辜禹，陳楠，劉倩，伍勰

1.上海體育學(xué)院運動健身科技省部共建教育部重點實驗室，上海市 200438；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，上海市200438

腦癱是一組持續(xù)存在的中樞性運動和姿勢發(fā)育障礙、活動受限癥候群[1]。世界范圍內(nèi)發(fā)病率為1.5‰～4.0‰，在中國為1.8‰～6.0‰[2]。腦癱病因及發(fā)病機(jī)制還不完全清楚，現(xiàn)有治療只能緩解病情而不能完全治愈[2]。

近年來，有關(guān)運動控制的肌肉協(xié)同理論被引入腦癱研究。肌肉協(xié)同理論是關(guān)于神經(jīng)控制肌肉產(chǎn)生動作問題的重要理論，其基本觀點是神經(jīng)系統(tǒng)以肌肉協(xié)同這種模式控制全身肌肉活動[3-8]。

與其他肌電分析不同，肌肉協(xié)同理論更強(qiáng)調(diào)將神經(jīng)對肌肉的控制作為一種控制體系來處理。自肌電信號提取的肌肉協(xié)同反映這種神經(jīng)控制體系的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，包含運動控制的重要信息。因此，肌肉協(xié)同分析有可能更接近神經(jīng)肌肉控制體系的本質(zhì)，更利于控制機(jī)制的揭示。

肌肉協(xié)同也是在運動系統(tǒng)發(fā)育階段和動作技能學(xué)習(xí)過程中由神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)建的運動控制模式，是神經(jīng)功能向運動功能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以，運動發(fā)育和運動控制的異常都會影響肌肉協(xié)同。許多研究表明，肌肉協(xié)同的各種異常改變反映不同類型腦功能損傷機(jī)制和特征的相關(guān)信息[9-11]。這為腦癱患者運動控制的異常表現(xiàn)提供控制層面的直接解釋。

肌肉協(xié)同理論正在發(fā)展中，該理論從運動控制模式切入的特點使其在聯(lián)系神經(jīng)、肌肉兩大系統(tǒng)，溝通運動控制和執(zhí)行兩大功能方面有自身優(yōu)勢，具有一定前景。

由于肌肉協(xié)同可以反映神經(jīng)控制層的信息[12]，除了應(yīng)用于腦癱，在神經(jīng)損傷類疾病如腦卒中[13-14]、帕金森病[15]、肌疼痛[16]等疾病上的應(yīng)用也日漸增多。

1 肌肉協(xié)同理論及研究方法

肌肉協(xié)同是一組肌肉的工作模式，其特征包括接受單個下行神經(jīng)指令的控制，以預(yù)定的相對激活水平共同激活，通常完成特定的功能目標(biāo)[17]。

1.1 肌肉協(xié)同的形成

肌肉協(xié)同是神經(jīng)系統(tǒng)運動控制區(qū)域內(nèi)神經(jīng)元的特定連接結(jié)構(gòu)[8,18]，可能起源于脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)遺傳的運動雛形[19]。這些雛形可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相對固定并維持一定平衡狀態(tài)的收斂力場[20-22]。在0～3 歲期間，這些運動雛形逐漸發(fā)展形成并不斷完善[8]，線性疊加組建運動模塊保存于神經(jīng)系統(tǒng)[23]，其功能是保持肢體環(huán)節(jié)之間穩(wěn)定的運動協(xié)調(diào)關(guān)系[24]。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展成具有基本運動功能和特定結(jié)構(gòu)的肌肉協(xié)同。肌肉協(xié)同的矢量組成日常所見的復(fù)雜肢體動作[25]，肌肉協(xié)同在脊髓[26]和大腦經(jīng)歷運動雛形、運動模塊等階段形成、發(fā)展、成熟[6,18]。在肌肉協(xié)同體系的控制下，全身肌肉系統(tǒng)按一定時空結(jié)構(gòu)收縮舒張形成肢體環(huán)節(jié)的活動。

肌肉協(xié)同是運動神經(jīng)系統(tǒng)控制肌肉工作的特定功能形式和基本方式。肌肉協(xié)同作為神經(jīng)系統(tǒng)的重要功能之一，也是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育成熟的重要體現(xiàn)。

