运动表象训练时不同大脑活动强度对老年人肌肉力量的影响

张君梅，岳光辉，姚家新

人体的任何活动离不开肌肉的收缩力量，它维持着人体的基础生活能力，丧失肌肉活动力量的人，生活将无法自理。当人体从事体育运动时，则需要特殊的肌肉力量能力，这些特殊的肌肉能力通常是通过运动训练获得的，它是掌握运动技能、技巧，提高运动成绩最重要的基础。运动训练实践中，已有多种发展肌肉力量的方法，或是作用于整个肌肉系统，或是有选择性地作用于某些肌肉群，这些具体的练习形式是形成现代力量训练方法的基础。

已有研究明确表明：运动表象训练可提高运动技能[1-4]，甚至可以提高运动技能的基本成分，如肌肉力量[5-6]。在运动表象训练对肌肉力量的作用研究领域里，YUE和COLE（1992）首先提出，运动表象训练后相应肌肉力量的增加可能是由于肌肉最大自主收缩（MVC）的中枢编码的改变引起的。运动表象组的小指最大自主收缩力量可以增加22%，同样的，在身体训练组可以增加29.7%，而对照组只增加3.7%。研究者假设运动表象训练后的神经改变发生在运动准备的编码阶段，最有可能涉及非首要大脑皮层运动区域。反过来，控制大脑运动皮层的重组通过脊髓环路增强编码[5]。

运动表象训练对于近端和远端肌肉力量可能有积极作用[5-10]。这些研究较一致的结论是，导致肌肉力量增加的神经适应性改变先于肌肉肥大，激发运动单位到一个较高的活动水平并（或者）募集没有激活的运动单位。MULDER等人的一项研究表明：成年人通过运动表象训练能够提高大脚趾的被动运动能力，运动表象训练对于活动范围的增加幅度几乎与身体训练一致，而对照组几乎没有变化[11]。由FOLLAND和WILLIAMS所做的一项研究表明：主要大肌肉群可以在没有身体训练的情况下获得大幅度的力量提高，而且这一结果独立于肌肉的适应性肥大[12]。由于运动表象训练在肌肉制动之后可以减少肌肉力量的丢失[13]，因此有人提出即使在没有有效肌肉活动的情况下表象训练也可以导致生理改变[14]，当然这一研究结果还需要更进一步的证实。一项旨在调查运动表象对肘屈肌肌肉力量的研究发现，在训练结束以后，表象训练组和控制组的力量改变没有显著性差异[15]，这可能是由于肌肉相对较小的皮层代表区和运动神经元突触皮质投影所导致。另外，肘屈肌肉在日常活动中经常被认为是“高度训练的”，因此神经适应性导致力量增加的空间很小。最后，在研究中使用表象训练的角度未作明确交待。

总之，尽管已有少量研究关注运动表象训练对于肌肉力量的作用，但这个领域还有很多问题未达成共识，如怎样将运动表象训练的效果最大化、运动表象训练时的大脑活动情况等。同时以上研究皆是以年轻成人为研究对象，在实际生活中，体弱的病人和老年人由于身体条件的限制，更需要采取无身体活动强度或身体活动强度小的训练方法来增强肌肉力量。因此，本研究在以往研究的基础上，分析运动表象训练结合低强度身体训练对于老年人肌肉力量的作用，并试图探讨运动表象训练对老年人肌肉力量作用的心理机制。

研究假设老年人肌肉力量的增加主要取决于运动表象训练过程中大脑活动的强度，而不是训练的抗阻强度。同时需要指出，在进行运动表象训练时加入低强度肌肉训练的原因如下：（1）在没有完全关闭目标肌肉的情况下更容易进行运动表象训练；（2）老年人有效进行单纯运动表象训练的能力下降[16-17]；（3）从康复的角度，运动表象训练结合力量训练，尽管强度较低，将比单纯进行运动表象训练更有益于神经肌肉系统[18-19]。

