基于TMS的手指力量神經(jīng)調(diào)控機理研究.pdf

1、人手能完成各種復(fù)雜和靈巧的動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)雜運動功能既依賴于其復(fù)雜的運動生理解剖結(jié)構(gòu)，更需要復(fù)雜而精確的神經(jīng)控制機理，研究手指力量的神經(jīng)調(diào)控機理對進(jìn)一步認(rèn)識中樞神經(jīng)對復(fù)雜運動功能的調(diào)控過程有重要意義，在運動功能康復(fù)、靈巧機械手設(shè)計等方面有重要的應(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，在運動功能檢測和康復(fù)治療中得到廣泛的應(yīng)用；作用于運動皮層的TMS對運動功能的調(diào)節(jié)不僅表現(xiàn)為運動誘發(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TMS作用下的指力變化規(guī)律為研究手指運動的神經(jīng)調(diào)節(jié)機理提供了一種新的思路。
　　 本論文在設(shè)計指力檢測硬件、軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了

3、基于TMS的指力實驗研究平臺和研究TMS影響指力變化的定量分析方法，制定了規(guī)范的實驗規(guī)程，招募自愿者開展了以下實驗：(1)設(shè)計了TMS作用于單指和雙指實驗，通過檢測不同TMS刺激強度下的指力變化，從行為學(xué)的角度探討磁刺激強度參數(shù)的變化對運動皮層神經(jīng)活動模式的影響；(2)設(shè)計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作用于單個手指的指力實驗，分析TMS對不同力量任務(wù)下的單個手指力量輸出幅度的影響，研究了神經(jīng)系統(tǒng)對單個

4、手指力量的調(diào)控機理；(3)針對多個手指協(xié)同動作時各參與動作手指的力量大小和力量變化時序配合，設(shè)計了不同手指組合模式下的TMS作用于多手指指力實驗，通過分析多手指協(xié)同作用時力量配合和時序配合，研究了手指協(xié)同配合的神經(jīng)調(diào)控機理。
　　 通過對不同實驗條件下的指力變化幅度、時間等參數(shù)的提取，用SPSS軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析。實驗的主要結(jié)果包括：(1)隨著TMS強度增加，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，在適度的背景力量強度(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)手指組合模式會影響TMS引起的指力變化，隨著參與實驗手指數(shù)量的增加，TMS引起的指力變化相應(yīng)增大；(5)不同手指對TMS引起的力量改變有不同的響應(yīng)時間，在不同的背景力量下中指、無名指、小指相對于食指的響應(yīng)延遲時間逐漸增加，TMS引起的中指、無名指、小指相對于食指的指力

7、變化的延遲時間與手指所處背景力量水平無關(guān)。
　　 通過對TMS引起的指力變化實驗數(shù)據(jù)的分析和研究，在指力神經(jīng)調(diào)控機理方面得到一些有意義的結(jié)果。本論文的初步實驗結(jié)果顯示：(1)初級運動皮層(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、級運動皮層更多的神經(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)在初級運動皮層存在支配不同手指組合模式的神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)，單個手指所需要的神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)最簡單，隨著參與動作手指數(shù)量的增加，有助于完成更復(fù)雜靈巧的動作，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驗手指的增加而增加；(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、小指的力量改變時序與背景力量無關(guān)。
　　 本論文的主要創(chuàng)新之處體現(xiàn)在：(1)通過建立基于TMS的指力實驗平臺，提出了以TMS引起的指力變化為量化評價指標(biāo)的研究指力神經(jīng)調(diào)控機理的方法，將指力變化的外在行為學(xué)參數(shù)與初級運動皮層的內(nèi)在神經(jīng)活動有機結(jié)合。(2)以TMS指力實驗初步證實了初級運動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)，為運動皮層功能區(qū)直接參與調(diào)控指力變化提供