下肢截肢患者運動表象的腦電功率譜改變

單新穎，俞夢孫

1.北京航空航天大學生物與醫學工程學院，北京市 100191；2.國家康復輔具研究中心，老年功能障礙康復輔助技術北京市重點實驗室，北京市 100176；3.空軍特色醫學中心，北京市100142

0 引言

截肢不僅給患者生活帶來諸多不便和心理傷害，還會給社會帶來嚴重的經濟負擔。截肢伴隨的感覺運動剝奪和肢體行為變化為研究大腦可塑性提供基礎。上肢截肢后，大腦可塑性變化不局限于缺失的手部感覺運動區，手部感覺運動區和默認網絡的功能連接也降低[1]。下肢截肢患者感覺運動皮質網絡降低，視覺皮質改變[2-3]。截肢后，與肢體感覺運動神經系統緊密聯系的大腦皮質發生變化[4-6]。

腦電圖是頭皮表面記錄到的大腦神經元產生的電活動，不同外界刺激或大腦自發活動會產生不同腦電節律。根據中心頻率和頻段寬度，腦電節律被分成δ、θ、α 和β 等頻段。其中α 頻段(8～13 Hz)與情感加工有關，被認為是腦-身體-精神整合的通用代碼；β 頻段(13～30 Hz)被認為與運動、活躍、交流想法有關，與靜態運動控制中的知覺反應強度有關[7]。腦電的功率譜估計是將時域信號變換為頻域信號，被廣泛用于分析各類具有振蕩和節律模式的信號，是一個重要的腦電分析工具。Pfurtscheller等[8]的研究證實，α和β頻段與運動相關。苗欣等[9]研究發現，前交叉韌帶斷裂后，患側主動運動時，腦電功率譜顯著高于健側。焦磊磊等[10]使用功率譜作為一種評價腦卒中認知障礙患者治療前后的腦電特征指標之一。觀察功率譜特異性變化，可以研究不同大腦功能狀態下神經元的同步電活動。

運動表象是應用最廣泛的認知任務之一[11]。運動表象(運動行為的動態心理表征，不伴隨真實運動)是研究運動認知基礎廣泛使用的心理表象范式[12]。運動表象只表象動作而不執行，但與實際運動涉及相同的認知結構[13-14]。運動表象作為自發腦電節律信號，也是一個非常重要的腦機接口范式[11,15]，具有較大應用潛力[16]。無論是進行真實運動還是運動表象，都會使得初級運動感覺皮質附近α 與β 節律能量降低或升高。Pfurtscheller等[17]設計一種基于運動表象試驗范式，選用C3、C4 作為感興趣電極。此方案已成為基于運動表象的腦機接口經典范式，并在腦機接口競賽中廣泛使用。國內的運動表象腦電信號識別，也采用這一范式[18-20]。運動表象會激活與運動執行相同的感覺運動區域，并產生與執行該動作相同的腦電模式，通常運動執行中激活的腦區域與運動表象激活的區域相同，但有所區別[21]。

上肢截肢患者在運動表象(心理旋轉)任務下，事件相關電位(event-related potential,ERP) N200 成分振幅低于健康人，提示手圖片的感知減少[22]。健康人對右側正向刺激的旋轉相關ERP成分振幅大于左側正向刺激，而截肢患者對左側(健側)正向刺激的旋轉相關ERP 成分振幅大于右側(患側)[4,23]。截肢大腦可塑性改變的研究以往主要集中在上肢截肢[24]。下肢截肢比上肢截肢更普遍，同樣影響身體和心理。本文通過腦電功率譜分析下肢截肢者的大腦皮質改變。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2021年4月至10月，通過國家康復輔具研究中心附屬康復醫院招募下肢截肢患者21例，其中左下肢截肢11例，右下肢截肢10例。

納入標準：①截肢病程≥6 個月；②能配合完成測試。

排除標準：①存在重大系統性疾病，如腦血管疾病、炎癥等，精神疾病或神經系統疾病；②嚴重視聽覺障礙。

脫落標準：①穿戴腦電帽后阻抗偏大；②各種原因不能完成全部試驗。

招募醫院后勤部門工作人員18例為對照組。兩組性別、年齡、受教育程度無顯著性差異(P>0.05)。見表1。

表1 兩組一般情況比較

本研究經國家康復輔具研究中心附屬康復醫院倫理委員會批準(No.S20220206)，所有受試者試驗前均簽署知情同意書。

1.2 方法

被試坐在舒適扶手椅上，面對19 英寸(1 英寸=2.54 cm)電腦屏幕，測試前先進行上、下肢運動表象訓練，熟悉任務；測試過程中，被試應避免隨意運動。測試包括兩個階段，每個階段由60 次任務組成，其間休息5 min。測試開始時，電腦屏幕黑色背景上出現白色“+”2 s，之后隨機呈現左右箭頭5 s，被試根據箭頭方向分別表象對應側肢體運動(包括腿和腳)，休息3 s后開始下一次任務[25]。

