喜報(bào)頻傳，國(guó)家康復(fù)輔具研究中心李增勇教授課題組在《Scientific reports》發(fā)表了題為“Limb linkage rehabilitation training-related changes in cortical activation and effective connectivity after stroke: A functional near-infrared spectroscopy study”的研究論文。基于近紅外腦功能成像（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）探究了四肢聯(lián)動(dòng)訓(xùn)練中腦卒中患者的腦功能響應(yīng)模式，為腦卒中肢體運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的在線康復(fù)效果評(píng)估提供有效方法。

慧創(chuàng)近紅外腦功能成像系統(tǒng)NirScan的高靈敏度技術(shù)優(yōu)勢(shì)，助力該研究實(shí)現(xiàn)對(duì)前額、有頭發(fā)覆蓋的運(yùn)動(dòng)區(qū)和枕葉的同步高精準(zhǔn)檢測(cè)。

慧創(chuàng)近紅外腦功能成像系統(tǒng)NirScan

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摘要：

在*范圍內(nèi)，腦卒中是目前人口致殘的主要原因?？祻?fù)訓(xùn)練對(duì)腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)至關(guān)重要。四肢聯(lián)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練可以同時(shí)刺激并調(diào)動(dòng)上下肢的運(yùn)動(dòng)功能。本研究旨在通過(guò)功能性近紅外光譜（fNIRS）成像技術(shù)，探討腦卒中后與四肢聯(lián)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)相關(guān)的大腦皮層激活和效應(yīng)連接（EC）網(wǎng)絡(luò)的變化。本研究共招募了13例腦卒中患者（左側(cè)偏癱L-H組，n=6；右側(cè)偏癱R-H組，n=7）和16例健康對(duì)照。采用多通道fNIRS系統(tǒng)采集（1）靜息態(tài)10min和（2）四肢聯(lián)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練20min狀態(tài)下雙側(cè)前額葉皮質(zhì)（PFCs）、運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)（MCs）和枕葉（OLs）的大腦氧合血紅蛋白（delta-HbO2）和脫氧血紅蛋白（delta-HHb）的濃度變化（任務(wù)態(tài)的前10min為[task_S1]，后10min為[task_S2]）?；隈詈虾瘮?shù)和動(dòng)態(tài)貝葉斯推論，分別計(jì)算不同頻率間隔的腦效應(yīng)連接網(wǎng)絡(luò)：高頻段I（0.6-2Hz）和II（0.145-0.6Hz）、低頻III（0.052-0.145Hz）和極低頻IV（0.021-0.052Hz）。結(jié)果表明，與健康對(duì)照組相比，腦卒中患者在運(yùn)動(dòng)任務(wù)狀態(tài)下表現(xiàn)出不對(duì)稱的（健側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)比患側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)激活程度大）皮質(zhì)激活模式。與健康對(duì)照組相比，腦卒中患者在靜息態(tài)和任務(wù)狀態(tài)下，頻率間隔I和II的EC顯著降低（p<0.025）。在靜息態(tài)和任務(wù)狀態(tài)下，R-H組從MC和OL到右側(cè)PFC的耦合強(qiáng)度顯著高于對(duì)照組（p<0.025）。此外，與對(duì)照組相比，在任務(wù)狀態(tài)下，L-H組在第III和第IV頻段內(nèi)從MC和OL到左側(cè)PFC的耦合強(qiáng)度顯著升高（p<0.025）。腦卒中患者在運(yùn)動(dòng)任務(wù)狀態(tài)下，低頻和極低頻段內(nèi)MC和OL指向健側(cè)PFC的影響顯著增加，提示腦卒中患者在運(yùn)動(dòng)康復(fù)任務(wù)中，可通過(guò)調(diào)用認(rèn)知資源重組以補(bǔ)償損傷。研究結(jié)果也表明，采用四肢聯(lián)動(dòng)訓(xùn)練需要選擇合適的康復(fù)時(shí)機(jī)才能有利于患側(cè)腦區(qū)重塑。fNIRS結(jié)合動(dòng)態(tài)貝葉斯推論，可為腦卒中肢體運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的在線康復(fù)效果評(píng)估提供有效方法，這對(duì)于制訂康復(fù)策略有重要意義。

