《Frontiers in Rehabilitation Sciences》：The relationship between motor and cognitive performance and cortical activity in patients with multiple sclerosis: a systematic review of functional near-infrared spectroscopy studies
编辑推荐：
摘要背景：本综述旨在采用功能性近红外光谱（fNIRS）研究多发性硬化症（MS）患者在单任务和双任务条件下运动/认知表现与皮层活动之间的关系。方法：该综述已在PROSPERO（CRD420261402862）预注册，并遵循PRISMA方案。研究人员系统检索了Pu
摘要背景：本综述旨在采用功能性近红外光谱（fNIRS）研究多发性硬化症（MS）患者在单任务和双任务条件下运动/认知表现与皮层活动之间的关系。方法：该综述已在PROSPERO（CRD420261402862）预注册，并遵循PRISMA方案。研究人员系统检索了PubMed、Cochrane Library和Web of Science，纳入18篇相关研究，以回答四个核心问题：（1）MS患者与健康对照者之间的皮层激活是否存在差异；（2）激活模式在单任务与双任务条件下如何变化；（3）激活是否与运动/认知表现相关；（4）皮层激活改变的潜在机制。结果：研究结果表明，部分MS患者可能表现出皮层激活增强同时伴随表现下降。在单任务条件下，运动/认知区域的激活通常高于健康对照者，且在某些研究中，此激活与残疾严重程度相关。在双任务条件下，这一模式更为突出，同时出现步态和认知表现下降。康复干预可能有助于调节此类激活。结论：某些MS患者表现出任务相关皮层激活增强伴随表现下降。这可能反映了神经效率或神经血管耦合的改变，但也可能表明代偿性募集或注意力努力增加，具体取决于任务类型、残疾严重程度和疾病相关因素。fNIRS可作为有用的监测工具，未来有必要进行多模态脑电图（EEG）-fNIRS联合研究，以阐明潜在机制。系统综述注册：https://www.crd.york.ac.uk/prospero/，标识符CRD420261402862。
1 引言
多发性硬化症（MS）是一种神经退行性疾病，以炎症、脱髓鞘和轴突变性为特征，导致一系列神经功能缺损并显著损害患者生活质量。研究表明，80%的MS患者存在运动障碍，40%–70%同时伴有认知障碍（如执行功能和工作记忆下降），因此运动与认知协调的同时受损被认为是MS患者最具代表性的共病特征之一。进一步证据表明，在衰老和多发性硬化症中，运动与认知功能相互关联或耦合。目前全球约有280万人患有MS，患病率为每10万人口35.9例。随着MS发病率日益向老年人群转移，这两个领域的协同下降与MS患者的疾病严重程度、残疾进展和预后密切相关，从而对此人群的评估和治疗构成重大挑战。运动与认知表现对MS患者尤其关键，特别是在日常生活场景中（例如边走边交谈）。日常活动通常涉及认知与运动任务的整合，这一过程常被称为双任务处理。在此过程中，大脑皮层的功能专门化和网络整合共同决定运动与认知表现的水平。新兴证据表明，MS患者存在认知-运动整合困难，这可能归因于异常的神经血管耦合（NVC）和改变的代谢性皮层激活，导致无法有效分配注意力资源。因此，与单任务条件（仅运动或仅认知）相比，MS患者在双任务条件下表现出运动表现（如步速减慢、平衡受损）和认知表现的双重下降。因此，阐明MS患者运动/认知表现的变化及其与皮层活动的关系，将有助于明确运动-认知损伤的机制，并为该人群制定有效的康复策略提供依据。传统神经影像技术（如功能性磁共振成像（fMRI））易受运动伪影影响，难以在真实运动任务中捕捉患者的皮层活动。便携式脑电图（EEG）可实时监测神经电活动，但空间分辨率有限，无法准确定位参与运动规划、执行和调节的关键脑区。基于NVC和光学光谱原理，脑神经活动增加导致脑代谢需求升高，引起脱氧血红蛋白（HbR）水平降低和氧合血红蛋白（HbO
