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为探究不完全脊髓损伤（SCI）后下肢节段间动力学控制及本体感觉损伤的影响，英属哥伦比亚大学的研究人员开展下肢指向任务研究。结果发现 SCI 患者运动策略异常且与本体感觉损伤有关。该研究为 SCI 康复提供新思路，值得科研读者一读。
在脊髓损伤（Spinal Cord Injury，SCI）康复研究领域，来自加拿大英属哥伦比亚大学（University of British Columbia）的 Raza N. Malik 等人，于 2025 年在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》期刊上发表了题为 “Lower limb pointing to assess intersegmental dynamics after incomplete spinal cord injury and the associated role of proprioceptive impairments” 的论文。这篇论文为深入理解脊髓损伤患者下肢运动控制机制以及制定更有效的康复策略提供了关键依据，在神经工程康复领域具有重要意义。
研究背景
在日常生活中，人们的下肢运动依赖于精确的关节间协调（interjoint coordination）来控制下肢各节段的同步转动。多节段结构的腿部控制，需要神经系统精确地产生肌肉激活模式，以实现运动并控制诸如重力和相互作用扭矩（interaction torques）等被动扭矩（passive torques）。例如，在跨越障碍物时，相互作用扭矩能帮助增加膝关节的弯曲程度，使人们顺利跨越。正常情况下，膝关节的弯曲主要由膝关节屈肌的主动收缩控制，而髋关节和踝关节的弯曲则借助节段间动力学（intersegmental dynamics），也就是由膝关节的线性加速度和小腿的角加速度产生的被动运动相关扭矩来实现。
然而，脊髓损伤等多种神经系统疾病会破坏这种精细的控制。脊髓损伤患者的步态运动学数据显示，他们在跨越障碍物时，主要依靠增加膝关节的弯曲度，髋关节弯曲角度的调节却很少，甚至在某些情况下需要抬高髋关节才能跨越障碍物。康复研究也表明，脊髓损伤患者在步态过程中，调节关节间协调存在普遍困难，而且这种协调能力在训练后的改善程度，与熟练行走功能的恢复情况密切相关。
此外，本体感觉（proprioception）对关节间协调和节段间动力学控制起着重要作用。经典研究发现，患有大纤维神经病变（导致本体感觉完全丧失）的个体，在执行需要肩部 - 肘部协调的伸手任务时，与健康对照组相比，表现出明显的差异。健康人能够根据相互作用扭矩的大小，精确调整肌肉活动的幅度和时间，从而平稳、准确地完成任务；而大纤维神经病变患者则需要借助视觉信息，部分补偿受损的本体感觉，以维持伸手的准确性和轨迹。当视觉信息缺失时，他们的动作变得不协调、空间扭曲且准确性下降。
脊髓损伤患者同样存在不同程度的本体感觉障碍，通过关节位置觉（joint position sense，JPS）或运动觉（movement detection sense，MDS）评估可知，这些障碍会影响他们的熟练行走能力。例如，在跨越障碍物时，健康人即使视觉反馈有限，也能保持稳定的脚 - 障碍物间隙高度；而脊髓损伤患者在视觉受阻时，脚 - 障碍物间隙高度会发生变化，且这种变化与下肢关节位置觉的受损程度相关。在另一项跑步机行走时的脚 - 目标匹配任务中，也发现脊髓损伤患者的表现误差与关节位置觉的受损程度有关。这些都表明，脊髓损伤患者本体感觉受损与节段间动力学控制障碍密切相关。
为了深入探究脊髓损伤后节段间控制以及本体感觉障碍的影响，研究人员设计了一种新颖的下肢指向任务，旨在创建一个类似伸手范式的实验，测量脊髓损伤后下肢运动策略和本体感觉的变化，这便是本次研究开展的重要原因。
