李 海，赵江莉，危昔均，王冰水，毛玉瑢，李 乐，黄东锋，3
脑血管病已成为我国居民死亡的主要疾病[1]，脑卒中是单病种致残率最高的疾病，给社会、家庭造成沉重的负担[2]。上肢运动功能障碍是脑卒中病人最常见的功能障碍[3-7]。脑卒中后上肢运动脑电特征的研究对运动重建的神经机制研究及康复策略制定具有重要意义。事件相关电位(event-related potential，ERP)技术是一种灵活的非侵入性手段，其中运动相关皮层电位(movement-related cortical potential，MRCP)被应用于运动及脑损伤后的康复机制研究。卒中后偏瘫病人运动时，偏瘫肢体对侧皮层运动区运动电位(motor potential，MP)波幅增加，提示损伤区域执行运动指令的能量需求增加，但对MRCP潜伏期的影响一直存在争议[8-9]。事件相关去同步化(event-related desynchronization，ERD)指的是与感觉处理或运动行为相关频率下降的现象。在初级感觉运动皮层被记录到的与α节律相同频率范围的脑电活动被称为mu节律，人类主动运动的执行和准备阶段及运动想象和运动观察过程皮层感觉运动区域均出现mu-ERD[10-12]，脑卒中病人受损半球的ERD值与肢体剩余运动能力呈正相关[13]。本课题组前期已进行正常人群运动准备和运动执行时的ERP研究，发现正常受试运动过程中脑电在时域和时频域的变化表现出不同特征。mu-ERD被发现在运动准备阶段具有更强的对侧控制特征，可能是检测运动意图的更好指标[14]。为探讨脑卒中后偏瘫病人上肢运动时运动准备、执行过程的脑电活动在时域和时频域方面的特征性改变，本研究应用指令运动及提示指令运动范式进行脑卒中病人单侧上肢运动时的脑电ERP试验，为进一步探讨脑卒中后上肢运动控制的神经康复机制及神经可塑性机制提供神经电生理依据。
1 资料与方法
1.1 研究对象 招募以偏瘫为主要症状的脑卒中恢复期至慢性期病人参加本研究。入选标准：①经 CT 或磁共振成像(MRI)检查确诊为脑卒中(病程时间>1个月)；②单侧皮层或皮层下病灶损害；③Brunnstrom 分期≥2 期；④起病前为右利手；⑤无严重认知功能障碍，可配合完成所有研究评估项目；⑥符合及耐受ERP检查要求；⑦自愿签署知情同意书。排除标准：①充血性心力衰竭；②下肢深静脉血栓；③恶性进行性高血压；④呼吸功能衰竭；⑤活动性肝病、肝肾功能不全等严重并发疾病，一般情况差，不能配合完成研究评估项目者；⑥严重认知功能障碍不能理解并执行试验任务者；⑦上肢骨关节疾病不能进行研究所规定的上肢运动者；⑧既往有精神疾病史或服用抗精神病药物病史；⑨有严重的偏侧空间忽略。本研究获得医院伦理委员会的批准，病人参加研究之前均已被告知研究具体内容并签署知情同意书。
1.2 脑电试验数据的采集 脑电数据采集在屏蔽试验室进行，屏蔽室消除电磁信号及环境噪音干扰，观察窗供研究人员观察受试者试验时的行为反应。试验时受试者坐于放置电脑屏幕的桌子前，屏幕距受试者约75 cm(双眼水平)，受试者双侧前臂置于桌面。Brain Products公司(Munich，Germany)生产的32导联Ag/AgCl电极主动电极帽actiCap(Herrsching，Germany)用来记录脑电信号，基于扩展的国际10-20系统定位，参考电极位置FCz，地电极位置AFz，采样率1 000 Hz，试验期间电极阻抗保持在5 kOhm以下以保证数据质量。将左右各一对表面电极分别置于双侧的桡侧腕伸肌(ECR)处以记录伸腕运动表面肌电信号。
本研究中的运动任务为双上肢分别进行单侧伸腕运动。试验1为指令运动范式，屏幕上随机呈现向左或向右的实心箭头，E-prime软件随机选择，左右方向各重复40次，总共80个循环。受试者根据箭头方向做左侧或右侧伸腕展活动1次，然后回归休息位直到下一个运动指令出现。试验2为提示指令运动范式，在试验1的图片运动指令前1 000 ms屏幕提示运动方向(虚心箭头)，运动指令后受试者按照同样规则进行伸腕运动。
