基于TMS的手指力量神經(jīng)調(diào)控機(jī)理研究.pdf

1、人手能完成各種復(fù)雜和靈巧的動(dòng)作是依靠手指間的互相配合、互相協(xié)調(diào)，人手所具有的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)功能既依賴于其復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)生理解剖結(jié)構(gòu)，更需要復(fù)雜而精確的神經(jīng)控制機(jī)理，研究手指力量的神經(jīng)調(diào)控機(jī)理對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)中樞神經(jīng)對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)功能的調(diào)控過程有重要意義，在運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)、靈巧機(jī)械手設(shè)計(jì)等方面有重要的應(yīng)用前景。
　　 經(jīng)顱磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)技術(shù)利用時(shí)變磁場作用于大腦皮層產(chǎn)生感應(yīng)電流，從

2、而調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)代謝和神經(jīng)電活動(dòng)模式，進(jìn)而影響相應(yīng)皮層區(qū)域所支配的生理功能，在運(yùn)動(dòng)功能檢測(cè)和康復(fù)治療中得到廣泛的應(yīng)用；作用于運(yùn)動(dòng)皮層的TMS對(duì)運(yùn)動(dòng)功能的調(diào)節(jié)不僅表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位(Motor Evoked Potential，MEP)等電生理參數(shù)變化，還將改變手指力量輸出等行為學(xué)參數(shù)指標(biāo)，通過檢測(cè)TMS作用下的指力變化規(guī)律為研究手指運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)理提供了一種新的思路。
　　 本論文在設(shè)計(jì)指力檢測(cè)硬件、軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了

3、基于TMS的指力實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)和研究TMS影響指力變化的定量分析方法，制定了規(guī)范的實(shí)驗(yàn)規(guī)程，招募自愿者開展了以下實(shí)驗(yàn)：(1)設(shè)計(jì)了TMS作用于單指和雙指實(shí)驗(yàn)，通過檢測(cè)不同TMS刺激強(qiáng)度下的指力變化，從行為學(xué)的角度探討磁刺激強(qiáng)度參數(shù)的變化對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)活動(dòng)模式的影響；(2)設(shè)計(jì)了包含不同背景力量水平，上升-保持-下降不同背景力量模式下TMS作用于單個(gè)手指的指力實(shí)驗(yàn)，分析TMS對(duì)不同力量任務(wù)下的單個(gè)手指力量輸出幅度的影響，研究了神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)單個(gè)

4、手指力量的調(diào)控機(jī)理；(3)針對(duì)多個(gè)手指協(xié)同動(dòng)作時(shí)各參與動(dòng)作手指的力量大小和力量變化時(shí)序配合，設(shè)計(jì)了不同手指組合模式下的TMS作用于多手指指力實(shí)驗(yàn)，通過分析多手指協(xié)同作用時(shí)力量配合和時(shí)序配合，研究了手指協(xié)同配合的神經(jīng)調(diào)控機(jī)理。
　　 通過對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下的指力變化幅度、時(shí)間等參數(shù)的提取，用SPSS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果包括：(1)隨著TMS強(qiáng)度增加，食指、食指+中指的手指力量輸出幅度變化增大，手指輸出力量幅度

5、變化與TMS強(qiáng)度顯著相關(guān)，并初步獲得了指力變化幅度與相應(yīng)的TMS強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)(110％-130％MT)的線性相關(guān)性；(2)TMS引起的指力變化與背景力量有關(guān)，TMS引起的食指力量變化隨背景力量的增加而增加，即△F20％MVC<△F30％MVC<△F40％MVC，并通過回歸分析進(jìn)一步初步證實(shí)，在適度的背景力量強(qiáng)度(20％-40％MVC)下，TMS引起的食指指力變化幅度與背景力量適當(dāng)水平具有近似的線性相關(guān)模型；(3)TMS引起的指力變化

6、與背景力量變化模式有關(guān)，在同一TMS強(qiáng)度下，食指、中指在指力增大階段的指力變化與保持階段的指力變化無明顯差異，增大階段、保持階段的指力變化顯著大于減小階段的指力變化；(4)手指組合模式會(huì)影響TMS引起的指力變化，隨著參與實(shí)驗(yàn)手指數(shù)量的增加，TMS引起的指力變化相應(yīng)增大；(5)不同手指對(duì)TMS引起的力量改變有不同的響應(yīng)時(shí)間，在不同的背景力量下中指、無名指、小指相對(duì)于食指的響應(yīng)延遲時(shí)間逐漸增加，TMS引起的中指、無名指、小指相對(duì)于食指的指力

7、變化的延遲時(shí)間與手指所處背景力量水平無關(guān)。
　　 通過對(duì)TMS引起的指力變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和研究，在指力神經(jīng)調(diào)控機(jī)理方面得到一些有意義的結(jié)果。本論文的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：(1)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(PrimaryMotor Cortex，M1)直接參與調(diào)控手指力量幅度，手指力量越大時(shí)M1有更多的神經(jīng)元參與，這體現(xiàn)在TMS引起的指力變化隨背景力量增加而增加；(2)不同的指力輸出模式需要不同的神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨著指力復(fù)雜性的增加，需要初

8、級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層更多的神經(jīng)元組建更復(fù)雜的功能網(wǎng)絡(luò)，這主要體現(xiàn)在TMS在力量增大階段引起的指力變化與力量保持階段的指力變化無顯著差異；(3)在初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層存在支配不同手指組合模式的神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)手指所需要的神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)最簡單，隨著參與動(dòng)作手指數(shù)量的增加，有助于完成更復(fù)雜靈巧的動(dòng)作，也就需要更復(fù)雜的中樞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這體現(xiàn)在TMS引起的指力變化幅度隨實(shí)驗(yàn)手指的增加而增加；(4)各手指存在與手指本身的骨骼肌肉解剖結(jié)構(gòu)以及神經(jīng)肌肉聯(lián)系相對(duì)應(yīng)的力量調(diào)節(jié)

9、通路，這主要體現(xiàn)在TMS引起的食指、中指、無名指、小指的力量改變時(shí)序與背景力量無關(guān)。
　　 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新之處體現(xiàn)在：(1)通過建立基于TMS的指力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出了以TMS引起的指力變化為量化評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究指力神經(jīng)調(diào)控機(jī)理的方法，將指力變化的外在行為學(xué)參數(shù)與初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的內(nèi)在神經(jīng)活動(dòng)有機(jī)結(jié)合。(2)以TMS指力實(shí)驗(yàn)初步證實(shí)了初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層參與手指力量控制的神經(jīng)元數(shù)量與手指力量水平成正相關(guān)，為運(yùn)動(dòng)皮層功能區(qū)直接參與調(diào)控指力變化提供