研究方法
研究人员招募了 12 名健康对照者和 16 名慢性运动不完全性脊髓损伤患者参与这项观察性横断面研究。参与者年龄在 18 - 65 岁之间，脊髓损伤患者需受伤至少 1 年且能独立行走至少 5 米（可借助辅助器具），排除了存在其他影响行动能力的神经、肌肉骨骼、视觉或认知障碍的个体。所有参与者均签署了书面知情同意书，且研究程序获得了英属哥伦比亚大学临床研究伦理委员会的批准。
在基线评估阶段，研究人员对参与者的行走功能、肌肉力量和本体感觉进行了全面评估。使用 10 米步行测试（10-meter walk test）来评估行走速度，通过国际脊髓损伤神经分类标准（International Standards for Neurological Classification of Spinal Cord Injury，ISNCSCI）中的下肢运动评分（Lower Extremity Motor Score，LEMS）量化腿部肌肉力量，同时采用定制的 Lokomat 软件对髋关节和膝关节的关节位置觉和运动觉进行测量。
在任务设置方面，参与者站在平行杠之间，面前约 6 米处放置一个大型投影屏幕。研究人员在参与者的胸部、大腿、小腿和脚部放置了刚性体（每个刚性体包含四个运动捕捉标记）以及单个标记，用于记录运动数据。通过 Unity 软件将运动捕捉标记的实时信号传输到投影屏幕上，显示虚拟肢体，让参与者熟悉虚拟肢体后，确定 “起始位置”。研究人员根据不同关节弯曲组合创建了多个目标位置和脚趾轨迹模板，为简化分析，最终将目标整合为髋 - 膝 - 踝（Hip-knee-ankle，HKA）、膝 - 踝（Knee-ankle，KA）和髋 - 踝（Hip-ankle，HA）三个目标。
在指向任务中，参与者需用脚趾尽可能准确地指向屏幕上的目标，按照脚趾轨迹模板，从起始位置移动到目标位置后再返回。实验设置了全视野和视觉受阻两种条件，在全视野条件下，参与者能看到虚拟肢体；在视觉受阻条件下，参与者佩戴特殊护目镜遮挡下视野，且运动过程中屏幕上不显示虚拟肢体。实验前，参与者会对每个目标进行熟悉，之后随机进行 84 次试验，每个目标在两种视觉条件下各进行 6 次试验。
数据处理和分析方面，研究人员通过计算关节位置觉和运动觉的得分来表征本体感觉。利用 Visual 3D 和 MATLAB 软件处理运动数据，对运动学数据进行低通滤波后，选取运动反转阶段（reversal phase，即脚趾速度峰值之间的运动阶段）进行分析，计算终点误差（end-point error）、足部路径面积（foot-path area）等指标。通过逆动力学（inverse dynamics）和运动方程计算关节扭矩（joint torque），将肌肉扭矩（muscle torque）作为衡量运动策略的指标，并计算肌肉功率（muscle power）描述关节的机械功。运用线性混合效应模型（Linear mixed-effects models，LMEs）分析变量之间的关系，控制相关因素后，评估不同组间运动策略和终点表现的差异，并通过效应量（effect size）来量化模型的解释能力和组间差异。
研究结果
所有参与者都顺利完成了研究协议。健康对照组的平均运动觉和关节位置觉得分分别为 0.2 a.u.（范围 0.1 - 0.4）和 6.63°（范围 2.33 - 10.27），脊髓损伤组的平均得分分别为 1.03 a.u.（范围 0.13 - 2.43）和 12.29°（范围 4.07 - 35.8），脊髓损伤组的本体感觉明显比对照组差。
在终点表现方面，从代表性参与者的脚趾轨迹可以看出，脊髓损伤患者中本体感觉较差的个体在控制脚趾轨迹时面临更大困难。在全视野条件下，健康对照组在指向所有三个目标时水平终点误差较小，在 HKA 目标处垂直终点误差较小，HA 和 KA 目标处误差较大，HKA 目标的足部路径面积最大。视觉受阻时，终点误差普遍增大，但足部路径面积在不同视觉条件下差异不大。线性混合效应模型分析显示，目标对水平终点误差和足部路径面积的组间差异有显著影响，在 HA 目标任务中，脊髓损伤组比对照组的前向误差（overshooting）更大，足部路径面积也更大。
