手指屈指运动诱发大脑运动皮质区运动相关电位研究
摘要：目的：本研究观察上肢手指屈指运动诱发的大脑运动皮质区的运动相关电位（movement-related cortical potentials，MRCPs）的形态以及分布特征。方法：本研究以13名健康受试者为研究对象，让其右手手指执行100次30%MVC的间断性地握力收缩，同时测量受试者连续的脑电信号和肌力信号。以肌电激活触发点为事件相关点，利用平均叠加法提取出运动事件相关电位。结果：MRCPs电位呈现缓慢上升然后缓慢下降的负性电位，主要分布在运动皮质区（辅助运动区、初级运动区），左右大脑半球非对称分布，运动对侧大脑半球的电位幅值显著高于运动同侧大脑半球（P＜0.01）。MRCPs峰值电位出现在大脑中线辅助运动区的FCz和Cz位置。结论：指屈肌次最大随意等长收缩诱发的MRCPs电位呈现一种先上升后下降的非线性变化特征，其空间分布样式更加靠近大脑运动对侧半球的内侧。另外，MRCPs电位主要反映运动前准备和运动触发时的中枢命令，但无法反映动作持续阶段的中枢命令。
引言：MRCPs是一种与运动相关的事件相关电位。MRCPs电位包含多种成分，主要包括运动前成分和运动后成分。运动前成分又可以称为准备电位（bereitschaftpotential，BP或者readiness potential，RP），最初是由Kornhuber和Deecke提出来的，这个成分主要与动作执行前的准备过程有关，而运动后成分与躯体感觉输入成分有关。RP电位以一种缓慢增加的负电位为特征，通常开始于运动前的-1500ms。它又可以分成3种成分：早期RP成分，是肌电触发前的-1500～-1000ms时间段内的电位；晚期成分negative slope（NS’），可以称之为负性斜率成分，为肌电触发前的-500ms时间段内的电位；还有运动电位（motor potential，MP），这个电位主要对应着MRCPs电位的峰值成分，通常取肌电触发后的50ms内的电位幅值。以上这些电位成分能够反映出随意运动的计划、准备以及早期的运动执行过程，这些成分通常出现在初级运动区、前运动区、辅助运动区以及枕后区和躯体感觉皮质区。学者们认为在这些区域MRCPs电位成分的幅值和潜伏期可以直接反映中枢的运动命令。
MRCPs电位波形可能与不同的认知过程和不同位置的肢体运动有关，以往学者的研究主要集中在对简单的食指敲击动作诱发的MRCPs电位特征研究。研究发现简单的食指敲击动作诱发的MRCPs电位主要产生在初级运动皮质区的C3位置。而且有报道发现外界信号触发诱导产生的MRCPs的准备电位BP成分幅值很低，因为在这种条件下受试者没有足够的准备时间，所以运动前的准备电位BP成分很低，而在按照自我节奏触发的MRCPs电位的运动前BP成分激活水平高，尤其在一些需要受试者进行充分选择的实验设计中，BP电位幅值会更高。还有学者发现，在被动运动中几乎没有发现MRCPs中的运动执行电位MP。所以，MRCPs的产生极其复杂，该电位与不同的肢体运动以及不同的认知过程有关。
目前，国内尚未有学者研究人体运动过程中大脑运动皮质区运动相关电位的特征，而且尚未发现国外学者对受试者按照自我节奏进行的屈指等长收缩诱发的MRCPs特征的研究，本研究以健康成年受试者为研究对象，观察其按照自我节奏执行30% MVC的屈指等长握力收缩时诱发的MRCPs电位特征。
2.1 研究对象与方法
2.1.1 研究对象
本研究选取16名健康成年人为研究对象，但在实验过程中有3名受试者的脑电信号干扰伪迹较大，因此将这3名受试者去除掉，最后13名受试者作为最终的研究对象，年龄（22.7±1.7）岁，身高（1.77±0.16）m，体重（70.3±9.4）kg，受试者全部为右利手。正式实验前向受试者详细介绍本实验程序，受试者自愿参与本实验研究。
2.1.2 研究方法
（1）实验方案
令受试者进行100次间断性的30% MVC等长握力收缩，30% MVC目标力量水平通过实时显示在计算机显示器上的目标输出力水量平线完成。实验过程中要求受试者每次收缩维持大约6s，休息间隔时间大约8s，让受试者按照计算机显示器中力量曲线的时间轴来自行决定收缩和休息时刻点。在整个实验过程中连续采集受试者的脑电信号。
