牽伸訓練改善腦卒中后踝痙攣及下肢運功功能的皮層調控研究進展

李潔心,邵夢鳴,胡瀚尹,周煜達,劉文兵,徐彬,章水晶,舒馨馨，徐聰琴，邱紀方，

作者單位：1.浙江中醫藥大學第三臨床醫學院，康復醫學院，杭州 310053；2.浙江康復醫療中心(浙江中醫藥大學附屬康復醫院)，杭州 310053；3.浙江中醫藥大學附屬第三醫院，杭州 310053；4.浙江特殊教育職業技術學院，杭州 310023

隨著社會經濟的發展，人口老齡化的加快，居民不健康生活方式的流行，腦卒中危險因素的普遍暴露等，我國腦卒中疾病負擔呈爆發式增長，目前腦卒中已成為成人致死、致殘的主要病因[1]。據推測，2030年我國腦血管病事件發生率將較2010年升高約50%[2]。一項關于70歲以下的腦卒中患者七年的隨訪研究發現：約有1/3的患者肌張力增加，1/2的患者出現典型的痙攣[3]。踝關節作為人體姿勢控制的微調樞紐，在步行與平衡的維持上起著至關重要的作用，而腦卒中后踝關節痙攣作為腦卒中主要功能障礙之一，會影響踝關節的關節活動度，最終會導致足下垂和足內翻畸形，使足底不能有效地接觸地面，重心不能有效地前移，這直接影響了幸存者的步行、平衡及日常生活活動[4-5]。牽伸治療是預防和治療痙攣的主要干預手段[6-7]，現行的牽伸方案中往往包含被牽伸肌群及其拮抗肌的主動訓練內容，取得了較為滿意的治療效果[8-9]，如今，越來越多研究已證實：腦卒中患者運動功能的恢復和運動學習與腦的可塑性有關[10-11]，而牽伸訓練改善下肢運動功能相關的皮層調控機制尚未明確。近年來，非侵入性神經影像技術已被越來越多地應用于探索腦卒中康復機制和療效的研究中[12-13]，本文將牽伸訓練改善腦卒中后踝關節痙攣及下肢運動功能的研究現狀及利用非侵入性腦功能成像技術探索其大腦皮層調控機制進行綜述，為優化康復治療方案、改善腦卒中患者下肢運動功能提供理論依據。

1 痙攣的概述

由于痙攣癥狀的復雜性，其定義尚未達成共識，目前應用最廣泛的是1980年Lance[14]對“痙攣”的定義，他認為“痙攣”是一種運動障礙，其特征是肌張力隨牽伸速度增加而增加，這主要是由于牽張反射過度興奮所致，牽張反射過度興奮及肌張力過度增高可能會導致嚴重的疼痛及肌肉和軟組織攣縮，最終影響幸存者的日常生活活動，降低幸存者的生活質量[3,15]。

近期一篇關于腦卒中后痙攣狀態發生機制研究進展的綜述表明：脊髓上驅動、脊髓節段處理和外周機械改變共同作用導致了卒中后痙攣狀態的發生，文章還指出今后應該評估損傷初期腦卒中后痙攣患者的神經中樞結構和功能的完整性，并研究不同階段大腦的激活情況，制定個體化的康復方案，及早保護大腦未受損區域，有助于增強皮質脊髓神經可塑性，減少痙攣狀態的發生并促進功能恢復[16]。

2 牽伸訓練的有效性及應用

2.1 牽伸的定義與目的 痙攣對于康復醫生及治療師來說是一個非常嚴峻的挑戰，臨床上有多種治療關節痙攣的干預措施，比如：物理治療、藥物治療、手術治療、矯形器和輔助器具等，其中牽伸是物理治療中應用最廣泛的技術[17]。牽伸訓練是運用力學原理，通過人工或器械的方式，按功能所需擴大關節活動范圍，并維持一段時間，從而使肌肉與軟組織進行持續的牽伸[18]，其目的是維持或增加軟組織的延展性，使肌肉張力正常化，減輕疼痛和改善功能[19]。