1.3 肌电及脑电数据分析方法 脑电数据分析软件Brain Vision Analyzer 2.1(Brain Products，Germany)，数据分析软件Matlab 2016a(The MathWorks Inc.，USA)和Letswave(版本7，https：//letswave.cn/)用于分析离线EEG数据。Brain Vision Analyzer 2.1软件的EMG附加组件用于分析EMG数据。
肌电数据选取活动侧上肢肌电起始时间、峰值时间、峰值波幅，由Brain Vision Analyzer 2.1肌电分析组件运行分析，肌电起始点阈值为在正负任一方向为超过基线平均值的4个标准差[9]，肌电峰值时间、峰值波幅由软件计算后导出。EEG数据取平均值，眼电对脑电的干扰应用基于独立成分分析(independent component analysis，ICA)的眼电矫正方法进行半自动矫正，去除眼电干扰后的脑电数据进行带宽滤波(0.01～50 Hz)、去伪迹处理，然后根据视觉指令信号进行分段、基线矫正。分段并基线矫正处理后的脑电数据按进行叠加平均，得到脑电ERP波形。MP的潜伏期、波幅作为运动相关电位的主要统计分析指标，选择代表初级运动皮层的C3、Cz、C4导联进行统计分析比较。分段后的脑电数据进行平均连续小波转换后，再经基线矫正后得到时间-频率谱图，本研究选择观察频率范围为0～30 Hz，提取mu-ERD(8～13 Hz)运动准备阶段-0.5～0 s，运动执行阶段0.5～1.5 s数据进行统计分析。
1.4 统计学处理 使用IBM SPSS 22统计软件进行统计分析，统计检验采取双侧检验，α=0.05为统计可接受的临界概率值。根据数据是否符合正态分布，双侧伸腕运动的参数在受试者的患侧及健侧之间、检验试验1和试验2同侧相关参数之间进行配对样本t检验或Wilcoxon检验。脑电数据进行不同导联位置的Kruskal WallisH检验。
2 结 果
2.1 一般资料 因本研究为临床基础研究，入选仅以偏瘫为主要症状的脑卒中恢复期病人，可进行伸腕运动，语言、认知功能良好，可理解、沟通并配合脑电ERP试验，入选病人存在一定难度。研究期间共17例脑卒中病人完成研究，其中男14例，女3例；年龄(54.10±10.95)岁；脑卒中原因：脑梗死10例，脑出血7例；左侧偏瘫9例，右侧偏瘫8例。本课题组前期使用相同ERP范式已进行正常人群研究[14]，未发现不同性别之间运动相关脑电特征的差异，故本研究未进行性别分层研究。
2.2 肌电表现 试验1指令运动范式下肌电峰值时间，患侧为(956.6±249.4)ms，健侧为(743.0±201.2)ms，患侧与健侧比较差异有统计学意义(t=3.486，P=0.006)。患侧和健侧分别进行指令运动和提示指令运动时，提示运动下肌电起始时间、峰值时间均缩短(P<0.01)。详见图1。
*P<0.05，**P<0.01。图1 指令运动及提示指令运动范式下脑卒中病人肌电起始时间和峰值时间比较
2.2 运动相关电位 1例脑卒中病人两种范式下ERP试验的脑电数据预处理后所得MRCP图形详见图2。
所有受试者两种范式下ERP试验各分析导联位置的MP数据见表1。配对样本Wilcoxon检验显示，试验1运动范式下运动肢体对侧皮层(Z=-3.516，P<0.001)、Cz(Z=-3.258，P=0.001)、同侧皮层(Z=-2.430，P=0.015)的MP波幅，健侧、患侧运动比较差异有统计学意义；试验2运动范式下运动肢体对侧皮层(Z=-2.201，P=0.028)、Cz(Z=-2.481，P=0.013)的MP波幅，健侧、患侧运动比较差异有统计学意义。对不同导联位置的脑电数据进行Kruskal-WallisH检验，结果显示试验1健侧、患侧运动时各导联MP波幅比较差异有统计学意义(患侧P<0.001，健侧P=0.022)，详见图3，试验2患侧运动时各导联MP波幅比较差异有统计学意义(P=0.026)。两种范式下脑电数据配对样本Wilcoxon检验结果显示，试验2提示下指令活动较试验1指令活动患侧运动时Cz(Z=-2.341，P=0.019)、患侧肢体同侧运动皮层(未受损脑区)的MP潜伏期缩短(Z=-2.691，P=0.007)；而健侧运动时两种范式情况下运动的各皮层位置MP潜伏期比较差异无统计学意义。