为了观察受试者在整个运动过程中是否产生了疲劳以及在这种简单运动中是否有学习效应，我们将受试者100次连续的握力收缩分成。在运动前模块（Initial block）和运动后模块（Late block），然后分别在Initial block和Late block后测试受试者的最大随意收缩力（maximal voluntary contraction，MVC），观察受试者是否出现肌肉疲劳。另外，对Initial block和Late block内平台期力值的标准差进行分析。
（2）实验程序
受试者调整自己的身体使其舒服地坐在椅子上，计算机显示器距离受试者90cm，受试者右侧上肢贴着躯干同时肘关节自然屈曲大约90°，右侧上肢的前臂倚在椅子的扶手上，同时手掌保持90°的内旋。为了减少其他肌肉的激活，允许受试者调整他们的身体，使身体其他部位处于放松状态，使肌肉收缩只发生在前臂屈指肌群。实验开始前，调整握力计的握柄宽度，使其处于最舒服的握力位置，然后让受试者熟悉一下实验过程，尤其是力量水平。
对于MVC测试来说，在实验开始前MVC测量3次，然后取这3次的平均值，对于每一个模块之间的MVC测试来说，只测试1次，以免影响受试者接下来的收缩力。在MVC测试时，通过语言鼓励受试者发挥最大力量。
（3）数据采集与处理
①肌力测量与分析
为了实现本实验的研究目的，本研究自制了数字电子握力计，在电子拉力/压力传感器的基础之上，对其进行了改造配置了拉力手柄，拉力手柄有调节器，可以根据不同受试者的手掌大小进行调节。另外，该拉力计配有拉力曲线软件，可以实时显示拉力曲线。
对于最大收缩力来说，本研究选取力量曲线平稳期的平均值。对肌力进行标准化处理：将每一个模块内测试的肌力平均值与初始MVC相除，最后将力值用% MVC来表示。计算每次收缩力曲线平稳期内力值的标准差，作为输出力的标准差。
②sEMG测量与处理
测试受试者右手前臂指深屈肌的sEMG，肌电信号采集使用双极记录法，两个记录电极来自脑电采集系统，这样可以保证脑电与肌电同步测量。两个记录电极的中心位置距离为2cm，在粘贴电极之前对其所对应的位置用去角质皮膏（NuprepTM，D.O.Weaver &Co.，USA）进行皮肤预处理，然后用75%的酒精擦拭去掉皮肤角质，直至皮肤自然风干后再粘贴电极注入导电膏，这样可以显著降低皮肤阻抗。sEMG的采样频率设置为1000Hz，带通滤波设置为0.1～200Hz。
sEMG信号通过均方根振幅法（root mean square，RMS）进行全波整流，整流的时间窗口宽度为0.001s，利用全波整流后的肌电信号，判断肌电激活点作为MRCPs的事件相关点。
③EEG测量与分析
本研究使用美国64导联Neuroscan SynAmps脑电测试系统（version 4.5，Neuroscan，El Paso，Texas，USA）测量受试者在运动任务执行过程中连续的脑电信号。受试者在测试时佩戴64电极点的脑电帽（SynAmps2 Quik-Cap64，USA），该脑电帽的电极分布使用的是10-10国际标准分布。脑电采用单极记录方式，将右侧乳突（M2）设置为参考电极。
脑电信号的采样频率设置为1000Hz，放大器的带通滤波设置为0.01～100Hz。同时记录水平眼电和垂直眼电。在佩戴脑电帽之前，先将受试者的头发洗净，用碱性洗发水去掉头皮屑以及头皮上的油脂成分，然后用电吹风将头发吹干。准备工作完成后，佩戴脑电帽，令Cz位置对应头的中心点（鼻尖与枕后粗隆连线与左右两耳门连线的交叉点），将导电膏（Quick-GelTM，Compumedics，Inc.，Charlotte，NC，USA）注入每一个电极中，通过调整导电膏的量，使所有电极的阻抗都降到5kΩ以下。
