上肢等长拉力任务中预期姿势调整对旋转扰动的补偿机制研究

本研究发现，在执行单侧上肢等长拉力任务时，中枢神经系统（CNS）通过调控双侧地面反作用力（GRF）的时空特性，在手臂发力前50毫秒即产生方向特异性的水平力矩，以补偿预测的旋转扰动。研究采用双测力台技术和统计参数映射（SPM1D）分析，揭示了预期姿势调整（APA）在维持站立姿势稳定性中的前馈控制机制，为理解运动-姿势协调提供了新视角。

　　

Highlight

预期姿势调整通过双侧地面反作用力（GRF）的协调调制，在手臂发力前主动补偿由单侧上肢运动引发的旋转扰动，体现了中枢神经系统对复杂力学环境的前馈控制能力。

Results（结果）

手柄拉力任务根据拉动手和方向条件诱发不同的姿势扰动（图3）。图3A和3B展示了一名受试者的峰值手部力数据，图3C和3D显示了峰值手力时刻对应的对抗性GRF。左右脚下方GRF矢量的方向根据手柄拉力引发的扰动进行调节。任务依赖的GRF在手力起始前50毫秒即可观察到（图3E和3F）。

对手力数据的双向方差分析显示，手力幅值存在显著的拉动手主效应（F(1,14)=5.0, p=0.042）和方向主效应（F(2,28)=118.2, p<0.001），但无交互作用（F(2,28)=2.4, p=0.110）。事后检验表明，左手拉动时手力更大（p=0.042），且向右拉时力值最大（所有p<0.001）。手力力矩的方差分析显示方向主效应显著（F(2,28)=313.6, p<0.001），但无拉动手主效应（p=0.285）或交互作用（p=0.055）。事后检验证实向左拉产生正力矩，向右拉产生负力矩，直拉力矩接近零（所有p<0.001）。

在APA期（手力起始前50毫秒），GRF力矩的方差分析显示方向主效应显著（F(2,28)=20.3, p<0.001），且与手力矩方向相反（图4A）。事后检验表明，向左拉时GRF力矩为负，向右拉时为正，直拉时接近零（所有p<0.005）。GRF力矩幅值也存在方向主效应（F(2,28)=20.3, p<0.001），向左和向右拉时幅值大于直拉（p<0.001），但左右拉之间无差异（p=0.858）。

SPM1D分析进一步揭示了GRF力矩的时间过程差异（图4B）。向左与直拉条件在-31至+10毫秒期间存在差异（p<0.001），向右与直拉在-14至+33毫秒期间差异显著（p=0.002）。这些差异期涵盖了APA时间窗，证实了条件特异性调整的前馈特性。

Discussion（讨论）

本研究旨在探究预期姿势调整（APA）如何预测性补偿由自愿手柄拉力任务引发的旋转和线性扰动。通过双测力台分别测量左右脚的GRF，我们观察到在手力起始前即存在条件特异性的GRF和GRF力矩，其方向与手力力矩相反。这表明APA通过协调双侧GRF来补偿预期的旋转扰动。

结果支持了我们的假设：当上肢任务涉及水平力矩时，左右GRF的方向和/或幅度呈现不对称性以产生补偿力矩；而当任务不产生净力矩时（如直拉），GRF则保持对称。这种调整在手臂发力前即出现，强调了其前馈性质。

与早期使用单测力台的研究相比，当前方法直接量化了双脚对净力矩的贡献差异。我们发现AP方向GRF分量的调制对水平力矩生成起主导作用，因其力臂（站姿宽度的一半）大于ML分量。这与力学原理一致，并解释了APA策略的生物力学基础。

本研究存在若干局限性。首先，任务仅涉及等长收缩，未来需探索动态运动中的APA机制。其次，样本均为健康成年人，结果能否推广至神经疾病患者仍需验证。最后，缺乏肌电（EMG）数据限制了对肌肉协同机制的深入解读。

Conclusion（结论）

本研究证实APA通过调控双侧GRF产生方向特异性水平力矩，以补偿上肢等长拉力任务预测引发的旋转扰动。这些调整具有前馈特性，并凸显了协调性双侧GRF控制在预期姿势稳定中的关键作用。