MEG兼容性髌腱刺激器诱发膝关节本体感觉皮层反应的可行性与可重复性研究

《Journal of Neuroscience Methods》：Feasibility and repeatability of MEG-compatible patellar-tendon stimulator for eliciting knee-joint proprioceptive cortical responses

　　

新型MEG兼容性刺激器能够提供稳定的髌腱刺激。研究人员观察到皮层反应和肌肉反应均表现出中等到极好的可重复性。β抑制在传感器水平呈现出意料之外的外侧及双侧分布模式。该刺激器支持对膝关节本体感觉的纵向研究，例如在健康、疾病和衰老情境中的应用。

膝关节在姿势控制、运动协调和关节稳定性中具有核心作用，其本体感觉传入对感觉运动整合至关重要。创伤、病理状态和年龄相关退变可损害膝关节的位置觉和运动觉，因此需要可靠的纵向评估工具。脑磁图（MEG）和脑电图（EEG）可测量被动运动中的诱发/诱导皮层反应以及运动学-皮层活动相干性，已被用于量化本体感觉传入的皮层处理。但以往工作多集中于手部和踝关节，膝关节研究较少。现有膝关节刺激装置如步行机器人或机械方法可能同时激活踝关节本体感受器，难以实现膝关节孤立刺激；且MEG对头部运动高度敏感，刺激器必须避免不自主身体/头部运动并保证完全MEG兼容。为此，研究人员开发了一种新型MEG兼容性刺激器，通过重力驱动的髌腱敲击选择性诱发膝关节本体感觉传入，并评估其机械可行性与皮层和肌肉反应的可重复性。研究招募25名健康右足优势受试者，其中23名完成两次间隔46±15天的测量；最终19名进入MEG诱发场分析，诱导反应分析和肌电图（EMG）分析各排除1名受试者，分别纳入18人。受试者在高、低两种刺激强度下各接受100次髌腱敲击，同步记录MEG、股外侧肌（vastus lateralis, VL）和股内侧肌（vastus medialis, VM）表面EMG以及锤头加速度。结果显示，该刺激器能够稳定传递机械刺激并诱发清晰的可重复皮层和肌肉反应，支持其在纵向MEG研究中的应用。

研究方法方面，研究在芬兰于韦斯屈莱大学跨学科脑研究中心完成。采用自制MEG兼容性重力驱动敲击装置，以高、低两种强度刺激髌腱；MEG数据经MaxFilter软件的时间扩展信号空间分离法（tSSS）去干扰，并用独立成分分析（ICA）去除眼电和心电伪迹；诱发场在1–95 Hz滤波后叠加平均；β节律调制采用时间谱演变（temporal spectral evolution, TSE）量化；以组内相关系数（intraclass correlation coefficient, ICC）、Bland-Altman图和重复测量多元方差分析（MANOVA）评估日间可靠性。

3.1 头部位置与刺激运动学
两次测量中头部在MEG头盔内的位移仅数毫米，高、低强度条件下均无显著日间差异。锤头峰值加速度在高强度（55.8±7.0 m/s² vs. 55.5±7.5 m/s²）和低强度（50.0±7.4 m/s² vs. 51.5±7.2 m/s²）条件下日间差异均不显著（p>0.23），会话内变异系数约2%–3%，表明手动释放的敲击过程在会话内和会话间均高度稳定。

3.2 肌肉反应强度
表面EMG记录显示，高、低强度刺激均在VL和VM肌肉中诱发了典型的股四头肌牵张反射。VL和VM的峰值EMG幅度在Day-1和Day-2之间无显著差异（p>0.39），VL的ICC为0.80–0.89，VM的ICC为0.66–0.88，显示中等到良好的日间可靠性。

3.3 皮层诱发场强度
MEG诱发场在刺激后约54–57 ms达到峰值，主要分布在对侧初级感觉运动皮层（primary sensorimotor cortex, SM1）的腿部代表区。高、低强度条件下峰值诱发场幅度日间差异均不显著（p>0.41），日间变异约6%；高强度条件下ICC为0.96，低强度条件下为0.69，表明高强度刺激的诱发场重复性更好。

3.4 皮层诱导反应强度
TSE分析观察到清晰的β抑制和β rebound，其时间模式符合既有研究中的典型顺序。高、低强度条件下β抑制和β rebound的相对峰值强度及潜伏期在Day-1与Day-2之间均无显著差异（p>0.44）；β抑制的ICC为0.89–0.90，β rebound的ICC为0.96–0.97，日间变异约6%–7%，显示组水平高度可重复。

3.5 皮层反应的空间分布
诱发场和β rebound主要在对侧SM1皮层腿部区域对应的传感器上达峰；β抑制在传感器水平呈现出更外侧和双侧的分布模式，与诱发场和β rebound的空间分布不同。由于仅有4名受试者具备解剖MRI数据，源水平分析属于探索性，不能据此确定膝关节本体感觉的独立皮层代表区。

3.6 日间可靠性
Bland-Altman图显示皮层诱发反应和诱导反应在日间具有较窄的一致性区间；所有变量的ICC为中等到极好（高强度：0.89–0.96；低强度：0.69–0.97），高强度条件下可靠性更强。肌肉反应和加速度参数的日间重复性同样良好。

讨论部分指出，手动敲击式刺激器只需适度训练即可稳定操作，敲击声音可被耳塞和背景噪声有效掩蔽。刺激运动学在会话内和会话间的变异水平与计算机驱动的气动运动执行器相当。皮层诱发场的日间重复性明显优于肌肉EMG反应，提示该刺激器能提供时间精确的本体感觉优势传入。β节律调制在组水平高度可重复，但个体间变异较大，与皮层解剖差异和下肢代表区位于半球间裂深部、MEG检测难度较大有关。β抑制更外侧和双侧分布的机制尚不明确，现有数据无法提供直接解剖学证据，需未来更大样本的源分析验证。装置优势在于无磁性、重力驱动、强度可调；局限包括手动释放、膝关节角度固定不够精确、刺激强度未个体化、注意力未系统控制、仅同一操作者、可用于源分析的MRI样本量小等。

结论：研究表明，新型MEG兼容性刺激器是一种可行且可靠的工具，能够在不同记录日之间传递可重复的本体感觉刺激，并诱发可重复的皮层和肌肉反应。皮层反应在预期对侧SM1皮层腿部区域对应的MEG传感器上达峰，但β抑制除外，其在更外侧区域呈双侧分布；需要进一步研究确认其皮层源。该刺激器有望在组水平上研究和追踪各种患者和干预措施中的膝关节本体感觉，例如老年人、膝骨关节炎、全膝关节置换或前交叉韧带损伤患者，但在评估个体受试者时需谨慎。