正常生理與帕金森癥病理運動控制的計算與神經(jīng)模型研究.pdf

1、研究生理和病理運動控制，是我們認(rèn)識感覺運動系統(tǒng)，尤其是大腦脊髓中樞神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和生理功能的重要內(nèi)容，也是為運動功能障礙患者提供運動功能補償和康復(fù)的基礎(chǔ)。神經(jīng)運動控制的研究方法分實驗觀測分析與計算模型仿真兩種：實驗研究對感覺運動系統(tǒng)中各層次回路的辨識和行為功能認(rèn)識，是建立計算模型的基礎(chǔ)；而計算模型仿真結(jié)果，又可以提供在實驗條件下無法觀測的系統(tǒng)狀態(tài)的神經(jīng)信息。因此，實驗分析和模型仿真方法在認(rèn)識中樞神經(jīng)系統(tǒng)感知運動功能中起到互補的作用。本論

2、文探討的科學(xué)問題是，在姿態(tài)和運動雙重控制的理論框架下，大腦和脊髓中各神經(jīng)回路在整合感覺信息、控制運動執(zhí)行過程中的模塊化功能。本論文的工作突破了現(xiàn)階段研究方法的瓶頸，將感覺運動系統(tǒng)各子系統(tǒng)部分的大量數(shù)據(jù)和已知信息整合成為多尺度計算模型，從系統(tǒng)層面研究生理和病理運動的神經(jīng)控制機制。本論文在前期工作的基礎(chǔ)上，完善了多尺度虛擬手臂模型的仿真平臺，并驗證了虛擬手臂模型的真實性和有效性；利用虛擬手臂模型，分析并提出了肌梭伽馬神經(jīng)支配的中樞非線性編碼

3、假設(shè)；搭建人體上肢運動實驗采集分析平臺，并分析了帕金森病肢體震顫中，肌群的協(xié)同發(fā)放與震顫幅度的相關(guān)關(guān)系，為使用虛擬手臂模型進一步探索帕金森病震顫的神經(jīng)病理機制提供了實驗數(shù)據(jù)。
　　本論文的主要研究內(nèi)容和成果包括以下四個方面：
　　1.在前期工作基礎(chǔ)上開發(fā)多尺度整合的虛擬手臂模型。
　　我們將前期工作中開發(fā)的上肢肌骨系統(tǒng)生物力學(xué)模型、虛擬肌肉、肌梭、高爾基腱器官等模塊，和新增的脊髓反射回路和脊髓固有神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型模塊整合

4、起來，移植到SIMULINK建模仿真平臺中，優(yōu)化參數(shù)，統(tǒng)一接口，整合為一個具有真實生理特征的虛擬手臂系統(tǒng)模型。我們采用了模塊化的模型結(jié)構(gòu)，使其具有模塊易于更新替換，拓展性強，可根據(jù)需要定制化和個性化等特點。該模型在模擬正常和病理神經(jīng)運動行為，研究神經(jīng)運動控制機制中有巨大潛力，并為康復(fù)應(yīng)用的開發(fā)和臨床前評估提供了一個可靠且高效的仿真平臺和環(huán)境。
　　2.驗證虛擬手臂模型神經(jīng)力學(xué)行為的真實性和有效性，定量評估前饋和反饋控制對維持上肢端

5、點姿態(tài)穩(wěn)定性的貢獻。
　　手剛度反映了手的阻抗特性，手的運動變異性描述了固有神經(jīng)噪聲影響下的手的穩(wěn)定范圍，這兩個神經(jīng)力學(xué)行為指標(biāo)可以定量評價姿態(tài)控制下的手穩(wěn)定性。將系統(tǒng)模型仿真的神經(jīng)力學(xué)行為（手剛度與變異性）與人體實驗測量數(shù)據(jù)比較，確認(rèn)虛擬手臂模型的真實性和有效性。由于實驗測量手段的局限性，現(xiàn)階段我們還無法在系統(tǒng)層面準(zhǔn)確測量脊髓反射回路對上肢端點的姿態(tài)穩(wěn)定性的貢獻，因而在不同的運動控制理論中，對本體感覺反饋在運動控制中的作用有不同