2）水平升高。功能性近红外光谱（fNIRS）是一种非侵入性神经影像工具，具有中等空间分辨率和良好成本效益。它通过量化氧合/脱氧血红蛋白的脑血流动力学变化来反映脑活动，已广泛应用于功能神经科学研究。既往研究表明，fNIRS可用于评估MS患者在单任务或双任务条件下的运动或认知表现，尤其关注监测在运动规划、执行和认知控制中密切参与的脑区活动。这些脑区包括前额叶皮层（PFC）、初级运动皮层（M1）、前运动皮层（PMC）、辅助运动区（SMA）、前运动区（PM）、感觉运动皮层（SMC）和额极区（FPA）。因此，fNIRS为分析MS患者运动-认知损伤的神经机制提供了理想工具。总之，本系统综述旨在整合现有fNIRS研究的证据，回答以下四个核心问题：（1）MS患者与健康对照者之间的皮层激活是否存在差异；（2）激活模式在单任务与双任务条件下如何变化；（3）激活是否与运动/认知表现相关；（4）皮层激活改变的潜在机制。
2 材料与方法
2.1 研究选择标准
本系统综述已在PROSPERO（CRD420261402862）预注册，并遵循PRISMA方案。研究人员基于PICOS框架建立纳入标准。纳入标准包括：（1）人群：经确诊、年龄≥18岁的MS成人患者；（2）干预：任何由研究人员实施的结合认知任务或运动任务的单/双任务范式（包括单一认知任务、单一运动任务或双任务）；（3）比较：执行单一认知任务、单一运动任务或结合认知与运动任务的双任务控制组；（4）结局：使用fNIRS评估单任务或双任务期间大脑皮层血流动力学反应的研究；（5）研究设计：横断面研究、随机对照试验（RCT）、队列研究和前后对照研究等。排除标准：（1）未使用fNIRS的研究；（2）非原创文章，如综述、社论、评论、研究方案、会议摘要和信件；（3）仅限于健康个体、其他疾病患者或动物的研究；（4）使用其他皮层激活检测方式的研究，如EEG、功能性磁共振成像（fMRI）或经颅磁刺激（TMS）；（5）非英文文章。
2.2 检索策略
研究人员在三个电子数据库（PubMed、Web of Science和Cochrane Library）中进行系统检索，截止日期为2025年12月31日。检索策略包括以下三组关键词及其对应的医学主题词（MeSH）的所有可能组合：（1）多发性硬化症相关术语：multiple sclerosis、MS、adults、older adults/elderly；（2）任务范式相关术语：dual-task、cognitive-motor performance、gait、walking、cognition、executive function、memory、motor function、mobility；（3）fNIRS相关术语：fNIRS、functional near-infrared spectroscopy、near-infrared spectroscopy。还在Embase和Scopus中进行了手动补充检索。通过筛选检索文献的标题、摘要和全文来确定研究资格。2名独立评审员（WJW和SHJ）筛选标题、摘要和全文以评估资格。任何分歧通过讨论解决。
2.3 数据提取
从每篇纳入的研究中提取以下详细信息：标题、发表年份、作者；MS患者的特征（样本量、年龄、疾病亚型）；用于测量脑活动的fNIRS技术（设备类型、波长、感兴趣区域、运动伪影、颅外污染、短分离回归、预处理变异性、生理噪声校正）；任务类型和范式（即单任务、双任务）；干预持续时间、任务表现和皮层激活结果，包括统计相关性、步态特征、认知表现等。
