下肢截肢患者运动表象的脑电功率谱改变

单新颖，俞梦孙

1.北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京市 100191；2.国家康复辅具研究中心，老年功能障碍康复辅助技术北京市重点实验室，北京市 100176；3.空军特色医学中心，北京市100142

0 引言

截肢不仅给患者生活带来诸多不便和心理伤害，还会给社会带来严重的经济负担。截肢伴随的感觉运动剥夺和肢体行为变化为研究大脑可塑性提供基础。上肢截肢后，大脑可塑性变化不局限于缺失的手部感觉运动区，手部感觉运动区和默认网络的功能连接也降低[1]。下肢截肢患者感觉运动皮质网络降低，视觉皮质改变[2-3]。截肢后，与肢体感觉运动神经系统紧密联系的大脑皮质发生变化[4-6]。

脑电图是头皮表面记录到的大脑神经元产生的电活动，不同外界刺激或大脑自发活动会产生不同脑电节律。根据中心频率和频段宽度，脑电节律被分成δ、θ、α 和β 等频段。其中α 频段(8～13 Hz)与情感加工有关，被认为是脑-身体-精神整合的通用代码；β 频段(13～30 Hz)被认为与运动、活跃、交流想法有关，与静态运动控制中的知觉反应强度有关[7]。脑电的功率谱估计是将时域信号变换为频域信号，被广泛用于分析各类具有振荡和节律模式的信号，是一个重要的脑电分析工具。Pfurtscheller等[8]的研究证实，α和β频段与运动相关。苗欣等[9]研究发现，前交叉韧带断裂后，患侧主动运动时，脑电功率谱显著高于健侧。焦磊磊等[10]使用功率谱作为一种评价脑卒中认知障碍患者治疗前后的脑电特征指标之一。观察功率谱特异性变化，可以研究不同大脑功能状态下神经元的同步电活动。

运动表象是应用最广泛的认知任务之一[11]。运动表象(运动行为的动态心理表征，不伴随真实运动)是研究运动认知基础广泛使用的心理表象范式[12]。运动表象只表象动作而不执行，但与实际运动涉及相同的认知结构[13-14]。运动表象作为自发脑电节律信号，也是一个非常重要的脑机接口范式[11,15]，具有较大应用潜力[16]。无论是进行真实运动还是运动表象，都会使得初级运动感觉皮质附近α 与β 节律能量降低或升高。Pfurtscheller等[17]设计一种基于运动表象试验范式，选用C3、C4 作为感兴趣电极。此方案已成为基于运动表象的脑机接口经典范式，并在脑机接口竞赛中广泛使用。国内的运动表象脑电信号识别，也采用这一范式[18-20]。运动表象会激活与运动执行相同的感觉运动区域，并产生与执行该动作相同的脑电模式，通常运动执行中激活的脑区域与运动表象激活的区域相同，但有所区别[21]。

上肢截肢患者在运动表象(心理旋转)任务下，事件相关电位(event-related potential,ERP) N200 成分振幅低于健康人，提示手图片的感知减少[22]。健康人对右侧正向刺激的旋转相关ERP成分振幅大于左侧正向刺激，而截肢患者对左侧(健侧)正向刺激的旋转相关ERP 成分振幅大于右侧(患侧)[4,23]。截肢大脑可塑性改变的研究以往主要集中在上肢截肢[24]。下肢截肢比上肢截肢更普遍，同样影响身体和心理。本文通过脑电功率谱分析下肢截肢者的大脑皮质改变。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2021年4月至10月，通过国家康复辅具研究中心附属康复医院招募下肢截肢患者21例，其中左下肢截肢11例，右下肢截肢10例。

纳入标准：①截肢病程≥6 个月；②能配合完成测试。

排除标准：①存在重大系统性疾病，如脑血管疾病、炎症等，精神疾病或神经系统疾病；②严重视听觉障碍。

脱落标准：①穿戴脑电帽后阻抗偏大；②各种原因不能完成全部试验。

招募医院后勤部门工作人员18例为对照组。两组性别、年龄、受教育程度无显著性差异(P>0.05)。见表1。

表1 两组一般情况比较

本研究经国家康复辅具研究中心附属康复医院伦理委员会批准(No.S20220206)，所有受试者试验前均签署知情同意书。

1.2 方法

被试坐在舒适扶手椅上，面对19 英寸(1 英寸=2.54 cm)电脑屏幕，测试前先进行上、下肢运动表象训练，熟悉任务；测试过程中，被试应避免随意运动。测试包括两个阶段，每个阶段由60 次任务组成，其间休息5 min。测试开始时，电脑屏幕黑色背景上出现白色“+”2 s，之后随机呈现左右箭头5 s，被试根据箭头方向分别表象对应侧肢体运动(包括腿和脚)，休息3 s后开始下一次任务[25]。

