论文部分内容阅读
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）是最常见的神经系统退行性疾病,在世界范围内具有高发病率、高致死率的特点。由于缺乏有效的治疗手段,寻找客观的、准确的、无创的检测方法是提升AD早期筛查准确率、促进AD早期干预水平、延缓AD疾病进程的重要途径。现有的AD检测方法在敏感度、特异性、客观性、便捷性等方面仍有不足,不能满足AD患者早期筛查和长期检查的需要。因此,寻找新的AD检测评估技术意义重大。精确抓握是以手指指尖与物体交互为特征的运动行为,也是多种精细灵巧操作的重要基础。精确抓握通常包括伸手阶段和抓握阶段,其中伸手阶段需要对目标的空间位置有准确的感知、对手部的运动姿态及手与目标的相对位置关系有清晰的掌控;而抓握阶段需要协调各手指的力量达到握力与负载力的匹配,并能根据任务要求和物体的重量、质心等不同属性进行指力的灵活调控。精确抓握过程中,视觉、触觉和本体感觉等多模态感觉信息参与其中,并与中枢-外周神经肌肉系统控制机制相融合。这种感知运动融合机制不仅是精确抓握的重要生理机制,而且为检查评估神经系统的功能提供了重要的潜在途径。由于前期研究发现抓握功能的改变甚至早于认知功能障碍,因此,建立基于精确抓握的感知运动功能测试分析技术将有助于实现AD早期无创定量评估。基于上述思考,本文围绕面向AD早期的精确抓握感知运动功能障碍开展研究,设计精确抓握测试分析系统,探讨AD早期在不同视觉反馈下运动学和动力学特征,分析了脑电和肌电中大脑皮层的神经活动激活信息以及肌肉系统的运动控制机制,发现与AD密切相关的特征参数的改变,为建立面向AD早期筛查的无创、定量、准确的检测方法打下基础。本文的主要工作和结果如下:（1）物理环境中AD早期精确抓握运动学和动力学机制研究。本研究首先建立镜面测试系统,通过不同视觉反馈下伸手抓握的实验范式来研究AD早期精确抓握感知运动功能变化。本研究通过设置镜面系统来改变视觉反馈,要求17名早期AD患者组和健康组在不同视觉反馈下执行抓握任务。运动学结果显示:与健康组相比,AD患者组运动速度显著降低（p＜0.05）,抓握精确度也明显降低（p＜0.05）并增加了运动的变异性（p＜0.05）。同时,研究结果显示,由于视觉反馈条件的不同,被试的抓握运动特征也发生了改变,当运动手姿态不可见时,AD组和健康组的抓握速度明显降低（p＜0.05）且抓握运动变异性增加（p＜0.05）;与健康组相比,AD组无视觉反馈时抓握精确度大幅下降（p＜0.05）。动力学结果显示,与健康组相比,AD组预加载期时间延长（p＜0.05）,握力（Grip Force,GF）-负载力（Load Force,LF）的协调性下降（p＜0.05）,精确握力控制中的反馈控制比例增加（p＜0.05）。在无视觉反馈条件下,AD组预加载期明显高于健康组（p＜0.05）,其GF-LF协调性低于健康组（p＜0.05）。上述抓握参数与AD神经心理学测试评分中度或高度相关,揭示精确抓握运动学与动力学参数的变化与AD早期的神经系统退行性改变存在关联。（2）虚拟现实（Virtual Reality,VR）环境中精确抓握感知运动功能测试分析系统的开发。研究中选取健康被试执行精确握力任务,实验范式为低预测条件-在VR中不显示手和质心位置;中预测条件-在VR中仅显示手或质心位置;高预测条件-在VR中均显示手和质心位置。本实验招募了 12名健康的年轻受试者,要求执行4种不同视觉反馈信息组合下的握力任务。结果显示,低预测条件下,加载期显著增加（p＜0.05）,GF也过度增加（p＜0.05）;高预测条件下,加载期时间最短（p＜0.05）,有助于在正向握力计算模型中生成更准确的预测以实现对GF的精确控制。此外,手和质心的视觉反馈对GF有不同的影响（p＜0.05）。力矩分析显示健康受试者在不同预测条件下均能准确感知抓握物体的质心位置（p＞0.05）。肌肉协同作用分析表明,在不同预测条件下,神经肌肉控制策略的变化导致肌肉协调模式发生改变。（3）虚拟现实精确抓握感知运动控制的大脑皮层因果网络特性研究。本章主要从肌电信号小波包能量熵、多通道脑电能量空间分布及因果网络角度分析精确抓握控制机制。结果显示,健康成人肌肉激活程度受视觉反馈影响较小（p＞0.05）,并证明拇短展肌和第一骨间背侧肌在双指精确抓握任务中起到主要支配作用;脑区能量分析结果证明:脑电的β频段是精准抓握的特征频段,大脑皮层的中央区和额顶区是其特征脑区;脑电地形图进一步显示出,精确抓握过程中手和质心的视觉反馈对大脑激活区域的影响不同（p＜0.05）,揭示不同握力模式与皮层神经活动关联密切;多个脑区之间的因果连接强度分析表明:中央区的因果连接性最强;流出信息方向主要从中央区指向其他脑区;流增益活跃区域为中央区,颞区活跃度最低。综上,本研究面向AD早期检测设计开发了基于物理空间和虚拟空间的精确抓握感知运动功能测试分析系统,以伸手抓握为标准范式,研究了精确抓握的运动学和动力学特征参数,记录和分析了精确抓握过程中的脑电和肌电信号,从多个维度分析了精确抓握感知运动融合机制,并探讨了精确抓握特征参数与AD早期神经功能退化的关联性。本研究开发的系统为建立更加客观、准确的AD早期无创检测方法奠定了基础。