2.4 单个研究的偏倚风险
2名独立评审员（WJW和SHJ）使用美国国立卫生研究院（NIH）的研究质量评估工具评估每项纳入研究的质量。横断面研究采用观察性队列和横断面研究质量评估工具进行评估，RCT采用对照干预研究质量评估进行评估，病例对照研究采用病例对照研究质量评估工具进行评估。质量评估用于衡量科学证据的强度，但未用于确定研究资格。
3 结果
3.1 纳入研究概述
通过关键词检索共识别出4,031项研究。其中，531项因重复被移除，3,240项在标题和摘要筛选阶段被排除，260项研究进行全文审查。在这260项研究中，242项因不符合上述筛选标准被排除。其余18项研究纳入本综述。
3.2 纳入研究的基本特征
纳入研究共纳入572名MS患者和291名健康对照者（HC）。在MS患者中，140名为复发-缓解型MS，60名为进展型MS，其余患者未进行亚型分类。MS患者平均年龄范围为29至69岁，HC平均年龄范围为30至75岁。在所有纳入研究中，1项为RCT，2项为病例对照研究，其余为横断面研究。认知任务包括背诵交替字母、算术任务、连续减7、记忆任务等。运动任务包括正常行走、跨已知/未知障碍物、在跑步机上正常行走6分钟、虚拟现实（VR）和现实环境中的洗碗任务、辅助行走以及其他相关任务。在研究MS患者在不同任务中的激活模式时，考虑了不同的皮层区域。结果表明，PFC是所有纳入研究中最常研究的区域（n=12）。相比之下，只有少数研究（n=6）检查了多个皮层区域的血流动力学反应，包括与运动相关的区域如SMA、PMC、FPA、SMC、初级运动皮层（MC）以及整个大脑皮层。
3.3 纳入研究的方法学质量
采用美国国立卫生研究院（NIH）研究质量评估工具评估纳入研究的方法学质量。12项研究被评为“良好”，6项被评为“一般”。总体而言，研究中发现若干局限性：部分研究未报告足够的样本量，未提供足够的研究程序持续时间，也未在分析中控制混杂变量。然而，所有研究均详细描述了任务类型和范式，且参与者执行的任务具有可比性。
3.4 单任务条件下任务表现与皮层激活的关联
3.4.1 单一认知任务
3项研究报告了MS患者在单一认知任务期间的皮层激活。与HC相比，MS患者在单一认知任务条件下表现出更高的PFC激活水平。一项线性回归研究发现，MS患者背外侧前额叶皮层（DLPFC）激活减弱与认知疲劳（CF）水平升高呈负相关。在MS患者群体内，残疾严重程度较高与更强的PFC激活相关。
3.4.2 单一运动任务
5项研究表明，在单一行走任务期间，MS患者PFC、DLPFC、PMC、额极皮层（FPC）和FPA的氧合水平高于健康对照者。一项研究还证实，无论是否提供体重支持，MS患者的PFC皮层激活水平均高于健康个体。另一项使用跑步机行走任务的RCT通过计算半球氧合血红蛋白面积来评估M1和PM。基线时，MS患者的皮层激活高于HC。经过4周康复训练后，机器人辅助步态训练（RAGT）组的皮层激活降低，而观察组（OW）的皮层激活升高。与向前行走条件相比，MS患者在向后行走时DLPFC/FEF皮层和HC在FPC/FEF皮层的激活更强。根据扩展残疾状态量表（EDSS，≥4）和患者确定的疾病步骤（PDSS，≥3）对MS患者进行残疾状态分层分析发现，严重残疾的MS患者PFC激活水平更高。
3.5 双任务条件下的皮层激活
3.5.1 双任务与单一运动任务