2.2 牽伸訓練對踝關節痙攣及下肢運動功能的有效性 牽伸可以通過手法，這樣更接近臨床實踐，但很難標準化；也可機械地進行(即使用智能反饋控制裝置)，這樣可為康復訓練提供良好的控制干預[20]。甄希成等[18]證明了手法被動牽伸治療可明顯改善偏癱患者的下肢肌張力、痙攣、神經控制。但是由于康復治療師徒手牽拉費時費力、力度不均、強度不易控制，且牽伸程度主要取決于治療師的經驗和主觀的關節“終末感覺”，故難以達到預期康復效果[21]，由此引發了牽伸訓練技術的革新——即智能牽伸，也就是“機器人輔助定量被動牽伸聯合主動訓練”，它既可解放康復治療師雙手，又能定量和客觀地測量功能損害，還能提高功能障礙的康復效果，是一種較為有效的治療技術[22-23]。基于此，Gao等[24]運用智能控制下的踝關節牽伸裝置及超聲測量研究了腦卒中后踝關節痙攣/攣縮患者重復牽伸后踝關節的生物力學特性(包括阻力矩、剛度和粘滯指數)及跟腱長度的變化，發現重復牽伸放松踝關節，能夠增加被動關節活動度(passive range of motion，PROM)，降低關節僵硬度，增加肌束長度，改善幸存者受損小腿肌肉的力量輸出。現行的牽伸治療方案中往往包含了被牽伸肌群的主動訓練，并取得了更為滿意的治療效果[8-9,24]。Pradhan等[25]研究了被動動態牽伸聯合主動訓練與常規被動動態重復牽伸對腦卒中后痙攣患者的康復效果差異，隨訪結果顯示：相比常規被動動態重復牽伸，被動動態牽伸聯合主動訓練組患者的日常生活活動指數和改良Rankin量表評分、痙攣程度和肌力的改善更顯著。Wu等[8]使用踝關節機器人做了類似研究，發現被動牽伸聯合主動訓練的牽伸方案有益于踝關節痙攣、平衡與運動能力的康復。研究人員推測，干預后評估指標的改善可能有三方面原因：首先，被動牽伸延長了痙攣的肌肉，從而使被動關節活動度增加以及關節僵硬度降低，這可能有助于肌肉發力和踝關節功能的改善；隨后進行的生物反饋游戲進一步改善了踝關節的運動控制能力和靈活性；此外，踝部痙攣減輕，這可能是被動牽伸聯合主動運動訓練聯合的結果。以上研究均表明，被動牽伸聯合主動訓練方案可有效改善患者踝關節痙攣及運動控制，提高運動及日常生活活動能力，目前認為其機理之一在于踝關節被動牽伸聯合主動訓練能顯著改善踝關節的生物力學特性，如痙攣腓腸肌內側肌束長度、羽狀夾角和肌肉厚度等[26]，從而降低了關節僵硬度，改善踝關節的主動關節活動度( active range of motion，AROM)和PROM和肌力等，并在影像學上得以驗證[8,9]。如今越來越多研究已證實：腦卒中患者運動功能的恢復與腦的可塑性有關[10,11,27]，部分研究者推測踝關節功能障礙的改善可能是因為主動訓練聯合激勵性游戲提高了患者的積極性及學習效率[28-29]，但目前牽伸訓練對腦卒中踝部痙攣患者下肢運動功能康復相關的皮層機制研究較少，尚待研究人員對被動牽伸聯合主動訓練改善踝關節痙攣及下肢平衡與步行能力相關的皮層調控機制進行更加深入地研究與探索。

