事件相關電位在腦卒中偏癱病人上肢運動時腦電特征研究中的應用

李 海，趙江莉，危昔均，王冰水，毛玉瑢，李 樂，黃東鋒，3

腦血管病已成為我國居民死亡的主要疾病[1]，腦卒中是單病種致殘率最高的疾病，給社會、家庭造成沉重的負擔[2]。上肢運動功能障礙是腦卒中病人最常見的功能障礙[3-7]。腦卒中后上肢運動腦電特征的研究對運動重建的神經機制研究及康復策略制定具有重要意義。事件相關電位(event-related potential，ERP)技術是一種靈活的非侵入性手段，其中運動相關皮層電位(movement-related cortical potential，MRCP)被應用于運動及腦損傷后的康復機制研究。卒中后偏癱病人運動時，偏癱肢體對側皮層運動區運動電位(motor potential，MP)波幅增加，提示損傷區域執行運動指令的能量需求增加，但對MRCP潛伏期的影響一直存在爭議[8-9]。事件相關去同步化(event-related desynchronization，ERD)指的是與感覺處理或運動行為相關頻率下降的現象。在初級感覺運動皮層被記錄到的與α節律相同頻率范圍的腦電活動被稱為mu節律，人類主動運動的執行和準備階段及運動想象和運動觀察過程皮層感覺運動區域均出現mu-ERD[10-12]，腦卒中病人受損半球的ERD值與肢體剩余運動能力呈正相關[13]。本課題組前期已進行正常人群運動準備和運動執行時的ERP研究，發現正常受試運動過程中腦電在時域和時頻域的變化表現出不同特征。mu-ERD被發現在運動準備階段具有更強的對側控制特征，可能是檢測運動意圖的更好指標[14]。為探討腦卒中后偏癱病人上肢運動時運動準備、執行過程的腦電活動在時域和時頻域方面的特征性改變，本研究應用指令運動及提示指令運動范式進行腦卒中病人單側上肢運動時的腦電ERP試驗，為進一步探討腦卒中后上肢運動控制的神經康復機制及神經可塑性機制提供神經電生理依據。

1 資料與方法

1.1 研究對象 招募以偏癱為主要癥狀的腦卒中恢復期至慢性期病人參加本研究。入選標準：①經 CT 或磁共振成像(MRI)檢查確診為腦卒中(病程時間>1個月)；②單側皮層或皮層下病灶損害；③Brunnstrom 分期≥2 期；④起病前為右利手；⑤無嚴重認知功能障礙，可配合完成所有研究評估項目；⑥符合及耐受ERP檢查要求；⑦自愿簽署知情同意書。排除標準：①充血性心力衰竭；②下肢深靜脈血栓；③惡性進行性高血壓；④呼吸功能衰竭；⑤活動性肝病、肝腎功能不全等嚴重并發疾病，一般情況差，不能配合完成研究評估項目者；⑥嚴重認知功能障礙不能理解并執行試驗任務者；⑦上肢骨關節疾病不能進行研究所規定的上肢運動者；⑧既往有精神疾病史或服用抗精神病藥物病史；⑨有嚴重的偏側空間忽略。本研究獲得醫院倫理委員會的批準，病人參加研究之前均已被告知研究具體內容并簽署知情同意書。

1.2 腦電試驗數據的采集 腦電數據采集在屏蔽試驗室進行，屏蔽室消除電磁信號及環境噪音干擾，觀察窗供研究人員觀察受試者試驗時的行為反應。試驗時受試者坐于放置電腦屏幕的桌子前，屏幕距受試者約75 cm(雙眼水平)，受試者雙側前臂置于桌面。Brain Products公司(Munich，Germany)生產的32導聯Ag/AgCl電極主動電極帽actiCap(Herrsching，Germany)用來記錄腦電信號，基于擴展的國際10-20系統定位，參考電極位置FCz，地電極位置AFz，采樣率1 000 Hz，試驗期間電極阻抗保持在5 kOhm以下以保證數據質量。將左右各一對表面電極分別置于雙側的橈側腕伸肌(ECR)處以記錄伸腕運動表面肌電信號。

本研究中的運動任務為雙上肢分別進行單側伸腕運動。試驗1為指令運動范式，屏幕上隨機呈現向左或向右的實心箭頭，E-prime軟件隨機選擇，左右方向各重復40次，總共80個循環。受試者根據箭頭方向做左側或右側伸腕展活動1次，然后回歸休息位直到下一個運動指令出現。試驗2為提示指令運動范式，在試驗1的圖片運動指令前1 000 ms屏幕提示運動方向(虛心箭頭)，運動指令后受試者按照同樣規則進行伸腕運動。