与单一运动任务相比，双任务条件进一步改变了皮层激活水平，MS患者与HC之间观察到不同的模式。3项研究表明，在双任务表现期间，HC在PFC及其亚区（DLPFC/rPMC/FPC/FEF）表现出更强的激活，且步速更快，相比之下MS患者激活较弱。其他4项研究表明，MS患者在双任务条件下通常走得更慢，且PFC激活比HC更强。部分研究还报告，尽管MS患者步态表现较差，但无显著皮层激活变化。关于MS疾病亚型，与复发-缓解型MS患者相比，进展型MS患者在双任务条件下表现出步速减慢和PFC激活增强。对于复发型MS患者，PFC和SMA对步速减慢的较强激活与较低的跌倒风险相关。此外，残疾程度较高的MS患者在双任务条件下比残疾程度较低的患者表现出更强的PFC皮层激活。
3.5.2 双任务与单一认知任务
与单一认知任务相比，一项研究发现，健康个体在认知表现下降时FPA激活增强。大多数研究表明，与HC相比，MS患者在双任务条件下通常表现出更高的PFC激活但更差的认知表现。2项研究表明，即使认知表现下降，MS患者的皮层激活仍保持稳定。然而，一项研究也报告，随着双认知任务复杂性的增加，MS患者相比健康对照者PFC皮层激活降低。2项研究表明，与复发型MS患者相比，进展型MS患者在双任务条件下表现出PFC激活增强但认知表现更差（正确字母数量减少）。此外，与单一认知任务相比，高残疾状态的MS患者在双任务条件下比低残疾状态患者表现出更高的PFC激活水平和更差的认知表现。
3.5.3 任务负荷
与单一认知任务相比，随着双认知任务复杂性的增加，MS患者在双任务条件下PFC激活相比HC降低。在行走时跨越可预测/不可预测障碍物时，MS患者表现出比HC更高的PMC、MC和体感联合皮层（SAC）激活。在行走时跨越不可预测障碍物时，MS患者的注意力需求和认知负荷增加，同时出现更广泛的皮层激活降低。一项使用部分体重支持以减少MS患者个体负担的评估显示，与无体重支持条件相比，较差的认知表现与更强的PFC皮层激活相关。
3.5.4 虚拟现实与现实任务
一项上肢运动研究采用虚拟与现实结合的方法评估皮层激活。在VR和现实单一运动任务中，MS患者与HC相比表现出较低的总血红蛋白浓度以及PMC和SMA的较弱激活，表明MS患者神经血管激活降低。在VR双任务条件下，MS患者的PMC和SMA激活高于健康个体。MS患者在四种任务条件（VR和现实单/双任务）下未观察到皮层激活的显著差异，表明该人群神经血管适应性受损。
3.6 MS亚型和残疾状态对皮层激活的影响
MS患者的疾病亚型深刻影响大脑神经代偿的效率。复发-缓解型MS患者通过增加PFC激活来维持步态稳定性并降低跌倒风险。相比之下，进展型MS患者表现出皮层激活增强但运动与认知表现更差，表明额外脑资源的过度募集、神经代偿受损和可塑性降低。同时，MS患者在单任务和双任务条件下表现出一致模式：残疾严重程度越高，皮层激活越强。这表明低残疾个体能够灵活调节脑激活以适应任务需求，反映了保留的神经调节能力。相反，高残疾患者必须调动更多神经资源以满足复杂任务条件，导致皮层激活增强但表现更差，表明神经效率降低。值得注意的是，MS疾病亚型和残疾状态常共存。对于进展型MS且严重残疾的患者，皮层代偿失衡可能尤为突出，可能表现为代偿过度或失代偿。
3.7 认知疲劳和任务负荷对皮层激活的影响
认知疲劳破坏PFC的血流动力学反应和功能连接，导致神经血管耦合受损。随着任务负荷增加（如双任务、不可预测障碍物回避、向后行走）和个体疲劳水平上升，MS患者的皮层激活模式进一步紊乱。部分MS患者甚至出现皮层激活水平降低，表明神经代偿机制下降。
3.8 干预措施对皮层激活的影响
与传统地面训练相比，机器人辅助步态训练可显著减少MS患者运动皮层的过度激活，提高神经资源利用效率。部分体重支持有效降低双任务期间的认知负荷，减轻高残疾患者的神经代偿压力。虚拟现实和增强现实（AR）可诱导相似的血流动力学反应，但显著揭示了MS患者神经血管适应性的受损。
