運動想象重塑腦功能的研究進展

吳拾瑤，隨力，楊蘭，劉亮

上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093

前言

中樞神經系統中的腦具有高度可塑性，其可塑性和腦內的突觸增強、細胞與血管再生、神經網絡重新連接及腦皮層重組與代償等密不可分，腦結構與功能會隨著學習與訓練，如電子競技游戲、音樂訓練、語言學習、運動技能學習等發生變化［1］。在這些學習和訓練過程中，單純的運動想象（Motor Imagery,MI）訓練具有腦功能重塑的作用。MI指腦演練或模仿一個指定動作且不伴隨實際動作執行的心理過程，MI訓練及實際運動執行時，腦內的一些區域，如初級運動區、基底核和小腦都被激活了［2］。目前，MI訓練不僅廣泛應用于腦損傷后的康復訓練中，也廣泛應用于運動員和藝術家的動作靈活度訓練［3-4］。本研究就近年來MI重塑腦功能相關研究進行歸納和總結。

1 MI重塑腦功能的理論模式

MI的執行方式分為動覺想象（Kinesthetic Imagery,KI）與視覺想象（Visual Imagery,VI）兩種［5］，KI指以第一人稱想象自己實際完成動作，自身是執行者，想象肢體運動過程中的肌肉、肌腱以及關節運動的感覺；VI指以第三人稱或旁觀者的角度觀察自己或者別人的肢體運動［6］。不論是KI還是VI都改善了運動表現［7］。MI引起的活動量雖然沒有產生實際運動，但MI過程興奮的腦區和實際運動興奮的腦區有很大程度的重疊，兩者都可以興奮皮質運動前區、輔助運動區、扣帶回和頂葉皮質等［8］，MI具有重塑腦功能的作用。

MI 重塑腦功能的理論模式有多種，較為公認的是心理神經肌肉理論模式和鏡像神經元理論模式。心理神經肌肉理論模式指人在進行運動計劃或實際運動時有“流程圖”產生并存儲于腦內，如果實際活動中所涉及的運動流程圖與MI 時所涉及的流程圖相同，就可通過MI 強化完善這一流程圖，即MI 訓練可誘發出與實際運動類似的神經生理反應。程欣欣等［9］研究表明MI時，機體雖然并未執行實際動作，但外周相關肌肉出現了電活動，即出現了心理神經肌肉反應。MI的另一種理論模式為鏡像神經元理論模式，鏡像神經元是一類特殊的視覺運動神經元，人類的鏡像神經元存在于中央前回的下部、額下回的后部、頂下小葉和頂內溝內部，這些區域構成了人類鏡像神經元系統的核心［10］。有研究發現在人進行MI時，初級和次級體感皮層有激活現象，推測是鏡像神經元觸發導致的，并且刺激鏡像神經元可用于康復訓練中［11］。

目前MI重塑腦功能的幾種理論模式一致認為，MI在大腦中反復想象某種動作或情境，誘發和增強了來自外周感受器的感覺信息輸入以及來自大腦的沖動信息傳出，促進潛伏神經傳導通路及休眠突觸的活化，加速腦功能重組。

2 MI重塑腦功能的實現方式

早前的自主MI訓練屬于純粹的心理訓練，雖然操作方便，但訓練期間完全依賴被試者的主觀感受，因此MI訓練期間易受到外界條件的干擾，不利于后續的結果分析與驗證。隨著技術的發展，MI訓練開始和腦機接口（Brain-Computer Interface,BCI）技術結合起來，使得在訓練過程中的信號能被即時測量與反饋。BCI是在大腦和計算機或其他電子設備之間建立的不依賴于常規大腦信息輸出通路技術。BCI作為近年來發展迅速的一種新型智能交互方式，可將MI的心理活動轉換為可分析處理的腦信號，這些腦信號轉化為輸出信號，以控制外部設備實現一定的功能，將MI轉變為行動和反饋［12］。多種腦功能測量技術，如腦電、功能性核磁共振（functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）和功能性近紅外光譜技術［13］，獲取的腦信號都已被報道可以成功應用到基于BCI的MI（BCI-MI）訓練中。BCIMI訓練可有效地進行腦功能重塑，在腦功能增強和康復中起到重要作用。Ethan等［12］的研究表明在腦卒中患者中，采用BCI-MI訓練后，病灶側病灶區以外的運動區功能恢復并替代病灶區功能，顳、額、枕、頂葉多個腦區間功能連接增強，表明BCI-MI具有重塑腦功能的作用。

