镜像视觉反馈训练中大脑运动皮质激活的脑电特征研究

陈渔， 郭峰， 郭建瑞， 董彤彤， 夏雪莲

沈阳体育学院，辽宁沈阳市110102

0 引言

镜像视觉反馈训练(mirror visual feedback, MVF)又称镜像疗法或镜盒疗法，是将平面镜置于人体正中矢状面，将活动肢体的镜像通过叠加反射到相对应的肢体上。根据平面镜成像原理，镜子产生的像可诱导大脑误以为静止侧肢体在进行正常运动，进而达到激活大脑受损区域，消除异常感觉或恢复运动的目的，该技术已经应用于脑卒中患者运动功能康复中。Altschuler 等[1]报道，对于神经系统疾病的患者来说，MVF是一种可提高患者关节活动度以及肌肉收缩速度的技术。早期研究已将视觉反馈与镜像神经元理论结合的MVF 提议作为脑卒中后上肢功能康复的一种高成本效益的辅助手段。还有研究报道，在上肢运动功能恢复中，脑卒中患者单独接受MVF 比联合MVF 的传统康复手段更为有效[2]。尽管MVF 设备范式不断改进，但对大脑皮质结构功能重组和神经可塑性作用机制的不明确严重阻碍其发展。基于镜像神经元理论的疗法在左右侧偏瘫患者MVF 结果存在差异[3]，从临床角度看，研究MVF 在优势手和非优势手运动时大脑皮质的不同神经活动具有重要意义。

大多数单手单侧镜像运动研究表明，经过MVF后，处于镜子后面非运动肢体(对侧肢体)的力量提升[4-5]。即使镜子后面对侧肢体不运动，镜子所起到的作用，可以提高对侧肢体的运动行为[4]。以往研究所采用的运动任务主要为旋转球运动[6]、手指外展运动、手腕或手指伸展-屈曲任务[7]或特殊的运动序列任务[8]。MVF通过运动学习的跨肢体转移，使单侧训练能够改善对侧肢体的运动功能。同时，MVF还可以增加皮质脊髓兴奋性，并激活感觉运动皮质区。与没有训练基础的人相比，音乐家和运动员具有更大的运动皮质可塑性，更容易获得新技能[9-10]。一项研究表明，与技术不熟练的受试者相比，一些技术熟练的受试者在使用未受训练的非优势侧手时，更灵巧，误差更少，动作更快，同时激活大脑结构重组[11]。运动员可以将这种训练方式与另一种持续的训练模式相结合，进而学习新技能或者从伤病中得到更好运动功能的恢复[12]。上颞沟、额区、顶区内的镜像神经元之间相互连接，可以整合运动皮质区信号传输和视觉空间处理信息的能力[13]。

在MVF 时，MVF 可能激活额区和顶区皮质中的镜像神经元，这类神经元可以将接收外部视觉信息(模仿其他人运动)的视觉神经元和向肌肉发送运动指令的运动神经元之间连接起来[14]。在上颞沟中，视觉输入的信号被编码，从而形成更高级的视觉信号，之后将这些信号传输到额区和顶区镜像神经元，并进行动作学习[15]。Zult等[8]发现，健康个体在进行镜像运动训练提高肢体运动功能时，主要通过与运动同侧和运动对侧大脑半球初级运动皮质区内的镜像神经元之间的相互作用而实现[16-17]。当受试者模仿另一个人进行简单的运动任务时，这些脑区被激活。但目前还很少有研究明确说明优势手对MVF 中双侧肢体运动表现的影响。虽然非优势手的运动表现通常是通过MVF诱导的优势侧手的运动表现进行评估，但通过对非优势手进行训练，也可以在优势侧手中观察到类似的MVF 行为效应[18-20]。然而，Imai 等[21]推测，当单侧手运动时，MVF对非优势侧手的影响更明显。

近年来，大脑影像技术及神经生理学评价技术发展迅速，为研究MVF 的神经生理学基础和作用机制提供了新的视角，特别是高时间分辨率、非侵入性的脑电技术(electromyography, EEG)的应用为评价MVF作用机制提供一种客观有效的电生理指标。本研究基于EEG信号时频特征分析健康被试在优势手与非优势手MVF 过程中运动皮质激活情况，探究MVF 过程中人体大脑运动皮质激活的特征，为MVF 应用策略的选择提供依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2021 年3 月至9 月，于沈阳体育学院招募17 例男性大学生，平均年龄(25.1±1.3)岁，身高(175±5.7) cm，体质量(71.1±7.5) kg，体质量指数(23.2±2.0) kg/m2。

