皮层肌肉相干性之Corticomuscular Coherence and Its Applications: A Review

Corticomuscular Coherence and Its Applications: A Review

摘要

皮层-肌肉相干性（CMC）是一种指示大脑运动皮层与相关肌肉之间相干性的指标，通常用于表示功能连接。作为皮层与肌肉之间功能连接的指标，CMC研究是近年来神经生理学的焦点。尽管CMC在健康受试者和运动障碍中得到了广泛研究，但其应用目的仍不明确，且CMC的幅度在个体之间存在变异。本文旨在调查调节CMC振幅变化的因素，并比较这些因素之间的显著CMC，以找到一个发展良好的研究前景。在本综述中，我们讨论了CMC的机制，并提出了一个通用的CMC定义。影响CMC的因素包括实验设计、频带频率和力量水平、年龄相关性以及健康对照组和患者之间的差异。此外，我们还详细概述了目前CMC在各种运动障碍中的应用。进一步认识影响CMC振幅的因素可以阐明生理机制，并有助于CMC临床方法的实施。

一、皮层肌肉相干性的定义和公式

CMC的定义：皮层-肌肉相干性（CMC）是一种衡量大脑运动皮层与相关肌肉之间相干性的指标。其中相干性的计算通常是基于频谱分析通过交叉谱进行归一化得到，公式如下所示：

其中，$P_{s1,s2}(f)$是信号的交叉谱密度，$P_{S1}(f)$和$P_{S2}(f)$分别是信号S1和S2的功率谱密度。相干性的值经过归一化，满足0到1的范围，其中1表示两个信号完全相干，0表示不相干。

皮层-肌肉相干性是一种用于了解皮层活动如何控制肌肉运动并检测大脑运动皮层与相关肌肉之间功能耦合的方法。上传和下行的皮层-肌肉通路是两个不同的方向，两者都能产生相干性，但下行通路比上传通路更清晰和确定。因此，CMC的通用定义指示了下行通路下的皮层-肌肉相干性。

随着信号采集技术的多样化，皮层-肌肉相干性显示出广泛的研究空间，可以分析来自不同方法的不同类型的信号。根据最近的研究，收集大脑活动信号最常见的技术是头皮脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）和皮层脑电图（ECoG），而肌肉活动信号则包括表面肌电图（sEMG）和超声波。在皮层-肌肉相干性的研究中，EEG-EMG、MEG-EMG和ECoG-EMG是最常用的三种方法，用于分析大脑皮层和肌肉活动之间的功能耦合，并使用这三组信号来计算相干性参数。

除了传统的相干分析，傅里叶相干和小波相干也在一些研究中得到报道。对比傅里叶相干性和小波相干性，这两种方法都可以研究sEMG和EEG这样的非平稳信号，然而，小波分析的窗口大小是变化的，并且更适应振荡信号的频率。因此，小波相干性具有比傅里叶相干性更准确的结果。另外，小波相干性可以显示整个任务时间序列中的CMC幅度，可以观察到特定运动下的强相干性，因此更容易发现影响CMC的因素。

二、CMC影响因素

图2显示了与CMC相关的主要大脑区域。运动皮层是负责计划、控制和执行自主运动的区域，感觉皮层从脚趾到口腔的触觉表示。小脑主要负责运动控制，这三个区域与皮质肌肉相干性（CMC）更相关。

然而，一些研究表明，CMC的幅度不仅与大脑皮层的相应区域相关，而且还直接与CMC频带相关。此外，健康受试者的CMC值通常高于运动障碍者。中风患者在运动过程中，无论是在beta波段（20-30Hz）还是低gamma波段（30-40Hz），皮质肌肉相干性明显低于健康对照组。研究还指出，中风患者在峰值CMC的皮层位置上显示出比健康对照组更广泛的分布范围，这与感觉运动功能的可塑性重组保持一致。值得关注的是，随着运动障碍患者的康复治疗，CMC值将逐渐增加。

