健康成人运动想象与运动执行期间的近红外脑功能成像

Abstract

目的

运动想象(motor imagery，MI)对脑结构和功能影响的研究仅限于传统影像学技术，MI疗法的机制至今不明确。本研究采用近红外脑功能成像技术对比健康成人MI与运动执行(motor execution，ME)时的脑区激活模式，旨在为MI疗法提供神经影像学理论依据。

方法

选取2021年6月至8月面向社会公开招募的30例健康成年人，以“屈伸右膝”动作的MI和ME作为任务模式，采用20 s任务期，30 s休息期，交替重复5次的设计模式，利用Nirspark和SPSS 23.0软件分析2种任务下脑区激活模式的异同，并计算回归系数以反映各脑区的激活强度。

结果

健康成人在ME任务期2、3、4、5、7、9、19、20、21、24、25、26、27、32、33、34通道被显著激活(经FDR校正，P<0.05)；MI任务期2、5、9、16、27、29、33、34、35通道被显著激活(经FDR校正，P<0.05)。根据通道脑区配准信息，健康成人在MI与ME任务期激活的脑区相似，分别有左初级运动皮层(left primary motor cortex，LM1)、左初级感觉皮层(left primary sensory cortex，LS1)、前额极、布洛卡氏区和右侧缘上回；健康成人在MI任务期LM1与左前运动皮层均有激活；而在ME任务期背外侧前额叶(dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC)激活，运动区仅有LM1激活。相较于MI，健康成人在ME任务期左感觉与左运动皮层激活强度均明显增强(均P<0.05)，左、右前额叶特别是左、右布洛卡氏区的激活强度显著增强(经FDR校正，P<0.001)。

结论

近红外脑功能成像证实了MI疗法的合理性；在ME任务期DLPFC参与运动决策，并可能参与前运动皮层-M1的双向反馈调节；布洛卡氏区参与ME与MI，与运动行为的理解密切相关。

运动想象(motor imagery，MI)作为一种运动康复治疗技术，其疗效通常采用行为学/临床量表进行评价^[1-2]，具有一定的主观性，而神经影像学技术则可以通过对比健康成人的运动执行(motor execution，ME)与MI任务期间的脑区激活模式，从客观角度对MI的疗效进行评价，同时可从脑功能角度为MI疗法的机制提供理论依据。

近来，随着功能磁共振技术(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的发展，研究者^[3-4]开展了MI任务期间的fMRI脑功能研究，为MI的机制研究提供了可靠手段，但fMRI存在检查费用高昂、检查姿势受限以及时空分辨率不足等缺点。目前新兴的一种非侵入性的神经影像技术——近红外脑功能成像(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)，与fMRI、脑电图(electroencephalogram，EEG)和正电子发射计算机断层显像技术(positron emission tomography，PET)比较，具有时空分辨率高、抗干扰性强、人群适用广泛、应用场景无限制、可移动性好等技术优势。fNIRS是基于神经-血管耦合机制，即当脑功能活动改变时局部脑血流会发生相应变化，大脑皮层血管中的氧合血红蛋白(oxyhemoglobin，HbO₂)和脱氧血红蛋白(deoxymyoglobin，HbR)对近红外光波产生不同程度的吸收，造成近红外光衰减，根据光衰减量与组织中发色团浓度变化的相关性，可以定量分析脑组织中HbO₂和HbR的浓度变化，从而反映大脑的兴奋程度^[5]。

目前，对健康成人ME与MI任务期间的脑结构和功能的研究已有开展，但局限于传统影像学技术，且MI疗法的机制至今不明确。本研究拟采用fNIRS技术对健康成人MI与ME任务期间的脑区激活模式异同进行研究，为探讨肢体运动功能障碍患者合理的康复手段提供影像学依据。