3 牽伸訓練改善踝關節痙攣及下肢運動功能的皮層調控機制探討

3.1 非侵入性腦功能成像技術優勢及應用 近年來，非侵入性腦功能成像技術被越來越多地應用于腦可塑性機制研究當中，尤其是血氧水平依賴-功能性核磁共振成像(blood oxygenation level dependent-functional MRI，BOLD-fMRI)及功能性近紅外光譜技術(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)[12]，BOLD-fMRI憑借其無創、無電離輻射及空間分辨率高等優點，被廣泛應用于腦功能成像技術的研究中，但它也有一定的局限性，如便捷性差,診斷費用昂貴，易導致幽閉恐懼癥人群緊張焦慮情緒等[30]；fNIRS作為一種新興的無創性神經影像技術，憑借其便捷、時間分辨率高等優點，使其在科研領域具有很好的應用前景，它通過實時地動態監測大腦皮層氧合血紅蛋白(oxygenated hemoglobin，oxy-Hb)、脫氧血紅蛋白(deoxyhemoglobin，deoxy-Hb)、總血紅蛋白(total hemoglobin，T-Hb)的濃度變化，間接地反映了大腦皮層的活動，且在研究運動想象過程中更具優勢，逐漸在神經功能檢測技術中脫穎而出[31]，兩者目前已被廣泛應用于神經康復領域研究與臨床實踐中，為探索神經系統損傷性疾病運動功能的康復機制提供了理論依據[32-33]。

3.2 運用fNIRS及fMRI探索牽伸訓練相關的腦區激活 國內外已有利用非侵入性腦功能成像技術探索踝關節運動與大腦皮層激活之間關系的研究：例如，Vér等[34]利用fMRI研究了腦卒中后踝關節痙攣患者踝關節持續被動運動(continuous passive motion ，CPM)時的腦區激活，結果顯示：踝關節持續被動運動可增加對側中央前回、中央后回、顳上回及同側中央后回、小腦的激活。Miyai等[35]應用fNIRS獲取了8例健康受試者在足主動背屈和跖屈交替運動任務的大腦皮層oxy-Hb、deoxy-Hb、T-Hb的濃度變化差異，結果發現受試者足主動背屈與跖屈交替運動激活了內側初級感覺運動皮質(sensorimotor cortex，SMC)和輔助運動區(supplementary motor area，SMA)，這表明SMC和SMA在健康人群足主動背屈與跖屈交替運動中起重要作用。蔣天裕等[36]利用fMRI對6名健康受試者在踝關節主動背屈和主動跖屈過程中大腦激活區域的變化進行了觀察與對比，分析數據顯示踝關節主動背屈的興奮區主要涉及雙側第1軀體運動區( primary motor area, MⅠ)和第1軀體感覺皮質( primary somatosensory cortex，SⅠ)，且對側大腦半球興奮區域面積大于同側；雙側主要視區及小腦蚓部；抑制區為19區、20區和39區；而踝關節主動跖屈的興奮區主要包括對側第2軀體運動區(secondary motor area, MⅡ)、紋狀體及同側SMA、邊緣系統；抑制區域為雙側中央前回和中央后回中上部位、頂上小葉和頂下小葉以及前額皮質，并基于以上試驗結果得出結論：多個皮質區域和皮質下結構參與調控踝關節運動，但當受試者進行踝關節背屈運動，MⅠ起的作用可能更大，而當受試者進行跖屈運動時，則其他多個皮質區域和皮質下結構起的作用可能更大，由此可見大腦對踝關節主動背屈和主動跖屈運動控制的成分不完全對等。Trinastic等[37]對8例健康受試者也進行了類似試驗，得出類似結論，即踝關節主動背屈和跖屈可能由共享和獨立的神經回路控制。Tanaka等[38]通過fNIRS測量任務相關的腦區激活部位，闡明主動訓練的有效性，他利用fNIRS初步比較了腦卒中后偏癱患者患側肢體膝關節及踝關節被動運動與健側肢體激勵性主動訓練的腦區激活部位及程度的差異，結果顯示兩種訓練模式激活的腦區區域大小及程度略有不同。Iandolo等[39]納入了4例健康受試者參與試驗，研究了主動、被動任務中不同類型的踝關節跖屈運動的神經相關性，結果顯示：在被動任務期間激活了與相應主動運動的相同大腦區域(MⅠ、PMC、SMA和SⅠ)，但激活率比主動運動低，且受試者在執行單足任務時對側半球顯示大腦激活，在雙足進行主動背屈任務期間，受試者表現出上述區域的雙側激活，表明膝關節與踝關節主動訓練與被動訓練腦區激活區域及程度稍有差異。腦卒中功能恢復是一個復雜的機制，可能是替代與功能代償兩種恢復機制相結合的結果[10]，許多研究探討了康復干預后運動功能的恢復，且已有充分的證據表明健康的大腦區域部分代償了受損區域的功能[40-41]。MⅠ、SMA和PMC負責運動的執行，這些腦區形成了運動網絡(motor networks，MNW)，主要負責指揮和控制各種運動[42]。Nagy等[43]運用fMRI分析了亞急性腦卒中偏癱患者(腦卒中后1周～30天以內)非受累側和受累側踝關節在進行CPM期間兩半球的運動網絡和連通性差異，發現當受累側踝關節執行CPM任務時，在cMⅠ和cSⅠ(i表示同側，c表示對側)中導致更強的自我抑制，而在SMA中導致較弱的自我抑制；在非受累側踝關節CPM期間，cSMA激活了cMⅠ的神經活動；相較于非受累側踝關節運動，受累側任務過程中半球間cMⅠ→iMⅠ連接強度更顯著，由于連接強度差異源于真實的神經活動，這可能進一步驗證了腦卒中后健側MⅠ對受損運動皮層的部分功能代償。