使用Neuroscan 4.5（Compumedics USA，Inc.）软件进行脑电信号的离线分析。首先使用相关法去除眼电干扰，去除伪迹干扰完成之后，将不受干扰的连续脑电信号分成若干个4000ms的时间段（肌电触发之前的-2000ms到肌电触发之后的2000ms时间段，-2000～2000ms）。对每段脑电信号要进行基线提取，基线提取的时间窗为-2000～-1500ms的500ms内平均幅值。为了进一步降低噪声水平，我们又将每段脑电进行了低通滤波，低通截止频率设置为30Hz。滤波后的分段脑电有使用阈值法再次进行伪迹去除，阈值设定为-80～80μV，超过这个阈值范围的分段脑电将被去除。最后，将没有干扰的分段脑电进行叠加平均，得到初始MRCPs波形。另外，我们对初始的MRCPs波形再次进行了处理，将初始MRCPs电位进行整体再平均化参考，得到最终用于统计分析的MRCPs电位。
在本实验中得到的MRCPs电位有明显的BP电位以及MP电位。在以往研究的基础之上，本研究将肌电触发前-1500～-100ms看成运动前的准备活动过程。本研究选取了肌电触发附近的0～150ms时间窗，这个时间窗能够覆盖所有受试者MP电位的早期电位成分和峰值电位成分。
（4）统计学分析
本研究使用社会学统计软件SPSS 16.0对相关数据进行统计学分析，对大脑左右半球对称的电极位置的MRCPs电位幅值、Initial block和Late block内输出力值的标准差采用配对样本T检验进行分析。对Initial block后和Late block后受试者的最大随意收缩力进行配对样本T检验，观察最大肌力是否下降。本研究中显著性标准α=0.05。文中没有特殊说明时，数据使用Mean±SD表示。
2.2 结果
2.2.1 行为学
以肌电激活点和失活点为基础，研究发现所有受试者持续收缩的时间为（6.2±2.7）s，休息时间为（8.2±1.3）s。受试者在Initial block和Late block内的输出力量水平分别为29.0%±2.4% MVC和29.6%±2.1% MVC，t（12）=0.97，P=0.72，说明受试者在整个运动过程中始终能够达到30% MVC水平。可见受试者的实际运动情况基本达到了实验设计要求。
受试者在Initial block和Late block后的MVCs分别为90.4%±2.3% MVC和89.9%±1.8%MVC，经过配对T检验t（12）=1.14，P=0.36，在间断性的100次30% MVC握力收缩中受试者的最大肌力没有下降。另外，本研究对2个模块内的平台期力值标准差进行了调查，结果发现标准差为2.5±0.3和2.6±0.6，经过统计学分析发现t（12）=1.02，P=0.58，说明前后2个模块内力值波动没有差异（表4-1）。
表4-1 前后两个模块相关数据统计学分析
2.2.2 MRCPs电位波形
从MRCPs电位波形来看，运动区皮质内各个电极位置的波形一致，都表现出一种先逐渐增加而又逐渐降低的非线性负性电位变化。另外，MRCPs的峰值电位主要出现在大脑中线的运动辅助区FCz和Cz位置。从图4-14和表4-2的数据可以看出，最大的MRCPs电位主要出现在大脑中线位置，左右大脑半球呈非对称性分布，运动对侧大脑半球（左侧）显著大于运动同侧大脑半球（右侧）（表4-2）。
2.2.3 MRCPs电位的头皮拓扑分布图
图4-14 运动皮质区头皮MRCPs波形
表4-2 BP和MP电位在大脑运动皮质区的分布特征
*表示正中线与左、右大脑半球相比，P＜0.05；#表示左侧与右侧大脑半球对称位置相比，P＜0.05；数据表示为Mean±SEM
图4-15 全部受试者头皮MRCPs拓扑分布图
注：从-2000ms开始到运动开始后的1200ms结束，共3200ms，每隔100ms取MRCPs平均值的脑电拓扑分布图
从MRCPs电位的头皮拓扑分布图来看（图4-15），MRCPs开始于肌电产生电信号之前的1500ms左右，主要分布在额区的运动皮质区，相对来说，MRCPs电位主要部分在正中线和运动对侧大脑半球。
2.3 分析
2.3.1 行为学分析