纳入标准：①爱丁堡利手测验量表评为右利手；②视力或矫正视力正常；③无精神疾病及脑部疾病史，未接受精神药物治疗；④试验前无熬夜、吸烟、喝浓茶等影响脑电波行为；⑤在本研究之前对MVF的脑电实验没有经验。

本研究经沈阳体育学院伦理委员会审批(No.〔2022〕31)。

1.2 实验设计

本研究选取日常中常见的手指伸展运动作为目标任务。采用随机交叉对照设计试验方法，被试随机执行范式序列由专门统计人员在SPSS 18.0中实现。4种全手指伸展运动实验范式为左/右手MVF(LM+/RM+)和左/右手直视反馈训练(visual feedback, VF)(LM-/RM-)。MVF为被试观察镜子中左/右手运动，对侧手保持放松，同时利用视错觉误认为对侧手在进行运动；VF 为被试直接观察左/右手运动，对侧手保持放松。其中，在LM+训练和RM+训练中，平面镜反射面朝向被试运动手方向，在LM-训练和RM-训练中，平面镜非反射面朝向被试运动手方向(图1)。4 种范式分两次进行，中间间隔1 周，两个范式之间休息10 min。

图1 4种条件下的手指运动

1.3 实验流程

实验开始前，实验人员向被试详细讲解实验流程，说明实验注意事项，被试坐于立有平面镜的桌子前，前臂放置于平面镜两侧可调节角度的前臂支撑架上，肩关节前屈30°，微外展，肘屈70°，腕关节和手指部分伸出支撑架，处于悬空状态。被试首先在平面镜环境中反复练习伸指动作，直至可以利用视错觉顺利误认为对侧手指运动为止。稍作休息后进入正式试验，采集被试闭眼静息态3 min 的EEG 信号及表面肌电(surface electromyography, sEMG)信号作为基线数据。训练过程共包含2 s 准备、3 s 执行和3 s 休息3 个组块，重复80 次，每个试次持续8 s。准备阶段为被试听到提示音1 后集中注意力做好伸展手指准备；执行阶段为被试听到提示音2 后，立即执行五指伸展运动并保持至提示音3 响起；休息阶段为提示音3 后被试放松手指至自然屈曲状态。每8～12个试次休息8 s，每40个试次休息5～10 min。见图2。

图2 实验范式

训练过程由E-Prime 3.0 软件声音指令提示进行控制，使用同步盒实现刺激与信号同步。为避免被试因机械重复而习得，提示音1 在-2.2～-1.8 s 随机出现，提示音2 在-0.2～0.2 s 随机出现，提示音3 在2.8～3.2 s随机出现，频率1 Hz，其中提示音2 响起的同时Eprime系统向信号毫秒级精准发送标记“256”。

1.4 数据采集

采用eegoTMmylab EEG 系统(德国ANT NEURO 公司)采集EEG 信号，选取国际10-20 系统标准的64 通道导联的电极帽。被试在佩戴脑电帽前清洗吹干头发以去除头屑和油脂。Cz电极对应被试头部中心点，即鼻尖和枕后粗隆连线与两耳门连线的交点。电极点注射导电膏将电极阻抗降到20 kΩ 以下，设置采样频率为1 000 Hz，带通滤波为0.1～50 Hz，接地电极GND位于FPz和Fz之间，参考电极设置为CPz电极。

为排除肌肉耦合效应的影响，本研究采用系统外接盒实现EEG 信号与sEMG 信号的同步化采集。sEMG 信号采集采用双极记录法，选取双侧前臂背侧的指伸肌作为测试肌肉，电极粘贴于前臂背侧远端1/3 处中点偏向尺侧位置。用打磨砂纸和去角质膏对皮肤进行预处理以降低皮肤阻抗，待皮肤预处理完成后，粘贴凝胶氯化银电极，两个电极的中心位置距离2 cm，参考电极选择右侧尺骨粗隆处。采样频率设置为1 000 Hz，信号采集过程中被试保持放松，待信号稳定后开始记录。

