实时视觉反馈（D-WALL）对健康成人神经肌肉控制的影响：一项fNIRS研究

《Frontiers in Human Neuroscience》：Effects of real-time visual feedback (D-WALL) on neuromuscular control in healthy adults: an fNIRS study

　　

背景：神经肌肉控制对于维持姿势和执行运动任务至关重要。实时视觉反馈提供感觉信息，可能影响平衡任务中的中枢神经处理和下肢肌肉协调。本研究旨在探讨视觉反馈对健康成人神经肌肉控制的影响。

方法：研究人员招募了30名18–40岁的健康成人，完成了四项随机平衡条件，分别伴有或不伴有实时视觉反馈。使用Tegner活动量表（Tegner Activity Scale）评估体力活动和运动参与情况。采用Prokin平衡系统（Prokin Balance System）和Y-Balance测试（Y-Balance Test, YBT）分别评估静态和动态平衡不对称性。使用功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）记录前额叶皮层活动，并使用表面肌电（surface electromyography, sEMG）评估下肢肌肉激活。

结果：在体力活动水平较低（Tegner评分<5）的参与者中，有视觉反馈时左侧前额叶皮层（left prefrontal cortex, lPFC）激活显著高于无反馈时。在双侧平衡不对称性较大的参与者中，有视觉反馈的交叉X形手臂运动期间右侧前额叶皮层（right prefrontal cortex, rPFC）激活显著更高。来自七名合格参与者的探索性sEMG数据进一步显示，在低体力活动和较差平衡对称性的参与者中，视觉反馈任务期间左侧后侧大腿肌肉相对于前侧大腿肌肉的激活比例较高。

结论：视觉反馈与健康成人在运动任务中前额叶激活改变和下肢肌肉协调重组相关。

研究背景：神经肌肉控制是姿势稳定和运动表现的基础，依赖于协调的感觉输入、中枢神经处理和运动输出。本体感觉、前庭和视觉信号共同参与即时姿势反应，并传递至运动皮层和脑干以调节肌肉协调。实时视觉反馈通过呈现关节位置、肌肉反应等生物力学信息，使个体能够监测和调整自身动作，已被逐渐应用于运动训练和康复。例如，在卒中患者中，实时视觉反馈结合坐站训练可改善力量、平衡、步态和生活质量。然而，以往研究多集中于虚拟现实或镜像疗法范式，针对实时视觉反馈训练的中枢神经机制研究较少。基于此，研究人员假设视觉反馈与任务相关前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）激活增强有关，且该反应会随个体姿势平衡表现而变化。本研究旨在利用功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）和表面肌电（surface electromyography, sEMG）探讨实时视觉反馈对健康成人神经肌肉控制的影响。

研究人员在重庆医科大学附属第一医院招募了30名18–40岁的健康成人（18男12女，均为右利手），在BOSU球（一种半圆平衡训练器械）上完成四种随机平衡任务：无反馈静态站立、有反馈静态站立、无反馈交叉X形手臂运动、有反馈交叉X形手臂运动，同时记录前额叶血流动力学和下肢肌肉活动。研究使用D-WALL数字镜康复系统提供实时视觉反馈和运动捕捉，Prokin平衡系统评估静态平衡，Y-Balance测试（YBT）评估动态平衡，Tegner活动量表评估习惯性体力活动水平。主要结果为：视觉反馈与PFC激活改变及下肢肌肉协调重组相关，且这种关联因体力活动水平、平衡对称性和任务难度而异。该论文发表于《Frontiers in Human Neuroscience》。

为开展研究，研究人员采用的关键技术包括：1）fNIRS（NirScan-6000A）记录左右前额叶氧合血红蛋白（ΔHbO₂）变化，通道按国际10–20系统布置，并采用短分离通道回归和离散小波变换去除噪声；2）sEMG（NeuroCare-CT）采集双侧股内侧肌、股外侧肌、股二头肌和半腱肌的肌电信号，按SENIAM指南进行电极放置和标准化，以最大自主收缩（maximal voluntary contraction, MVC）百分比表示激活强度，并计算前后侧肌群相对激活比例；3）Prokin平衡系统计算压力中心（center of pressure, CoP）路径长度，YBT测量动态伸展距离，并计算肢体对称指数（Limb Symmetry Index, LSI）；4）统计分析采用混合重复测量方差分析（ANOVA）、Bonferroni校正事后比较和Pearson相关分析。样本队列为社区招募的健康成人，所有参与者完成fNIRS测试，其中7名低体力活动且明显平衡不对称者完成补充sEMG分析。