表1 脑卒中病人两种范式下ERP试验的动作电位[(±s)，M(P25，P75)]
图3 试验1患健侧上肢运动时运动皮层的MP波幅
2.3 运动相关脑电时频域改变 提取运动执行阶段8～13 Hz、0.5～1.5 s的平均反应值，运动准备阶段8～13 Hz、-0.5～0 s的平均反应值进行统计分析，mu-ERD平均反应值进行各导联位置间的Kruskal-WallisH检验、健患侧运动时的Wilcoxon检验，不同导联位置及健患侧脑区之间数据比较差异无统计学意义。详见表2。
表2 脑卒中病人两种运动范式下mu-ERD平均反应值[M(P25，P75)]
3 讨 论
脑卒中病人运动时患侧肌电峰值时间较健侧延长，提示患侧肢体运动功能受损。提供视觉提示的情况下，健侧肢体和患侧肢体运动的肌电起始时间和峰值时间均缩短，说明视觉提示可以起到协助运动准备过程，易化运动启动的作用，帮助加速神经运动功能受损病人的运动反应速度[15-16]。提示在脑卒中运动功能康复过程中为病人提供视觉提示有助于运动皮层的准备，加速运动的启动和执行。
脑卒中病人患侧肢体运动时MP波幅在对侧运动皮层以及运动中央区域均明显增高。MP成分由运动皮层下电活动叠加产生[17]，并一定程度上与运动兴奋的传入相关[18]，MP波幅可能与运动准备及执行的能量需求与能量消耗相关[19]。脑卒中偏瘫病人运动神经通路的损伤完全或不完全阻断了既往已经建立的运动控制网络连接，故而尝试完成同样运动控制任务时的神经支配效率降低，产生更多的能量需求与消耗。本研究对脑卒中病人运动相关电位波幅的发现与既往文献的报道[8-9]是一致的。在对运动学习的研究发现，通过反复练习掌握某项运动技能后进行该运动时大脑的运动相关电位波幅下降，潜伏期延长，反映了随着对运动技能的掌握大脑运动皮层的运动控制效率提高，能量需求及消耗减少[20]。在脑卒中运动康复领域，这些研究结果支持康复干预的剂量控制原则，即增加目标运动技能的锻炼剂量有望提高运动功能康复的收益。如强制性诱导运动疗法已被证实可以改善脑卒中病人的上肢活动能力、生活质量和社会参与[21-24]，但是强制性诱导运动疗法是否比同等剂量的常规治疗相比更有优势还不明确[25-26]。强制性诱导运动有效性的机制可能与限制健侧肢体或躯干的活动，强制患侧肢体运动从而增加其运动剂量有关，通过不断强化训练患侧肢体运动控制的神经环路而提高中枢神经运动控制效率，从而改善患侧肢体运动功能。
脑卒中病人运动时偏瘫肢体同侧运动皮层的改变值得关注。试验2提示下患侧肢体运动时，Cz及同侧(未损伤脑区)皮层MP潜伏期缩短。脑卒中病人患肢对侧运动皮层功能受损的情况下，提示对运动控制的调节作用可能是通过运动中央区及损伤对侧运动皮层的代偿作用来实现的[27-28]。
mu-ERD被认为是大脑激活的反映[29]，正常健康人运动时脑电时频域特征为执行阶段双侧运动皮层激活，而中央区激活不明显，运动准备阶段主要为对侧运动皮层的激活[14]。脑卒中病人运动准备及运动执行阶段都表现为双侧运动皮层及中央区的激活，运动准备阶段的ERD偏侧性不明显。本研究结果提示脑卒中病人运动时大脑皮层对比正常健康人群产生了更大范围的激活。这一现象同时印证了脑卒中运动康复过程中的同侧代偿机制和相邻区域代偿机制，反映了未受损区域代偿的皮层重组康复机制，这和既往动物模型研究结果[30]一致，且这种代偿作用体现在运动的准备和执行阶段。
脑卒中病人患侧肢体运动功能受损的情况下，视觉提示仍然可以起到协助运动准备过程，易化运动启动的作用。患侧肢体运动时MP波幅在对侧运动皮层以及运动中央区域显着增高，提示下患侧活动时，Cz及未损伤侧皮层MP潜伏期缩短，反映了中央区及损伤对侧运动皮层的代偿作用。脑卒中病人单侧肢体运动时产生更大范围的皮层mu-ERD，提示中央区及对侧未受损区域的代偿机制。ERP技术可应用于脑卒中病人的运动相关脑电活动研究并展示其特征性改变。