关节扭矩方面，指向不同目标时，对照组和脊髓损伤组的运动策略存在明显差异。例如，在指向 HKA 目标时，对照组会产生髋、膝屈肌和踝背屈肌扭矩；指向 KA 目标时，主要是膝屈肌扭矩，髋关节伸肌扭矩维持大腿中立；指向 HA 目标时，产生髋屈肌和踝背屈肌扭矩，膝关节伸肌扭矩保持膝盖伸直。而脊髓损伤组在完成这些任务时，肌肉扭矩的控制存在问题，如指向 KA 目标时，髋关节伸肌扭矩不足；指向 HKA 目标时，膝关节屈肌扭矩异常；指向 HA 目标时，膝关节伸肌扭矩和踝关节背屈肌扭矩减少。
进一步分析发现，脊髓损伤组中，本体感觉与部分运动策略变量存在关联。在指向 KA 目标时，运动觉越差，髋关节伸肌扭矩越小（更多表现为屈肌扭矩）；指向 HKA 目标时，运动觉越差，膝关节屈肌扭矩越小。但未发现关节位置觉与这些变量的明显关系。
研究结论与讨论
本研究设计的新颖下肢指向任务，通过改变目标所需的关节间协调程度，成功区分了脊髓损伤患者和健康对照组的运动策略。尽管两组在终点表现上差异不大，但脊髓损伤患者在控制膝关节主动和被动扭矩方面存在明显困难，且这些运动策略的改变与本体感觉障碍和终点表现相关。这表明该功能性测试能够有效揭示脊髓损伤患者的运动策略问题以及本体感觉障碍的影响，为理解脊髓损伤患者的运动控制机制提供了有力工具。
研究还发现，不仅复杂的 HKA 目标，简单的 KA 和 HA 目标也能揭示脊髓损伤患者节段间控制的挑战。在完成简单目标任务时，脊髓损伤患者在保持静止关节的控制上存在问题，这有助于精准定位患者在控制大腿和小腿节段运动时的困难。而复杂目标则可以帮助发现脊髓损伤患者的代偿运动策略，尤其是那些本体感觉严重受损的患者。
在视觉反馈方面，研究预期视觉受阻条件下（特别是指向复杂目标时），脊髓损伤患者的终点表现会更差，但结果并未发现视觉条件对其有显著影响。这可能是因为在运动开始前提供了肢体位置的视觉反馈，且目标在整个运动过程中始终可见。不过，参与者本体感觉损伤程度的差异，揭示了本体感觉障碍与代偿运动策略之间的关联。例如，在指向 KA 目标时，本体感觉较差的患者倾向于采用髋关节屈肌扭矩策略，而不是稳定的髋关节伸肌扭矩策略，这导致了更大的前向终点误差和足部路径面积；在指向 HKA 目标时，本体感觉差与膝关节屈肌扭矩减少有关，进而影响了运动表现。
此外，研究中肌肉扭矩仅与运动觉相关，而与关节位置觉无关，这初步表明关节位置觉和运动觉可能对运动控制的影响方式不同。运动觉与运动策略相关，可能是因为肌肉激活模式对不同节段的速度和加速度（即节段间动力学和相互作用扭矩）敏感。这一发现提示未来研究在探讨本体感觉对运动控制的作用时，应同时考虑速度相关的本体感觉测量和关节位置觉。
本研究的局限性在于任务指令和分析技术。去除运动前的视觉反馈对任务表现影响较小，未来研究可以通过改变视觉反馈的延迟时间，进一步探究其对任务的影响；此外，目前通过逆动力学计算得到的肌肉扭矩无法区分单关节或双关节肌肉的作用，未来利用肌电图（EMG）和包含肌肉模拟的生物力学建模，有助于更详细地分析力的分布、关节协调以及能量传递和效率，深入了解双关节肌肉在控制运动相关反馈中的作用。
总的来说，这项研究强调了在评估脊髓损伤患者运动功能时，考虑本体感觉障碍的重要性。简单的单关节运动任务能够揭示运动控制策略的受损情况和节段特异性缺陷，有助于临床医生识别下肢运动控制障碍，为个性化治疗提供依据。未来进一步完善该研究范式，有望更好地理解此类任务与功能性运动（尤其是熟练行走功能）之间的关系，还可将其应用于其他神经或身体受损人群，探索其运动障碍背后的感觉运动机制，为康复治疗领域带来新的突破和发展方向。