尽管影响CMC幅度结果的因素尚未具体统计，但对目前关于CMC的分类和比较研究的进行可以更具体地了解CMC机制。影响皮质肌肉协调的因素可以总结如下：实验设计、频带频率和力量水平、年龄相关性以及健康对照组和患者之间的差异。

三、实验范式设计

CMC的幅值与实验范式设计紧密相关，不同的实验范式可能导致不同的CMC幅度。

表1显示了不同的CMC实验设计。力量通常是CMC实验中最重要的指标之一，与实验设计中的肌肉收缩形式相关，例如等长收缩、等速收缩、等张收缩等。

肌肉疲劳是CMC实验中不可避免的问题，因此实验的时间设计是一个重要的部分，包括连续力量的持续时间、休息时间等。

肌电图（EMG）电极对肌肉位置的定位是导致CMC幅度变化的潜在原因。根据之前的研究，通常情况下，肌肉信号的采集来自四肢和手部。

未来关于CMC实验设计的研究应该转向等速收缩和等张收缩，因为等速运动排除了个体在动态肌肉收缩过程中肌肉力量不同的因素，这比等长收缩更为优越。时间设计需要充分考虑不同受试者的肌肉疲劳特点，并进行更合理的分配。同时，人体躯干肌肉活动的变化也是未来CMC研究的方向之一。

四、频带和力量等级

在目前的CMC研究中，通常会研究不同的力量水平和频带频率。特定频率下的皮质肌肉相干性是功率谱密度（PSD）和交叉谱密度（CSD）的函数，这表明频带影响CMC幅度。表2列出了一些涉及力量和频带的研究，肌肉力量水平和运动类型可以影响CMC幅度。另外，在健康个体中，CMC水平随着肌电信号强度的增强而增加，这表明肌肉输出取决于CMC强度。

比较不同力量输入水平的个体之间的CMC可以对机制提供更深入的理解。总结起来，无论是健康受试者还是患者，力量水平的分类都是影响CMC幅度的关键因素之一。

五、年龄关联

作为影响运动中皮质肌肉通讯的因素之一，年龄不容忽视。有证据显示，在所有年龄组中都存在CMC，并且与年轻成年人相比，儿童和老年人具有更大、更分散的皮质网络。研究婴儿到老年人的不同年龄组之间的CMC，显示儿童在运动发育过程中与成年人相比具有显著的CMC差异。在增加力量输出的功能连接中，CMC的变化有助于解释老年受试者的肌肉无力。

六、健康对照组和患者

为了研究皮质肌肉耦合对运动损伤的影响以及CMC在临床实践中的可能性，一些研究对比了健康受试者和运动障碍患者（如中风、帕金森病）之间的CMC。表3显示了健康对照组和患者之间的CMC比较结果。在显著区域方面，对比健康对照组和患者的CMC强度评估提供了证据，表明皮质肌肉耦合可以应用于运动障碍的康复评估。通常情况下，患者受影响侧的CMC幅度低于健康受试者。例如，在轻度自主肌肉收缩期间，与健康受试者相比，肌萎缩性脊髓侧索硬化症患者的β频段CMC显著降低。类似地，在运动期间，中风患者的前三角肌和肱二头肌的β频段（20-30 Hz）和较低的γ频段（30-40 Hz）CMC显著低于健康参与者。还有研究指出，中风患者的皮质指令与相应肌肉活动之间的功能耦合比健康受试者要弱。Riquelme等研究了脑瘫（CP）患者和健康受试者在等张性收缩的计划和执行过程中的CMC。结果显示，与健康组相比，CP患者组的肌电开始潜伏期和持续时间更长，而EEG的β频段CMC整体上在CP组中大于健康对照组。γ频段的CMC在CP组中较低，并且在运动启动时CP组的脑功能发生了改变，仅在肌肉收缩开始时出现。CMC通常在恢复运动功能的患者中得到恢复。一项研究报告称，急性中风导致的运动缺陷伴随着CMC的单侧降低，但随着有利的功能恢复，CMC幅度得到了正常化。研究还表明，CMC强度随着瘫痪肢体运动功能恢复而增加。这也意味着，通过量化运动皮质和受控肌肉活动之间的相互作用，CMC的测量可以反映中风后运动功能的恢复。