4 讨论
本系统综述首次使用fNIRS分析MS患者在单/双任务条件下的皮层血流动力学特征。总体而言，MS患者无论在单任务还是双任务条件下，多个测量脑区（如FPC、PMC、SMA、SMC）的皮层激活均有增强趋势，且双任务时激活通常更强。然而，这些模式并非在所有研究中一致：部分研究报告HC激活更强，或尽管MS表现较差但激活无显著变化，或随着任务复杂性增加特定区域激活降低。值得注意的是，这种明显的高激活伴随着较差的运动和认知表现，提示潜在的代偿机制。发现异质性涉及皮层区域、任务特征、人群多样性、残疾状态和疾病阶段，与先前研究一致。
4.1 皮层激活的可能解释
本综述观察到的皮层激活模式可能与皮层网络之间的连接性、效率和相互作用密切相关。在MS患者中，中枢神经系统的炎症脱髓鞘、轴突损伤和皮质病变破坏了运动网络、认知控制网络和显著性网络之间的结构连接，降低了跨脑网络的信息传递效率。基于代偿再分布模型，大脑招募额外的皮质资源进行功能重组以维持正常行为表现。然而，这种重组并非均匀分布，而是表现出明显的任务特异性特征。例如，在涉及行走结合背诵或心算的研究中，前额叶皮层（尤其是DLPFC和FPC）的激活更为突出，该区域参与工作记忆、运动规划、决策以及认知与运动的整合等多种功能。在涉及空间判断任务的研究中，PMC、SMA和SMC表现出激活优势，这些区域参与感觉运动整合，主要负责运动规划、选择以及感觉输入和运动输出的整合。这种激活模式的差异反映了基于任务需求的脑资源动态分配，代表了皮层区域之间的相互作用。这些发现与先前使用fNIRS和fMRI对神经系统疾病的研究一致，报告了老年人和健康年轻人在障碍行走、连续减数和字母生成任务中显著的PFC激活。此外，MS患者表现出广泛的白质束损伤以及前额叶皮层和额上回（SFG）变薄。在行走任务期间，大脑需要额外的认知资源，如整合多感官信息、实施有目的的运动和调整姿势。尽管MS患者前额叶区域存在弥漫性损伤，但仍维持代偿性招募以支持足够的任务表现。然而，随着任务复杂性增加，对脑资源的需求可能超过可用容量，最终导致功能性失代偿，表现为皮层激活增强但行为表现恶化。在正常情况下，人体通过M1、小脑运动区和脊髓回路进行自动化运动控制，只需PFC的最小激活即可完成任务，无需持续的注意力监控或执行控制。然而，在MS患者中，这些自动化控制通路受损。因此，从PFC和SMA投射到基底节、丘脑和中脑运动区的间接通路被激活，迫使依赖高级皮层区域的由上而下认知控制，导致皮层激活水平升高。在单任务条件下，这种代偿可部分支持运动和认知表现，但增加的激活表明神经资源消耗更大、信息处理效率降低，表明患者的大脑功能储备已被过度募集。在双任务条件下，皮层激活进一步增强。对于MS患者，自动化控制受损和对执行控制的代偿性依赖可能导致有限的执行资源过度竞争，导致运动和认知表现均下降——这一现象被广泛认为是神经效率降低的标志。注意力负荷升高是加剧异常皮层激活的关键因素。无论患者是否患有MS或其他神经系统疾病，无法有效分配注意力资源给运动和认知任务，是双任务期间运动与认知表现下降的关键原因。Posner等人将注意力概念化为一个解剖网络，其主要功能是调节其他脑网络的操作。在MS患者中，注意力网络受损导致双任务期间注意力需求过载和分配处理受损，常导致大脑中竞争增加和信息处理干扰，迫使皮层增加激活强度和范围，然而任务表现仍未得到代偿。这与先前研究一致，表明神经系统疾病患者和健康个体在双任务条件下注意力资源分配到多任务时，均表现出较差的认知和行走表现。因此，注意力容量受损或资源分配不足可能与神经效率降低协同作用，表现为高皮层激活伴随低行为表现的双任务“代价”。值得注意的是，MS患者皮层激活的变化必须在神经血管耦合（NVC）理论的背景下解释。