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指屈肌次最大随意等长收缩诱发疲劳过程中中枢神经电生理学机制研究

郭峰  
【摘要】:研究目的: 当机体肌肉发生疲劳时,工作能力会显著下降,同时会增加机体受伤的机率,因此了解疲劳发生的机制尤为重要。但运动性肌肉疲劳的发生机制极其复杂,从大脑皮质相关区域神经元发放神经冲动到引起肌肉收缩过程中,任何一个环节出现异常都会引起运动性肌肉疲劳的发生。发生在中枢神经系统水平的称为中枢机制,发生在外周肌肉水平的称为外周机制。目前,中枢机制是运动性肌肉疲劳研究的热点,但是受技术手段的限制,对运动疲劳的中枢机制认识还不全面。以往对机体肌肉疲劳中枢机制的研究主要通过收集受试者的外周血样来分析运动疲劳发生发展过程中的生物化学、神经生物学变化特征,很少有学者从神经电生理学方面深入探讨运动性肌肉疲劳发生的中枢机制。表面肌电(sEMG)和头皮脑电(EEG)作为一种无创伤的检测手段,可以实时地反映中枢神经系统的功能变化。因此,本研究将结合这两种手段探索运动性肌肉疲劳过程中中枢神经电生理学机制,为探索人类大脑在机体疲劳状态下的工作特征提供依据。 研究方法: 本研究以28名青年健康志愿者为研究对象,其中疲劳组受试者15人,非疲劳组受试者13人。疲劳组受试者右手执行200次间断性的30%MVC等长握力收缩,每次收缩时间大约持续6s,间歇时间大约4s,受试者通过实时显示在电脑显示器上的目标力水平线来控制30%MVC力量水平。将200次收缩划分为4个模块(Block),每个Block包含50次收缩,在每个模块之间有不到1min的休息时间,在休息间歇内进行主观用力等级感觉(rating of perception of effort,RPE)以及最大随意收缩力(maximal voluntary contraction, MVC)测试。对于非疲劳组受试者来说,要求每次收缩时间也大约持续6s,但间歇休息时间大约为8s。在受试者运动过程中连续记录受试者的EEG信号、指屈肌的sEMG信号、肌力以及主观体力感觉等分。选取运动皮质区内的运动相关皮层电位(movement-related cortical potentials, MRCPs)的运动前准备电位和运动执行电位、前额区皮质的电位、肌电信号RMS、最大力量百分比(%MVC)以及RPE为观察指标。 实验第一部分主要探讨肌肉疲劳过程中MRCPs电位、sEMG、肌力、主观用力知觉的变化,以及疲劳时主观用力知觉产生的机制。 实验第二部分在实验第一部分基础之上,选取运动执行阶段的MRCPs电位,观察在肌肉疲劳过程中大脑负责动作执行的运动命令的神经元激活源发生的变化。本部分实验研究选取疲劳组10名受试者的运动执行阶段的MRCPs电位进行标准化低分辨率脑电磁断层扫描成像(sLORETA)分析,选取标准化电流密度值以及激活的像素数目指标同时使用统计学非参数图谱分析法,探索肌肉疲劳过程中动作执行时大脑神经元激活源的变化。 研究结果: 第一部分: 1.无论是疲劳组还是非疲劳组受试者,在整个运动过程中其输出力量水平都能维持在30%MVC的目标力水平,但是在运动后期疲劳组受试者在力输出平台期肌力标准差要显著高于非疲劳组受试者;疲劳组受试者最大肌力以及对应的肌电RMS值在运动结束时显著下降(P 0.001);疲劳组受试者每个Block内的指屈肌肌电RMS平均值随着疲劳的发生显著增加;疲劳组受试者在运动结束时RPE得分显著增加(P 0.001);对于非疲劳组受试者来说,除了RPE得分在运动结束时有所增加外,其余指标没有显著性变化。 2.在运动初始模块疲劳组与非疲劳组受试者运动前准备电位(Readinesspotential, RP)没有显著性差异,即使在运动后期只有在Fp1和FC1电极位置出现了差异;对于运动执行电位(Motor potential, MP)来说,无论在运动初期模块还是在运动后期模块,本研究中被调查的大部分电极位置均表现出疲劳组显著高于非疲劳组。前额区头皮电位在非疲劳状态下运动时表现为正性电位波形,而在肌肉疲劳状态下表现为负性电位波形。 3.从头皮EEG数据来看,随着疲劳加重,MRCPs的执行电位有向运动同侧大脑半球和大脑前部移动的趋势。 4.受试者内相关系数表明疲劳组受试者C1电极位置的MP电位幅值与RPE的相关系数,r=-0.609, P 0.001,ηp2=0.37,C1电极位置的MP电位幅值与肌电RMS的相关系数,r=-0.439, P=0.02, ηp2=0.11,RPE与肌电RMS的受试者内相关系数为,r=0.541, P 0.001,ηp2=0.29。 第二部分: 1. sLORETA脑源数据表明受试者手指屈肌执行次最大随意等长收缩动作时,激活的大脑区域主要涉及大脑额区的额上回、额内侧回、额中间回、额下回,大脑顶叶皮质以及扣带回皮质。 2.随着肌肉疲劳程度加深加重,位于以上这些皮质区域内的立体像素对应的标准化电流密度强度显著增加。同时,位于这些皮质区域内被激活的立体像素数目也显著增加。 3. sLORETA数据表明随着肌肉疲劳程度加深,大脑皮质MRCPs的激活源有向运动同侧大脑半球(右侧)、大脑前部以及大脑深部移动的特征。 研究结论: 1.疲劳组受试者指屈肌以30%MVC次最大随意收缩强度间歇运动200次的运动方案显著诱发受试者肌肉疲劳,而非疲劳组受试者未发生肌肉疲劳。本研究运动方案能够显著诱发受试者肌肉疲劳,肌肉疲劳模型建立成功。 2.从本研究的实验结果来看,肌肉疲劳似乎对运动执行时的MRCPs电位有显著的影响,而MRCPs的运动前准备电位似乎反映的是长时间重复性疲劳运动过程中的认知需求。 3.无论是头皮的MRCPs数据还是脑源分析的sLORETA数据都表明随着肌肉疲劳发生发展,与运动相关的皮质区激活水平变高,激活范围变大,而且大脑皮质激活区域有向运动同侧大脑半球(右侧)、大脑前部以及大脑深部移动的特征,前额区皮质活动发生明显变化,这可能是机体在肌肉疲劳过程中为了补偿肌肉力量下降动员更多的运动单位而启动的中枢策略。 4.我们的实验数据证明主观用力知觉可能主要与运动执行时的中枢运动命令相关而并不是运动前准备阶段的中枢命令。另外,我们提供了额外的数据证明运动执行时中枢发出的命令与运动单位募集之间存在着直接关系。同时,RPE不仅能够表达机体的主观疲劳感,而且还能够反映局部肌肉的疲劳感。


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