1. 资料与方法

1.1. 一般资料

2021年6月至8月，中南大学湘雅二医院面向社会公开招募健康志愿者30例，其中男16例，女14例；年龄19~54(31.06±9.13)岁；受教育程度(14.60±3.02)年；均为右利手。本研究获得中南大学湘雅二医院医学伦理委员会批准(审批号：LYG2021062)。参加研究前对所有受试者进行培训，在签署知情同意书后进行试验。

纳入标准：1)18~65岁(18岁之前中枢神经系统发育尚不完善，65岁之后大脑可能存在生理性萎缩)，受教育年限≥6年；2)右利手；3)经健康体检证实属于身体健康范畴，没有任何严重的器质性疾病；4)无精神病史、癫痫史、神经系统疾病史；5)无严重心、肝、肺、肾等内科疾病，能配合完成研究；6)自愿参加本试验。

排除标准：1)年龄>65岁或<18岁；2)现有或既往有严重器质性或功能性疾病者；3)不能配合完成试验者。

1.2. 方法

1.2.1. 任务设置

研究者为受试者戴好光学头帽后，嘱其仰卧，双上肢静置于身体两侧，双下肢伸直，让其放松，注意听取任务指令，待受试者熟悉实验环境后开始实验。ME：听取指令并且根据指令的节奏，进行右膝关节反复屈伸动作(脚底贴床面，屈膝60°，伸膝180°)，频率约为0.25 Hz，活动20 s(任务期)后，休息30 s(休息期)，任务期与休息期重复交替5次。考虑到受试者需要适应环境以及保证fNIRS信号达到稳态，在任务开始前加入10 s基线静息数据，共采集260 s数据。运动过程由研究者全程监控。MI：根据指令进行右膝关节屈伸的MI，频率、幅度和模式与ME相同。本试验采用动觉运动想象(kinesthetic motor imagery，KMI)而非视觉运动想象(visual motor imagery，VMI)，因KMI期间脑区激活模式与ME更为相似^[6]。

1.2.2. fNIRS数据采集

使用多通道fNIRS系统(丹阳慧创医疗设备有限公司，型号：NirSmartⅡ-3000B)以连续波形式记录大脑皮层活性。具体步骤：使用14个发射器和14个接收器组成设备自带的35个有效观测通道，发射器和接收器之间的平均距离为3 cm。每个通道的中心定义为该通道探测的主要脑区，并以此为原点进行每个通道的脑区定位。各通道的坐标及脑区定位信息见图1。

图1.

通道排布示意图

Figure 1 Schematic diagram of the channel arrangement

Red S represents the emitter, blue D represents the detector, and gray CH represents the channel.

1.3. 统计学处理

采用NirSpark v1.7.3软件(丹阳慧创医疗设备有限公司)进行数据预处理与分析，计算出5个任务期10~20 s内的ΔHbO₂，对于激活通道，系统检验值默认为“0”，将两种任务期间各通道ΔHbO₂值分别行单样本t检验；对于激活差异通道采用配对t检验，各通道间采用FDR法对P值进行多重比较校正，P<0.05方被采纳。采用NirSpark软件自带的一般线性模型(general liner model，GLM)计算不同任务下的回归系数β值，将β值作为衡量脑区激活强度的量化指标。为了反映完整脑区的激活情况，本试验将通道按照感兴趣区(region of interest，ROI)进行划分，由于第22通道位于前额正中部位，不符合分区要求，我们将余下的34个通道划分为左运动区(left motor area，LMA)、右运动区(right motor area，RMA)、左感觉区(left somatosensory area，LSA)、右感觉区(right somatosensory area，RSA)、左缘上回(left supramarginal gyrus，LSMG)、右缘上回(right supramarginal gyrus，RSMG)、左前额叶(left prefrontal cortex，LPFC)和右前额叶(right prefrontal cortex，RPFC)8个ROI，划分方式见表1。脑区的激活情况采用SPSS 23.0软件(IBM，Somers，USA)分析，计量资料以均数±标准差( $\overline{x}$ ±s)表示，对ME与MI两种任务下的8个脑区的β值进行Shapiro-Wilk检验，正态分布数据采用t检验，非正态分布数据采用Wilcoxon检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

表1.