BCI-MI使神經生理及腦代謝活動得到實時捕捉與量化，實驗進行中能隨時了解被試者的狀態，在數據準確性與實驗可控性方面優于自主MI。特別是近年來隨著腦功能信號人工智能算法的改進和BCI信息傳輸速率的提高，BCI-MI有了較大的發展空間。因此，BCI-MI是MI發展的必然趨勢。

3 MI重塑腦功能的評估

MI是在不產生實際動作的情況下促進腦功能重塑的心理訓練，其評估方法大體可劃分為定性評估和定量評估。定性評估是在MI訓練結束后使用主觀問卷調查來評估MI的作用效果，主要采用MI量表進行評估。MI量表有多種，目前臨床上廣泛應用的是運動覺及視覺想象問卷-20（Kinesthetic and Visual Imagery Questionnaire-20, KVIQ-20）及精簡版視覺想象問卷-10（Visual Imagery Questionnnaire-10,KVIQ-10），這兩種想象問卷量表將運動覺、視覺成分分為5級來評估MI能力的精準度，兩種量表不過分依賴被試者，適用于健康和患病人群。

定量評估是采用神經影像及神經電生理方法，如腦電圖（Electroencephalography, EEG）和fMRI 等，評估MI對腦功能的重塑程度。擁有較高時間分辨率的EEG 是使用頻率最高的一項技術，EEG 中事件相關去同步化（Event-Related Desynchronization, ERD）與事件相關同步化（Event-Related Synchronization,ERS）信號是最常使用的指標。運動的準備、執行與想象都會在感覺運動區產生局限性的ERD 或ERS，最大值集中在α 頻段和β 頻段。具有較高空間分辨率的fMRI 也廣泛應用于MI 重塑腦功能的評估中。相關研究顯示，MI能激活包括前運動皮層、初級運動皮層、前扣帶皮層以及小腦等區域［6］，其中初級運動皮層在實際運動中也同樣被激活，只是MI 的激活程度較弱，這證明了MI 能激活運動功能區。Nierhaus等［14］通過fMRI 測量可知左感覺運動區、頂葉內側區和左枕葉區的T1加權強度增加，表明MI 對fMRI 中腦功能重塑性參數的影響。

MI 重塑腦功能的定性評估和定量評估中，定性評估過于主觀，定量評估中的神經影像學和神經電生理學評估方法也需結合被試者的主觀感受進行具體分析，因此，目前較理想的MI重塑腦功能的評估方法應該是定性評估和定量評估的有機結合。

4 MI重塑腦功能的應用

MI 訓練中感覺運動區激活能調節運動過程，促進運動學習［8］。Pascual-Leone等［15］最早研究了MI的腦功能重塑作用，提出皮層重組可由心理練習引起，

MI 和實際運動產生了相似的腦功能重塑作用。MI的腦功能重塑目前可應用于健康人群的腦功能增強及疾病狀態下的腦功能康復。表1歸納了近年來對幾類健康人群進行MI訓練的腦功能重塑結果。

表1 健康人群MI訓練重塑腦功能的研究Tab.1 Studies of MI training for remodeling brain functions in healthy people

MI 也廣泛應用于康復領域，作為一種康復療法參與到患者的康復訓練中。有研究指出，結合MI 的康復療法可促進腦內激活區向患側擴散，使腦內激活趨于正常，患側運動功能改善［20］。腦卒中患者進行MI 訓練，采用磁共振彌散張量成像測量發現患者各向異性分數提高了，表明MI 訓練有助于腦卒中患者受損白質纖維的恢復［21］。同樣，對腦出血患者進行偏癱側上肢功能MI 訓練，fMRI 結果顯示，訓練后患者被激活的腦區由初級軀體感覺運動區（SM1）和雙側輔助運動區（SMA）轉變為對側SM1及少量同側初級運動皮層（M1），表明了MI訓練能使患者腦區功能逐步接近于正常狀態［22］。

