度變快，被試的PFC O2Hb升高；從3～4難度等級變化中，PFC的O2Hb、HHb變化趨于穩定。在任務中雙側PFC激活程度增大以應對任務難度的增加，與FERRARI等[14]的試驗結果相同。

2．4雙重任務3項研究[19-21]使用fNIRS監測健康人在雙重任務期間的大腦活動。MARUSIC等[19]報告健康年輕人和老年人在任務期間的表現。在單任務和雙重任務中，當受試者從正常站立轉換成串聯步站立后，PFC的O2Hb顯著升高；將認知任務添加到正常站立中DLPFC的O2Hb并無明顯變化，表明在DLPFC中姿勢負荷對其影響大于認知負荷。ROSSO等[20]發現老年人在注意力單任務和雙重任務中DLPFC激活；年輕人僅在注意力單任務條件下，聽覺選擇反應刺激引起DLPFC激活。關于閉眼站在平臺上的姿勢任務，年輕人和老年人DLPFC、SMG、STG均被激活，年輕人激活程度更高。在試驗中，老年人雙重任務干擾較大，表現出PFC和顳葉更大的激活。在FUJITA等[21]以雙腳站立和單腳站立作為姿勢任務，Stroop測試為認知任務的試驗中，報告了單腳站立單任務和雙任務中SMA和右側DLPFC激活程度比雙腳站立單任務大。

3 討論

站立被認為是相對自動運動任務，主要依賴于皮質下結構，如基底神經節和小腦的控制[17]。SMA參與動作計劃[22]和肢體協調[17]。從地面雙腳站立到更具挑戰性的站立，SMA被激活是對平衡情況的反應，從而計劃維持平衡的動作[23]。研究[24]發現，SMA與中央前回、小腦區域有強烈共同激活作用；在不平衡情況下，共同被激活以保持平衡。

關于PFC的納入研究中[10-11，19-20]，老年人在平衡任務期間的腦活躍高于中年人和年輕人，與MIRELMAN等[25]實驗結果一致。隨著年齡增長，個體執行任務的效率較低，大腦可能會增加某個神經網絡的活動，以彌補處理效率的下降。PFC的活躍性普遍增加，可能是適應性大腦的標志[26-27]。但MARUSIC等[19]發現老化在執行任務期間對O2Hb無顯著影響。值得注意的是，該研究選擇串聯步站立而非雙足站立的任務。引起結果差異可能是因老化使得大腦神經網絡之間的功能性連接變弱[28]，而年輕人在更高姿勢和注意力要求的任務中可利用資源更多，也可能在更具挑戰性的姿勢任務下，腦區逐漸適應這項任務[29]。

在SOT條件下的試驗普遍發現，當受試者視覺和本體感覺反饋均退化，主要依賴前庭信息時，顳頂葉區域的激活增加[8-11]。一項進行模擬滑雪游戲的研究中描述了SMG、STG的激活[12]?；┦嵌喔杏X輸入和統合的過程，SMG、STG參與調節了視覺、本體覺、前庭覺的信息處理。LIN等[11]的研究還發現，在任務期間視覺和本體感退化時，老年人的枕區相關皮質也明顯激活，提示老年人更大程度地運用視覺和前庭覺維持平衡。有研究發現STG、視覺聯合皮質參與視覺前庭的自我運動處理和來自不同感覺信號的信息整合[30]。在老化過程中，這可能是大腦完成任務的一種適應性處理。

本次研究存在一些局限性。首先，納入文獻數量及其樣本量均較小，從而不具代表性和普遍性。第二，由于高皮層結構的參與可能會隨著訓練而改變[21]，由于符合要求文獻較少并未納入，未來可將此部分研究納入進行進一步分析。

SMA、SMG、STG、PFC參與平衡的控制。少量研究表明平衡任務期間中央前回、中央后回被激活。此外，老化對平衡任務期間PFC的影響有必要進行進一步研究。fNIRS在非臥床和平衡研究中具有明顯優勢，未來可以使用多通道fNIRS對更多腦區更多更具挑戰性的動態平衡任務進行研究。