用于研究上肢任务中局部运动与姿势控制的肌肉协同作用

《Journal of Biomechanics》：Muscle synergies for the investigation of focal and postural movement control during upper limb tasks

　　

弗朗切斯科·斯坎德利|瓦伦蒂娜·兰扎尼|弗朗切斯卡·卡佩莱蒂|卢卡·卡诺瓦|保拉·阿达莫|亚历山德罗·斯卡诺|罗伯托·加蒂|费德里科·滕波里蒂

摘要

中枢神经系统通过模块化激活功能相关的肌肉群来调控动作，这些肌肉群被称为肌肉协同作用。目前这些协同作用主要被用于描述肌肉在人类动作的聚焦成分中的作用，而其在自主任务中维持姿势控制方面的作用则研究较少。本研究旨在探讨健康受试者在上肢任务中全身肌肉协同作用的空间和时间组织结构，并分析其左右上肢之间的差异。15名右利手志愿者用左右上肢在三个不同平面上进行上肢抬举动作，同时从20块躯干和上肢肌肉中采集表面肌电信号。研究采用非负矩阵分解方法对肌电信号进行分解，从而提取出肌肉协同作用的空间和时间特征。通过余弦相似度评估受试者间的差异。根据所提取的4种协同作用的特征，M1负责解释抬举动作中的手臂加速度，M2被认为有助于在手臂加速时维持姿势控制，M3包含负责手臂减速的肌肉，而M4则有助于在手臂减速时维持姿势控制。左右上肢的受试者间相似度存在差异，右上肢的相似度更高（中位数：0.70，四分位距：0.07），而左上肢为（中位数：0.63，四分位距：0.09）（p＜0.001）。肌肉协同作用的组织结构遵循生物力学原理，体现了中枢神经系统在处理上肢抬举动作的聚焦成分和姿势控制成分时的能力。使用非优势上肢进行动作时，由于神经肌肉控制能力较弱，因此动作的变异性更高。

引言

中枢神经系统通过协调激活功能相关的肌肉群来简化人类动作的控制，这些肌肉群被称为肌肉协同作用（Bizzi等人，2008年）。肌肉协同作用是构成某种动作的基本单元，多种协同作用的组合能够实现运动行为，这种机制有助于减少运动控制的冗余性，提升任务执行时的灵活性和效率（Ting和McKay，2007年；Berniker等人，2009年）。通常通过矩阵分解算法从肌电信号中提取肌肉协同作用，其中非负矩阵分解是最常用的方法。该方法将多块肌肉的活动分解为多个肌肉协同作用，每个协同作用都有一个协同向量（描述空间结构）和一个对应的激活系数（描述时间结构）（Tresch等人，2006年）。协同向量反映了每块肌肉对协同作用的相对贡献，即其空间分布情况，而激活系数则表示动作过程中该协同作用的时间激活模式（Tresch等人，2006年）。这种分解方式能够简洁而有效地呈现自主动作控制的底层结构，便于进一步研究运动控制机制（Shuman等人，2017年；Defour等人，2026年；Cheung等人，2012年；Mongold等人，2025年；Park和Caldwell，2022年；Pregnolato等人，2025年）。

要实现成功的运动表现，聚焦动作成分和姿势控制成分之间的精确协调至关重要，这样才能完成有目的的协调运动动作（Robert等人，2007年）。聚焦动作成分是指用于移动末端执行器的神经肌肉活动，而姿势控制成分则涉及那些用于维持重心或通过体内固定策略避免身体各部分出现不必要的运动的肌肉活动（Robert等人，2007年）。聚焦动作成分和姿势控制成分的产生得益于中枢神经系统在自主运动过程中能够考虑生物力学环境，从而确保两种成分之间的良好协调（Robert等人，2007年；Mulla和Keir，2023年）。