1 研究对象与方法

1.1 研究参与者

26名健康老年志愿者（年龄：74±8.3，7名女性）被随机分为以下3组：（1）高大脑活动强度组（HME）进行低强度（30%Maximal Voluntary Contraction，MVC）身体训练同时，表象他们在用最大的前臂肌力推动力学传感器（n=10）；（2）低大脑活动强度组（LME）进行低强度身体训练同时，表象他们在用最大的前臂肌力推动力学传感器，与此同时观看他们感兴趣的娱乐节目（n=9），由于他们没有专注于正在进行的收缩活动，所以可以认为他们在收缩活动时的大脑活动强度较低[20]，这一点也得到预实验的证实；（3）对照组（CTL）不参与任何训练，但是参加所有的测试（n=7）。整个训练持续12周（5天/周）。该项研究获得克利夫兰医学中心基金会学术委员会的批准，并且所有研究参与者在参与研究之前都在知情同意书上签字。

1.2 运动表象训练

整个研究中运动表象训练持续12周，每周训练5天，共5个训练单元。在每天的训练单元中，研究人员指导研究参与者进行低强度身体训练同时，表象他们在用最大前臂肌力推动力学传感器持续5 s，然后休息5 s，继续训练，一共50次，在训练25次之后休息2 min。在每次训练时，研究人员指导研究参与者表象他们在用最大前臂肌力推动力学传感器或者一个重物，该传感器也用于训练前肌肉力量的前测。需要强调的是，表象肌肉收缩不是简单的视觉化自己在进行该项运动操作，而且是一种强烈的大脑活动感觉，如同他们在进行最大自主收缩时感觉到的。在这个训练过程中，2组运动表象组的研究参与者视觉化到臂腕在力传感器下面，而心理上非常努力地屈曲肘关节来推动力学传感器。需要指出的是，高大脑活动组（HME组）和低大脑活动组（LME组）研究参与者的唯一区别在于，后者进行运动表象训练的同时观看感兴趣的娱乐节目，由于没有专注于正在进行的表象活动，故认为他们的大脑活动强度较低。

在每个训练单元之前将以下训练指导语念给研究参与者：

（1）请进行深呼吸并尽可能保持放松；（2）请将注意力放在您的右臂上，并想象您正在进行右肘关节屈曲，想象自己的上臂肌肉正在进行最大力量的自主收缩；（3）感觉您右上臂的肌肉开始收缩并将你的前臂拉向肩膀方向；（4）感觉到您右上臂的肌肉越来越用力；（5）感觉到您右上臂的肌肉正在用力挣脱固定带；（6）现在，请您开始放松，直到感觉您的肌肉和大脑回到试验前状态。

在所有的训练单元中，都对肱肌（BR）、肱二头肌（BB）和肱三头肌（TB）的表面肌电进行监测。表面肌电图的信号通过对每个表象收缩5 s时的第3 s的信号进行修正和平均来量化，进而获得每个训练单元所有测试的平均值，然后最终得到整个训练周期的平均值。在运动表象训练中，肌肉激活度接近零（HME组训练前的MVC为1.5%±0.7%，LME组训练前的MVC为1.3%±0.8%）。CTL组的参与者不进行任何训练活动但是参与所有测试。

1.3 肌肉力量测试

研究参与者端坐在实验椅上，右手手腕置于固定带中，使前臂悬空，保持上臂与前臂的夹角呈100°，通过一个力学传感器测定研究参与者肘关节屈曲的力量，研究参与者肘部支撑位与髂前上棘同高，肩膀和躯干用安全带固定（见图1）。在每个实验单元的表象训练之后，测定3次右肘关节屈曲的上臂肌群MVC值，取3级测量结果的最高值进行数据分析。每次实验通过口头鼓励使研究参与者发挥最大力量,在训练前和每隔一周以及12周的训练后分别进行肌肉力量的测量，每次肌肉力量的测量条件（手臂和身体的位置和肘关节的角度）都经过研究人员的仔细比对，尽量保持相同。

