由 Maryam Sousani 等學(xué)者完成的研究《Exploring Brain-Body Interactions in Parkinson’s Disease: A Study on Dual-Task Performance》發(fā)表在《IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING》雜志。該研究借助功能性近紅外光譜（fNIRS）技術(shù)，探索了帕金森?。≒D）患者在雙任務(wù)表現(xiàn)中腦 - 體交互的情況，為理解 PD 的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制提供了重要實(shí)證依據(jù)。

圖1. 文章信息

帕金森?。≒D）是一種影響數(shù)百萬(wàn)人的神經(jīng)退行性疾病，其特征是多巴胺能神經(jīng)元減少，引發(fā)運(yùn)動(dòng)（如運(yùn)動(dòng)遲緩、僵硬等）和非運(yùn)動(dòng)癥狀，且隨病情進(jìn)展影響認(rèn)知功能、生活質(zhì)量和功能獨(dú)立性。這些問(wèn)題在日常生活中尤為明顯，因此研究其神經(jīng)機(jī)制和運(yùn)動(dòng)變化對(duì)開發(fā)評(píng)估系統(tǒng)和干預(yù)措施至關(guān)重要。

近期研究發(fā)現(xiàn)，PD 患者與健康人在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)額葉皮層激活存在差異，尤其在需同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知處理的雙任務(wù)中，前額葉皮層（PFC）激活模式會(huì)改變。盡管已有相關(guān)研究，但仍存在缺乏標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議、未包含上下肢任務(wù)、缺少不同難度雙任務(wù)等局限。因此研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并探究了PD 患者在計(jì)時(shí)起立行走（TUG）測(cè)試及同時(shí)進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知任務(wù)中受影響的皮質(zhì)和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

研究團(tuán)隊(duì)招募40 名參與者，包括 20 名 PD 患者和 20 名年齡匹配的健康對(duì)照組（HC）參與了這項(xiàng)研究。通過(guò) fNIRS 設(shè)備記錄他們?cè)诓煌蝿?wù)中的腦活動(dòng)，光極分布覆蓋前額葉、運(yùn)動(dòng)區(qū)等關(guān)鍵腦區(qū)，如圖2。研究人員使用五個(gè) IMU 傳感器記錄運(yùn)動(dòng)測(cè)量值，傳感器固定在參與者的下背部、小腿和大腿，配備三軸加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)，采樣率為 60Hz。

參與者在佩戴 fNIRS 帽并配備慣性測(cè)量單元（IMUs）的情況下，在三種不同條件下執(zhí)行 TUG 測(cè)試（見(jiàn)圖3）：

1.     簡(jiǎn)單 TUG：從標(biāo)準(zhǔn)無(wú)扶手椅子站起，行走 3 米，轉(zhuǎn)身，走回，坐下；

2.     認(rèn)知雙任務(wù) TUG（CDTUG）：執(zhí)行 TUG 的同時(shí)，從一個(gè)三位數(shù)的隨機(jī)數(shù)開始倒數(shù) 2；

3.     運(yùn)動(dòng)雙任務(wù) TUG（MDTUG）：執(zhí)行 TUG 的同時(shí)，手持裝有四個(gè)塑料杯的托盤。

參與者以自己喜歡的速度執(zhí)行測(cè)試，測(cè)試順序隨機(jī)安排，每個(gè)參與者完成一次試驗(yàn)，試驗(yàn)之間休息 1 至 3 分鐘，每次試驗(yàn)開始前記錄 1 分鐘基線數(shù)據(jù)，所有條件均以 30 秒的坐姿開始。

圖2. 光極分布

圖3. 一名佩戴功能性近紅外光譜（fNIRS）帽并配備慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器執(zhí)行計(jì)時(shí)起立行走（TUG）測(cè)試的參與者

在功能性近紅外光譜分析中，數(shù)據(jù)處理主要圍繞兩種情況展開：一是計(jì)算每個(gè)任務(wù)期間所有通道的平均值，以此關(guān)注任務(wù)期間前額葉皮層的激活情況；二是通過(guò)對(duì)前額葉皮層內(nèi)背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）、腹外側(cè)前額葉皮層（VLPFC）、內(nèi)側(cè)前額葉皮層（mPFC）和眶額皮層（OFC）這四個(gè)不同感興趣區(qū)域進(jìn)行比較分析，研究?jī)山M受試者前額葉皮層每個(gè)子區(qū)域與運(yùn)動(dòng)指標(biāo)之間的關(guān)系。

運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟包括調(diào)整 IMU 坐標(biāo)系、識(shí)別 TUG 測(cè)試的不同時(shí)刻（站立、行走、轉(zhuǎn)身和坐下）。利用行走階段測(cè)量步時(shí)間（參考圖4）、步幅時(shí)間、步頻等，計(jì)算步幅長(zhǎng)度和步態(tài)速度。

圖4. 人類步態(tài)周期（GC）及不同步態(tài)事件：腳跟觸地（HS）、擺動(dòng)、支撐和腳趾離地（TO）

皮質(zhì)激活

不同任務(wù)條件下 PFC 激活存在顯著差異，被試組間也存在顯著差異，未檢測(cè)到條件和組的顯著交互作用。PD 組在 TUG 和 CDTUG 之間、CDTUG 和 MDTUG 之間的 HBO 變化有顯著差異；HC 組在 TUG 和 CDTUG 之間的 HBO 變化有顯著差異（見(jiàn)圖5 a）。在 MDTUG 條件下，PD 組和 HC 組在 HBO 和 ΔHHB 方面存在顯著差異（見(jiàn)圖5）。