在以往研究中，肌肉协同作用主要用于描述人类动作的聚焦成分（如抓取或上肢伸展动作）所对应的运动控制机制，此时提取的协同作用数量被用作运动控制的指标，因为当时还缺乏对运动模块的生物力学解读（Zhao等人，2023年；Defour等人，2026年）。此外，以往研究主要关注姿势控制肌肉的激活时机与驱动肌肉的关联，但尚未从生物力学角度研究运动系统为在自主运动中维持姿势控制而采用的肌肉协同作用，例如在站立姿态进行上肢任务时姿势控制肌肉的作用（Duarte等人，2022年）。由于姿势控制成分的特点是多块肌肉需要精确同步地激活，因此本研究的新颖之处在于应用全身肌肉协同作用分析方法，来描述健康受试者中聚焦动作成分和姿势控制成分的特征。这项研究可为将来将肌肉协同作用分析方法拓展到以姿势控制障碍为首发症状的中枢神经系统疾病的研究奠定基础（Gatti等人，2008年）。全身肌肉协同作用分析还有助于揭示自主运动过程中聚焦动作成分和姿势控制成分在运动控制方面的差异，比如使用优势上肢与非优势上肢进行上肢任务时的差异（Temporiti等人，2019年；Adamo等人，2020年）。事实上，有研究指出，使用非优势上肢进行运动任务时，由于协调聚焦动作成分和姿势控制成分的能力较差，再加上姿势控制肌肉的空间和时间激活模式存在差异，从而导致运动精度较低（Akamatsu和Shinya，2025年；Bagesteiro和Sainburg，2002年）。在此背景下，不同上肢之间肌肉协同作用的相似度可作为衡量动作变异性和控制程度的指标（Kaufmann等人，2024年）。

本研究的主要目的是探讨健康受试者在上肢任务中全身肌肉协同作用的空间和时间组织结构。我们假设肌肉协同作用的组织结构遵循生物力学原理，因而可以区分出负责产生聚焦动作成分的协同作用和负责管理姿势控制成分的协同作用。次要研究目的是比较左右上肢之间肌肉协同作用的变异程度。我们推测，在使用优势上肢进行任务时，肌肉协同作用的变异程度会低于使用非优势上肢的情况。

章节要点

参与者

本研究共招募了15名年轻的健康志愿者（年龄：22.0±1.8岁，性别比例：8男/7女，身高：177±8厘米，体重：68.2±13.1千克），均为右利手。这些志愿者在过去一年内没有神经系统或骨科疾病及损伤史，且排除了那些需要较强上肢能力的竞技体育运动员。研究在意大利米兰IRCCS Humanitas研究医院的运动分析实验室进行。所有参与者都签署了书面同意书

结果

在肩部抬举、外展-内收以及旋转的动作范围和最大角速度方面，左右上肢之间没有显著差异，但在不同运动平面上的最大角速度存在显著差异（见表1）。

讨论

主要研究发现是，在上肢抬举任务中，全身肌肉协同作用的空间和时间组织结构似乎遵循生物力学原理，这说明参与管理聚焦动作成分和姿势控制成分的肌肉协同作用之间存在差异。此外，与使用非优势上肢相比，使用优势上肢进行上肢动作时，不同受试者之间的肌肉协同作用相似度更高。

在肩部抬举任务中

结论

上肢抬举过程中肌肉协同作用的空间和时间组织结构似乎符合生物力学原理，这体现了运动系统在管理聚焦动作成分和姿势控制成分方面的能力。与非优势上肢相比，使用优势上肢进行动作时，肌肉协同作用的变异程度更大。这些结果为健康受试者提供了初步的参考数据，未来还需要进一步研究以验证当前方法在检测相关问题方面的有效性

CRediT作者贡献说明

弗朗切斯科·斯坎德利：写作——初稿撰写、可视化、方法学、研究设计、数据整理、概念构建。瓦伦蒂娜·兰扎尼：写作——审稿与编辑、可视化、软件应用、方法学、研究设计、正式分析、数据整理、概念构建。弗朗切斯卡·卡佩莱蒂：写作——审稿与编辑、研究设计。卢卡·卡诺瓦：写作——审稿与编辑、研究设计。保拉·阿达莫：方法学、研究设计、概念构建。亚历山德罗·斯卡诺：写作——审稿与

资金支持

本研究得到了意大利大学与研究部在“下一代欧盟”计划框架下提供的资助，项目编号为PRIN2022/2022FABKJ5。

利益冲突声明

作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。