通过比较健康对照组和患者之间的CMC，我们可以发现CMC的潜在临床应用，而最直接的应用是运动康复。然而，目前大多数比较研究无法给出CMC的定量指标。只是简单比较了健康对照组和患者之间的CMC值。如果将CMC在临床上应用于将来，必须对不同运动障碍患者的受影响CMC进行更详细的分类讨论，并研究将CMC作为特征值以实现统一的临床测量标准。

七、皮层肌肉相干性应用

正如在影响CMC的因素部分所提到的，尽管目前大多数CMC研究仍局限于实验室，但CMC的应用和发展趋势应该是运动障碍患者的临床康复。最新的CMC研究关注于中风、帕金森病、震颤等患者类型。

1、脑中风

对于不同阶段的中风患者来说，肌肉收缩的表现可以作为中风康复水平的指标。因此，在中风患者中进行CMC实验非常常见。通常，中风患者的肌肉萎缩会导致CMC的降低。一些研究还证实，中风患者的前三角肌和肱二头肌的CMC明显低于健康受试者。类似的恢复性CMC结果也在康复良好的患者中使用经颅磁刺激（TMS）和脑磁图（MEG）研究中报道过。

除了在中风康复期间作为康复指标的评估之外，CMC还被应用于区分不同类型的中风患者。研究通过对慢性和急性中风的恢复进程进行跟踪调查，结果显示急性中风时，未受影响侧的CMC幅度增加，受影响侧的CMC频率降低，然而，慢性中风的CMC参数之间没有半球间差异。中风急性和慢性阶段皮层皮层与肌肉之间的动态变化可能成为CMC的临床应用的特征参数。

2、帕金森病

帕金森病（PD）与病理性改变的振荡活动有关。CMC作为主运动皮层（M1）和外周肌肉之间功能耦合的神经生理指标被应用作为早期PD症状变异的指标。

3、震颤及其它疾病

除了中风和帕金森病，CMC可能被视为评估其他一些运动障碍的指标。震颤是最常见的运动障碍之一。为了确认运动皮层在本体性震颤中的参与以及影响CMC强度的因素，Sharifi等人收集了18名本体性震颤患者的数据，结果显示本体性震颤的CMC是不规则的，并受到不同功能任务的影响。这个结果可能有助于标准化震颤分类和临床研究中的分析解释。Proudfoot等人旨在测量由于阿尔茨海默病（ALS）导致的CMC的病理性改变。在轻度自主肌肉收缩期间，ALS患者的β频段CMC显著降低，并且运动节奏在皮质皮层之间的传播也受到损害。VelázquezPérez等人旨在使用CMC评估脊髓小脑性共济失调2型（SCA2）中的皮质脊髓束功能障碍。SCA2患者CMC的显著降低表明了皮质脊髓束功能障碍的证据。异常的CMC可以作为评估运动障碍的一种指标，为相关疾病的诊断和治疗提供帮助。

总结

皮层肌肉相干性（CMC）是评估运动皮层与肌肉之间相干能力的一种方法。为了更全面地了解CMC的机制，相关因素的比较显示，在相对较高的力量水平和β频带下，峰值CMC幅度有很大的可能性出现。随着年龄的增长，CMC在不同程度上减少，这也符合肌肉衰老的自然趋势。在大多数情况下，健康受试者的CMC幅度高于患者。然而，随着患者运动功能的恢复，CMC水平通常会恢复到正常状态。目前，CMC在患者中的应用仅被视为一种病理指标，并没有明确定义为临床可靠的参数。需要进一步的研究来更全面地了解如何增强CMC。考虑到使用不同形式的肌肉收缩以实现更好的结果，需要科学合理地设计范式来实现目标。同时，需要对受影响侧的CMC进行准确分类，以使CMC成为临床应用中的指标。

参考文献

[1] Liu J, Sheng Y, Liu H. Corticomuscular coherence and its applications: a review[J]. Frontiers in human neuroscience, 2019, 13: 100.