结果部分：

3.1 参与者特征与流程图：30名健康成人完成fNIRS测试，其中7名完成补充sEMG评估。以全样本中位数分组的YBT-LSI和Prokin-LSI作为亚组截断值。

3.2 静态站立相关分析：Pearson相关分析显示，动态平衡不对称性与视觉反馈诱导的右侧前额叶皮层（right prefrontal cortex, rPFC）ΔHbO₂差异呈中等正相关（r=0.431，95% CI [0.062, 0.701]，p=0.020），而左侧前额叶皮层（left prefrontal cortex, lPFC）无此关联。

3.3 上肢扰动双任务相关分析：在交叉X形手臂运动任务中，YBT-LSI与rPFC ΔHbO₂差异呈正相关（r=0.409，95% CI [0.033, 0.687]，p=0.025），Prokin-LSI呈正趋势但未达显著（r=0.350，p=0.058）。

3.4 按体力活动分层的fNIRS结果：2×2×2混合重复测量ANOVA显示，视觉反馈×体力活动交互作用显著（F=5.151，p=0.031，partial η²=0.155），三向交互作用显著（F=7.612，p=0.010，partial η²=0.214）。Bonferroni校正事后比较显示，低体力活动组（Tegner<5）在有反馈时lPFC ΔHbO₂显著更高（平均差=0.382，95% CI [0.003, 0.761]，p=0.049），高体力活动组无差异。rPFC分析显示视觉反馈×任务交互作用显著（F=8.294，p=0.008，partial η²=0.235），但亚组简单效应未达显著。

3.5 按动态平衡分层的fNIRS结果：对rPFC，视觉反馈×动态平衡组交互作用显著（F=4.587，p=0.041，partial η²=0.145），动态平衡较差组在有反馈时rPFC ΔHbO₂显著增加（平均差=0.500，95% CI [0.022, 0.978]，p=0.040），动态平衡较好组无显著差异。lPFC未发现显著主效应或交互效应。

3.6 按静态平衡分层的fNIRS结果：对rPFC，视觉反馈×静态平衡组交互作用显著（F=5.362，p=0.028，partial η²=0.166），静态平衡较差组在有反馈时rPFC ΔHbO₂显著增加（平均差=0.546，95% CI [0.064, 1.028]，p=0.028），静态平衡较好组无显著差异。视觉反馈×任务交互作用也显著（F=7.609，p=0.010，partial η²=0.220）。lPFC无显著效应。

3.7 探索性sEMG及相应fNIRS结果：在7名低体力活动且显著平衡不对称的参与者中，配对t检验显示，有视觉反馈的交叉X形手臂运动（UM）时rPFC ΔHbO₂显著高于无反馈（M）条件（t=2.85，95% CI [0.056, 0.780]，p=0.029，Cohen's d=1.08）。左侧大腿后侧肌群相对激活比例在UM时显著高于M（t=-2.92，95% CI [-0.262, -0.032]，p=0.013，Cohen's d=-1.11），右侧无显著差异。该结果为初步发现，因样本量小需谨慎解读。

讨论部分总结：本研究显示，实时视觉反馈对前额叶血流动力学的影响并非均匀，而是取决于任务需求和基线平衡能力。rPFC的激活变化最为一致，可能反映右侧半球在视觉空间注意和姿势错误在线监测中的优势。低体力活动者在视觉反馈下出现更大的lPFC激活，可能因为缺乏精细的内部运动模型，需要更多执行和运动规划资源。动态或静态平衡较差者表现出更高的rPFC激活，提示视觉反馈可能放大错误信号，增加认知控制需求以维持稳定。探索性sEMG发现视觉反馈伴随左侧大腿后侧肌群相对激活增加，可能与视觉引导的下行运动控制及非优势腿的稳定作用有关。但该结果只是假设生成性的。此外，增加的PFC激活也可能代表更高的认知负荷或注意力监控，而非单纯的适应性补偿。

研究结论部分翻译：视觉反馈与健康成人在平衡任务中前额叶皮层激活改变和下肢肌肉协调重组相关。观察到的反应因习惯性体力活动、平衡对称性和任务需求而变化，并提供了后侧大腿肌肉募集相应改变的探索性证据。这些发现支持进一步研究基于视觉反馈的平衡训练，但不能从健康样本中推断临床疗效。需要在姿势控制受损的个体中进行更大规模的前瞻性研究。