3.3 運用fNIRS及fMRI探索痙攣改善與皮層激活之間的關系 國內外關于痙攣改善與皮層激活關系的研究較少，對于表現出痙攣和運動障礙的腦卒中幸存者而言，運動康復是一項具有挑戰性的任務，痙攣會限制協調運動的有效練習，阻礙功能康復，降低生活質量[4,44]。為了優化痙攣治療方案，需要更好地理解痙攣相關神經可塑性的機制，客觀研究腦卒中痙攣的腦功能相關性，并確定與康復誘導的痙攣緩解相關的特定區域腦功能變化。 Pundik等[45]進行了相關研究發現：痙攣改善與任務相關大腦激活變化具有顯著相關性，對側運動區可能有助于恢復慢性腦卒中患者對肌肉張力的控制。Bergfeldt等[46]也發現在標準化主動運動任務時，運動皮層和PMC(主要為對側)腦區激活增加，而在綜合性局灶性痙攣治療后，以對側為主的激活總體減少。全身振動(whole body vibration, WBV) 作為踝部痙攣的另一康復治療措施，也可減輕腦卒中后偏癱患者的痙攣狀態，提高患者的步行能力[47]。Miyara等[48]首先利用30Hz的WBV分別作用于11例腦卒中患者偏癱下肢的腘繩肌、腓腸肌和比目魚肌，持續5min，在WBV治療后，受試者保持30s靜息狀態(基線)、患肢進行30s的主動踝關節背屈任務和再保持30s靜息狀態，評估WBV干預前后踝關節的改良Ashworth 評分(modified Ashworth scale，MAS)、AROM、PROM，并通過fNIRS記錄與WBV干預前后痙攣側肢體的主動踝關節背屈相關的雙側SMC的oxy-Hb濃度的變化，數據顯示：WBV改善了MAS、AROM和PROM，且在腦卒中痙攣性偏癱患者執行主動踝關節背屈任務期間，WBV干預后雙側SMC的oxy-Hb濃度立即增加，雙側SMC激活差異減少，另外，WBV干預后的即刻雙側SMC的oxy-Hb濃度高于干預前oxy-Hb，結果表明WBV不僅可改善臨床癥狀，還可引起腦卒中患者主動踝關節背屈期間SMC激活急性增加。

4 小結與展望

由于腦卒中高發病率與高致殘率的特點，腦卒中后功能障礙的康復已成為全世界關注的熱點，踝關節被動牽伸聯合主動訓練能有效改善踝關節痙攣，運動控制，提高平衡、運動及日常生活活動能力，其機理之一在于被動牽伸聯合主動訓練訓練可改善踝關節的生物力學特性，但踝關節與牽伸訓練相關的中樞調控機制尚未明確，既往關于踝關節活動的研究較多聚焦于健康人群，且試驗檢測技術偏重于fMRI，而基于fNIRS的、與腦卒中后踝部痙攣及其下肢運動功能康復相關的皮層機制研究還很少，因此，該領域還需進一步的研究與探索。