NVC指神经元活动与脑血流之间的动态关系，神经元活动增加导致局部脑血流相应增加以满足代谢需求，这一过程在fNIRS中反映为氧合血红蛋白信号升高。在双任务条件下，MS患者必须同时处理运动和认知信息，显著增加脑代谢需求。为应对这种负荷，PFC（尤其是DLPFC）的激活增强以支持姿势控制和工作记忆负荷，与先前发现一致。此外，神经可塑性和功能重组的动态变化影响NVC的代偿效率。在MS早期，神经可塑性可通过招募额外皮层资源维持基本功能。然而，随着疾病进展，这种代偿能力逐渐减弱，患者只能通过进一步增加脑激活来补偿功能丧失，最终形成适应不良的激活模式。先前研究表明，轻度残疾的老年人和进展型MS患者即使在相对简单的任务中也常招募更多神经资源。此外，MS中的慢性炎症反应和脱髓鞘病变可直接损害血管内皮功能，导致血小板粘附异常、脑血管自动调节能力下降，进一步破坏神经活动与血流的匹配。在双任务的高代谢需求下，大脑无法有效调节血流供应以满足神经元活动需求，加剧认知和运动功能障碍。总之，动态神经可塑性变化、炎症反应和血管功能障碍的综合效应破坏了MS患者的神经血管耦合平衡，导致双任务条件下异常皮层激活伴随功能下降的矛盾现象。
4.2 临床意义
本研究结果为MS患者的疾病评估和康复干预提供了指导。首先，fNIRS测量的皮层激活水平和氧合血红蛋白代谢特征可作为客观评估指标。结合单任务和双任务条件下的激活差异，这些数据有助于评估患者的神经功能状态，识别脑代偿过载风险，并帮助评估疾病严重程度和康复潜力。其次，考虑MS患者神经效率降低和双任务负荷耐受性差的特点，可实施阶梯式双任务康复训练方案，逐步优化皮层激活模式，改善神经可塑性，提高任务表现。
4.3 局限性
本综述存在若干局限性。首先，大多数纳入研究样本量较小且为横断面设计。需要大规模队列或纵向研究以提高结论的普适性。其次，参与者年龄范围约为30至75岁，任务类型多样且疾病进展不同，可能导致结果异质性。第三，纳入研究对混杂因素控制不足，可能影响皮层激活水平和行为表现。此外，本研究中使用的fNIRS方法存在固有局限性，在动态场景如行走和双任务中尤为突出。行走活动易引入运动伪影，生理信号易与皮层激活信号混淆。fNIRS设备的有限检测深度仅能覆盖浅层皮层。此外，短距离参考通道的校准标准在研究间不一致，影响结果可比性。最后，本研究仅采用单一神经影像模态，难以同步整合神经电活动信息，对脑功能解释造成限制。
4.4 未来研究展望
多模态神经影像技术的进步使EEG与fNIRS的联合应用成为移动神经影像研究的重要方向。fNIRS和EEG在此类研究中表现出显著互补性：fNIRS提供良好空间分辨率，反映皮层血流动力学变化，且对运动伪影耐受性更强，尤其适用于行走等动态任务。相比之下，EEG以毫秒级时间分辨率捕捉神经电活动，揭示神经活动的动态时间特征。联合多模态神经影像可同时实现神经活动的高时间与空间分辨率监测，为理解MS患者在移动场景中神经活动与血流动力学耦合的关系提供更全面的视角。同时，基于当前研究的局限性，未来研究可从以下几个方向推进：首先，采用统一任务范式和数据标准进行大样本、多中心前瞻性数据研究。其次，进行分组研究，严格控制疾病亚型、残疾严重程度和认知状态等混杂因素。第三，积极开展干预试验，探索康复训练和临床药物对改善皮层激活模式和行为能力的作用，从而挖掘fNIRS在治疗效果评估中的应用价值。
5 结论
某些MS患者表现出任务相关皮层激活增强伴随表现下降。这可能反映了神经效率或神经血管耦合的改变，但也可能表明代偿性募集或注意力努力增加，具体取决于任务类型、残疾严重程度和疾病相关因素。fNIRS可作为有用的监测工具，未来有必要进行多模态EEG-fNIRS联合研究，以阐明潜在机制。