1.5 数据分析

1.5.1 数据预处理

sEMG信号的预处理操作如下：①50 Hz高通滤波去除基线漂移；②20～200 Hz带通滤波；③全波整流；④标记每次运动中运动手指伸肌表面肌电激活点为0时刻点；⑤以0 时刻点为标记，按照-2～6 s 的时间段对信号进行分段，去除有较大漂移或肌电振幅异常的片段。

EEG 信号的预处理操作步骤如下：①在原始数据中添加激活点；②高通频率为0.1 Hz，低通频率为50 Hz，对50 Hz 频率成分进行陷波以去除工频信号的干扰；③设置采样频率为250 Hz；④对有严重噪音伪迹干扰的通道进行插值处理；⑤以0 时刻点为标记，按照-2～6 s的时间段对EEG信号进行分段，去除有较大漂移或明显肌电干扰的片段；⑥将数据转为以双侧乳突参考；⑦去除EEG数据中的眼电、肌电伪迹等干扰成分。

1.5.2 基于时域分析的sEMG数据特征提取

为控制静止手显性或隐性的运动与M1 之间皮质肌肉耦合产生的混淆效应，本研究选用提取包络方法表征被试静息状态以及4 种范式执行阶段的运动手及放松手指伸肌sEMG 数据。以被试静息状态3 min 的双侧指伸肌的平均sEMG 数据作为基线信号，将被试执行阶段即0～3 s 的平均sEMG 数据叠加平均后进行Butterworth 四阶带通滤波，去除基线漂移等低频伪迹。

1.5.3 基于时频分析的运动皮质EEG数据特征提取

1.5.3.1 基于小波变换的时频能量分析

通过伸缩和平移运算对信号进行多尺度分解，可以有效地提取EEG信号频率信息的时间序列，最大限度地平衡时间分辨率与空间分辨率的关系，本研究选取复Morlet小波ω(t,f)作为小波变换TF(t,f)的母函数进行分解与重构。具体实现方法如下：

复Morlet 小波ω(t,f)为小波基底函数，可以看作是由余弦震荡为实部和正弦震荡为虚部构成的复震荡函数加一个高斯窗口组成：

参数n定义为时频精度，本研究σ = 50[22]。

将连续的时间信号s(t)与复Morlet 小波ω(t,f)进行卷积，获取特定频率f的EEG信号随时间t变化的时频能量特征：

选取准备阶段前0.5 s 内的平均振幅作为基线数据，激活点前1 s 内的平均振幅作为准备阶段数据，激活点后1 s内的平均振幅为执行阶段数据。

1.5.3.2 基于系数法量化事件相关去同步化/同步化(event-related desynchronization/event-related synchronization, ERD/ERS)

ERD/ERS 是由控制EEG 各频率成分的神经元和中间神经元局部交互作用引起的一种诱导电位对刺激触发锁时非锁相的电活动[23]。本研究采用百分比系数法量化ERD/ERS 值，提高信噪比，其大小表示为每个感兴趣时间段的能量与基线活动期间能量值的功率差相对于基线活动期间功率的比值。提取C3、C4 电极执行阶段的ERD/ERS 均值表征左、右半球M1 的兴奋程度。

其中A为感兴趣阶段特定频段的功率振幅，R为基线特定频段的功率振幅。若ERD/ERS＜ 0，表示能量下降，表现为ERD 现象；若ERD/ERS＞ 0，则表示能量增加，表现为ERS 现象。能量值的绝对值越大，ERD或ERS现象越明显。

1.5.3.3 非对称指数(asymmetric index, AI)的提取

为进一步比较不同范式间ERD/ERS 特征差异，量化镜像视觉反馈对大脑半球偏侧化的影响，根据以往的研究，引入AI用于进一步统计[24]。

ERD/ERSCH和ERD/ERSIH分别代表运动手对侧M1和运动手同侧M1(C3或C4电极)执行阶段ERD/ERS量化的平均值。

1.6 统计学分析

采用SPSS 18.0 进行统计学分析，采用配对样本t检验，观察两种视觉反馈对执行阶段sEMG 的影响。采用重复测量方差分析设计，观察双因素：放松手(2水平：左手L 和右手R)与训练状态(3 水平：静息状态RE、镜像反馈M+和直视无镜像反馈M-)对执行阶段sEMG 的影响；观察3 种因素：训练状态(2 水平：M+和M-)、运动手(2 水平：左手L 和右手R)和左右大脑半球(2 水平：左半球C3 和右半球C4)对大脑激活时ERD/ERS 的影响；观察双因素(训练状态、运动手)对大脑激活时AI 的影响。ηp2显示各主效应及交互作用对模型的效应量。显著性水平α= 0.05。Graphpad Prism 8.0、Matlab 2019b 以及EEGlab 13.0、Letswave 7.0工具箱实现图形可视化。