1.4 肌电图（EMG）测试

在研究参与者肘关节屈曲MVC的肌肉力量测量中，肱二头肌（BB）和肱三头肌（TB）的肌腹部安置2个EMG记录电极（Ag-AgCl，In Vivo Metric，Healdsburg，CA；直径 8 mm，2个电极之间相距2 cm），参考电极放置在同侧肘关节尺骨鹰嘴部的皮肤上。记录在肘关节屈曲MVC时肌肉力量平稳阶段和最高值阶段的BBEMG的平均值，在肘关节屈曲MVC过程中记录的TBEMG值，该值默认为是肘关节伸展MVC过程中记录的TBEMG值。通过Neurodata扩大系统使EMG信号放大（×1 000），并且用带通滤波器过滤（3～1 KHz），再通过Micro-1401系统使其数字化，记录在电脑中。

1.5 EEG和MRCP测试

EEG电极放置在头皮上，覆盖辅助运动区（Cz），对侧（C3）和同侧的感觉运动区域（C4），以及前额皮质的中央位置（Fz），电极的位置是基于国际10-20系统。每个电极中注入传导胶体，用来连接头皮和电极的记录区表面，每个电极和皮肤间的阻抗保持在5 000 ohms以下（30 Hz）。通过Neurodata扩大系统使EEG信号被放大（×2 000），并且用带通滤波器过滤（0.1～100Hz），再通过Micro-1401系统使其数字化（200个样品/s），保存在电脑中。

在每个测量阶段，力量及相关EMG数据的收集之后继续收集EEG数据。在EEG记录中，研究参与者进行50次肘关节屈曲的MVC（每5 s一次），多次的MVC对于获得具有良好信噪比的MVC相关的皮层电位是十分必要的。通过人眼观察来检查最初的EEG数据，将出现的人为噪声（例如眨眼）排除在外。对于每次MVC，力量输出（临界值=最初MVC力量的5.0%）触发一个4 s的窗口值，触发前后分别为2 s[21-22]。通过Spike 2数据分析软件和Micro-1401系统演示触发平均值，根据每次MRCP的电位波形来测量该波形的振幅[20-22]。因为MRCP在时间上对应每次的MVC，所以MRCP与MVC的执行直接相关。因此，在训练之后MRCP振幅的增加可被认为是目标肌肉下行指令现象增强的一个直接预示[23]。

在测量MVC相关的MRCP时，由平均超过40次MVC时头皮EEG数据来获得。所有研究参与者在每次进行MVC时会先后听到2次相同柔和的声音信号：第1个声音是为了引起研究参与者警觉，第2个声音是让研究参与者进行MVC的信号。第1个信号与第2个信号相隔2 s，刺激输出信号（第2个声音）也是开始心理表象MVC和实际MVC的启动信号。对照组（CTL组）的研究参与者只听到声音信号而没有进行心理表象，同时也采集这些研究参与者的平均EEG值。数据分析显示：当此组的研究参与者只听到声音信号时,他们的大脑相应记录的4个区域没有发生明显的潜在改变，这些声音就是用来引起研究参与者进行心理表象MVC和实际MVC时的信号。

1.6 统计分析

为了确保3组的力量基线是相同的，通过单因素方差分析（ANOVA）来分析训练之前的力量数据。鉴于训练前后需测定因变量MVC力量、EMG和MRCP值，且因变量之间有相关性，因此以所测得的MVC力量、EMG和MRCP值训练前后改变的百分比为因变量，以不同组别（3个水平）为自变量，进行多元方差分析（MANOVA）。通过T检验来比较各组训练前、后所测得的MVC力量、EMG和MRCP值的差异。统计分析软件为SPSS17.0，将所有数据分析的显著性水平定为0.05，结果通过平均值±标准差来表示。

