脑深部电刺激改善帕金森病患者双任务行走的神经肌肉协同模式研究

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Improved Dual-Task Interference in Parkinson’s Disease following Deep Brain Stimulation

本研究针对帕金森病(PD)患者双任务行走障碍的临床难题，通过创新性地结合肌肉协同理论(muscle synergy)和双任务范式(dual-task paradigm)，系统评估了丘脑底核脑深部电刺激(STN-DBS)对27例PD患者术前(T0)、术后3个月(T1)和12个月(T2)的双任务干扰效应(DTE)。研究发现DBS治疗后患者从"姿势次要"(posture-second)策略转变为更高效的注意力分配模式，运动双任务效应(mDTEFWHM)从-12.5±11.5%改善至-4.5±8.3%(p<0.05)，接近健康对照组(-1.1±12.7%)，而认知双任务效应(cDTE)保持稳定。该研究为DBS改善PD患者动态平衡和降低跌倒风险提供了神经生理学证据。

　　

在日常生活中，我们常常需要同时执行多项任务，比如一边走路一边交谈，或者一边穿越繁忙的街道一边查看手机信息。这种同时进行运动和认知活动的场景，被称为"双任务"(dual-task)。对于帕金森病(Parkinson's Disease, PD)患者而言，双任务行走却是一项巨大的挑战。由于疾病导致大脑多巴胺能神经元退变，PD患者往往需要投入更多的注意力资源来维持步态平衡，当同时进行认知任务时，有限的注意力资源需要在运动和认知任务之间分配，容易导致双任务干扰(dual-task interference)，增加跌倒风险。

传统上，临床医生主要关注PD患者在单一任务下的运动功能改善，而对于脑深部电刺激(Deep Brain Stimulation, DBS)这一重要治疗方法如何影响双任务表现，却知之甚少。DBS是通过植入电极到特定脑区（如丘脑底核，subthalamic nucleus, STN），通过电刺激调节神经回路来改善PD症状。尽管DBS在改善PD患者单一任务步态方面效果明确，但其对双任务条件下运动和认知功能的影响尚不明确。

为了解决这一科学问题，由Marco Ghislieri和Lorenzo Locoratolo作为共同第一作者，Michele Lanotte作为通讯作者的研究团队，在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上发表了一项创新性研究。该研究首次将肌肉协同分析(muscle synergy analysis)与双任务范式相结合，系统评估了STN-DBS对PD患者双任务行走能力的短期和长期影响。

研究团队采用了多模态技术方法：选取27例接受双侧STN-DBS的PD患者和30例年龄匹配的健康对照，在三个时间点（术前T₀、术后3个月T₁和12个月T₂）进行测试。实验设计包括认知单任务（坐姿语音流畅性测试）、运动单任务（单纯行走）和运动-认知双任务（行走同时进行语音流畅性测试）。通过表面肌电信号(surface EMG)采集12个躯干和下肢肌肉的活动数据，采用非负矩阵分解算法(Non-Negative Matrix Factorization, NNMF)提取肌肉协同模式，计算双任务效应(Dual-Task Effect, DTE)来量化双任务干扰。

肌肉协同组成特征

研究发现，PD患者和健康对照组在运动单任务和双任务条件下均需要4个肌肉协同来充分描述步态控制模式。这些协同分别对应不同的生物力学功能：负载接受（主要激活阔筋膜张肌TFL、臀中肌GMD、股内侧肌VM和股直肌RF）、推进（主要激活腓肠肌外侧头LGS、腓骨长肌PL和比目鱼肌SOL）、躯干稳定（主要激活双侧背最长肌LD）和摆动（主要激活胫骨前肌TA和内外侧腘绳肌）。尽管肌肉协同的数量和组成在任务间保持稳定，但其激活时序和强度存在显著差异。

运动与认知表现

在运动表现方面，PD患者在手术前表现出显著延长的肌肉激活时长（半峰全宽FWHM值较高），特别是在负载接受和推进协同中。DBS手术后，这一异常模式得到显著改善。权重选择指数(Weight Selectivity Index, WSI)分析显示，PD患者在DBS后躯干稳定肌肉的激活选择性降低，表明神经肌肉控制策略发生了重组。

在认知表现方面，三组被试（PD术前、PD术后12个月、健康对照）在语音流畅性任务中产生的词语数量无显著差异。然而，所有组别在双任务条件下的词语产量均显著低于单任务条件，证实了运动任务对认知表现的干扰效应。

双任务效应模式转变

双任务效应分析揭示了关键的组间差异。术前PD患者表现出"相互干扰"模式，即运动和认知任务表现同时下降（mDTE_FWHM为-12.5±11.5%，cDTE为-12.4±23.2%），反映了"姿势次要"策略。这种策略在日常生活中可能导致平衡控制受损和跌倒风险增加。

DBS手术后，PD患者的双任务模式发生显著转变。术后12个月，患者的运动双任务效应改善至-4.5±8.3%，与健康对照组(-1.1±12.7%)无显著差异，而认知双任务效应保持稳定(-11.2±25.9%)。与此形成对比的是，健康对照组主要采用"步态优先"策略，即优先保障运动任务表现，而认知任务表现受损较明显(cDTE为-23.0±21.0%)。

研究结论与意义

本研究通过肌肉协同分析揭示了STN-DBS对PD患者双任务行走能力的改善机制。DBS治疗后，患者从有害的"姿势次要"策略转变为更有效的注意力分配模式，表现为认知负荷对运动功能的影响减小，而认知性能不受损害。这种改善可能源于DBS对基底节-皮层回路的功能调节，增强了运动自动性，释放了注意力资源用于处理并发任务。

从神经生理学角度，肌肉协同的激活系数（时间调制）主要受皮层下结构调控，而权重向量（空间组织）更多反映脊髓水平模式生成。PD患者主要表现为激活系数异常，而权重向量相对保留，这与PD主要影响上位运动控制回路而非脊髓模式发生器的病理机制一致。

该研究的临床意义在于，双任务能力的改善可能直接转化为PD患者日常活动中动态平衡的增强和跌倒风险的降低。研究结果支持将双任务评估纳入PD患者DBS术后康复效果评价体系，为制定针对性康复策略提供了理论依据。

本研究首次将肌肉协同理论与双任务范式相结合，系统评估了STN-DBS对PD患者神经肌肉控制策略的长期影响，为理解DBS改善步态控制的机制提供了新视角，对优化PD患者神经康复方案具有重要指导价值。