根据ROI划分通道情况

Table 1 Channel division according to the regions of interest

脑区	通道数量	对应通道
LMA	2	34/35
RMA	2	31/38
LSA	4	28/29/32/33
RSA	4	1/15/17/30
LSMG	2	13/14
RSMG	2	2/16
LPFC	9	8/9/10/11/12/24/25/26/27
RPFC	9	3/4/5/6/7/19/20/21/23

ROI：感兴趣区；LMA：左运动区；RMA：右运动区；LSA：左感觉区；RSA：右感觉区；LSMG：左缘上回；RSMG：右缘上回；LPFC：左前额叶；RPFC：右前额叶。

2. 结 果

2.1. 健康成人ME与MI的共同脑区激活模式

对健康成人ME与MI期间各通道ΔHbO₂值分别行单样本t检验，结果显示：与休息期比较，健康成人在ME任务期2、3、4、5、7、9、19、20、21、24、25、26、27、32、33、34通道被显著激活(P<0.05，图2A)；MI任务期2、5、9、16、27、29、33、34、35通道被显著激活(P<0.05，图2B)。根据表1配准信息，健康成人MI与ME任务期间激活的脑区相似：左初级运动皮层(left primary motor cortex，LM1)、左初级感觉皮层(left primary sensory cortex，LS1)、前额极(frontal pole，FP)、布洛卡氏区(Broca’s area)和右侧缘上回(right supramarginal gyrus，RSMG)被共同激活(表2)。

图2.

健康成人ME和MI任务期的脑区激活模式

Figure 2 Brain region activation patterns during the ME and MI tasks in healthy adults

One-sample t-test was performed for ΔHbO₂ from 35 channels in 2 tasks by NirSpark software. A: Channels activated during the ME task; B: Channels activated during the MI task. The P<0.05 was considered significantly different by FDR correction. The matrix represents the t-value. ME: Motor execution; MI: Motor imagery.

表2.

健康成人ME与MI任务期共同被激活的通道

Table 2 Co-activated channels during the ME and MI tasks in healthy adults

通道	ME(n=30)			MI(n=30)
	ΔHbO2	t	P	ΔHbO2	t	P
2	0.045±0.043	5.81	0.001	0.020±0.029	3.75	0.001
5	0.032±0.037	4.73	<0.001	0.020±0.035	3.14	0.004
9	0.030±0.046	3.47	0.003	0.020±0.038	2.94	0.006
20	0.015±0.036	5.08	<0.001	0.016±0.029	3.07	0.005
27	0.022±0.026	7.00	<0.001	0.022±0.021	5.56	<0.001
33	0.047±0.047	5.40	<0.001	0.018±0.041	2.43	0.021
34	0.042±0.044	5.25	<0.001	0.017±0.025	3.91	<0.001

ME：运动执行；MI：运动想象。

2.2. 健康成人ME与MI任务期通道激活差异

相较于MI任务期，ME任务期3、4和11通道被显著激活(P<0.01；图3，表3)。根据表1配准信息，健康成人MI任务期LM1与左前运动皮层(left premotor cortex，LPMC)均被激活，而ME任务期背外侧前额叶(dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC)被激活，运动区仅有LM1被激活；相较于MI，ME任务期左、右布洛卡氏区被显著激活(P<0.05)。

图3.

健康成人ME与MI任务期通道的激活差异

Figure 3 Differences in channel activation during the ME and MI tasks in healthy adults

Paired sample t-test was performed for ΔHbO₂ from 35 channels in 2 tasks by NirSpark software. The P<0.05 was considered significantly different by FDR correction. The matrix represents the t-value. ME: Motor execution; MI: Motor imagery.

表3.

