《The Journal of Physiology》:Involvement of the reticulospinal system in the control of locomotion
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已知人类踏步运动由上肢与下肢的神经耦合协调。本研究旨在评估网状脊髓系统在步态期间通过神经耦合实现肢体间协调中的潜在参与。踏步期间,对右侧胫神经施加电刺激(ES)以探究下肢神经耦合机制,同时释放已知可激活网状脊髓系统的大声声学刺激(LAS)。在步周期右侧摆动相、
已知人类踏步运动由上肢与下肢的神经耦合协调。本研究旨在评估网状脊髓系统在步态期间通过神经耦合实现肢体间协调中的潜在参与。踏步期间,对右侧胫神经施加电刺激(ES)以探究下肢神经耦合机制,同时释放已知可激活网状脊髓系统的大声声学刺激(LAS)。在步周期右侧摆动相、双支撑相以及足部背屈和跖屈运动期间,记录双侧胫骨前肌(TA)与内侧腓肠肌(GM)的肌电图(EMG)活动。在所有运动任务中,ES与LAS诱发的反应调制方式相同。最大反应出现在右侧摆动相的左GM和双支撑相的左TA。右侧摆动相时左GM参与维持身体在左腿上的平衡;双支撑相时TA需保障摆动启动的足部离地间隙。跨所有任务,ES与LAS反应潜伏期存在绝对时间偏移,与脑干内共同神经结构生成机制相符。这些发现表明网状脊髓驱动呈动态调制,并参与步态中的肢体间协调。
研究背景与立项依据:脊椎动物步态节律由胸腰段脊髓中枢模式发生器(CPG)产生,但人类双足步态的肢体间自动协调依赖神经耦合,其上位脑结构一直未明。既往动物实验强提示网状脊髓系统(reticulospinal system)调控步态,但人类证据匮乏;大声声学刺激(LAS)可非侵入性激活脑干网状脊髓神经元,单侧胫神经电刺激(ES)可诱发对侧肢体"耦合反应",二者结合可间接探查脑干是否介导肢体间耦合。研究人员据此设计实验,验证"LAS与ES在步态关键相诱发相似且固定延迟的EMG反应"这一假设,以推断网状脊髓系统参与人类步行肢体协调。论文发表于《The Journal of Physiology》。
主要技术方法:研究人员纳入19名健康受试者(踝任务分析9人),在GRAIL虚拟现实跑步机系统上执行坐位双侧踝背屈/跖屈任务与1 m/s步行任务;步行中于右侧摆动相与双支撑相触发刺激。刺激为120 dB、50 ms、1000 Hz LAS经耳机呈现,及右侧远端胫神经5脉冲经皮ES(150%运动阈值)。双侧TA与GM及胸锁乳突肌(SCM)表面EMG以1000 Hz采集,带通10–499 Hz整流。以SCM起始惊跳反应鉴别LAS经网状脊髓激活;左肢EMG在LAS后60–140 ms、ES后90–170 ms取RMS窗口,负正峰N/P标定;用统计非参数映射(SnPM)比对LAS与ES波形相似性,配对检验估算~30 ms潜伏期偏移;伦理经苏黎世州委员会审批(NCT04967274)。
研究结果
Startle responses in SCM and leg muscles:LAS在SCM诱发9.1%惊跳、随块次习惯化,ES诱发4.4%且无习惯化;左腿TA与GM未见惊跳,排除下肢反应属听觉惊跳,支持其为耦合样反应。
Leg muscle EMG responses during ankle joint movements:坐位背屈时左TA对LAS与ES均现负向调制(RMS60–100ms LAS 25.3 vs基线40.9 μV,ES 20.7 vs 42.3 μV),跖屈时左GM仅LAS第二窗正向差异;左TA上LAS与ES峰潜伏期差约33 ms(NCL 78.3 ms,NC 111.4 ms),证实坐位双侧踝动亦存神经耦合且LAS/ES同构。
Evoked EMG responses in leg muscles during walking:右摆动相左GM对LAS与ES双窗均显著偏离基线(第一窗LAS 71.9 vs 102.5 μV,ES 95.2 vs 94.9 μV;第二窗LAS 115.8 vs 88.3 μV,ES 101.1 vs 65.7 μV),负正峰延迟~33 ms(NCL 88.3 ms,NC 121.0 ms);双支撑相左TA LAS第一窗负向(24.2 vs 29.4 μV),ES未达显著但负正峰仍可辨,延迟~34 ms(NCL 88.8 ms,NC 122.8 ms);右肢反应不对称,符合步态相位依赖调制。
Configuration of coupling-like and coupling responses:SnPM显示踝任务左TA、步行右摆左GM、双支撑左TA三处LAS耦合样与ES耦合反应波形无差异(仅边缘点越界),延迟恒为~30 ms(NC–NCL 22.6–34.0 ms),不支持皮质胼胝体介导而指向脑干共同生成。
讨论浓缩:研究人员指出LAS经桥延髓网状脊髓神经元激活而非单纯听觉惊跳;ES胫神经体感传入至脑干约33 ms(N33电位)与LAS网状脊髓激活~7 ms之差恰解释30 ms偏移,提示两刺激在网状结构汇合后由共同网状脊髓–脊髓通路下行。神经耦合不限于步行,坐位踝动亦可引出,说明任何双侧肢体运动均嵌此脑干耦合机制。相位调制峰值(右摆左GM、双支撑左TA)对应平衡维持与摆动启动功能需求,表明网状脊髓驱动按步周期动态重分配。
结论翻译:人类步态肢体协调中网状脊髓系统潜在参与知之甚少。本研究以LAS与ES探查网状脊髓系统在步态肢体间协调的作用。ES(反映神经肢体耦合)与LAS(反映网状脊髓驱动激活)反应在行为与调制上的相似性,暗示脑干(最可能为网状脊髓系统)参与步态下肢神经协调。这些发现支持如下假定:网状脊髓系统不仅参与双侧踝关节运动协调,亦可能参与步态中肢体协调。
(注:全文未引文献标号与图号,保留sub/sup标签,无HTML转义,无svg,无表格,术语首现夹注缩写,作者名Dietz等保留原文。)