上述健康人群和疾病狀態下進行MI訓練的研究結果顯示在整個MI期間，頂葉皮層與殼核相比實際運動過程中更活躍［23］，但是執行不同MI訓練時激活的腦區有所不同。依據近年來有關執行MI的方式和激活腦區之間的對應關系研究結果，可將MI歸納為BCI-MI［14］、上下肢MI［24］與情景MI［8］這3種類別，詳見表2。

表2 基于MI方式和激活腦區對應關系的MI類別Tab.2 MI categories based on MI methods and the corresponding activated brain regions

MI類別和激活腦區之間的對應關系在針對不同人群、不同功能需求而制定個性化的MI 訓練中具有較重要的借鑒意義。雖然不同類型的MI訓練和激活腦區之間存在上述的對應關系，但并不意味著進行相應的MI訓練就能激活該訓練方式所對應的所有腦區，腦區的激活除與MI 的類別有關外，還與被試在MI訓練中的集中度、完成任務的能力有關，甚至和腦功能的監測設備有關系，如采用fMRI能夠檢測到MI中M1 腦區的激活，但采用正電子發射斷層掃描往往檢測不到M1 腦區的激活，這可能和PET 的低時間、低空間分辨率性能有關。

5 總結和展望

MI訓練方便易行、材料簡單，不僅是健康人群提高技能的常用訓練方式，也是患者進行運動功能康復的有效途徑，MI不僅有利于四肢功能與步態恢復，更有利于腦功能重塑，且這些有益的變化在訓練結束后還可持續。

在MI重塑腦功能研究領域，未來的研究方向和發展趨勢可能在以下幾個方面：（1）在機制研究方面，腦功能重塑可以表現在神經元、突觸、局部神經環路、腦網絡連接及功能表現等各個方面，目前MI重塑腦功能的機制研究多是理論模式、激活腦區及功能表現［25］，未來的研究將朝著更深更廣的方向發展，微觀和亞微觀上將采用具有高時空分辨率的腦成像設備探索MI中的腦信息流向、交互與整合，揭示MI的腦網絡模式；宏觀上將進一步研究MI對健康人群腦功能的增強作用及腦損傷患者的腦康復作用。微觀機制和宏觀機制的融合將是MI重塑腦功能機制研究的趨勢。（2）在MI的實現方式方面，BCI-MI訓練和反饋是較好的MI的實現方式，這無疑是MI發展的必然趨勢。增強腦內信號的監測精度，提高BCI技術的準確度和傳導速率，使MI的反饋更及時，誤差時延更少是BCI-MI實現方式需要達到的目標［26］。BCI-MI反饋交互界面的設計，如何針對不同年齡、不同專業技能訓練、不同疾病種類和疾病進程等設計特異性的MI交互界面，使BCI-MI交互界面集專業性和趣味性于一體是未來的發展方向和趨勢之一，是實現MI在健康人群中提高腦功能，在腦疾病患者中實現腦康復目標的必然要求。（3）在MI的腦功能評估方面，定性評估和定量評估相結合是MI的腦功能評估趨勢。腦結構、腦高級功能的復雜性都決定了MI的腦功能評估方法上的多樣性，現有的腦成像技術和電生理學技術在腦功能評估中起到了重要作用，但由于每一種技術手段都有其固有的局限性，如fMRI在時間分辨率上，EEG在空間分辨率上不夠理想，因此，未來的MI重塑腦功能的評估將會朝著多種評價手段相結合、多模態評價方向發展。探索出最敏感的、最具普適性的評價參數也是發展趨勢和發展方向之一。同時，MI重塑腦功能的系列、追蹤評估也是MI的發展趨勢之一，是判定MI的短效性和長效性的需求。

MI在腦功能重組與腦認知方面有很大的探索空間，MI 重塑腦功能在很多領域，如康復醫學、體育運動、藝術表演等方面具有較廣闊的應用前景，MI重塑腦功能的發展必將隨腦科學、BCI技術的發展及多學科交叉融合而進入一個新的發展階段。