2 结果

2.1 sEMG信号时域分析

两种训练状态显示出相似的sEMG 波形，运动手sEMG 振幅在0 s附近突然升高，4 s左右恢复至0 μV；放松手sEMG振幅一直维持在2 μV左右。M+与M-之间运动手和放松手sEMG 振幅均无显著性差异(P＞0.05)。见表1、图4。

表1 不同训练状态下运动手和放松手的sEMG振幅比较单位：μV

图4 运动手和放松手肌电波形图

为进一步研究放在平面镜后面放松手的情况，对左右放松手与3 种训练状态进行双因素重复测量方差分析发现，放松手与训练状态之间的交互效应在sEMG 振幅上显著(P＜ 0.05)；当放松手为右手时，不同训练状态间有非常显著性差异(P＜ 0.01)。M+和M-时右手指伸肌sEMG 振幅均大于RE 时sEMG 振幅(P＜0.05)。见表2。

表2 不同训练状态下左右放松手的指伸肌sEMG振幅比较单位：μV

2.2 EEG信号时频分析

2.2.1 能量谱

单侧手指伸展运动对大脑皮质的影响呈现额顶区域分布，相较于β频段，α频段的ERD现象更加明显，即呈深蓝色。平面镜对大脑ERD 的影响具有全局性，M+时ERD现象比M-更显著。见图5。

图5 脑地形图

4 种范式在执行阶段均表现出明显的α ERD 和β ERD 现象，即蓝色部分，并且在对侧及同侧M1(C3/C4 位置)均有体现，其中在α 频段，4 种范式表现出相似的波形，即执行起始时刻(约0 s)以及休息阶段中手指放松至自然屈曲状态时刻(约4 s)出现ERS 现象。而β频段ERD的振幅相对较低。见图6和图7。

图7 C3和C4电极位置8～20 Hz频段EEG的时频变化

2.2.2 ERD/ERS量化

在α频段，训练状态在ERD/ERS上的主效应非常显著(P＜ 0.01)，MVF 的ERD/ERS 值高于VF。其他主效应和交互作用在ERD/ERS上均不显著(P＞ 0.05)。

在β频段，训练状态在ERD/ERS上的主效应非常显著(P＜ 0.01)，MVF 的ERD/ERS 值高于VF。运动手与训练状态在ERD/ERS 上的交互作用显著(P＜ 0.05)。训练状态主效应的贡献量略大于运动手与训练状态的交互作用的贡献量。对上述两因素交互作用进行简单效应分析，在VF 状态下，右手运动时ERD/ERS 值高于左手(F= 7.267,ηp2= 0.312,P= 0.016)；运动手为右手 时，MVF 的ERD/ERS 值大于VF (F= 17.530,ηp2=0.523,P= 0.001)。见表3。

表3 ERD/ERS量化值三因素重复测量方差分析统计表

早期研究表明MVF 对不同半球的活动具有不同的影响，因此本研究分别在C3、C4 电极位置进一步将上述交互作用显著的因素进行配对样本t检验，结果显示在C4 位置，在VF 下，右手运动时ERD/ERS值高于左手运动时(t= -3.201,P= 0.006,Cohen's d=0.776)；当右手运动时，MVF 时ERD/ERS 值高于VF(t= -4.060,P= 0.001,Cohen's d= 0.985)。

在α 频段，所有因素的主效应和交互作用在AI上均不显著(P＞ 0.05)。在β频段，仅训练状态在AI上主效 应 显 著(P＜ 0.05)，且MVF 下 的AI 高 于VF。见表4。

表4 AI双因素重复测量方差分析统计表

3 讨论

本研究涉及的手指伸展运动可以提高α 频段的能量活动，发生ERD 现象[25]。并且相较于VF，MVF 过程中双侧运动皮质α 频段ERD 现象更加明显，与Lee等[26]的研究一致，支持MVF 调控双侧运动皮质神经元活动，提高运动皮质兴奋性。