1.2 肌肉協(xié)同假說

肌肉協(xié)同假說認(rèn)為，神經(jīng)中樞通過控制遠(yuǎn)少于全身肌肉數(shù)量的肌肉協(xié)同，實現(xiàn)對全身肌肉的控制；肌肉協(xié)同和肌肉的數(shù)量對應(yīng)關(guān)系是多對多；不同的肌肉激活組合以矢量的方式相互配合，共同作用完成動作任務(wù)[27-28]。肌肉協(xié)同被認(rèn)為是神經(jīng)系統(tǒng)直接控制的末端[8]，是聯(lián)系神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)的重要樞紐。神經(jīng)系統(tǒng)以這種運行機(jī)制來實現(xiàn)對肌肉系統(tǒng)的控制。肌肉協(xié)同的神經(jīng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)位于大腦運動皮層、脊髓中樞模式發(fā)生器，并且不是生來就有，而需要經(jīng)歷一個從無到有逐漸發(fā)育成熟的過程[29]。

肌肉協(xié)同既接受整個神經(jīng)系統(tǒng)的指令控制，又是一種肌肉系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)調(diào)方式[30]。也可以說，肌肉協(xié)同本身就是神經(jīng)控制的一部分，是復(fù)雜肢體動作的基礎(chǔ)模塊[31]。從神經(jīng)控制到肢體動作，肌肉協(xié)同如同一座橋梁，將二者緊密地關(guān)聯(lián)到一起，是從“控制端”到“運動端”的重要中繼。

1.3 肌肉協(xié)同研究的基本方法

肌肉協(xié)同信息提取于肌電信號。肌電采集具有簡便易行、信息量大和即時性好等特點。肌肉協(xié)同信息被轉(zhuǎn)化為矩陣或其他特定數(shù)據(jù)形式，再通過分析這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獲取神經(jīng)-肌肉控制信息。采集對象可以選取單個動作、若干動作或連續(xù)動作構(gòu)成的數(shù)據(jù)流，處理方式也比較靈活[32]。提取處理方法包括獨立成分分析、因子分析和非負(fù)矩陣分解[33-34]等。

2 肌肉協(xié)同表征和解釋病情

運動發(fā)育和姿勢異常是腦癱的核心表現(xiàn)，臨床康復(fù)治療和研究應(yīng)以解決腦癱患兒的運動功能障礙為主；腦癱定義中的本質(zhì)特征是發(fā)育[1]。肌肉協(xié)同的形成、發(fā)展和變化伴隨人的一生，貫穿運動發(fā)育的全過程；運動發(fā)育階段是肌肉協(xié)同形成發(fā)展的最重要階段。肌肉協(xié)同特征與患者術(shù)前、術(shù)后和康復(fù)期的運動表現(xiàn)有顯著的相關(guān)性[35]。

肌肉協(xié)同的變化作為神經(jīng)功能改變的一部分，是因神經(jīng)異常導(dǎo)致運動障礙的機(jī)制之一。肌肉協(xié)同異常包括結(jié)構(gòu)異常、復(fù)雜性下降、低級化和發(fā)育障礙。

2.1 肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)異常

腦癱患兒在步行狀態(tài)中，下肢參與構(gòu)建肌肉協(xié)同的肌肉數(shù)量下降[9]、變異性增高，肌肉協(xié)同的構(gòu)成改變。在更高要求任務(wù)中，不同病情患兒的肌肉協(xié)同應(yīng)用策略差異顯著，如簡單化策略、部分協(xié)同的功能弱化、生成新的但功能不完善的肌肉協(xié)同[5,9,36]。計算機(jī)模擬的結(jié)果也表明[37]，過于簡單的肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)難以產(chǎn)生正常的步行動作。按照粗大運動功能分級系統(tǒng)對患兒進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn)，不同級別患兒即使有近似的肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)，這些協(xié)同的激活水平差異也很大[10]。這種差異體現(xiàn)出不同類型患者的神經(jīng)控制異常和病理狀態(tài)差異。

2.2 肌肉協(xié)同的低級化

腦癱患者的肌肉協(xié)同多方面的特征發(fā)生改變，復(fù)雜性下降，控制策略相對正常人更加簡單，包括構(gòu)成肌肉的數(shù)量、參與動作的協(xié)同數(shù)和動作的變異性等都有顯著差異[9]。

腦癱患者步行中激活更少的肌肉，這就削弱了主動肌和輔助肌的作用，降低了運動的靈活性和可靠性，導(dǎo)致對動作的控制降低和失控的風(fēng)險上升。腦癱引起的變化還包括肌肉協(xié)同數(shù)量的減少，三個肌肉協(xié)同可以確定患兒90%的步態(tài)變異，但只能確定正常人的60%；一個主要肌肉協(xié)同可以解釋患者約84.2%的變異，但只能解釋正常人的約74.6%[9]。即正常人具有更多數(shù)量的肌肉協(xié)同和更豐富的步態(tài)變異。腦癱患者的神經(jīng)-肌肉的活躍和豐富程度下降，特別是神經(jīng)控制部分；有些神經(jīng)-肌肉結(jié)構(gòu)甚至失去功能，不再參與構(gòu)建這些動作，其結(jié)果是患者對步行的控制能力和靈活性比正常人更差。

