预期性姿势调节的神经调控网络研究进展

陈意，谢运娟，高强，2

1.四川大学华西临床医学院，四川成都市 610041；2.四川大学华西医院康复医学中心，四川成都市610041

运动的实施有赖于姿势控制的建立以及维持身体各节段适应不同环境的姿势方向，以确保动态稳定性[1]。在突发内部和外部姿势干扰时，中枢神经系统(central nervous system，CNS)对身体姿势肌肉的快速反应可分为预期性姿势调节(anticipatory postural adjustments，APAs)和补偿性姿势调节(compensatory postural adjustments，CPAs)两种机制，以维持身体质心稳定和保持特定的身体姿势[2-3]。

APAs 在可预期的姿势干扰之前产生，其机制为：CNS 依据来自视觉、听觉、本体感觉和运动意图等感知和认知神经信息，发出神经冲动，预先激活相关肌肉活动，以实现对肌肉活动优化控制[4-7]。APAs 的产生离不开CNS 调节，其执行依赖于复杂的分布式神经网络系统，涉及多个神经结构[8]。

1 APAs相关的脑结构

1.1 大脑皮质

1.1.1 前运动皮质

前运动皮质位于大脑额上回Brodmann 6 区[9]，内侧为辅助运动区，外侧为运动前区[10-11]。根据解剖和功能差异，辅助运动区又分为喙部和尾部[12]；运动前区又分为腹外侧喙部、腹外侧尾部、背外侧喙部和背外侧尾部[13]。喙部区与前额叶相连，具有感觉运动的综合功能[14]；尾部区的神经纤维直接投射至初级运动区(primary motor area，M1)和脊髓，主要产生运动功能[15]。

前运动皮质是运动行为预测的重要神经结构，参与APAs神经调控，在运动计划和运动准备中起至关重要的作用[16-17]。Li等[18]对运动产生前小鼠的运动皮质环路进行研究，发现两侧前运动皮质包含同比例的混合神经元，通过胼胝体轴突耦合，在运动产生前几秒呈现持续的准备活动，对特定的运动方向进行预测。人类前运动皮质在运动触发前也出现双侧对称预期电位[19-20]。Chang等[21]发现，前运动皮质损伤患者双下肢胫骨前肌收缩潜伏期延长，提示前运动皮质损伤会导致步行起始阶段APAs异常。因此，目前认为前运动皮质是介导APAs的主要神经结构之一。

前运动皮质内侧的辅助运动区更多涉及内部自发运动的APAs 产生，在APAs 调控方面起关键作用[22]。辅助运动区喙部优先参与更高层次的运动计划过程，辅助运动区尾部则严格执行运动实施。Richard等[23]采用重复经颅磁刺激抑制健康人辅助运动区，观察步态起始表现，发现辅助运动区参与编码步态启动准备阶段(即APAs)肌肉激活的时序。不少研究显示[24-28]，帕金森患者辅助运动区活性降低会导致APAs 异常，从而产生步行启动困难。

1.1.2 M1

M1 位于大脑中央沟正前方、中央前回的Brodmann 4 区，其独特特征是该区存在强大的皮质脊髓神经元[29]。Massion等[30]发现，M1损伤患者在非负重条件下，在双手抬举任务中，损伤对侧手臂APAs受损。M1投射的皮质运动纤维在运动触发前的反应期被激活，局部内在联络神经元介导产生I 波，节段性运动神经元产生运动诱发电位，由此参与APAs 调控；已产生的APAs 程序经皮质运动通路传导至目标肌群，进行姿势调节[31]。

1.2 基底节

基底节是位于脑半球深部的核团，包括尾状核、壳核、苍白球、杏仁核等，其相关核团分别散布于间脑、中脑和脑桥。基底神经节和相关核团组成皮质下细胞群，主要参与运动控制、运动学习、运动执行以及行为和情绪管理[32]。1962 年，Martin 等[33]发现帕金森病患者存在姿势反应和协调性缺损，提出基底节参与姿势控制。随后的研究均发现帕金森病患者站立位下存在APAs异常[34-35]。此外，亨廷顿病患者也存在迈步起始阶段APAs 受损[36]。Bolzoni 等[37]发现，食指快速弯曲时，稳定手臂的肢体内APAs(如肱三头肌活化、肱二头肌和三角肌前束抑制)在帕金森病患者中表现异常，显示基底节可能参与肢体内APAs调控。

1.3 脑干

脑干上端与大脑相接，下端与脊髓相连，自上而下分为中脑、脑桥和延髓三部分。脚桥核位于脑桥基底部，直接与皮质运动区相连[38]。在帕金森病患者中，脚桥核直接参与调节APAs；脚桥核与辅助运动区之间的联系异常，与患者迈步困难有关；脚桥核与辅助运动区的相互作用，与迈步起始阶段APAs 时程延长有关。因此，脚桥核与辅助运动区共同协同调节APAs时序[39]。

