《Frontiers in Neurology》：Attenuated sensorimotor hemodynamic responses and altered cortical dynamics during passive proprioceptive-related stimulation after stroke: a multidimensional fNIRS study
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研究目的：本研究旨在利用功能性近红外光谱（fNIRS）技术，探讨卒中后与本体感觉处理相关的皮层活动异常及动态网络机制。研究人员整合了传统血流动力学特征、潜在状态组织、定向连接及恢复期复杂性分析，以考察皮层动力学的多维度变化。方法：卒中患者和健康对照者在接受基
研究目的：本研究旨在利用功能性近红外光谱（fNIRS）技术，探讨卒中后与本体感觉处理相关的皮层活动异常及动态网络机制。研究人员整合了传统血流动力学特征、潜在状态组织、定向连接及恢复期复杂性分析，以考察皮层动力学的多维度变化。方法：卒中患者和健康对照者在接受基线运动和感觉评估后，于fNIRS记录期间完成一项组块设计的本体感觉任务，该任务由6个交替的30秒刺激期和30秒休息期组成。经预处理后，提取感兴趣区（ROI）水平的氧合血红蛋白（HbO）时间序列。传统时间特征包括曲线下面积（AUC）、起始潜伏期、峰值幅度、刺激后残余激活、恢复斜率及达峰时间。潜在状态分析采用高斯混合模型（GMM），获得分数占用率（FO）、平均停留时间（MDT）及状态转换特征。刺激前、刺激期及恢复期的定向连接采用滑动窗多变量自回归模型结合部分定向相干（PDC）方法进行评估。恢复期动力学进一步采用样本熵（SampEn）、平均多尺度熵（MeanMSE）、复发率（RR）、确定性（DET）及平均对角线长度（Lmean）进行量化。结果：共62名参与者，包括30名卒中患者和32名健康对照者，在fNIRS记录期间接受了被动拇指运动任务。传统HbO分析显示，组间差异主要局限于左侧感觉运动皮层（LSMC），其中卒中组在AUC（p=0.023）、峰值幅度（p=0.003）及恢复斜率（p=0.018）方面与健康对照组存在显著差异。其他ROI未显示显著组间差异，但右侧前额叶及右侧感觉运动皮层观察到边缘性趋势。潜在状态分析识别出6种状态。健康对照组更频繁地占据状态1和状态5，而卒中组更频繁地占据状态3和状态6，且在状态2和状态3中表现出更长的MDT。定向连接分析揭示两组均存在阶段依赖性转变，卒中组在刺激前、刺激期及恢复期表现出更强的前额叶-感觉运动重组。恢复期复杂性分析显示，卒中组的整体RR、DET和Lmean显著增高，而SampEn和MeanMSE在校正后未保持显著性。ROI水平的复杂性差异未通过多重比较校正。结论：卒中后异常的本体感觉处理不仅表现为局部激活的改变，还涉及动态状态转变、信息流的阶段特异性重组以及恢复期规律性增加伴随灵活性降低。
**论文解读**
**一、研究背景与问题提出**
本体感觉（proprioception，感知肢体位置、运动方向和幅度的能力）是维持上肢精细运动控制的基本感觉基础，其传入信号主要来源于肌梭、高尔基腱器官及关节感受器，其中肌梭在检测肌肉长度和运动速度变化中发挥核心作用。卒中后上肢感觉障碍十分常见，涉及触觉、辨别觉、振动觉及位置觉和运动觉的异常。既往研究指出，约47%的康复期卒中患者存在对侧手的触觉辨别障碍，约49%存在位置觉障碍，约67%至少存在一种感觉模态的损害，且本体感觉障碍与运动表现、住院时间、生活质量及康复结局密切相关。
