脊髓损伤后踝关节肌肉神经肌肉适应机制的高密度肌电研究

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Neuromuscular adaptations in soleus and tibialis anterior muscles in persons with spinal cord injury

本研究针对脊髓损伤(SCI)后踝关节屈伸肌神经控制机制不清的问题，通过高密度肌电(HD-EMG)技术分析比目鱼肌(SOL)和胫骨前肌(TA)在次最大等长收缩时的运动单位(MU)特性。结果发现SCI组需要更高标准化肌电振幅(NRMSEMG)达到相同扭矩，且MU募集阈值降低、放电率改变，提示神经控制策略向大运动单位偏移。该研究为SCI后运动功能评估提供了新的神经生理学标志。

　　

当脊髓遭受损伤时，大脑与肌肉之间的通讯线路会被部分切断，导致运动控制能力出现显著变化。这种被称为脊髓损伤(Spinal Cord Injury, SCI)的神经系统疾病，尤其会对下肢关键肌肉造成严重影响。踝关节的背屈肌（如胫骨前肌）和跖屈肌（如比目鱼肌）是维持行走、平衡等日常活动的重要肌肉，但科学界对SCI后这些肌肉内部发生的神经生理学改变仍知之甚少。理解这些持久的适应性变化，对于开发更有效的康复策略至关重要。

传统上，肌电图(Electromyography, EMG)是观察肌肉活动和控制的重要窗口。然而，表面肌电信号是许多运动单元(Motor Unit, MU)电活动的总和，难以直接揭示单个运动神经元的控制策略。近年来，高密度肌电(High-Density EMG, HD-EMG)技术结合信号分解算法的发展，使得研究人员能够无创地“窥视”到单个运动单位的放电活动，为在体研究神经控制机制提供了前所未有的机会。

在此背景下，由Asta Kizyte领衔的研究团队在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》上发表了一项研究，旨在深入探索不完全性脊髓损伤患者踝关节主要肌肉的神经肌肉适应机制。他们采用了一种综合性的实验方法，整合了力学测量与高密度肌电技术，对SCI患者和健康对照组在次最大等长收缩过程中的肌肉和运动单位水平特征进行了系统比较。

关键技术方法概述

本研究招募了20名慢性不完全性SCI患者和17名健康对照者。参与者以坐姿进行踝关节背屈和跖屈的等长收缩，目标扭矩分别为其最大自主收缩(Maximum Voluntary Contraction, MVC)的20%和50%。研究使用测力计记录扭矩，同时在胫骨前肌和比目鱼肌上放置高密度肌电电极网格记录肌肉电活动。采集的HD-EMG信号经过滤波后，使用卷积盲源分离方法进行分解，以提取单个运动单位的放电序列。随后分析了包括肌电振幅、运动单位放电率、募集阈值、动作电位幅度以及运动单位同步性（通过相干性和共同输入强度衡量）等多个参数。

研究结果

扭矩变异性无组间差异

分析扭矩在平台期的变异系数(CoV_TRQ)发现，SCI组与对照组在20%和50% MVC水平下，无论是背屈还是跖屈，均无统计学显著差异。然而，SCI组个体的CoV_TRQ变异性更大，表明部分SCI受试者在维持恒定扭矩方面存在困难。

肌电振幅显著升高

一个关键的发现是，为了达到相同的相对扭矩水平（如20% MVC），SCI组需要显著更高的标准化肌电振幅(NRMS_EMG)。在比目鱼肌，SCI组在20%和50% MVC时的NRMS_EMG分别比对照组高55%和51%。胫骨前肌也观察到类似趋势（20% MVC时高47%）。这表明SCI患者需要动员更大比例的肌肉电活动来产生相同的力。

共收缩指数无显著变化

肌肉共收缩指数(Co-contraction Index, CCI)用于量化拮抗肌对（胫骨前肌和比目鱼肌）的同时激活程度。分析结果显示，两组之间的CCI没有显著差异，尽管SCI组个体间的CCI变异较大。

运动单位放电变异性相似

运动单位放电的变异性通过放电间隔(Inter-Spike Interval, ISI)的变异系数(CoV_ISI)来评估。结果显示，在扭矩平台期，两组在胫骨前肌和比目鱼肌的CoV_ISI均无显著差异，表明SCI并未显著增加运动单位放电的时间不稳定性。

运动单位放电率降低

运动单位放电率（单位时间内的放电次数）分析揭示了肌肉特异性的适应。在胫骨前肌，SCI组在所有运动阶段（募集、平台期、去募集）的放电率均显著低于对照组。而在比目鱼肌，仅在募集阶段观察到SCI组的放电率显著降低。

运动单位募集阈值改变

运动单位募集阈值（运动单位开始连续放电时的扭矩水平）在两组间存在显著差异。在50% MVC水平下，SCI组胫骨前肌和比目鱼肌运动单位的募集阈值均显著低于对照组。去募集阈值（运动单位停止放电时的扭矩水平）仅在比目鱼肌50% MVC时发现SCI组显著低于对照组。这表明SCI后，运动单位在更低的扭矩水平下就被激活（或失活），改变了力的调节策略。

运动单位动作电位幅度趋势性变化

运动单位动作电位(Motor Unit Action Potential, MUAP)的幅度反映了运动单位的相对大小。虽然组间差异未达到统计学显著性，但观察到一定的趋势：SCI组胫骨前肌的MUAP幅度有高于对照组的趋势，而比目鱼肌则呈现相反趋势。这提示不同肌肉可能经历了不同的适应性重塑。

运动单位同步性无显著差异

研究人员通过计算累积峰电位序列(Cumulative Spike Train, CST)在不同频率波段（δ, α, β, γ）的相干性以及时域的同步化指数（共同输入强度, Common Input Strength, CIS）来评估运动单位的同步性。结果显示，在胫骨前肌和比目鱼肌，两组间的相干性积分和CIS指数均无显著差异。这表明SCI后，肌肉内部运动单位之间的共同神经驱动模式可能没有发生根本性改变。

研究结论与意义

这项研究通过多层次的分析揭示，即使在功能保留较好的不完全性脊髓损伤患者中，其踝关节肌肉也存在着显著的神经肌肉适应。最核心的发现是，SCI患者需要更高的神经驱动（表现为更高的标准化肌电振幅）来产生相同的力，但这种高驱动并非通过提高运动单位放电率或增强同步性实现，相反，胫骨前肌的放电率反而降低了。同时，运动单位在更低的扭矩水平下就被募集。

这些观察结果的组合强烈提示，脊髓损伤后，踝关节屈伸肌的神经控制策略可能发生了转变，即趋向于募集更大的运动单位来补偿运动神经元池的功能损失。这种“转向更大运动单位”的适应策略，可能是神经系统在部分神经通路中断后，为维持基本运动功能所采取的一种代偿机制。

该研究的价值在于，它首次综合运用高密度肌电分解技术，在不完全性脊髓损伤患者的踝关节关键肌肉上，同时从肌肉整体活动（肌电振幅）和运动单位微观行为（放电率、募集阈值等）两个层面，系统地描绘了神经肌肉适应的特征。这些发现不仅增进了对脊髓损伤后生理变化的理解，更重要的是，所识别出的神经电生理标志物（如特定的肌电和运动单位参数）有潜力作为临床评估的补充工具，用于更精细地量化损伤程度、监测恢复进程以及评估康复干预的效果。未来，结合更长时间的纵向研究以及其他神经生理学技术（如神经刺激），将有助于进一步阐明这些适应性的动态变化及其对运动功能恢复的具体影响。