《Methods in Ecology and Evolution》：A 4D geometric morphometrics workflow to quantify complex biological motion
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量化生物运动从根本上与量化产生该运动的生物结构相关联。然而，这种依赖性使得必须将运动与静态形态解耦，以便在个体和条件之间进行通用、可比较的分析。在本研究中，研究人员提出了一种方法学流程，用于研究从最大运动前后人体呼吸运动学的实验运动捕捉中获得的生物运动数据（金
量化生物运动从根本上与量化产生该运动的生物结构相关联。然而，这种依赖性使得必须将运动与静态形态解耦，以便在个体和条件之间进行通用、可比较的分析。在本研究中，研究人员提出了一种方法学流程，用于研究从最大运动前后人体呼吸运动学的实验运动捕捉中获得的生物运动数据（金标准光电体积描记术标记）。研究人员使用四维几何形态测量学（4DGM；随时间变化的三维形状）来表征呼吸模式，同时标准化躯干形状以及呼气时间和吸气时间。结果显示，不仅在最大运动前后呼吸模式存在差异，而且与身体质量指数（BMI）和躯干形状相关的运动模式也存在差异。具体而言，研究人员发现低BMI受试者比高BMI受试者表现出更高的胸腹异步性。研究人员还发现躯干形状与运动的三维轨迹之间存在强协变，证明了该方法即使在样本量较小的情况下也能检测到形状-功能信号的能力。该方法被提出作为一种灵活的工具，用于将生物运动与其底层结构分离，这对于研究复杂系统特别有用。在呼吸模式的情况下，该方法被提议用于研究临床环境中的可能应用，以测试其是否能检测健康与病理性运动学之间的差异；在运动科学中，尝试将呼吸功能与表现联系起来；在进化研究中，作为推断灭绝形态呼吸功能的可能工具。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
人体呼吸是由吸气与呼气循环组成的复杂过程，通过胸壁（CW）的协调运动实现肺换气。呼吸模式受性别、体力活动、压力及多种医疗状况影响，依赖于胸廓、膈肌及腹部肌肉的协同作用。传统量化呼吸运动的方法多基于容积参数（如潮气量、呼吸频率）或三维标记点位移分析，但存在关键局限：运动与静态形态高度耦合，难以在不同个体间进行通用比较。例如，基于几何形态测量学（GM）的早期研究虽能分析形状与运动，但未将二者分离。因此，亟需一种方法学框架，能够解耦生物运动与其底层结构，从而独立量化形态与运动，并揭示形状-功能关系。
**研究目的与意义**
本研究旨在开发一种基于四维几何形态测量学（4DGM）的工作流，用于量化复杂生物运动，并以此方法分析人类呼吸运动学。论文发表于《Methods in Ecology and Evolution》。通过分离躯干形状与运动轨迹，该方法可检测健康个体在运动前后呼吸模式的细微差异，并揭示躯干形状与胸腹异步性之间的关联。其意义在于为临床呼吸功能评估、运动科学中的呼吸优化、以及进化生物学中推断灭绝形态的呼吸功能提供通用工具。
**关键技术与方法**
研究样本为18名健康男性（平均年龄25.6岁，身高180.9 cm，体重86.6 kg，BMI 26.5 kg/m2），采用金标准光电体积描记术（OEP）在89个胸壁标记点（CW01–CW89）上采集运动学数据，记录静息呼吸与最大运动（递增蹬车至力竭）后30秒恢复呼吸，采样频率100 Hz。主要技术方法包括：（1）质心大小（CS）作为胸壁容积的代理指标，经Savitzky–Golay滤波降噪；（2）基于CS极值划分呼吸周期，采用分段三次Hermite插值（PCHIP）将吸气与呼气阶段分别归一化至0%–100%（每10%时间点），共获得21个3D构型；（3）广义普氏分析（GPA）对齐所有构型，以呼气末构型为参考减去骨架形状，得到运动向量（即形状残差）；（4）奇异值分解（SVD）对运动向量进行主成分分析（PCA）；（5）双块偏最小二乘（2B-PLS）分析静息呼气末躯干形状与恢复呼吸运动轨迹（前三主成分得分）的协变，并采用留一交叉验证（LOOCV）评估预测性能。
**研究结果**
**PCA运动向量分析**
通过SVD对运动向量进行主成分分析，前三主成分（PC1–PC3）累计解释总方差的86.5%。PC1描述躯干伸展的平均模式，恢复呼吸中PC1变异更大，表明运动后躯干位移增加；PC2代表腹部扩张；PC3代表膈肌肋骨笼运动与躯干伸展。静息呼吸的轨迹方向高度变异，而恢复呼吸轨迹更趋同质化。
**BMI分组与呼吸模式**
将恢复呼吸运动向量按BMI分组（低BMI<25，中BMI 25–30，高BMI≥30）平均后，观察到两种不同呼吸模式：低BMI组表现为胸腹异步性，即腹部先于胸部运动，胸部运动延迟；高BMI组表现为整合模式，整个躯干作为统一功能单元；中BMI组呈中间模式。这一发现通过3D网格变形视频可视化验证。
**形状-运动协变分析**
2B-PLS模型的第一潜变量（LV1）显示，躯干形状与恢复呼吸运动轨迹之间存在强相关性（r=0.77），解释两组数据间总平方协方差的70%以上。具体而言，前后径较深的躯干与高PC1贡献的运动轨迹相关，呈现整合呼吸模式；而较扁平的躯干与高PC2贡献相关，呈现模块化（异步）呼吸模式。LOOCV表明大多数受试者的运动预测良好，但部分个体存在偏差，提示可能存在形状-运动协变之外的个体差异。
**讨论与结论**
本研究提出了一种解耦形态与运动的方法学框架，并成功应用于人类呼吸运动学。该工作流的主要优势在于独立分析形状与运动，避免了传统方法中形态差异对运动量化的干扰。研究结果证实，躯干形状（尤其是前后径）对呼吸模式有显著影响：扁平躯干倾向于模块化异步运动，深躯干倾向于整合运动，这一发现与BMI分组结果一致，且与临床及进化观点相符（如婴幼儿胸壁顺应性高导致的异步性、人类进化中躯干形态变化对呼吸力学的影响）。该方法在临床中可早期检测病理性呼吸运动偏差，在运动科学中可用于优化呼吸策略与监测疲劳，在进化生物学中可用于推断化石形态的呼吸功能。局限性包括：样本量较小且仅纳入男性，BMI作为分组变量生理学代表性不足，未来需纳入体脂分布、性别等变量；在高形态变异场景（如宏观进化研究）中需考虑形状空间的曲率问题。结论：该4DGM工作流为量化生物运动、分离形状与功能提供了灵活工具，可推广至其他动态形态系统（如运动学、个体发育、生态响应等）。研究最终强调，在人类进化背景下，现代人类扁平躯干所对应的模块化呼吸模式可能是一种衍生特征，支持了呼吸功能与跑步表现之间关联的假说。