1.3 肌電及腦電數據分析方法 腦電數據分析軟件Brain Vision Analyzer 2.1(Brain Products，Germany)，數據分析軟件Matlab 2016a(The MathWorks Inc.，USA)和Letswave(版本7，https：//letswave.cn/)用于分析離線EEG數據。Brain Vision Analyzer 2.1軟件的EMG附加組件用于分析EMG數據。

肌電數據選取活動側上肢肌電起始時間、峰值時間、峰值波幅，由Brain Vision Analyzer 2.1肌電分析組件運行分析，肌電起始點閾值為在正負任一方向為超過基線平均值的4個標準差[9]，肌電峰值時間、峰值波幅由軟件計算后導出。EEG數據取平均值，眼電對腦電的干擾應用基于獨立成分分析(independent component analysis，ICA)的眼電矯正方法進行半自動矯正，去除眼電干擾后的腦電數據進行帶寬濾波(0.01～50 Hz)、去偽跡處理，然后根據視覺指令信號進行分段、基線矯正。分段并基線矯正處理后的腦電數據按進行疊加平均，得到腦電ERP波形。MP的潛伏期、波幅作為運動相關電位的主要統計分析指標，選擇代表初級運動皮層的C3、Cz、C4導聯進行統計分析比較。分段后的腦電數據進行平均連續小波轉換后，再經基線矯正后得到時間-頻率譜圖，本研究選擇觀察頻率范圍為0～30 Hz，提取mu-ERD(8～13 Hz)運動準備階段-0.5～0 s，運動執行階段0.5～1.5 s數據進行統計分析。

1.4 統計學處理 使用IBM SPSS 22統計軟件進行統計分析，統計檢驗采取雙側檢驗，α=0.05為統計可接受的臨界概率值。根據數據是否符合正態分布，雙側伸腕運動的參數在受試者的患側及健側之間、檢驗試驗1和試驗2同側相關參數之間進行配對樣本t檢驗或Wilcoxon檢驗。腦電數據進行不同導聯位置的Kruskal WallisH檢驗。

2 結 果

2.1 一般資料 因本研究為臨床基礎研究，入選僅以偏癱為主要癥狀的腦卒中恢復期病人，可進行伸腕運動，語言、認知功能良好，可理解、溝通并配合腦電ERP試驗，入選病人存在一定難度。研究期間共17例腦卒中病人完成研究，其中男14例，女3例；年齡(54.10±10.95)歲；腦卒中原因：腦梗死10例，腦出血7例；左側偏癱9例，右側偏癱8例。本課題組前期使用相同ERP范式已進行正常人群研究[14]，未發現不同性別之間運動相關腦電特征的差異，故本研究未進行性別分層研究。

2.2 肌電表現 試驗1指令運動范式下肌電峰值時間，患側為(956.6±249.4)ms，健側為(743.0±201.2)ms，患側與健側比較差異有統計學意義(t=3.486，P=0.006)。患側和健側分別進行指令運動和提示指令運動時，提示運動下肌電起始時間、峰值時間均縮短(P<0.01)。詳見圖1。

*P<0.05，**P<0.01。圖1 指令運動及提示指令運動范式下腦卒中病人肌電起始時間和峰值時間比較

2.2 運動相關電位 1例腦卒中病人兩種范式下ERP試驗的腦電數據預處理后所得MRCP圖形詳見圖2。

所有受試者兩種范式下ERP試驗各分析導聯位置的MP數據見表1。配對樣本Wilcoxon檢驗顯示，試驗1運動范式下運動肢體對側皮層(Z=-3.516，P<0.001)、Cz(Z=-3.258，P=0.001)、同側皮層(Z=-2.430，P=0.015)的MP波幅，健側、患側運動比較差異有統計學意義；試驗2運動范式下運動肢體對側皮層(Z=-2.201，P=0.028)、Cz(Z=-2.481，P=0.013)的MP波幅，健側、患側運動比較差異有統計學意義。對不同導聯位置的腦電數據進行Kruskal-WallisH檢驗，結果顯示試驗1健側、患側運動時各導聯MP波幅比較差異有統計學意義(患側P<0.001，健側P=0.022)，詳見圖3，試驗2患側運動時各導聯MP波幅比較差異有統計學意義(P=0.026)。兩種范式下腦電數據配對樣本Wilcoxon檢驗結果顯示，試驗2提示下指令活動較試驗1指令活動患側運動時Cz(Z=-2.341，P=0.019)、患側肢體同側運動皮層(未受損腦區)的MP潛伏期縮短(Z=-2.691，P=0.007)；而健側運動時兩種范式情況下運動的各皮層位置MP潛伏期比較差異無統計學意義。