2 结 果

以组别为自变量，肌肉力量、EMG和MRCP值改变的百分比为因变量，进行多元方差分析，结果是Λ=0.158，F=3.183，P=0.001，组别的效应显著，不同组力量增加的百分比有显著性差异（P<0.05）。“post hoc”的检验表明：HME组与CTL组在力量增加上有显著性差异（P<0.01），LME组和CTL组力量增加的百分比也有显著性差异（P<0.05）；不同组别的EMG值增加的百分比均无显著性差异（P>0.05）；不同组别的MRCP值增加的百分比有显著性差异（P<0.01）；HME组与LME组在MRCP值增加上有显著性差异（P<0.01）；LME组和CTL组虽然MRCP值增加的百分比不同，但是无显著性差异（P>0.05）。

2.1 不同大脑活动强度的运动表象训练所引起的力量增长

在12周的训练结束之后，高大脑活动强度组和低大脑活动强度组研究参与者的肌肉力量都出现显著性增加（见表1），各组前测的力量无显著性差异（P=0.660）。HME组尽管训练强度只有30%MVC，而在12周的训练结束之后，该组老年人的最大肌肉力量得到显著性增加（13.8%，P=0.002）；同时，LME组的研究参与者身体训练的强度也是30%MVC，但是在训练周期结束之后该组研究参与者的肌肉力量只增加5.0%（P=0.045），对照组的肌肉力量训练前后无显著性改变（见图2A）。组间比较的结果显示：HME组的力量变化相比LME组有显著性差异（P=0.025），HME组与对照组相比也有显著性差异（P=0.000）；LME组与对照组相比也有显著性差异（P=0.035）（见图2B）。

表1 肘屈肌力量、EMG以及MRCP数值实验前后的改变Table 1 Changes in elbow flexion force，EMG，and MRCP

实验样本的数值都以平均值±标准差表示，而EMG的数值是以整合EMG占M波比率的平均值±标准差表示（aP<0.001，b P<0.05）。

图2 运动表象训练结束后各组力量变化的百分比（A）以及各组研究参与者训练前后的力量值（B）Figure 2 A shows the changes in strength for all groups at the end of training；2B shows the individual force changes for all the groups.（B，Before training；A，After training）

2.2 运动表象训练后各组EMG信号的变化

运动表象肌肉做最大收缩时肌肉的激活水平（标准化为训练前的MVCEMG）接近零（HME组训练前的MVC为1.5%±0.7%，LME组训练前的MVC为1.3%±0.8%）。训练前测量的3组的BBEMG平均值无显著性差异（P=0.221）；训练结束以后，各组的EMG信号没有出现显著性增加。HME组肱二头肌（BB）平均肌电值（AEMG）训练后增加22.4%（P>0.05），而LME组（-3%）和对照组（2.9%）肱二头肌（BB）平均肌电值（AEMG）训练前后基本保持一致。将肘屈肌做最大自主收缩时拮抗肌的EMG标准化为伸展肌肱三头肌的MVCEMG。训练结束后，HME和LME 2组在该拮抗肌的EMG值都有增加，分别增加13.1%和25.6%，但是都与训练前相比没有显著性差异（见图3）。

图3 训练后各组研究参与者EMG（BB和TB）的变化百分比Figure 3 A shows the average EMG（AEMG）change for the Biceps Brachii（BB）at the end of training；3B shows the antagonist muscle（triceps brachii）EMG change at the end of training

2.3 高大脑活动强度运动表象训练显著增强大脑到肌肉的信号

与训练前相比，12周训练结束之后，HME组MVC相关的MRCP显著增加（28.6%，P<0.005），而LME组，却没有发生显著性改变（-2.9%，P=0.803）。由于MRCP与MVC的任务有时间一致性，因此它的增加暗示大脑皮质输出到肌肉的信号增强，对照组的MRCP值在训练结束后基本与训练前相同（4.9%，P=0.539）（见图 4）。

3 讨 论

图4 训练后各组MVC相关MRCP的变化Figure 4 The change of MVC-related MRCP for all groups at the end of 12 weeks of training