6、解釋。虛擬手臂模型使我們可以通過設(shè)計開環(huán)和閉環(huán)條件下的仿真實驗，定量評估多關(guān)節(jié)系統(tǒng)中，閉環(huán)感覺反饋對系統(tǒng)阻抗特性和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，在穩(wěn)態(tài)的閉環(huán)感覺反饋作用下，手剛度橢圓的面積增大35.75±16.99％（均值±標(biāo)準(zhǔn)差，下同），手變異性橢圓的面積縮小49.41±21.19%，顯示出本體感覺反饋在脊髓層面的閉環(huán)姿態(tài)控制中，對抗內(nèi)部神經(jīng)噪聲和外界環(huán)境擾動，維持多關(guān)節(jié)肢體穩(wěn)定性的顯著貢獻。
　　3.研究肌梭運動神經(jīng)控制中可能的關(guān)節(jié)

7、角度編碼模式，及其對外周本體感覺傳入中關(guān)節(jié)角度編碼的影響。
　　實驗證據(jù)表明下行的肌梭運動神經(jīng)發(fā)放活動與關(guān)節(jié)運動軌跡相關(guān)，以某種形式編碼了關(guān)節(jié)角度信息作為中樞對外周姿態(tài)控制的參考信號。同時肌梭運動神經(jīng)起到維持不同姿態(tài)下肌梭梭內(nèi)肌纖維張力的作用，調(diào)節(jié)感覺末梢的靈敏度以控制本體感覺發(fā)放頻率中對關(guān)節(jié)角度的線性編碼。由于人體正常運動狀態(tài)下的肌梭運動神經(jīng)元發(fā)放模式無法通過電生理技術(shù)手段測量，我們尚不了解肌梭運動神經(jīng)中的關(guān)節(jié)角度編碼模式?；?/p>

8、虛擬手臂模型仿真實驗平臺，我們提出并檢驗了三種可能的肌梭運動控制編碼模態(tài)假設(shè)。各假設(shè)的正確性通過檢驗假定的肌梭運動神經(jīng)編碼模態(tài)下，仿真的初級感覺傳入神經(jīng)發(fā)放是否與實驗測量相匹配的方法驗證。研究結(jié)果表明，在姿態(tài)控制中，神經(jīng)系統(tǒng)可能采取了對肌梭靈敏度的非線性控制策略，使肌梭運動神經(jīng)承擔(dān)起中樞向外周系統(tǒng)傳輸關(guān)節(jié)角度編碼信息的功能。
　　4.研究肌肉間同步活動對上肢帕金森震顫運動的貢獻，及其產(chǎn)生的大腦和脊髓神經(jīng)回路基礎(chǔ)。
　　建立實

9、驗采集帕金森震顫運動和肌電圖的方法，采用相干和互相關(guān)等方法分析帕金森震顫中各肌肉的節(jié)律性發(fā)放活動，提出“paired coherence”和“pool-averaged coherence”兩種評價指標(biāo)定量評估肌群間活動的同步水平，并分析其與關(guān)節(jié)震顫運動幅度間的相關(guān)性。分析顯示，不同患者的上肢肌群震顫活動的同步水平存在較大差異，且與上肢關(guān)節(jié)的震顫幅度成正相關(guān)。該結(jié)果表明，肌肉非自主發(fā)放活動在肌群間的同步，是驅(qū)動帕金森震顫運動的重要因素。

10、這一研究為最新的解釋帕金森震顫運動產(chǎn)生機制的“調(diào)制-開關(guān)模型”假說提供了支持，并進一步提出源自小腦和基底節(jié)系統(tǒng)的中樞振蕩信號，經(jīng)過脊髓固有神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的傳輸、整合和處理，支配對抗肌群中的交替發(fā)放活動，導(dǎo)致震顫運動產(chǎn)生的神經(jīng)模型。
　　綜上，本論文建立了一個基于模型仿真和實驗運動分析的神經(jīng)運動控制研究平臺，并應(yīng)用于研究生理和病理狀態(tài)下，中樞脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在運動控制中的作用。研究結(jié)果為認(rèn)識神經(jīng)運動控制開辟了新思路和新方法，也對運動康復(fù)治療