全身固定对睁眼和闭眼状态下压力中心复杂性的影响

《Gait & Posture》：Effect of full-body immobilization on center of pressure complexity in open- and closed-eyes conditions

本研究探讨全身固定在睁眼和闭眼条件下对中心压力（COP）行为的影响，分析COP变异性、规律性和频率。结果显示，固定增加了COP变异性、规律性并转向低频，但视觉条件无显著差异，提示中枢神经系统通过漂移式动态维持感觉输入，但视觉剥夺作用不明确。

　　本研究由Lucas Michaud、Christina Rosa、Léila Turgeon、Stéphane Babineau、Benoit Boudreau和Yves Lajoie共同完成，所有研究者均来自渥太华大学的人类运动科学学院。研究探讨了在完全身体固定状态下，睁眼和闭眼条件下中心压力（COP）行为的变化，尤其是COP复杂性的变化。研究结果表明，COP的变异性在两种条件下均有所增加，同时COP的规律性也提高，信号向低频方向偏移，提示可能存在COP漂移现象。此外，研究还发现大多数COP变量具有良好的重复性，支持在固定研究中使用多试次的方法。

平衡控制是日常生活中的重要功能，但其具体机制尚未完全明确。传统上，研究者通过分析平衡摆动来研究这一过程，即在静止站立时持续存在的自然摆动。通常认为，这种持续摆动是由于无法维持完美的平衡，中心压力（COP）不断调整以稳定中心质量（COM）。这种调整受到多种因素的影响，如噪声（例如感觉或运动输出的变异性）或延迟（处理和反应的时间滞后），导致COP“追逐”COM。因此，摆动被视为控制能力差的指标，较大的摆动可能意味着更高的跌倒风险。然而，近期研究发现，当COM被固定时，COP的运动反而增加，这挑战了传统的解释。Carpenter等人发现，当COM被固定时，COP的变异性增加，提示摆动与平衡控制之间可能存在更复杂的关系。

COP变异性增加支持了探索性假说，即在身体固定时，中枢神经系统（CNS）可能通过增加COP变异性来恢复运动，并刺激快速适应的感觉受体。进一步的支持来自研究发现，当COM被固定时，COP运动在双重任务中持续存在，或在视觉反馈条件下增加，或在明确知晓固定的情况下增加。有研究认为，这种行为可能是自动的，并由皮下结构驱动。另一种观点则认为，COP运动的增加可能是由于扭矩反馈，当身体固定时COP存在偏移（即固定时刻COP位置与固定前平均位置之间的差异）。然而，这些结论是基于在固定后使用外部平台移动的实验设计，这种设计创建了与传统固定范式不同的平衡扰动。

尽管这些研究提供了新的见解，但仍存在一些局限。首先，大多数先前研究依赖于单一试次的数据，这可能降低了数据的可靠性。此外，这些研究主要关注COP的变异性，而未能全面反映在固定条件下平衡调整的动态复杂性。评估COP的复杂性可能对理解这一现象具有重要意义，因为较高的复杂性通常与探索行为和对动作可能性的增强感知相关。例如，Carpenter等人发现，在COM固定时，COP变异性在睁眼和闭眼条件下没有显著差异。然而，仅依赖变异性指标难以解释为什么视觉输入的去除对行为没有明显影响，尤其是在挑战性任务中，视觉剥夺通常会损害平衡控制，并可能促进更强烈的探索行为。因此，使用评估时间结构或频率内容的替代指标，如样本熵（SampEn）和离散小波变换（DWT），可能有助于进一步理解在这些条件下CNS的适应和探索行为。

样本熵（SampEn）是一种非线性信号规律性的度量，反映了信号的复杂性。虽然有一项研究发现，在固定期间样本熵没有变化，但样本熵可能揭示CNS对视觉剥夺的适应情况。相反，尽管COM固定与信号向低频方向偏移有关，但感觉再加权假说认为，视觉剥夺可能增加对本体感觉的依赖，从而在视觉被移除时导致更高的频率摆动成分。为了评估COP的频率内容，近期研究使用了时间频率方法，如离散小波变换，这种方法比传统的傅里叶分析更适合非线性信号。小波分析还可以将COP分解为特定的频率带，从而检测能量变化，这些变化可能反映在不同感觉条件下平衡策略的变化。