从神经生理学角度看，本体感觉处理并非由单一感觉皮层区介导，而是涉及一个包括初级躯体感觉皮层（S1）、次级躯体感觉皮层（S2）、后顶叶皮层、前运动皮层（PMC）、辅助运动区（SMA）、初级运动皮层（M1）及前额叶区域的分布式感觉运动网络。既往功能磁共振成像（fMRI）研究表明，被动本体感觉输入可诱发卒中患者感觉运动皮层反应的纵向变化，且这些变化与运动恢复进程相关。然而，现有功能性近红外光谱（fNIRS，一种利用近红外光无创监测皮层血流动力学变化的光学成像技术）研究多关注任务相关平均激活或静态功能连接，对被动本体感觉刺激下皮层反应的时间结构、全时程活动状态、阶段特异性定向连接及恢复期复杂性的关注有限。卒中后本体感觉相关的皮层异常可能不仅限于峰值反应减弱，还可能涉及反应起始延迟、刺激后氧合血红蛋白（HbO，反映脑区血流动力学活动水平的指标）恢复减缓、皮层活动状态的异常持续、脑区间信息流重组及恢复期信号灵活性的降低。
**二、研究概述与重要意义**
针对上述问题，研究人员利用fNIRS记录了卒中患者和健康对照者在被动拇指运动任务中诱发的皮层HbO响应，并建立了一个多维度动态分析框架。该框架从四个层面——局部激活（传统HbO时间特征）、动态状态（全时程潜在状态分析）、定向网络（阶段特异性部分定向相干分析）及恢复期复杂性（熵与递归量化分析）——系统表征了卒中后被动本体感觉相关刺激下的皮层动态异常。该研究为理解卒中后感觉运动环路功能障碍提供了更为系统的fNIRS证据，拓展了传统仅关注平均激活幅度的研究视角。
**三、关键技术方法概要**
研究纳入30名卒中患者和32名健康对照者，所有参与者均签署书面知情同意书。fNIRS数据采集使用双波长（690 nm和830 nm）脑功能成像系统，采样频率10 Hz，光源和探测器的排列依据国际10-20系统。实验范式为手动标准化的被动拇指运动任务，包含6个30秒刺激期和30秒休息期的交替组块，刺激频率约1 Hz。数据预处理包括光密度信号转换、运动伪影校正、0.01-0.10 Hz带通滤波及基于修正Beer-Lambert定律的血红蛋白浓度换算。HbO时间特征分析基于组块平均曲线，提取AUC、起始潜伏期、峰值幅度、刺激后残余激活、恢复斜率和达峰时间。全时程潜在状态分析采用高斯混合模型（GMM，一种基于概率的聚类方法）对17个细分ROI的标准化HbO信号进行状态识别，并计算分数占用率（FO）、平均停留时间（MDT）及状态转换概率。定向连接分析采用滑动窗（窗长20秒，步长1秒）多变量自回归模型结合部分定向相干（PDC，一种频域定向连接度量），评估刺激前、刺激期和恢复期三个阶段的脑区间信息流。恢复期复杂性分析则采用样本熵（SampEn）、多尺度熵及递归量化分析指标（RR、DET、L
mean）评估刺激后HbO信号的非线性动力学特征。
**四、主要研究结果**
*人口学特征与功能评估结果*：健康对照组与卒中组在年龄、性别分布及测试手/患侧分布方面无显著差异。卒中组中位病程为6.33个月，Fugl-Meyer上肢评估（FMA-UE）平均得分为32.50±22.44。
*卒中患者表现出感觉运动皮层HbO反应减弱及刺激后血流动力学恢复延迟*：组间差异主要集中在左侧感觉运动皮层（LSMC），卒中组在该区域的AUC（p=0.023，FDR校正q=0.043）、峰值幅度（p=0.003，FDR校正q=0.017）和恢复斜率（p=0.018，FDR校正q=0.043）均显著低于健康对照组。恢复斜率在卒中组更接近零值，表明刺激后HbO峰值回落的速率更平缓，血流动力学恢复延迟。起始潜伏期、达峰时间及刺激后残余激活在两组间各ROI均无统计学差异。