要素豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜是事物高級化的特點。腦癱患者肌肉協(xié)同部分結(jié)構(gòu)缺失、體系趨向簡單化，說明其神經(jīng)功能無法向更高級階段發(fā)展，從而難以完成復(fù)雜動作的學(xué)習(xí)。

2.3 肌肉協(xié)同發(fā)育障礙

Cappellini等[38]通過線性擬合確定4 個肌肉協(xié)同組合就能夠很好地再現(xiàn)步行過程，近似度可以超過80%。通過研究這些肌肉協(xié)同發(fā)現(xiàn)，腦癱患兒的肌肉協(xié)同發(fā)育水平遠(yuǎn)落后于同齡正常人，如10 歲患兒的肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)可能僅相當(dāng)于2 歲正常兒童。同時，在環(huán)節(jié)間協(xié)調(diào)性和足部控制等功能的運動學(xué)評價中，患兒的能力相對更低。腦癱患兒在實際運動能力、肌肉協(xié)同發(fā)育程度、運動神經(jīng)系統(tǒng)健康程度這三方面表現(xiàn)出程度一致的低下。

除了發(fā)育水平低下，腦癱患兒還可能出現(xiàn)發(fā)育過程的異常，例如發(fā)育出許多異于正常人的肌肉協(xié)同[39]，患兒的協(xié)同數(shù)量更少，對正常肌肉協(xié)同的利用更低。不同患兒之間肌肉協(xié)同的結(jié)構(gòu)差別大，異常結(jié)構(gòu)肌肉協(xié)同較多，且其功能一般比較差。由于神經(jīng)功能異常，肌肉協(xié)同的發(fā)育過程盡管沒有中斷，但明顯偏離正常軌道。這種發(fā)育過程的異常解釋了患者運動學(xué)習(xí)過程發(fā)生障礙的原因，患兒因此沒能獲得正常人的運動能力。

各種類型腦癱中運動發(fā)育的異常在肌肉協(xié)同的發(fā)育中有不同的表現(xiàn)，而且，肌肉協(xié)同的不同特征指標(biāo)可用于表征不同病情。肌肉協(xié)同產(chǎn)生發(fā)展與運動發(fā)育具有較高的同步性和相關(guān)性，能夠從一定程度上解釋患者的運動異常。

3 肌肉協(xié)同理論在腦癱中的應(yīng)用

肌肉協(xié)同狀態(tài)反映腦癱患者損傷狀況的能力，因此可用于病情的診斷評估，也可以在康復(fù)和治療過程中作為跟蹤指標(biāo)，觀察患者功能恢復(fù)的進(jìn)展，為康復(fù)訓(xùn)練和理療提供支持。

3.1 作為評估手段和指標(biāo)

隨著腦癱類型、病患部位、嚴(yán)重程度和神經(jīng)控制異常等不同，肌肉協(xié)同會發(fā)生相應(yīng)的改變。

通過對腦癱患者向前走、倒走等不同步行動作的研究發(fā)現(xiàn)，建立在肌肉協(xié)同分析基礎(chǔ)上的步態(tài)對稱性分析能更全面地評估步態(tài)病理特征，可以反映痙攣型偏癱和雙癱患者受損脊髓以上的控制和受損脊髓回路狀態(tài)。這一評估可用于診斷和康復(fù)評定[11]。

Tang等[40]發(fā)現(xiàn)，腦癱患者肌肉協(xié)同數(shù)量、結(jié)構(gòu)和左右肢間對稱性異于正常人，并構(gòu)建涵蓋這些信息的綜合性指標(biāo)SCA(synergy comprehensive assessment)來表征運動協(xié)同的發(fā)展，度量評估肌肉協(xié)同的改變程度。他們發(fā)現(xiàn)腦癱兒童的這一指標(biāo)只有健康成人的59%，健康同齡人的68%；而且離散度明顯大于后兩者，受病情影響顯著[40]。腦癱患兒良好的肌肉協(xié)同更少，會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不正常的協(xié)同，即肌肉協(xié)同經(jīng)歷不良的發(fā)育。Tang等[41]還利用肌肉協(xié)同組合構(gòu)建上肢評估指標(biāo)評估患者特定動作任務(wù)的能力，也獲得相似的結(jié)果。