健康成人ME与MI任务期有显著性差异的激活通道

Table 3 Channels with significant differences in activation during the ME and MI tasks in healthy adults

差异通道	ΔHbO2		t	P
	ME	MI
3	0.092±0.097	0.010±0.040	4.893	<0.001
4	0.046±0.057	0.007±0.026	3.751	0.001
11	0.054±0.044	0.017±0.028	3.949	<0.001

ME：运动执行；MI：运动想象。

2.3. 健康成人ME与MI任务期ROI激活差异

对健康成人2种任务期的不同脑区β值行配对t检验，结果显示：与MI比较，健康成人ME任务期LSA和LMA被激活(P<0.05)，LPFC和RPFC被显著激活(P<0.001，表4)。将MI任务期LMA与LSA的β均值与ME任务期的β均值相除再乘100%，可计算出健康成人MI任务期左感觉与左运动区的激活强度，约为ME激活强度的50%。

表4.

健康成人ME与MI任务期ROI HbO₂ 的 β 值比较

Table 4 Comparison of β values of the HbO₂ in brain regions of interest during the ME and MI tasks in healthy adults

ME-MI配对脑区	β		t
	ME	MI
LMA	0.035±0.033	0.017±0.023*	2.09
RMA	-0.003±0.062	0.000±0.030	-0.22
LSA	0.031±0.030	0.015±0.024*	2.25
RSA	0.015±0.019	0.007±0.021	1.22
LSMG	0.017±0.037	0.009±0.028	0.93
RSMG	0.028±0.040	0.016±0.026	1.36
LPFC	0.032±0.019	0.011±0.018***	6.12
RPFC	0.041±0.032	0.009±0.020***	5.83

ROI：感兴趣区；ME：运动执行；MI：运动想象；LMA：左运动区；RMA：右运动区；LSA：左感觉区；RSA：右感觉区；LSMG：左缘上回；RSMG：右缘上回；LPFC：左前额叶；RPFC：右前额叶。与ME比较，*P<0.05，***P<0.001。

3. 讨 论

MI是指在没有实际ME的情况下对动作进行心理模拟的过程^[7]。MI作为一种康复治疗手段，具有安全、有效、低成本和可反复使用的优势，已被广泛应用于正常人的体育^[8]、音乐^[9]等领域中。近来MI在神经系统疾病引起的肢体功能障碍康复治疗领域中发挥作用^[6]，但疗效有限。目前已开发出MI与脑机接口(brain computer interface，BCI)相结合的前沿性变革技术，在肢体功能障碍康复治疗中具有重要的应用价值和发展前景^[10]。MI有2种类型，一种为VMI，要求受试者在心里可视化特定肢体或身体其他部位的动作，即受试者应以第三人称视角在脑海中清晰地看到自己或他人特定肢体或身体其他部位运动过程的画面^{[6, 11]}；第2种为KMI，要求受试者以第一人称视角在心里感觉或排演自己肢体或身体其他部位的运动过程但不发生实际运动^{[6, 12]}，即KMI要求个体一方面在心里创建运动的心理表征和肌肉收缩的感觉，但同时又要阻止该动作实际发生^[13]。ME是指用实际动作执行运动过程，伴随可见的运动输出。良好的ME是肢体运动功能障碍患者的康复目标。本研究通过对比健康成人ME与MI脑区激活模式，发现2种任务的脑区激活模式相似——LM1、LS1、FP、布洛卡氏区和RSMG被共同激活。这与已有研究的结果^{[6, 14]}一致，即MI与ME具有相似的神经机制，都会诱发与运动相关的脑节律事件相关去同步(event-related desynchronization，ERD)^[15]，换言之，MI可从脑区激活角度模拟ME过程，此结论为运动障碍患者MI疗法的机制提供了神经影像学依据。

