肘关节屈伸运动中中枢神经系统对陌生动作的肌肉协同与共激活调控机制研究

本研究针对中枢神经系统(CNS)在陌生肘关节屈伸任务中的控制策略展开，通过表面肌电图(sEMG)和运动捕捉技术，揭示了CNS通过增加肌肉共激活(coactivation)来应对陌生动作，而在熟悉任务中则依赖肌肉协同(synergies)调控速度。该成果为理解运动学习神经机制提供了新视角，对康复医学和运动科学具有重要意义。

　　

论文解读

背景与科学问题
日常生活中，人类能轻松完成如喝水、写字等熟练动作，但面对陌生任务时（比如第一次使用新工具），动作常显得笨拙。这种差异背后，隐藏着中枢神经系统(CNS)如何调控肌肉的奥秘。传统理论认为，CNS通过两种策略控制运动：一是模块化的"肌肉协同"(muscle synergies)，即多块肌肉被组合成功能单元协同工作；二是"肌肉共激活"(coactivation)，即同时激活拮抗肌群以增强关节稳定性。然而，当遇到陌生动作时，CNS究竟优先采用哪种策略？运动速度又如何影响这种选择？这些问题尚未被系统解答。

德国亚琛工业大学康复与预防工程系的Elisa Romero Avila和Catherine Disselhorst-Klug团队在《European Journal of Applied Physiology》发表的研究，首次通过精确设计的生物力学实验，揭示了CNS在陌生肘关节屈伸任务中的动态调控机制。

关键技术方法
研究招募20名健康受试者，利用表面肌电图(sEMG)记录肱二头肌(biceps brachii)、肱桡肌(brachioradialis)和肱三头肌(triceps brachii)的激活信号，结合运动捕捉系统量化肘关节角度和角速度。通过设计"熟悉"（矢状面）与"陌生"（横断面）两种屈伸任务，并设置20-140°/s的梯度速度，采用非负矩阵分解(NNMF)算法解析肌肉协同模式。

主要发现

1. 肌肉激活模式与共激活

• 陌生任务中，所有肌肉的均方根(RMS)值显著增高（p<0.001），尤其在高速运动时（100-140°/s），肱三头肌激活量比熟悉任务高97%。
• 共激活水平随速度提升而增加，但陌生任务的增幅更剧烈（如屈肘时肱桡肌激活量增加71% vs 熟悉任务的37%）。

2. 肌肉协同重构

• 熟悉任务中，CNS通过增强协同1（Flex_c1(t)_sagittal）的贡献来应对高速运动，其时空结构保持稳定。
• 陌生任务导致协同1的肌肉权重重新分配：肱三头肌贡献占比从熟悉任务的28%升至42%，反映CNS优先调用拮抗肌控制关节稳定性。

3. 速度与熟悉度的交互效应
统计显示，任务熟悉度与运动速度无显著交互作用（p>0.05），表明CNS对陌生任务的调控策略具有速度普适性。

结论与意义
这项研究首次阐明：面对陌生动作时，CNS会"保守"地采用肌肉共激活策略，通过全面增强关节周围肌群活动来保障运动精度；而对于熟练动作，则通过优化现有协同模块的激活强度来适应速度变化。这一发现为临床康复提供了新思路——针对中风患者的运动再训练，初期应注重降低共激活水平，而后期则需强化协同模式重建。此外，研究建立的实验范式可扩展至其他关节运动分析，为理解人类运动控制的普适规律奠定基础。