鉴于MRCPs电位受一些因素的影响，例如，肌肉疲劳和学习效应，所以在分析其特征前，对本研究中受试者的运动行为特征进行了观察。结果发现在100次30%MVC的次最大随意收缩过程中，受试者的肌肉并没有发生疲劳。另外，受试者在整个运动过程中基本上保持了30%MVC的收缩水平，每一次收缩力量水平都相近，这为MRCPs分析带来了较大的可信度。本研究又对受试者每一次收缩力的标准差进行了分析，结果发现，从前后2个运动模块来看，平台期力值标准差没有统计学差异，基本一致，这说明受试者的握力在维持30%MVC运动水平上，受试者不存在学习效应。所以，在本研究中不存在肌肉疲劳和学习效应对MRCPs的影响。
2.3.2 MRCPs电位波形特点分析
本研究发现受试者按照自我节奏进行随意屈指运动诱发的MRCPs电位波形在各个电极位置具有共同的特征，即在运动皮质区MRCPs电位在运动前-1500ms时就已经产生一个缓慢的负性偏移电位，并且在接近肌电触发时达到峰值，随后电位幅值逐渐减低。最近，Yang等研究了受试者在次最大随意等长握力收缩条件下，不同运动时相的脑源动力性变化特征，他们观察了受试者手指等长收缩过程中19个时间点的脑源特征，这19个时间点分别涵盖了动作准备、动作执行以及肌肉持续收缩阶段。结果发现，在各个阶段脑源强度变化模式表现为一种非线性变化特征，即在动作准备阶段脑源偶极子强度逐渐增加，直到动作执行阶段脑源强度达到最大，而在动作持续阶段脑源强度下降，而且研究发现，在各个不同时相，这些激活区域随时间的动力性特征基本一致，这提示在运动控制过程中大脑运动皮质区各个激活区域可能是同时发挥功能的，这与本研究中MRCPs电位特征一致，本研究中记录到的头皮MRCPs电位也呈现一种非线性变化特征，在运动准备阶段开始产生一个逐渐增加的负性偏移电位，在运动执行时该负电位达到最大，而在运动触发后的持续收缩阶段，该电位逐渐降低，而且在本研究中运动皮质区内多个电极位置的MRCPs电位随时间变化的特征基本一致，这暗示在完成屈指动作时多个感觉运动中枢是同步平行执行其功能的。
大脑皮质运动区在运动开始前就已经活动，这可能与人体从事随意运动时的注意力和运动初期准备有关。在运动准备的初始阶段，可能只有较少的一部分特殊神经元参与到任务中，并且它们的激活水平可能并不依赖所要产生的力量水平，它们只负责激活大脑内执行运动的神经元。基于此学者提出了一个假设模型，在该模型中作者认为运动前准备时相的活动主要涉及注意力。而执行运动任务的神经元负责执行运动任务，并且可能进一步触发运动策略。这些时相细胞可能位于次级和/联合运动皮质内。例如，Cadoret和Smith发现，在猴子大脑的辅助运动区和扣带回运动区的很多神经细胞在肌力产生之前放电率增加，但是在力量维持阶段其中大多数细胞是处于安静状态的。他们在这两个区域记录到的细胞高于60%的细胞是在手指肌力产生前表现为时相性放电（即该神经细胞只在运动前产生电活动），只有10%的神经细胞在肌肉持续收缩阶段表现为强直性激活的（即在持续收缩阶段神经细胞持续产生电活动），大约有13%的神经细胞为时相性兼强直性放电，它们在运动前和持续运动阶段都一直放电。
有一种假设认为随着时间逐渐靠近运动任务执行阶段，此时需要更多的大脑神经细胞参与到编程和执行任务中，并且需要进一步激活它们的活动水平进而满足大脑生理活动的需要。这种假设得到本研究结果支持，在本研究中从运动执行前-1500ms到动作执行的时间段内各个脑区电位幅值呈线性增加。在动作执行的时候电位幅值达到了最大，这可能是由于负责执行抓握动作的神经元和负责调节抓握力的神经元参与其中引起的。Chenney等认为，在EMG触发前的100ms内，可能进行肌力调节。在这段时间内，中枢运动神经元的神经冲动发放率增加或者募集更多的运动神经元。在EMG触发激活后的100ms或更长的一段时间，根据肌肉产生的力量水平大小，这种调节过程会进一步加强，进而使得大脑活动进一步增强。总之，在运动触发的±100ms时间范围内，较高的大脑激活水平可能与特殊运动任务的执行和力量调整有关，同时还可能与输入到运动皮质的多水平感觉反馈有关。