需要注意的是，MI与ME激活的脑区或脑网络并不完全一样。在本研究中，健康成人MI任务期虽有LM1激活但运动区仍以前运动皮层(premotor cortex，PMC)及辅助运动区(supplemental motor area，SMA)激活为主，这可能与MI任务期PMC参与运动计划^[16]和运动启动前PMC/SMA对M1的抑制作用有关^[17]；且对比MI，健康成人ME期间DLPFC激活且运动区仅LM1激活，说明DLPFC在ME与MI中起关键作用，如Ota等^[18]研究发现：对健康人右侧DLPFC行阳极经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)的同时对左侧DLPFC行阴极tDCS，参与者表现出更保守的策略来避免没有奖励的风险；Jamali等^[19]发现健康参与者在转换任务时，DLPFC激活程度会相应改变，当DLPFC的局部被破坏时，反向决定的阈值降低；这些结果表明人类左侧DLPFC在主观决策中起重要作用。除此之外，左侧DLPFC也参与运动注意力^[20]和工作记忆^[21]过程，结合本研究说明：左侧DLPFC或与完成灵活性的任务，即根据不同的任务改变注意力和行为反应的能力相关，因此相较于MI，ME需要更多的左侧DLPFC参与。在ME期间，DLPFC决策和调控运动的过程并不明确，DLPFC或基于SMA/PFC-下丘脑通路参与运动启动决策^[22]，在ME期间DLPFC-PMC耦合增强^[23]，使运动启动前PMC/SMA对LM1的抑制作用转变为运动启动时的促进作用，PMC的兴奋可通过皮质皮质通路^[24]或皮质丘脑通路^[25]促进LM1激活增多^[24]，参与早期ME^[26]，但运动启动后随着LM1激活增多可能会反向抑制PMC/SMA的兴奋性。这可解释本实验结果，但仍需进一步做正常人ME期间的PMC/SMA、DLPFC与LM1的网络连接试验来验证。

本研究中健康成人MI任务期左运动区和左感觉区的激活强度较ME任务期显著降低，经计算得出：MI任务期左感觉运动区的激活强度约为ME激活强度的50%，这可能与ME有显性运动，而MI属于心理预演并无实际运动有关。

相较于MI，健康成人ME任务期LPFC/RPFC，特别是其中的布洛卡氏区被显著激活。布洛卡氏区通常被认为与语言功能有关，但它也参与音乐、工作记忆、计算和运动领域^[27]；在运动领域，布洛卡氏区不仅参与ME，也参与MI^[14]，这可能与其编码动作语义，参与对运动行动的理解有关^[28]。Clerget等^[29]让12名健康受试者在学习动作序列之前，用经颅磁刺激降低布洛卡区的功能，结果显示受试者学习动作序列反应时间明显延迟；Fazio等^[27]让没有运动障碍的额叶失语症患者按照行为应有的顺序进行排序，结果显示排序失误，本实验结果表明：布洛卡氏区参与ME与MI，与对运动行为的理解密切相关；相较于MI，健康成人ME任务期需要更多的布洛卡氏区被激活，可能与ME需要受试者对运动程序有更清晰的理解有关。

综上，MI与BCI技术相结合，为一种变革性人机交互技术，为运动功能障碍患者大幅度改善生活自理能力带来希望。采用fNIRS技术研究MI任务期脑网络连接从而提高BCI的效应，将是未来的研究方向。

基金资助

湖南省教育厅科学研究项目(21C1542)；湖南省残疾人联合会康复科研项目(2021XK0603)。

This work was supported by the Scientific Research Project of Hunan Provincial Education Department (21C1542) and the Rehabilitation Scientific Research Project of Hunan Provincial Disabled Persons’ Federation (2021XK0603), China.

利益冲突声明

作者声称无任何利益冲突。

作者贡献

邹颖 临床试验，数据整理和分析，论文构思和撰写；李婧、樊永梅 招募受试者、数据统计分析和论文修订；张长杰、孔瑛 实验设计和指导，数据验证，论文修订和审阅。所有作者已阅读并同意最终的文本。

原文网址

http://xbyxb.csu.edu.cn/xbwk/fileup/PDF/202207920.pdf