神经机械协同模式可解释从坐姿到行走状态转变时的代谢效率差异

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Neuromechanical synergy patterns explain metabolic efficiency differences during the sit-to-walk transition

　　

摘要

从坐姿到站立的转换是“定时起身行走”测试中的关键环节，但这一过程中与代谢成本相关的神经肌肉及跨模式协调机制仍不完全清楚。本研究构建了一种基于仿真的协同分析框架，结合了OpenSim–Umberger代谢估算方法、非负矩阵分解（NMF）和混合矩阵分解（MMF）。71名健康受试者参与了该测试，同时记录了他们的运动学数据、地面反作用力以及8通道表面肌电信号。通过针对每位受试者的肌肉骨骼模型来估算代谢成本，而对验证子样本进行的站立行走时氧消耗量分析也证明了这种代谢估算方法的可靠性。在调整了体重、身高和性别因素后，受试者被划分为不同的代谢成本组。各组之间的关节运动学数据以及基于模拟得到的肌肉层面数据大体上具有可比性。经过对协同作用数量的校正后，NMF检测到了时间激活系数上的局部差异，且这些组间差异主要出现在运动过程的早期和晚期，而非整个分析周期内。进一步的探索性NMF权重比较则表明某些肌肉的权重可能存在差异。MMF用于分析非负时间系数以及跨模式的肌电与生物力学权重模式；经过校正后的MMF时间系数分析显示，部分MMF协同作用存在有限的局部差异，而探索性权重比较则表明某些肌电和生物力学通道与协同作用的组合也存在局部差异。这些研究结果表明，在大致相似的外部运动模式下，站立行走过程中的代谢成本特征与局部协同作用特征相关。所提出的框架为研究与模型估算的代谢成本相关的细微内部协调特征提供了以健康人为参考的标准以及假设生成的方法。