《Frontiers in Aging Neuroscience》：Altered activation patterns of sensorimotor cortex during level walking and stair climbing in patients with knee osteoarthritis: a cross-sectional study
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摘要背景：膝骨关节炎（KOA）不仅以外周关节病理为特征，还与中枢敏化相关机制有关。先前研究报道了KOA患者在孤立关节运动中感觉运动皮层激活减少。然而，步行过程中的皮层激活仍不清楚。本研究旨在探讨KOA患者在不同步行任务中的感觉运动皮层激活，以确定中枢干预的潜在
摘要背景：膝骨关节炎（KOA）不仅以外周关节病理为特征，还与中枢敏化相关机制有关。先前研究报道了KOA患者在孤立关节运动中感觉运动皮层激活减少。然而，步行过程中的皮层激活仍不清楚。本研究旨在探讨KOA患者在不同步行任务中的感觉运动皮层激活，以确定中枢干预的潜在靶点。方法：研究人员招募了19名KOA患者和18名人口学匹配的健康对照（HCs）。采用功能近红外光谱（fNIRS）监测双侧初级运动皮层（M1）、初级感觉皮层（S1）和体感联合皮层（SAC）的血流动力学活动。采用配对t检验和混合方差分析来检查半球间和组间差异。临床评估包括通过视觉模拟量表（VAS）评估的疼痛强度和通过西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数（WOMAC）评估的功能状态。进行Pearson相关分析以检查皮层激活与临床评分之间的关联。结果：HCs在所有任务中表现出对称的双侧皮层激活，而KOA患者左半球皮层激活较右半球减少。在爬楼梯任务中，KOA患者左侧M1、S1和SAC的激活显著低于右侧（P < 0.05）。在平地行走中，仅左侧S1激活显著低于右侧（P < 0.05）。与HCs相比，KOA患者左半球激活也减少，爬楼梯任务中左侧M1、S1和SAC激活显著降低（P < 0.05），平地行走中左侧S1激活降低（P < 0.05）。右半球未观察到显著的组间差异。此外，左侧M1和S1的激活与VAS评分呈负相关，左侧M1的激活与WOMAC功能评分呈负相关。结论：KOA患者在步行任务中表现出对侧感觉运动皮层激活减少，且随着任务难度增加减少更明显。对侧M1和S1激活降低与更高的疼痛和更差的功能状态相关，凸显了中枢机制在KOA中的作用以及神经调控干预的潜在靶点。
膝骨关节炎（KOA）是一种以软骨退行性变、软骨下骨重塑、滑膜炎症和骨赘形成（Kraus等，2015；Jeffrey等，2021；Hu等，2024）为特征的常见慢性关节疾病，常伴有慢性疼痛、关节僵硬、负重活动功能受限及进行性关节畸形，严重影响生活质量（Hunter和Bierma-Zeinstra，2015；Liu等，2024）。目前主要治疗策略包括药物、运动、手法治疗和手术（Philip，2013；Alberto等，2021；Ling等，2023；Tianxiao等，2023；Mitchell等，2025），但这些方法多针对外周关节病理，如炎症和结构退变，而对疼痛感知和运动控制涉及的中枢神经系统（CNS）机制关注不足（Marwan等，2014；Cody等，2022）。值得注意的是，高达50%的中重度结构损伤患者无症状，而约10%的显著疼痛患者影像学正常（Hannan等，2000），这种影像学与症状的不匹配提示中枢敏化和CNS痛觉加工异常（Philip等，2011）。因此，研究中枢机制对理解KOA至关重要。随着神经影像学进展，KOA患者CNS改变及其与疼痛和功能障碍的关系受到关注（Marcel等，2022；Shirui等，2024；Yang等，2024）。先前研究在孤立膝关节运动中发现KOA患者对侧皮层激活减少（Yang等，2024），但日常功能活动（如平地行走和爬楼梯）中皮层激活尚不清楚，且这些任务因关节负荷增加而可能进一步影响CNS活动（Chen等，2021；Yosuke等，2023；Jing等，2025）。为此，研究人员开展此横断面研究，旨在探讨KOA患者在功能步行任务中感觉运动皮层激活模式，并分析其与疼痛和功能的关系，为中枢干预提供潜在靶点。该论文发表在《Frontiers in Aging Neuroscience》。
研究人员使用的主要关键技术方法包括：采用功能近红外光谱（fNIRS）监测双侧初级运动皮层（M1）、初级感觉皮层（S1）和体感联合皮层（SAC）的血流动力学活动；使用表面肌电图（sEMG）记录下肢股直肌（RF）、股外侧肌（VL）和股内侧肌（VM）的肌电活动；通过广义线性模型（GLM）分析fNIRS数据，以配对t检验和混合方差分析（ANOVA）比较半球间和组间差异；采用Pearson相关分析评估皮层激活与视觉模拟量表（VAS）和西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数（WOMAC）评分的关系。样本来自上海第七人民医院门诊和社区招募的19名KOA患者和18名健康对照（HCs），所有参与者均为右利腿。
研究结果：
**2.1 参与者人口学数据**：KOA组与HC组在年龄、性别、身高、体重、身体质量指数（BMI）上无显著差异（P > 0.05），表明两组人口学匹配。
**2.2 KOA与HC组间大脑皮层激活差异**：通过fNIRS比较发现，HC组在三种步行任务中M1、S1、SAC均呈双侧对称激活，无显著半球间差异（P > 0.05）。而在KOA组，爬楼梯（上楼梯和下楼梯）时左侧M1、S1和SAC激活显著低于右侧（P < 0.05）；平地行走时仅左侧S1激活显著低于右侧（P < 0.05）。与HC组相比，KOA组在爬楼梯时左侧M1、S1和SAC激活显著降低（P < 0.05），平地行走时左侧S1激活显著降低（P < 0.05），右半球未见显著组间差异。
**2.3 KOA与HC组RMS和iEMG值**：通过sEMG分析，KOA组在三种步行任务中下肢肌肉（RF、VL、VM）的均方根（RMS）和积分肌电（iEMG）值均小于HC组，尤其在爬楼梯时差异显著（P < 0.05）。
**2.4 KOA患者皮层激活与临床指标的相关性**：Pearson相关分析显示，平地行走时左侧M1激活与VAS评分呈中度负相关（r = ?0.464, P = 0.045），左侧S1激活与VAS评分呈中度负相关（r = ?0.510, P = 0.026）；左侧M1激活与WOMAC功能评分呈中度负相关（r = ?0.549, P = 0.015）。其他任务和脑区未发现显著相关。
讨论部分总结：研究人员发现，KOA患者在步行任务中表现出对侧感觉运动皮层激活减少，且随任务难度增加（如爬楼梯）而更明显。这种激活减少与疼痛强度和功能障碍负相关，提示中枢机制在KOA病理生理中的关键作用。研究结论翻译如下：总之，KOA患者在平地行走和爬楼梯任务中感觉和运动皮层激活减少，且这些缺陷随任务需求增加而加剧。此外，疼痛严重程度和功能限制与对侧初级运动皮层和初级感觉皮层激活水平呈负相关。这些发现强调了中枢加工改变是KOA病理生理的关键组成部分，并为皮层机制在慢性疼痛和运动功能障碍中的作用提供了新的神经生理学证据。未来需要大规模纵向研究来证实这些结果，并确立其在指导中枢导向康复干预中的临床价值。