*卒中患者表现出潜在状态占用的改变和停留时间延长*：全时程GMM分析识别出6种具有不同空间激活模式的潜在状态。状态1以广泛正激活为特征，状态2和状态5以整体负激活模式为主。健康对照组更频繁地占据状态1（FO均值0.0922）和状态5（FO均值0.1315），而卒中组更频繁地占据状态3（FO均值0.1887）和状态6（FO均值0.2055），上述四种状态的组间差异均达到统计显著性。平均停留时间方面，卒中组在状态2（7.52秒 vs. 6.06秒）和状态3（8.26秒 vs. 4.78秒）的MDT显著长于健康对照组，表明卒中后皮层活动倾向于在某些状态中持续更长时间。
*卒中患者表现出阶段特异性的皮层定向信息流重组*：定向连接分析显示，两组在刺激前、刺激期和恢复期均表现出密集的感觉运动区域间及前额叶-感觉运动区域间的定向连接。健康对照组在刺激前期的主要信息流通路包括背外侧前额叶皮层（dlPFC）→SMA、S→S2、PMC→SMA等；刺激期转为以S→PMC、M→PMC、背内侧前额叶皮层（dmPFC）→PMC等为主；恢复期则以额极（Polar）→PMC、dlPFC→S2等为主。卒中组则呈现出不同的通路迁移模式，且在前额叶-感觉运动区域间表现出更强的跨阶段重组特征。组间差异网络图显示，差异性连接在刺激前期主要分布于双侧感觉区、PMC、SMA及前额叶区域，在恢复期涉及左侧感觉区、SMA、PMC及腹内侧前额叶皮层（vmPFC）、dmPFC和额极等节点。
*卒中患者恢复期HbO动力学呈现更高的规律性和递归特征*：恢复期复杂性分析显示，多尺度熵曲线在两组中均随尺度增加而递增，健康对照组的描述性MSE值在各尺度上均高于卒中组，但整体MeanMSE的组间差异经FDR校正后未达显著性（原始p=0.044，校正q=0.055）。然而，卒中组的整体递归率RR（0.081±0.015 vs. 0.075±0.016，校正q=0.049）、确定性DET（0.962±0.018 vs. 0.949±0.026，校正q=0.049）及平均对角线长度L
mean（10.321±4.921 vs. 8.382±2.537，校正q=0.049）均显著高于健康对照组，提示卒中后恢复期HbO信号更具重复性、确定性和稳定性，即动力学灵活性降低。
**五、讨论与结论总结**
本研究综合运用传统时间特征分析、潜在状态建模、定向连接分析和恢复期复杂性分析，从四个维度描述了卒中后被动本体感觉相关刺激下的皮层动态异常。结果表明，卒中患者不仅表现为感觉运动区域的HbO响应幅度减弱和刺激后血流动力学恢复减缓，还在全时程任务中呈现异常的状态占用模式和状态停留时间延长，脑区间定向信息流发生阶段依赖性重组，且恢复期信号呈现出更高的确定性和规律性。
恢复斜率变平可能反映了卒中后感觉运动皮层对任务诱发血流动力学反应的调控效率下降，而潜在状态停留时间的延长则提示皮层活动网络在特定动力学模式中固化的趋势。定向连接分析中观察到的前额叶-感觉运动通路的广泛重组，与卒中后分布式脑网络重塑的理论框架一致。恢复期复杂性分析中RR、DET和L
mean的增高进一步表明，刺激后血流动力学活动更难迅速恢复至灵活基线波动模式，而趋向于维持在更规则和持续的动态模态中。
研究亦存在若干局限性：样本量相对有限，部分结果接近显著性阈值；手动被动拇指运动难以完全排除触觉输入，结果应理解为被动本体感觉相关刺激诱发的皮层动态异常而非纯粹的本体感觉处理障碍；恢复期复杂性分析基于较短的信号窗，可能影响熵值和递归量化指标的稳定性。
研究结论：卒中患者在被动本体感觉相关刺激下表现出多层面的皮层动力学异常，包括感觉运动区域HbO反应减弱、刺激后血流动力学恢复延迟、皮层活动状态的异常组织、定向信息流的阶段依赖性重组以及恢复期动力学的规律性增高。fNIRS技术凭借其便携性、良好的耐受性和适用于临床人群任务态脑功能连续监测的优势，为进一步探讨这些动态指标能否作为感觉运动环路功能障碍和康复反应的生物标志物提供了可行途径。未来研究应结合标准化的机器人控制被动运动、触觉对照任务及纵向临床结局进行验证。
