行走应对障碍物时的脑-运动行为耦合：系统综述

《Neuroscience & Biobehavioral Reviews》：Brain-motor behavior coupling during walking while negotiating obstacle: A systematic review

　　

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  障碍物规避依赖于高级皮层资源，特别是前额叶皮层活动，以支持适应性行走。
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  神经系统疾病人群和老年人更容易表现出神经低效率，其特征是皮层激活增加但步态表现下降。
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  健康的年轻成人和老年人能够调动额外的前额叶资源来维持步态表现，支持了神经补偿模型。
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  任务特征，包括突发性障碍物和双重任务行走，会增加皮层需求，并可能揭示神经容量限制。

引言

在日常生活中，行走很少在稳态条件下发生，个体经常需要调整行走以应对环境挑战，如障碍物规避（Patla和Shumway-Cook，1999）。障碍物规避是一项具有临床相关性和生态效度的任务，涉及较高水平的运动规划，以确保日常生活中的安全高效移动。它需要将感觉信息（如视觉输入和前庭反馈）与有效的运动规划和执行相结合（Lu等，2019；Mustile等，2023）。除了运动执行需求外，执行控制过程在障碍物规避中发挥关键作用，因为这些高级认知功能与运动规划网络相互作用（Santinelli等，2021）。这些过程的紊乱可能是适应性移动障碍的基础，并且是高龄人群以及神经系统疾病患者（如卒中、帕金森病和多重 sclerosis）跌倒的主要原因（Stolze等，2004）。患有这些疾病的人群通常表现出效率较低的障碍物规避，特征为步速减慢、步幅和跨步长度缩短、步时增加，以增强稳定性并允许额外时间进行规划完成任务（Santinelli等，2021；Galna等，2010；Caparrós-Manosalva等，2024）。

虽然障碍物规避的生物力学特征已被充分描述，但其潜在病理生理机制仍不清楚。近红外光谱（fNIRS）、脑电图（EEG）和正电子发射断层扫描（PET）等神经影像技术的最新进展，使得能够评估运动过程中的神经元活动（Richer等，2024；Bakker等，2007）。本综述重点关注fNIRS，这是一种便携无创技术，通过追踪氧合和脱氧血红蛋白浓度变化来测量皮层活动。与其他神经影像方式相比，fNIRS对运动伪影的敏感性较低，使其特别适合在生态场景（如障碍物规避任务）中研究皮层活动。fNIRS可以覆盖多个皮层区域，其良好的空间分辨率使得能够在执行运动任务（如行走）的同时检查不同皮层脑区的激活情况（Gramigna等，2017；Chen等，2020）。神经影像研究表明，行走依赖于自动控制和执行控制通路（Clark，2015）。自动行走主要由初级运动皮层、皮层下和脊髓机制介导，而执行控制涉及前额叶皮层、辅助运动区和前运动皮层等皮层区域，特别是在更具挑战性的条件下（Clark，2015；Hamacher等，2015a）。认知老化文献中的理论模型提出了对皮层活动模式的不同解释。重要的是，相似的皮层激活模式可能反映不同的潜在神经机制，这取决于其与同时发生的运动行为之间的关系。因此，通过综合认知老化和脑-运动关系文献的概念（Reuter-Lorenz和Cappell，2008；Chatterjee等，2020；Stern，2009；Holtzer等，2009），我们采用了整合皮层活动和运动行为的解释框架，将神经反应描述为补偿、低效率或容量限制（图1）。活动增加伴随表现维持可能表明神经补偿，而活动增加伴随表现下降可能反映神经低效率和自动化程度降低。相反，活动减少或达到平台且表现下降可能表明容量限制。因此，对行走过程中皮层反应的解释需要同时考虑行为结果。

大多数既往综述单独描述皮层活动模式，未系统地将神经反应与运动或行为结果相结合（Hamacher等，2015a；Bishnoi等，2021；Lim等，2021）。因此，皮层激活的变化究竟反映支持表现的适应性调动还是未能维持任务执行的功能失调性加工，仍不清楚。此外，由于前额叶皮层在执行功能中的作用以及测量系统的方法学限制，研究主要关注前额叶皮层活动（Pelicioni等，2019；Kahya等，2019a）。然而，前额叶皮层以外的区域，包括前运动皮层、辅助运动区和顶叶区域，也参与感觉运动整合、运动规划和步态适应，凸显了更广泛网络视角的重要性（Takakusaki等，2024）。

据我们所知，尚无任何综述在使用fNIRS同时考察步态变化的情况下系统研究障碍物规避时的皮层反应。因此，本综述旨在综合不同人群在障碍物规避过程中的皮层激活模式和伴随的步态变化。本综述还考虑了前额叶皮层以外皮层区域的发现（如有），以提供更广泛的关于步态适应性潜在神经网络视角。识别特定人群的神经和行为模式可能进一步为改善步态安全性和降低跌倒风险的针对性干预提供信息。

章节摘要

方法

本系统综述按照系统综述和Meta分析首选报告条目（PRISMA）指南进行（Page等，2021）。综述方案已在PROSPERO注册（注册号：CRD420251036284）。

研究选择

从电子数据库检索后去除重复记录，共获得1,741条记录。标题和摘要筛选得到22篇文献进行全文评估。经全文评估后，13项研究符合纳入标准并被纳入系统综述。研究选择过程以PRISMA流程图格式呈现于图2。

研究特征

纳入研究的描述性特征和主要发现见表1。在13项符合条件的

讨论

在本综述中，我们考察了障碍物规避过程中皮层活动和步态表现的变化，并在脑-运动行为理论模型框架内解释这些发现。纳入研究主要涉及帕金森病患者和健康老年人，较少的研究关注年轻成年人和卒中患者。除一项研究外，所有研究仅关注前额叶皮层活动。总体而言，大多数研究表明

结论

本综述表明，障碍物规避过程中的皮层控制是一个动态过程，受任务复杂度、神经储备、个体特征和方法学因素影响。现有证据表明，障碍物规避在所有人群中都会增加对高级皮层资源的依赖。然而，老年人和神经系统疾病人群，特别是帕金森病和卒中患者，更频繁地表现出与神经低效率或

资金支持

F.B.S.获得佛兰德斯研究基金会（#11O5823N和#11O5825N）和哈瑟尔特大学特别研究基金（#BOF22INCENT16和#BOF20BL13）资助。Z.A.获得ECTRIMS研究奖学金项目资助。

致谢

我们感谢博士生Daniela Fantin Carro协助开发fNIRS方法学质量评估标准。

Zuhal Abasiyanik | Felipe Balistieri Santinelli | Tetsu Morozumi | Paulo Henrique Silva Pelicioni | Peter Feys