本研究的结果表明：12周训练结束后，高大脑活动强度组（HME组）和低大脑活动强度组（LME组）研究参与者的肌肉力量都出现显著性增加，HME组的力量增加13.8%，LME组增加5.0%；而HME组和LME组肌肉力量的改变又有显著性差异（P=0.025），同时只有HME组MVC相关的MRCP显著增加（28.6%，P<0.005）。进行低强度（30%MVC）身体训练和低强度运动表象训练的LME组得到的研究结果与以往的研究结果一致，即低强度的训练不会导致肌肉力量的大量增加。在老年人群体中，即使低强度的训练也是有益的，然而，当低强度的身体训练与高强度的运动表象训练相结合后就会明显增加肌肉力量。

在训练结束后，HME组和LME组EMG数值的改变均没有达到显著性水平。由于EMG信号反应肌肉收缩时运动单位的活动情况，如果训练后运动单位的活动水平得到提升，那么EMG的信号就应该显著增强。然而，表面EMG数值除了受到运动单位活动水平的影响外还受很多因素的影响，包括记录电极的位点，电极相对肌纤维起始点的位置，电极和肌肉间组织的大小和质量，以及皮肤的电阻。尽管我们在实验中尽可能地保证训练前和训练后测试条件一致，但是也难以避免其中一个或者多个因素可能发生改变，因此可能掩盖运动单位活动度增加所致EMG信号的增强。以往有关MIT的研究发现，表面EMG信号发生显著增强是将它标准化为测试阶段最大M波而观察到的[5，23]，而从肱二头肌表面很难定位神经和记录M波。

在肌肉生理学和运动生理学领域，被广泛接受和认可的一个理论是，通过力量训练所导致肌肉自主收缩力量的增加主要取决于2个因素。（1）肌肉肥大，发生在训练的后期阶段。而已有研究表明，在传统力量训练程序中，以60%最大肌力为训练强度也不会导致肌肉力量的提高[24]。我们可以确信的是，即便我们的研究参与者在参与训练的12周里他们的日常活动会有波动，而且训练强度为30%MVC，这样也不可能导致肌肉的活动强度达到60%MVC或者传统力量训练的运动量。由于肌肉没有得到训练，那么肌肉力量的增加可能是由于肌肉体积的增大这一可能性就被排除了。（2）训练导致的神经适应。已有研究说明神经适应导致肌肉力量的增加可能不需要肌肉锻炼，如上肢和下肢肌肉可以通过单独的运动表象训练提高自主收缩时的力量[5-8，10，23]。由于这些研究中的研究参与者在训练时没有进行身体训练也没有提高肌肉的协调性，因此训练所导致的中枢神经系统的下行命令增强是最有可能的适应性改变。运动表象训练所致的下行命令增强已经得到表面EMG信号和MVC相关皮质电位增强的支持[23]。因此，最大肌肉力量的下行命令似乎可以通过训练与产生该命令相关的皮层中心得到提高，而不论研究参与者是否进行身体方面的训练。

本研究中，HME组和LME组的唯一区别便是运动表象训练时的大脑活动强度，而高大脑活动强度组的力量增加显著高于低大脑活动强度组。同时，只有HME组的MRCP值在训练结束后出现显著增加，这表明，高大脑活动强度的训练增强与产生最大肌肉力量的中央运动命令有关。因此，大脑活动强度可能才是运动表象训练所致下行命令增强的主要决定因素。

尽管已有研究表明，运动表象训练能增加年轻成年人近端大肌肉以及远端小肌肉的肌肉力量[23]，但是在健康老年人群体中的研究还未涉及。为了更好地理解运动表象训练引起肌肉力量增加的潜在机制，期望本研究结果能启发出更有效和更经济的康复干预策略。同时病人和虚弱的老年人由于不能进行高强度的身体锻炼，他们可以通过进行低强度身体锻炼结合高强度大脑活动训练的方法来进行肌肉锻炼。

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