對(duì)于子區(qū)域的分析，PD 組的 VLPFC 和 OFC 在 CDTUG 期間 HBO 的增加高，VLPFC、mPFC 和 OFC 中的 ΔHHB 有顯著差異（見(jiàn)圖7）；HC 組的 DLPFC 區(qū)域在 TUG 期間的 HHB 變化低，與 MDTUG 相比有顯著差異，OFC 中 MDTUG 期間的 ΔHHB 水平高，與 CDTUG 相比有顯著差異（見(jiàn)圖7 d）。

圖5 . 健康對(duì)照者（HCs）和帕金森病（PD）患者在計(jì)時(shí)起立行走測(cè)試（TUG）、認(rèn)知雙任務(wù)計(jì)時(shí)起立行走測(cè)試（CDTUG）及運(yùn)動(dòng)雙任務(wù)計(jì)時(shí)起立行走測(cè)試（MDTUG）期間的氧合血蛋白變化量（?HBO）和脫氧血紅蛋白變化量（?HHB）

圖6. 健康對(duì)照組（HC）與帕金森?。≒D）組在計(jì)時(shí)起立行走測(cè)試（TUG）、認(rèn)知雙任務(wù)計(jì)時(shí)起立行走測(cè)試（CDTUG）及運(yùn)動(dòng)雙任務(wù)計(jì)時(shí)起立行走測(cè)試（MDTUG）期間的氧合血紅蛋白變化量（?HBO）對(duì)比。

圖7. 健康對(duì)照組（HC）和帕金森?。≒D）組在計(jì)時(shí)起立行走測(cè)試（TUG）、認(rèn)知雙任務(wù)a TUG 測(cè)試（CDTUG）及運(yùn)動(dòng)雙任務(wù) TUG 測(cè)試（MDTUG）期間，不同感興趣區(qū)域（ROIs）的氧合血紅蛋白變化量（?HBO）和脫氧血紅蛋白變化量（?HHB）對(duì)比。

身體運(yùn)動(dòng)

不同條件下，PD 組和 HC 組的步態(tài)速度無(wú)顯著差異，但 PD 組的步時(shí)間和步幅時(shí)間均短于 HC 組。PD 組在 TUG 期間的步頻顯著更高，在 MDTUG 期間的步幅時(shí)間顯著低于 HC 組。

PD 組內(nèi) CDTUG 和 MDTUG 之間的步時(shí)間有顯著差異；HC 組中 CDTUG 期間的步幅時(shí)間高，與其他條件有顯著差異（見(jiàn)圖8）。

圖8. 帕金森?。≒D）患者與健康對(duì)照組（HC）在計(jì)時(shí)起立行走測(cè)試（TUG）、認(rèn)知雙任務(wù)TUG測(cè)試（CDTUG）及運(yùn)動(dòng)雙任務(wù)TUG測(cè)試（MDTUG）期間的步頻、步幅時(shí)間、步長(zhǎng)時(shí)間、步幅長(zhǎng)度、步態(tài)速度、轉(zhuǎn)身持續(xù)時(shí)間、坐站轉(zhuǎn)換時(shí)間和站坐轉(zhuǎn)換時(shí)間的對(duì)比。

任務(wù)期間的 PFC 激活與兩組運(yùn)動(dòng)測(cè)量值之間的相關(guān)關(guān)系

PD 組中，TUG 期間 ΔHBO 與步頻呈負(fù)相關(guān)，與步時(shí)間呈正相關(guān)，MDTUG 期間坐站持續(xù)時(shí)間與 ΔHBO 有顯著相關(guān)，TUG 期間 ΔHHB 的增加與步幅時(shí)間和轉(zhuǎn)身持續(xù)時(shí)間呈正相關(guān)。

HC 組中，TUG 期間 ΔHBO 與步數(shù)呈負(fù)相關(guān)，DLPFC 區(qū)域步態(tài)速度與 ΔHBO 呈正相關(guān)，TUG 期間站坐和坐站的持續(xù)時(shí)間與 ΔHBO 水平呈負(fù)相關(guān)，MDTUG 期間 mPFC 區(qū)域 ΔHHB 與步時(shí)間和步幅時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。

在簡(jiǎn)單 TUG 任務(wù)中，PD 組和 HC 組的 PFC 激活水平相似，但 PFC 子區(qū)域的激活水平有差異，PD 組的 DLPFC 激活高，HC 組的 VLPFC 活動(dòng)增加，這可能與 PD 組執(zhí)行任務(wù)時(shí)面臨更大挑戰(zhàn)有關(guān)。CDTUG 中，兩組 PFC 激活均顯著增加，PD 組在多個(gè) PFC 子區(qū)域激活較高，表明其需要更多認(rèn)知資源來(lái)應(yīng)對(duì)雙任務(wù)需求，但兩組的運(yùn)動(dòng)測(cè)量值無(wú)顯著差異，可能與任務(wù)難度、樣本疾病階段等因素有關(guān)。MDTUG 中，PD 組 PFC 激活水平低，HC 組 PFC 激活較高，兩組在 PFC 子區(qū)域的激活模式不同，反映了 PD 和 HC 組在雙任務(wù)條件下采用不同的認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)策略，突出了 PD 對(duì)認(rèn)知 - 運(yùn)動(dòng)整合的影響。

本研究存在一定局限性，如參與者多為輕中度 PD 患者、PD 患者在服藥狀態(tài)下測(cè)試、僅關(guān)注 PFC 等，未來(lái)研究應(yīng)納入更多階段的患者，進(jìn)行未服藥狀態(tài)下的評(píng)估等?？傮w而言，該研究表明 PD 患者在復(fù)雜活動(dòng)中運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知障礙更顯著，運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知雙任務(wù)對(duì) PD 的綜合評(píng)估均很重要，MDTUG 能有效區(qū)分 PD 組和 HC 組。

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關(guān)于維拓啟創(chuàng)

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