在肌肉持续收缩阶段（大约肌力产生后的200ms），各个脑区的脑源强度开始下降。在运动持续时相脑电活动下降，可能是参与运动编程与执行的运动神经元停止活动有关。很多大脑细胞在肌力产生前神经冲动发放率增加，而在维持肌力阶段这些神经元中的大部分已经处于静息停止状态。有研究表明：脊髓处的运动神经元在运动初始时相被强烈激活之后脊髓中这些运动神经元发放的神经冲动频率开始下降，这可能也从另一个方面间接地解释了在肌力持续时相后期MRCPs电位幅值降低的原因。
对于MRCPs电位来说，在动作持续阶段，肌电触发后电位幅值开始下降，这是MRCPs的又一个变化特征。在我们看来MRCPs不能评价肌肉收缩持续阶段的中枢命令，因为从肌肉开始收缩后MRCPs电位开始由负性电位开始下降变成正电位，这称为运动后电位（post movement potential，PMP）。有学者认为肌电触发后的PMP电位与外周反馈信号处理有关，因此，在本研究认为无法使用MRCPs电位确定运动任务持续执行阶段大脑皮层的执行命令。
目前学者们发现，与随意运动相关的最明显的头皮电位是BP（bereitschafts potential），这个电位开始于运动前，可以理解为运动之前的大脑皮层准备过程。在我们前期研究发现，BP电位与运动过程中的认知过程有关，可以反映从事运动中参与意图的程度。在本研究中受试者需要按照严格的时间间隔进行运动，而受试者根据显示在计算机显示器上的时间轴来自行确定肌肉收缩运动的时刻，这要求受试者在每一次运动准备前都需要集中注意力，因此在本研究中受试者MRCPs电位中BP成分的电位幅值较高。
在本研究中，MP电位的最大幅值出现在FCz和Cz位置，这与Ikeda等的研究一致，他们发现MP电位只出现在辅助运动区。目前，有关MP电位的发生源与产生时机还备受争议，但这个成分主要被锁定在运动对侧的中央皮质区。Neshige等报道了皮层下电极记录到的MP电位最大值出现在手指对应的对侧感觉运动区域。Tarkka和Hallett发现运动电位MP反映的是运动皮质区的活动，与运动执行有关，因为MP电位的拓扑分布图随身体不同部位的运动而发生变化。将脑磁图和脑电图结合在一起研究时发现，机体运动时大脑皮质的电场主要集中在运动皮质区并且其发生源主要集中在肢体运动的对侧大脑半球，开始于肌电触发点之前并且持续到运动产生后的前100ms，这与本研究中MP电位的头皮分布一致。
2.3.3 MRCPs的头皮拓扑分布特点分析
与以前相似的研究相比，本研究中由上肢指屈肌次最大随意等长收缩诱发的MRCPs电位空间分布样式似乎更加靠近内侧分布。这可能是由于握力等长收缩时需要动员前臂主动肌和拮抗肌同时参与收缩，才能产生一定的握力。根据肢体在运动区大脑皮质上的投影分布，越靠近上肢近端其在大脑皮层运动区上的投影越靠近内侧。另外，从MRCPs的头皮拓扑分布来看，本研究发现，受试者MRCPs电位的峰值主要出现在FC1和C1之间以及FCz与Cz之间的位置。正如Shibasaki和Hallett提出的大脑皮层运动区反映手指运动的最佳位置在头皮脑电上主要位于中央区电极前1～2cm，位于额中央区与中央区之间的位置，正是相当于本研究中MRCPs在头皮上的分布情况。这个区域对应的是大脑辅助运动区，大脑辅助运动区主要参与完成机体复杂的运动，尤其是在按照自我节奏进行的内触发运动以及以视觉为线索的诱发运动中，辅助运动区会积极参与其中，而在本研究运动方案中要求受试者进行以视觉为线索按照严格的间歇时间和收缩时间的精细复杂运动，所以辅助运动区激活得更加明显。而初级运动区主要负责完成机体简单的运动，这可能也正如脑电拓扑分布图所显示的，覆盖对侧初级运动区的C3电极位置的MRCPs强度较低的原因。
2.4 结论
人体在执行屈指动作时大脑运动皮质区多个功能区同步执行功能，而且呈现一种非线性变化。MRCPs电位主要反映运动前和运动触发时的中枢命令，但无法反映动作持续阶段的中枢命令。从本研究的结果可以看出，在手指做屈指运动时，大脑运动皮质区发出的神经冲动具有双侧支配的特征，但是运动对侧大脑半球的神经冲动占支配地位。另外，结果表明：MRCPs电位空间分布样式似乎更加靠近运动对侧运动皮质区的内侧。