1.3 數據采集和處理

采用256 通道腦電采集系統(美國EGI 公司)采集腦電數據，包括256 通道腦電采集放大器和256 導聯電極帽。以Cz 為參考電極，頭皮阻抗<50 kΩ，采樣頻率500 Hz。采用MatLab 2017aEEGLAB 軟件對原始腦電數據進行預處理，主要包括：有限脈沖響應帶通濾波，頻率0.1～30 Hz；選擇所有電極平均參考，從腦電信號中提取刺激出現前1 000 ms 到刺激出現后2 000 ms 的腦電數據并進行分段，手動插值明顯的壞導，去除含有明顯漂移或偽跡的分段數據；采用獨立成分分析進行計算，剔除偽跡相關的獨立成分，特別是頭動、眼動、眨眼等成分。

采用快速傅里葉變換將腦電信號從時域轉換成頻域。感興趣電極為C3 和C4[17]，感興趣頻段為α 和β，采用STEP1軟件對預處理后的腦電圖數據進行功率譜分析[26]。

1.4 統計學分析

采用SPSS 22.0 統計軟件進行數據處理。數據符合正態分布，以()表示，組間比較采用方差分析。顯著性水平α=0.05。

2 結果

在α 頻段，運動表象部位主效應不顯著(F=0.679,P=0.415)；在β 頻段，運動表象部位主效應顯著(F=19.39,P<0.001)，患者表象右側運動時，β 段的功率譜更大。

單因素方差分析顯示，在α 頻段，三組間各電極各表象部位功率譜均無顯著性差異(P>0.05)。見表2。在β 頻段，表象部位在左腿、右腿、左腳時，C4電極三組間功率值有顯著差異性(P<0.05)，右下肢截肢者最高。見表3。

表2 α頻段不同運動表象部位各組C3、C4電極功率值 單位：μV2

表3 β頻段不同運動表象部位各組C3、C4電極功率值 單位：μV2

3 討論

本研究顯示，下肢截肢患者在進行運動表象時，β功率譜升高，尤其是在表象左下肢運動時。

運動表象是個體排練或模擬給定動作的心理過程，能夠激活與運動執行類似的大腦初級運動皮質；運動表象包含心理模擬的內部加工，依賴運動意象的提取，需要動員更多注意資源。截肢者運動表象能力是否受損，證據并不一致[27-28]。α頻段抑制是運動皮質中運動表象的典型模式[29]，β 頻段是運動皮質始終能觀察到的最突出的節律[30]。Pfurtscheller 等[31]證實，在單手準備和執行運動時，對側感覺運動皮質腦電α 頻段和β 頻段振幅降低，稱為事件相關去同步化(eventrelated desynchronization,ERD)；運動結束后，振幅很快恢復到基線水平，并顯示出短暫的運動后事件相關同步化(event related synchronization,ERS)[32]。運動表象刺激后，α 頻段和β 頻段同樣出現明顯的ERD，提示運動表象和運動執行同樣可以激活相關功能腦區[33]。本研究沒有觀察下肢截肢患者與健康人在α 頻段功率值的差異，但β 頻段功率值增加，可能β 頻段對感覺運動皮質可塑性更敏感。

感覺運動皮質肌肉記憶的維持依賴于肢體感覺運動和視覺輸入，在運動和運動表象過程中，運動皮質和視覺皮質神經元同步興奮。截肢后，腦皮質缺乏肢體的感覺運動和視覺輸入，肢體圖式被打亂，運動意象和相應的大腦活動受到影響。另一方面，幻肢感可能也是截肢患者運動表象困難的原因，這與上肢截肢患者幻肢痛影響運動表象類似[4,23]。下肢截肢患者在進行運動表象任務時，需要提高β 頻段能量，彌補感覺運動區域功能網絡的不足。

盡管截肢患者無法執行缺失肢體的運動，但依然保留著對殘肢進行運動表象的能力。重復運動表象有助于促進運動恢復，減輕幻肢痛[34]。截肢后運動表象可能受幻肢感的調節。下肢截肢患者中，有助于運動協調和表象的大腦半球通路被重組，尤其是運動前區和輔助運動區。運動表象能促進截肢患者運動功能康復，腦皮質神經活動產生適應性地改變，表現為感覺運動區域重塑[35]。在截肢早期，大腦重塑導致運動控制或運動抑制能力下降；當使用殘肢進行運動規劃和執行時，對側運動區激活發生重構，出現在后頂葉區，這可能反映截肢后對運動控制的視覺空間反饋的適應[36-37]。本研究顯示，截肢后運動表象時，β頻段能量增強，表明意象形成和轉換階段存在損傷，需要投入更大的認知資源完成任務，推測這與大腦適應性重塑和幻肢痛相關。

本研究采用經典簡單運動表象范式，缺少生動的運動表象范式誘發腦電信號，缺少運動表象反饋交互控制，對運動表象程度、正確率和反應時等行為學數據需要進一步研究；本研究只分析了C3 和C4 兩個電極，下一步應使用更多電極進行更詳細的數據分析，有效利用256導高密度腦電的空間分辨率優勢。

綜上所述，下肢截肢患者運動表象時β 頻段振蕩相比健康人更大，尤其是表象左側運動時。提示下肢截肢能改變特定腦區的皮質節律，對理解截肢患者的身體和心理差異性有重要價值，也為大腦控制假肢提供了截肢患者數據特異性依據。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。