1.3 数据采集和处理

采用256 通道脑电采集系统(美国EGI 公司)采集脑电数据，包括256 通道脑电采集放大器和256 导联电极帽。以Cz 为参考电极，头皮阻抗<50 kΩ，采样频率500 Hz。采用MatLab 2017aEEGLAB 软件对原始脑电数据进行预处理，主要包括：有限脉冲响应带通滤波，频率0.1～30 Hz；选择所有电极平均参考，从脑电信号中提取刺激出现前1 000 ms 到刺激出现后2 000 ms 的脑电数据并进行分段，手动插值明显的坏导，去除含有明显漂移或伪迹的分段数据；采用独立成分分析进行计算，剔除伪迹相关的独立成分，特别是头动、眼动、眨眼等成分。

采用快速傅里叶变换将脑电信号从时域转换成频域。感兴趣电极为C3 和C4[17]，感兴趣频段为α 和β，采用STEP1软件对预处理后的脑电图数据进行功率谱分析[26]。

1.4 统计学分析

采用SPSS 22.0 统计软件进行数据处理。数据符合正态分布，以()表示，组间比较采用方差分析。显著性水平α=0.05。

2 结果

在α 频段，运动表象部位主效应不显著(F=0.679,P=0.415)；在β 频段，运动表象部位主效应显著(F=19.39,P<0.001)，患者表象右侧运动时，β 段的功率谱更大。

单因素方差分析显示，在α 频段，三组间各电极各表象部位功率谱均无显著性差异(P>0.05)。见表2。在β 频段，表象部位在左腿、右腿、左脚时，C4电极三组间功率值有显著差异性(P<0.05)，右下肢截肢者最高。见表3。

表2 α频段不同运动表象部位各组C3、C4电极功率值 单位：μV2

表3 β频段不同运动表象部位各组C3、C4电极功率值 单位：μV2

3 讨论

本研究显示，下肢截肢患者在进行运动表象时，β功率谱升高，尤其是在表象左下肢运动时。

运动表象是个体排练或模拟给定动作的心理过程，能够激活与运动执行类似的大脑初级运动皮质；运动表象包含心理模拟的内部加工，依赖运动意象的提取，需要动员更多注意资源。截肢者运动表象能力是否受损，证据并不一致[27-28]。α频段抑制是运动皮质中运动表象的典型模式[29]，β 频段是运动皮质始终能观察到的最突出的节律[30]。Pfurtscheller 等[31]证实，在单手准备和执行运动时，对侧感觉运动皮质脑电α 频段和β 频段振幅降低，称为事件相关去同步化(eventrelated desynchronization,ERD)；运动结束后，振幅很快恢复到基线水平，并显示出短暂的运动后事件相关同步化(event related synchronization,ERS)[32]。运动表象刺激后，α 频段和β 频段同样出现明显的ERD，提示运动表象和运动执行同样可以激活相关功能脑区[33]。本研究没有观察下肢截肢患者与健康人在α 频段功率值的差异，但β 频段功率值增加，可能β 频段对感觉运动皮质可塑性更敏感。

感觉运动皮质肌肉记忆的维持依赖于肢体感觉运动和视觉输入，在运动和运动表象过程中，运动皮质和视觉皮质神经元同步兴奋。截肢后，脑皮质缺乏肢体的感觉运动和视觉输入，肢体图式被打乱，运动意象和相应的大脑活动受到影响。另一方面，幻肢感可能也是截肢患者运动表象困难的原因，这与上肢截肢患者幻肢痛影响运动表象类似[4,23]。下肢截肢患者在进行运动表象任务时，需要提高β 频段能量，弥补感觉运动区域功能网络的不足。

尽管截肢患者无法执行缺失肢体的运动，但依然保留着对残肢进行运动表象的能力。重复运动表象有助于促进运动恢复，减轻幻肢痛[34]。截肢后运动表象可能受幻肢感的调节。下肢截肢患者中，有助于运动协调和表象的大脑半球通路被重组，尤其是运动前区和辅助运动区。运动表象能促进截肢患者运动功能康复，脑皮质神经活动产生适应性地改变，表现为感觉运动区域重塑[35]。在截肢早期，大脑重塑导致运动控制或运动抑制能力下降；当使用残肢进行运动规划和执行时，对侧运动区激活发生重构，出现在后顶叶区，这可能反映截肢后对运动控制的视觉空间反馈的适应[36-37]。本研究显示，截肢后运动表象时，β频段能量增强，表明意象形成和转换阶段存在损伤，需要投入更大的认知资源完成任务，推测这与大脑适应性重塑和幻肢痛相关。

本研究采用经典简单运动表象范式，缺少生动的运动表象范式诱发脑电信号，缺少运动表象反馈交互控制，对运动表象程度、正确率和反应时等行为学数据需要进一步研究；本研究只分析了C3 和C4 两个电极，下一步应使用更多电极进行更详细的数据分析，有效利用256导高密度脑电的空间分辨率优势。

综上所述，下肢截肢患者运动表象时β 频段振荡相比健康人更大，尤其是表象左侧运动时。提示下肢截肢能改变特定脑区的皮质节律，对理解截肢患者的身体和心理差异性有重要价值，也为大脑控制假肢提供了截肢患者数据特异性依据。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。