樣本與方法

樣本：本研究共招募29名參與者參加本次實(shí)驗(yàn)，其中共有13名卒中患者包括左側(cè)偏癱（L-H組）6人、右側(cè)偏癱（R-H組）7人，以及16名年齡匹配、沒(méi)有神經(jīng)系統(tǒng)疾病的健康對(duì)照組。腦卒中患者的納入標(biāo)準(zhǔn)為（1）缺血性腦卒中，發(fā)病時(shí)間>2周；（2）大腦單側(cè)病灶區(qū)；（3）偏癱側(cè)上肢和下肢存在中度或重度運(yùn)動(dòng)功能障礙。腦卒中患者的排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）存在任何臨床顯著的或不穩(wěn)定的疾??；（2）存在任何卒中以外的神經(jīng)精神疾病。腦卒中患者的樣本信息如表1 所示。實(shí)驗(yàn)是在每個(gè)參與者的理解和書(shū)面同意下進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)程序經(jīng)國(guó)家康復(fù)輔具研究中心人類倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，符合1975年《赫爾辛基宣言》（1983年修訂）規(guī)定的倫理標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，首先讓被試者在安靜的環(huán)境中休息放松5min。休息后，在一個(gè)安靜昏暗的房間里要求被試者保持一個(gè)舒適的坐姿，盡可能保持靜止，清醒放松，閉上眼睛休息10min。然后準(zhǔn)備執(zhí)行運(yùn)動(dòng)四肢聯(lián)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)（Model: REX7000, SCIFIT, USA）。臨床治療師幫助每個(gè)參與者坐下，然后根據(jù)需要調(diào)整扶手、踏板和靠背，保證在運(yùn)動(dòng)過(guò)程的舒適度。腦卒中患者在運(yùn)動(dòng)時(shí)用繃帶將其偏癱側(cè)固定，保證安全。所有康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)樣本均采用統(tǒng)一訓(xùn)練強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由專業(yè)治療師指導(dǎo)，要求被試者以自主速度進(jìn)行上下肢聯(lián)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，訓(xùn)練時(shí)間為20min。運(yùn)動(dòng)康復(fù)任務(wù)的前10min定義為Session 1 (task_S1)，后一個(gè)10min定義為Session 2 (task_S2)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1(A)所示。

fNIRS數(shù)據(jù)采集：

采用三波長(zhǎng)fNIRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（丹陽(yáng)慧創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備有限公司）分別在靜息狀態(tài)和康復(fù)任務(wù)狀態(tài)下檢測(cè)被試者的腦血流動(dòng)力學(xué)變化。光源和探測(cè)器之間的距離設(shè)置為30mm，數(shù)據(jù)采集頻率10Hz。根據(jù)腦電10-10定位參考在大腦上對(duì)稱布置10個(gè)光源和16個(gè)探頭，共組成共24個(gè)測(cè)量通道，對(duì)稱覆蓋左右前額葉（LPFC/RPFC）、左右運(yùn)動(dòng)區(qū)（LMC/RMC）及左右枕葉（LOL/ROL）。實(shí)驗(yàn)fNIRS的通道布置如圖1B所示。

圖1 （A）實(shí)驗(yàn)過(guò)程；（B）fNIRS通道的配置

大腦效應(yīng)連接分析：應(yīng)用Morlet小波對(duì)濃度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換分析，得到任一時(shí)間和頻率點(diǎn)的瞬時(shí)相位信息。在本研究中，應(yīng)用小波變換獲取高頻段I（0.6–2 Hz）和II（0.145–0.6 Hz）、低頻段III（0.052–0.145 Hz）及超低頻段IV（0.021–0.052 Hz）的相位動(dòng)態(tài)振蕩信號(hào)。動(dòng)態(tài)振蕩信號(hào)之間的相互作用可用相應(yīng)的耦合函數(shù)來(lái)描述。在本研究中，基于振蕩信號(hào)特定頻率的相位動(dòng)力學(xué)，建立每個(gè)通道對(duì)信號(hào)之間的相位振蕩耦合模型。利用動(dòng)態(tài)貝葉斯推論，得到可用來(lái)完整描述振子間交互作用的耦合參數(shù)。耦合參數(shù)可以定量描述耦合系統(tǒng)之間的耦合強(qiáng)度和耦合方向等信息。在本研究中，我們基于原始信號(hào)對(duì)應(yīng)生成100個(gè)AAFT替代信號(hào)，計(jì)算AAFT信號(hào)間的耦合參數(shù)用于檢驗(yàn)真實(shí)信號(hào)間耦合參數(shù)的有效性，由此得到各個(gè)頻率間隔內(nèi)通道間有效的耦合強(qiáng)度及耦合方向，以此來(lái)開(kāi)展基于fNIRS的效應(yīng)連接分析。