本研究的目标是重新审视Carpenter等人的实验，使用传统的非线性COP度量方法。研究结果表明，当COM被固定时，COP的变异性确实增加，同时SampEn和Ilr值的变化也反映出COP的规律性增强。然而，与预期不同的是，去除视觉信息并未显著改变在固定状态下的行为。这提示在身体固定条件下，视觉输入对COP行为的影响可能并不显著，从而引发对感觉操作如何影响这一行为的疑问。因此，未来的研究应进一步完善实验设计，以更清晰地揭示感觉模态在这一过程中的作用。

本研究的参与者共有19名年轻成年人，其中包括12名女性和7名男性。根据Superpower R包的先验功效分析，基于Carpenter等人的数据估计需要至少3名参与者以达到0.8的功效，而基于Michaud等人的数据则估计需要至少6名参与者。最终，研究招募了19名参与者，他们均签署了渥太华大学的知情同意书。所有参与者在年龄、体重和身高方面均有一定的分布，女性的平均年龄为23.66岁，体重为66.20公斤，身高为165.41厘米；男性的平均年龄为25岁，体重为73.63公斤，身高为173.98厘米。这些数据为研究提供了基础，帮助分析在不同条件下COP行为的变化。

研究结果表明，统计分析未发现显著的“眼条件”与“阶段”之间的交互作用。所有变量均显示出“阶段”的主效应。在锁定阶段，变异性增加（F(1,18) = 7.037, p < 0.05, η2 = 0.281），而样本熵（SampEn）值降低（F(1,18) = 12.404, p < 0.01, η2 = 0.408），这表明COP的幅度增加，但变得更加规律。绳索变异性（Rope variability）在锁定阶段降低（F(1,18) = 110.633, p < 0.001, η2 = 0.860），提示在固定条件下，COP行为受到有效的控制。这些结果为理解CNS在身体固定条件下的适应机制提供了重要线索，同时揭示了在不同视觉条件下COP行为的稳定性。

研究结果还表明，COP行为在固定期间发生了变化：变异性增加，信号变得更加规律，并向低频方向偏移。这可能反映了CNS试图维持感觉输入的努力，可能通过在长时间尺度上的漂移样动态实现。然而，去除视觉信息并未对行为产生显著影响，这引发了对感觉操作如何影响这一行为的疑问。因此，未来的研究需要进一步优化实验设计，以更清晰地揭示感觉模态在这一过程中的作用。

此外，本研究的发现具有重要的理论和实践意义。在身体固定状态下，COP行为的变化可能不仅仅是由于COM的固定，还可能与CNS的适应策略有关。例如，COP的漂移样动态可能表明，在长时间尺度上，CNS试图通过调整COP来维持身体的稳定性，即使在没有视觉输入的情况下。这可能与感觉再加权假说相呼应，即在视觉剥夺的情况下，CNS可能增加对本体感觉的依赖，从而在某些频率范围内表现出不同的摆动特征。然而，研究结果并未发现视觉条件对COP行为的显著影响，这可能提示在某些情况下，视觉输入的作用并不明显，或者CNS已经适应了在没有视觉输入时的环境。

综上所述，本研究通过分析COP的变异性、规律性和频率内容，揭示了在身体固定状态下，CNS的适应机制可能包括通过漂移样动态来维持感觉输入。同时，研究结果表明，视觉条件的改变对COP行为的影响可能并不显著，这为理解CNS在不同感觉条件下的适应性提供了新的视角。未来的研究应进一步探索如何通过不同的感觉模态来影响COP行为，以更全面地理解平衡控制的机制。此外，使用更先进的分析方法，如小波变换和样本熵，可能有助于揭示COP行为在不同条件下的动态变化，从而为临床应用提供更精确的参考。