表1 腦卒中病人兩種范式下ERP試驗的動作電位[(±s)，M(P25，P75)]

圖3 試驗1患健側上肢運動時運動皮層的MP波幅

2.3 運動相關腦電時頻域改變 提取運動執行階段8～13 Hz、0.5～1.5 s的平均反應值，運動準備階段8～13 Hz、-0.5～0 s的平均反應值進行統計分析，mu-ERD平均反應值進行各導聯位置間的Kruskal-WallisH檢驗、健患側運動時的Wilcoxon檢驗，不同導聯位置及健患側腦區之間數據比較差異無統計學意義。詳見表2。

表2 腦卒中病人兩種運動范式下mu-ERD平均反應值[M(P25，P75)]

3 討 論

腦卒中病人運動時患側肌電峰值時間較健側延長，提示患側肢體運動功能受損。提供視覺提示的情況下，健側肢體和患側肢體運動的肌電起始時間和峰值時間均縮短，說明視覺提示可以起到協助運動準備過程，易化運動啟動的作用，幫助加速神經運動功能受損病人的運動反應速度[15-16]。提示在腦卒中運動功能康復過程中為病人提供視覺提示有助于運動皮層的準備，加速運動的啟動和執行。

腦卒中病人患側肢體運動時MP波幅在對側運動皮層以及運動中央區域均明顯增高。MP成分由運動皮層下電活動疊加產生[17]，并一定程度上與運動興奮的傳入相關[18]，MP波幅可能與運動準備及執行的能量需求與能量消耗相關[19]。腦卒中偏癱病人運動神經通路的損傷完全或不完全阻斷了既往已經建立的運動控制網絡連接，故而嘗試完成同樣運動控制任務時的神經支配效率降低，產生更多的能量需求與消耗。本研究對腦卒中病人運動相關電位波幅的發現與既往文獻的報道[8-9]是一致的。在對運動學習的研究發現，通過反復練習掌握某項運動技能后進行該運動時大腦的運動相關電位波幅下降，潛伏期延長，反映了隨著對運動技能的掌握大腦運動皮層的運動控制效率提高，能量需求及消耗減少[20]。在腦卒中運動康復領域，這些研究結果支持康復干預的劑量控制原則，即增加目標運動技能的鍛煉劑量有望提高運動功能康復的收益。如強制性誘導運動療法已被證實可以改善腦卒中病人的上肢活動能力、生活質量和社會參與[21-24]，但是強制性誘導運動療法是否比同等劑量的常規治療相比更有優勢還不明確[25-26]。強制性誘導運動有效性的機制可能與限制健側肢體或軀干的活動，強制患側肢體運動從而增加其運動劑量有關，通過不斷強化訓練患側肢體運動控制的神經環路而提高中樞神經運動控制效率，從而改善患側肢體運動功能。

腦卒中病人運動時偏癱肢體同側運動皮層的改變值得關注。試驗2提示下患側肢體運動時，Cz及同側(未損傷腦區)皮層MP潛伏期縮短。腦卒中病人患肢對側運動皮層功能受損的情況下，提示對運動控制的調節作用可能是通過運動中央區及損傷對側運動皮層的代償作用來實現的[27-28]。

mu-ERD被認為是大腦激活的反映[29]，正常健康人運動時腦電時頻域特征為執行階段雙側運動皮層激活，而中央區激活不明顯，運動準備階段主要為對側運動皮層的激活[14]。腦卒中病人運動準備及運動執行階段都表現為雙側運動皮層及中央區的激活，運動準備階段的ERD偏側性不明顯。本研究結果提示腦卒中病人運動時大腦皮層對比正常健康人群產生了更大范圍的激活。這一現象同時印證了腦卒中運動康復過程中的同側代償機制和相鄰區域代償機制，反映了未受損區域代償的皮層重組康復機制，這和既往動物模型研究結果[30]一致，且這種代償作用體現在運動的準備和執行階段。

腦卒中病人患側肢體運動功能受損的情況下，視覺提示仍然可以起到協助運動準備過程，易化運動啟動的作用。患側肢體運動時MP波幅在對側運動皮層以及運動中央區域顯著增高，提示下患側活動時，Cz及未損傷側皮層MP潛伏期縮短，反映了中央區及損傷對側運動皮層的代償作用。腦卒中病人單側肢體運動時產生更大范圍的皮層mu-ERD，提示中央區及對側未受損區域的代償機制。ERP技術可應用于腦卒中病人的運動相關腦電活動研究并展示其特征性改變。