基于腦區(qū)的腦效應(yīng)連接網(wǎng)絡(luò)：

本研究分別基于delta HbO₂和delta HHb信號(hào)報(bào)告了運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)對(duì)卒中后腦效應(yīng)連接網(wǎng)絡(luò)的影響，以進(jìn)一步探討腦卒中患者的神經(jīng)康復(fù)機(jī)制。為了更加清晰的描述大腦六個(gè)腦區(qū)間的EC關(guān)系，24通道對(duì)間有效的CS根據(jù)通道在腦區(qū)的分布情況平均為30個(gè)有向的交互連接，分別為LPFC→RPFC，LPFC→LMC，LPFC→RMC，LPFC→LOL，LPFC→ROL，RPFC→LPFC，RPFC→LMC，RPFC→RMC，RPFC→LOL，RPFC→ROL，LMC→LPFC，LMC→RPFC，LMC→RMC，LMC→LOL，LMC→ROL，RMC→LPFC，RMC→RPFC，RMC→LMC，RMC→LOL，RMC→ROL，LOL→LPFC，LOL→RPFC，LOL→LMC，LOL→RMC，LOL→ROL，ROL→LPFC，ROL→RPFC，ROL→LMC，ROL→RMC，ROL→LOL，其中腦區(qū)1→腦區(qū)2，腦區(qū)1是耦合作用的來(lái)源腦區(qū)，腦區(qū)2是耦合作用的目標(biāo)腦區(qū)。

結(jié)果

康復(fù)任務(wù)中的皮質(zhì)激活模式：

如圖3所示，三組被試分別在靜息態(tài)、task_S1和task_S2狀態(tài)下與delta HbO₂信號(hào)相關(guān)的皮層激活模式。與靜息態(tài)相比，健康對(duì)照組在運(yùn)動(dòng)任務(wù)狀態(tài)下其雙側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)表現(xiàn)出delta HbO₂的增加和delta HHb的減少。然而，與靜息態(tài)相比，任務(wù)態(tài)下可以觀察到腦卒中患者健側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)delta HbO₂濃度的增加大于患側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)。這一結(jié)果表示與健康對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)時(shí)腦卒中患者表現(xiàn)出不對(duì)稱的皮層激活模式（健側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)較患側(cè)運(yùn)動(dòng)激活程度大）。

圖3 在不同狀態(tài)下的大腦皮層激活模式（A）健康對(duì)照組；（B）右偏癱患者；和（C）左偏癱患者

與卒中相關(guān)的效應(yīng)連接變化：

在頻率間隔III（圖4），L-H組在task_S1狀態(tài)下連接RMC→LPFC的耦合強(qiáng)度顯著大于健康對(duì)照組，在task_S2狀態(tài)下連接LMC→LPFC，RMC→LPFC和ROL→LPFC的耦合強(qiáng)度顯著大于健康對(duì)照組。

圖4 頻率間隔III內(nèi)大腦效應(yīng)連接網(wǎng)絡(luò)不同狀態(tài)間的變化（A）健康對(duì)照組；（B）右偏癱患者和（C）左偏癱患者

結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)在四肢聯(lián)動(dòng)康復(fù)過(guò)程中，腦卒中患者健側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)表現(xiàn)出比患側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)更強(qiáng)的激活程度。這表明與健康對(duì)照組相比，腦卒中患者存在不對(duì)稱的皮質(zhì)激活模式。同時(shí)基于耦合相位振蕩模型和動(dòng)態(tài)貝葉斯推論分別計(jì)算信號(hào)delta HbO2和delta HHb不同頻率間隔下的耦合參數(shù)。基于fNIRS技術(shù)監(jiān)測(cè)大腦皮層激活和不同頻率間隔內(nèi)的效應(yīng)連接來(lái)探究與四肢聯(lián)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練有關(guān)的卒中后功能網(wǎng)絡(luò)重組機(jī)制。在靜息態(tài)和任務(wù)態(tài)下，R-H組指向RPFC連接的耦合強(qiáng)度顯著高于健康對(duì)照組。在頻段III和IV，L-H組指向LPFC連接的耦合強(qiáng)度顯著大于健康對(duì)照組。在delta HHb信號(hào)分析中也存在類似的結(jié)果。研究結(jié)果表明，腦卒中患者在運(yùn)動(dòng)康復(fù)任務(wù)中，調(diào)用認(rèn)知資源以補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)功能損傷。本研究證實(shí)了基于fNIRS技術(shù)在評(píng)估康復(fù)任務(wù)對(duì)卒中后大腦皮質(zhì)重組影響方面的適用性。研究結(jié)果也表明，采用四肢聯(lián)動(dòng)訓(xùn)練需要選擇合適的康復(fù)時(shí)機(jī)才能有利于患側(cè)腦區(qū)重塑。fNIRS結(jié)合動(dòng)態(tài)貝葉斯推論，可為腦卒中肢體運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的在線康復(fù)效果評(píng)估提供有效的方法。 此外，本研究還可為卒中后康復(fù)治療新技術(shù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

Huo C, Xu G, Li Z, et al. Limb linkage rehabilitation training-related changes in cortical activation and effective connectivity after stroke: A functional near-infrared spectroscopy study[J]. Scientific reports, 2019, 9(1): 6226.