感觉运动区域的α 频段又称为μ 波，是一种反映大脑将知觉信息转化为运动的功能性“门控”机制，μ 波的激活和大脑运动皮质中与行为观察执行系统相关的信息加工模型密切相关，运动皮质的α 波ERD 现象即μ 波抑制是人类镜像神经元活动的重要标志[27-28]。当健康个体进行运动观察、执行或者想象时，运动皮质μ 波能量会发生衰减，产生μ 波抑制。推测α 频段观察到的双侧运动皮质ERD振幅对称性放大来自于镜像神经元的募集。MVF激活镜像神经元达到增强大脑皮质运动区神经支配的功能代偿作用，并且镜像神经元系统的参与是MVF 发挥作用的关键。平面镜作为一种增强视觉反馈的手段，其产生的幻像可激活额顶镜像神经元。镜像神经元系统调控观察-动作执行匹配机制，将负责视觉处理的感觉神经元和支配动作信号的运动神经元相连接，促进重建传入-输出反馈，从而提高相应的大脑运动皮质的兴奋性，尤其是控制平面镜后放松手的M1 区，并且这种效应不受优势手与非优势手训练的影响[29-30]。AI结果显示MVF引起双侧运动皮质μ 波发生对称性抑制，即镜像神经元的募集会同步发生在双侧半球。

β频段的振荡活动可精准表征大脑运动控制能力，右手与左手运动时β频段的ERD/ERS振幅差异一定程度上反映出大脑功能偏侧化的存在，且对于右利手而言，大脑左半球具有更高的运动专门化。本研究中，sEMG 振幅在非优势侧左手运动时，检测到微小但重要的对侧相关运动，进一步佐证了左手训练比右手训练需要募集更多的资源。人类大脑的结构和功能具有一定的可塑性，右利手者长期使用右手而使大脑发生功能重塑，当右手运动时仅需要较少的同侧半球激活便可顺利完成动作；这种功能偏侧化既可以提高信息传递效率，又能避免两侧半球间的竞争和冲突[31-32]。

本研究发现优势侧右手运动时，MVF显著提高同侧运动皮质β 频段ERD 振幅，AI 指标结果也显示MVF可减少半球间不对称程度，并且这种偏侧化的减少与同侧半球兴奋性增加有关。早期有研究证明，当优势侧右手运动时，左半球对右半球的抑制作用大于非优势侧左手运动时相反方向的抑制作用，即大脑半球动力学存在显著的手部效应[33]。一方面，本研究指令被试在右手MVF 状态下“误以为”对侧手在真实运动，运动皮质兴奋的同时受实际运动手以及镜中反射“运动”手的调节，该指令可减弱大脑半球间抑制作用；另一方面，平面镜作为增强动作观察的手段，增加被试对镜子中反射手的注意，这种额外接收的视觉信息可直接影响运动过程，易化运动手对侧运动皮质对同侧皮质的抑制作用。因此，推测MVF 可调控半球间抑制活动，并且在右手训练时显著。Lappchen等[15]利用经颅磁刺激观察到健康被试连续接受MVF 4 d 后，大脑同侧半球出现皮质内抑制减少现象。Kang 等[34]发现，脑卒中患者接受MVF 后同侧运动诱发电位振幅提高，对侧患肢主动运动阈值提高。本文证实了这一结论，并在此基础上进一步证明MVF 过程中运动手同侧运动皮质的活动增加与对侧半球对同侧半球以及同侧半球内的皮质抑制活动减少有关，优势手与非优势手训练效果的不同可能反映了大脑半球间抑制效应存在差异。

4 结论

MVF可能存在两种不同生理机制。第一种机制与镜像神经元的募集有关，即MVF 通过激活额顶MNS达到调控双侧M1 兴奋的目的，这种效应在优势手及非优势手训练时并无差异，并在α频段的分析中揭示。第二种机制与大脑半球间动力学平衡的改变有关，平面镜的存在减少对侧运动皮质对同侧运动皮质的半球间抑制，以及同侧运动皮质内抑制，活化大脑感觉神经环路，提高双侧M1 兴奋性，这种效应在优势侧训练时更为明显，并在β频段分析中得到揭示。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。