脑桥延髓网状结构神经元轴突呈弥散性投射，许多网状神经元直接联系脊髓的颈段和腰段[40]。Schepens 等[41]发现，脑桥延髓网状结构发出的独立会聚信号有助于猫在触地过程中姿势和运动控制。脑桥延髓网状结构也参与人体APAs 的整合并投射到脊髓，进行姿势调节。Delval 等[42]观察不同强度听觉刺激对步态起始过程中APAs 产生的影响，证实脑桥延髓网状结构参与调控APAs。听觉刺激可以触发准备好的运动程序，即感觉输入可以使脑桥延髓网状结构或M1 激发已储存的运动程序的执行。网状结构也参与惊吓反射时APAs的形成[42]。

1.4 小脑

小脑位于颅后窝，由外层的灰质(皮质)、内层的白质(传入和传出神经纤维)和三对深部核团(顶核、中间核和齿状核)组成，分为新小脑、旧小脑和古小脑三部分，能调节肌张力，维持身体平衡，协调随意运动[43]。小脑神经元在β 频率带上与丘脑和皮质运动区的神经元同步振荡，参与APAs 并维持运动控制相关过程[44-45]。APAs 在小脑损伤患者中仍然存在，但APAs与运动启动不同步[46]。使用重复经颅磁刺激抑制健康受试者小脑后叶，可改变下肢肌肉的激活模式，增强下肢肌肉内的共同活化，提示小脑可能与APAs 产生过程中肌肉内和肌肉间的协调耦合有关。

2 APAs相关的神经环路

Massion[47]将APAs 产生的神经环路划分为两种模式。①分层模式：控制运动表现的通路发出侧支控制APAs的姿势网络，此时姿势调节和运动表现的时序是锁定的，此模式发生在腿部肌肉承重时的姿势调整和双手负重任务中的姿势和运动协调。②平行模式：姿势调整和运动表现分别由两条独立、平行的通路控制，如自发性迈步起始阶段的APAs 通过此模式进行姿势调整。

2.1 分层模式

分层模式下，基底节和新小脑涉及运动计划的编码，运动皮质和周围神经负责运动的执行。支配运动表现的神经环路为肢体对侧M1 区发放神经冲动，通过皮质脊髓束支配相应肌群产生运动；支配姿势调节的神经环路为姿势调整侧的对侧基底节作用于相应的皮质靶点辅助运动区，辅助运动区发出冲动，使运动表现环路发出侧支进行姿势控制。在此过程中，小脑负责神经环路和姿势调整环路支配的肌群的协调控制。具体的神经调控网络仍需后续研究完善。

2.2 平行模式

平行模式下，辅助运动区和基底节的神经通路产生APAs，目标侧(如自发性迈步起始阶段下肢的摆动侧)的运动由前运动皮质背外侧和M1 神经通路产生。两条平行的神经通路在脑干的姿势和运动中心进行整合，脑桥延髓网状结构中APAs 和运动的脊髓投射神经元群相互独立[48]。

观察健康受试者脑磁图发现，在双手负重上举任务中，姿势臂对侧基底节、丘脑和辅助运动区均产生β 频率(13～30 Hz)的事件相关去同步化(event-related desynchronization，ERD)震荡[49]；且β-ERD 出现在运动产生前800 ms，与APAs 有关。此外，小脑神经元也存在β 频率震荡，且与丘脑和皮质的神经元同步，共同维持姿势控制[50]。进一步观察大脑β-ERD 证实基底节-丘脑-皮质运动环路介导APAs 产生。在此环路中，基底节的壳核接受来自运动和躯体感觉皮质广泛的传入纤维，并通过苍白球与丘脑相连；丘脑投射纤维到大脑运动区(辅助运动区等)，调节相应肌群进行姿势控制[51]。与Massion 提出的神经环路模式一致。双手负重上举任务APAs产生过程中，M1区还存在μ节律(8～13 Hz)去同步化现象[52]，但μ节律在APAs相关神经环路中的具体作用尚无报道。

3 小结

APAs 的调控是一个复杂的神经调控网络。基底节和前运动皮质参与APAs 相关运动计划的编码；作为基底节皮质靶点之一的辅助运动区和脑干的脚桥核共同调节APAs时序；M1主要在APAs启动过程中投射皮质运动纤维至目标肌群进行调节；脑桥延髓网状结构进行纤维整合，并通过网状神经元投射到脊髓，调节目标肌群；小脑主要与APAs 产生过程中肌肉群的协调耦合相关。但目前的研究尚未完全明确以上脑区在APAs 产生过程中的具体联系，仅有简单的模式解释APAs 产生的神经调控网络。

许多研究表明，老年人、脑卒中偏瘫患者、帕金森病患者、腰痛患者均存在姿势控制APAs 异常[53-55]。明确与APAs 相关的大脑结构和神经网络，了解其发生和调控机制，有助于深入理解运动和运动控制原理，探讨新的康复治疗措施。需要进一步深入开展更多高质量的研究，探索APAs 相关神经网络机制。