《NeuroImage》：Precise modeling of task-related sensorimotor activation based on simultaneous surface electromyography
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研究人员比较了将表面肌电图（surface electromyography，EMG）与加速度计（accelerometry，Acc）纳入功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）分析的多种建模策略。
研究人员比较了将表面肌电图（surface electromyography，EMG）与加速度计（accelerometry，Acc）纳入功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）分析的多种建模策略。EMG与Acc均解释了初级感觉运动皮层（primary sensorimotor cortices）中的fMRI信号变异；EMG还额外解释了次级躯体感觉皮层（secondary somatosensory cortex，S2）和小脑（cerebellum）中的信号变异性。然而，在模型中纳入时间导数（temporal derivative，TD）会掩盖EMG相关的小脑响应。在无外在运动的运动想象过程中，分布广泛的皮层区域同样可反映EMG信号变化。上述结果强调，EMG在捕获常规手段无法检测的隐性运动行为方面具有独特价值。
解读文章：同步表面肌电图与加速度计联合建模提升fMRI任务相关感觉运动激活检测精度
任务相关功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）在寻找步态障碍或运动缺陷的客观生物标志物方面仍面临挑战，主要源于技术标准化不足以及对任务执行情况控制不够。表面肌电图（surface electromyography，EMG）能直接记录肌肉电活动，与外在运动高度相关，且即使在运动想象中也能反映相关肌肉的易化或抑制；惯性测量单元（inertial measurement unit，IMU）可提供运动学验证，却无法揭示潜在神经肌肉策略。既往EMG-fMRI研究多集中于上肢，对下肢特别是踝关节运动的研究不足，且将EMG纳入广义线性模型（general linear model，GLM）的方式差异较大，缺乏对正交化残差EMG（residual EMG，rEMG）、残差加速度计（residual accelerometry，rAcc）及二者联合建模的系统比较；运动想象和静息状态下的EMG波动也未得到充分评估。时间导数（temporal derivative，TD）虽常用于校正模型与血氧水平依赖（blood oxygenation level-dependent，BOLD）信号间的时间错配，但其与EMG回归子联合使用的影响尚不明确。为此，研究人员系统比较了不同EMG-fMRI建模策略，检验EMG信息能否提高BOLD信号解释方差，尤其针对下肢运动相关脑区激活。
研究纳入23名健康受试者（32.5±7.5岁，10名女性、13名男性；经捷克奥洛穆茨大学医院及帕拉茨基大学医学院与牙医学院伦理委员会批准，编号48/23），最终20名进入组分析。受试者在3T MRI扫描仪内同步采集胫骨前肌（tibialis anterior，TA）表面肌电信号、足背三轴加速度（accelerometry，Acc）信号及fMRI数据，任务包括有节律的踝背屈/跖屈、步态想象（gait imagery，GI）、静息（有无音调）等条件。研究人员构建了五个一阶GLM模型：标准模型（m1）、rAcc模型（m2）、rEMG模型（m3）、rAcc加双重正交化rEMG（orEMG）模型（m4）以及将EMG划分为任务相关、GI和静息成分的split EMG模型（m5）；同时构建不包含任务回归子TD的对应模型（m1′–m5′）。组分析采用混合效应模型，并基于Brainnetome图谱和小脑图谱定义感兴趣区（region of interest，ROI）进行验证。
3.1 行为学数据。踝关节平均最大背屈为37.7±11.4°，平均最大跖屈为23.6±10.0°；踝动、GI和静息条件下TA肌线性包络EMG幅值分别为29.63±17.88 μV、3.57±1.98 μV和2.95±1.92 μV；因解剖像缺失、受试者入睡或EMG噪声较大等原因，3名受试者被剔除。
3.2 运动区激活。标准模型m1显示，踝关节运动任务诱发了对侧感觉运动皮层（sensorimotor cortex，SMC）等广泛皮层和皮层下区域的显著BOLD激活。
3.3 rEMG、rAcc和trEMG效应。rAcc和rEMG均解释了对侧SMC内的BOLD信号变化；rEMG还额外解释了小脑和右侧次级躯体感觉皮层（secondary somatosensory cortex，S2）的激活，但在split EMG模型中将GI和静息EMG分离后，这两个额外簇不再显著。
3.4 rAcc、rEMG与trEMG模型间的差异。全脑体素级比较未发现三者存在显著差异；ROI分析显示辅助运动区（supplementary motor area，SMA）内rEMG与trEMG存在显著差异。
3.5 orEMG效应。在同时包含rAcc和rEMG的模型m4中，经双重正交化的orEMG仍解释了右侧S2的显著激活。
3.6 静息EMG与GI EMG效应。GI EMG在右侧颞顶交界、双侧中央岛盖、以右侧为主的SMA及扣带回、右侧颞叶皮层和右侧额极等区域产生多个显著簇；静息EMG未产生任何显著簇。ROI分析仅见右侧S2非零激活。
3.7 任务回归子TD的效应。与包含TD的模型相比，不含TD的模型中SMC的rAcc相关激活消失，但rAcc、rEMG、orEMG和trEMG均在小脑产生额外汇聚簇。重复测量方差分析显示TD对生理信号相关激活存在显著的ROI交互作用，该效应主要位于小脑；非参数检验证实TD的参数估计在小脑显著高于机会水平，表明TD捕获了原本可由EMG或Acc解释的瞬态BOLD信号。
3.8 总体模型性能。残差比较显示，加入Acc在S2和SMA引起残差轻度增加；所有模型间未发现显著的解释方差改善。与不含TD的模型相比，包含TD显著降低了双侧SMC、丘脑和小脑的未解释信号方差。
讨论部分指出，rEMG和rAcc在SMC中的相似解释作用说明二者在健康人群中部分应用场景下可互换，且这一作用并非由运动起始延迟所致。rEMG额外解释的S2和小脑信号为该多模态方法提供了独特信息。GI EMG激活区域与以往步态想象研究报道一致，提示低幅肌电活动可能内隐地反映运动想象过程。TD虽然整体提高了模型拟合性能，但会掩盖小脑内具有瞬态特征的真实神经信号，因此在解释包含TD的模型结果时需保持谨慎。研究局限包括仅采集单块肌肉（TA）、样本量较小且未纳入患者群体等。研究结论可译为：本研究证实，健康受试者在进行以等张、相位性踝关节运动为主的任务时，EMG和惯性测量单元可提供相近信息，解释SMC中额外的信号变异性；该多模态方法有助于加深对运动控制生理学的理解，并可发展为检测运动功能障碍的可靠且与临床相关的指标。研究人员提出了几种将EMG纳入GLM分析的新策略，如单独建模任务相关EMG和双重正交化EMG，为研究正常运动系统功能及运动障碍的病理生理机制提供了新途径。总之，将EMG和/或加速计信号纳入fMRI分析能够识别与外周运动输出紧密耦合的脑区，在连接中枢神经活动与真实运动执行方面展现出重要潜力。