Gao 等[42]使用多變量經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥ㄟM(jìn)一步將肌電信號按不同頻率區(qū)間分解成高、中、低三種成分，并對不同頻率帶之間的協(xié)同進(jìn)行分析。該研究采集12 例腦癱患兒和17 例正常幼兒在墊子上手足自由爬行時，肱二頭肌和肱三頭肌的肌電信號；在爬行動作的某些階段，腦癱患兒對中低頻肌電控制出現(xiàn)異常抑制或不足，同時釋放更大能量的高頻肌電增強(qiáng)對相應(yīng)運動單元的調(diào)用[42]。神經(jīng)功能的異常和適應(yīng)性調(diào)整生成異常的募集組合，從而改變肌肉協(xié)同的結(jié)構(gòu)。該研究識別出不同類型的肌纖維或運動單元的異常引起肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)變化。通過肌肉協(xié)同特征的這些變化，可以評估神經(jīng)受損后神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的異?；顒?。

這些研究對獲得的肌肉協(xié)同信息進(jìn)行一定的設(shè)計組合，建立綜合性指標(biāo)，量化地表現(xiàn)神經(jīng)控制和運動能力的異常狀態(tài)，從而提高識別腦癱病情特征的準(zhǔn)確性。

3.2 指導(dǎo)康復(fù)

肌肉協(xié)同研究可用于康復(fù)效果的評估，以幫助優(yōu)化康復(fù)方案，指引康復(fù)治療。

綜合患者的個體特征和具體治療方案等信息構(gòu)建模型，利用肌肉協(xié)同構(gòu)建判斷運動控制能力的指標(biāo)，對治療方案的效果做出預(yù)測，可以幫助優(yōu)化治療康復(fù)方案[43]。包含肌肉協(xié)同特征信息的量化評估表可用于上肢功能異常的評估，能夠幫助臨床診斷和康復(fù)程度的評估[41]。為神經(jīng)控制功能方面的診斷和康復(fù)提供重要依據(jù)。

在評估腦癱患者使用單關(guān)節(jié)上肢輔助機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)的可行性和效率時，肌肉協(xié)同分析作為客觀生理指標(biāo)用于評價上肢運動能力康復(fù)效果，并且觀察到上肢肱二頭肌和肱三頭肌激活組合的功能性改善[44]。

使用不同治療方法改善患者運動能力的同時，除了肌肉協(xié)同的激活程度有明顯改善外，其他大部分特征改善都較小。其中，肌肉協(xié)同的數(shù)量無改變，單個協(xié)同解釋運動變異的能力有微小提升，協(xié)同結(jié)構(gòu)/肌肉權(quán)重等無改變[45]。Pitto等[46]發(fā)現(xiàn)，外科手術(shù)難以顯著改善患者的肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)和肌肉協(xié)調(diào)性。正常兒童與不同類型患兒的肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)和激活水平明顯不同。

此結(jié)果提示肌肉協(xié)同中神經(jīng)控制損傷難以恢復(fù)，而協(xié)同的激活水平相對更容易改善，是比較現(xiàn)實可行的治療目標(biāo)。

4 小結(jié)

肌肉協(xié)同與神經(jīng)-肌肉控制系統(tǒng)的功能密切相關(guān)。通過構(gòu)建肌肉協(xié)同特征指標(biāo)揭示這些聯(lián)系，將肌肉激活、神經(jīng)功能、運動能力三者更加緊密地統(tǒng)一到一個整體——肌肉協(xié)同中。肌肉協(xié)同以時間、空間和各肌肉為自變量，完整地呈現(xiàn)了運動全過程控制激活要素的變化。肌肉協(xié)同理論的應(yīng)用開辟了腦癱研究的新路徑，填補(bǔ)了神經(jīng)損傷到運動異常之間的一些信息空白，豐富了運動控制機(jī)制的認(rèn)識。這一方法還聯(lián)結(jié)和溝通了從不同角度對腦癱的研究，使不同板塊的研究得以融合。

肌肉協(xié)同假說作為神經(jīng)控制肌肉機(jī)制的一種理論，依然處在發(fā)展完善中，還有很多未知規(guī)律有待揭示，例如中樞神經(jīng)系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)肌肉協(xié)同與人體的力學(xué)體系[8]。另外協(xié)同信息提取的具體方法還需要進(jìn)一步發(fā)展完善[34,47]。腦癱疾病提供了神經(jīng)控制異常的特殊實例，為控制機(jī)制的研究提供了豐富素材。肌肉協(xié)同的研究也為深入理解腦癱疾病的病理機(jī)制提供了一種有力工具。二者緊密結(jié)合更有利于相關(guān)研究的進(jìn)展。