健康人平衡任务近红外脑功能成像的系统研究

陈茜茜 陆 琰 鲍春蓉 权宏磊 任 婕 吴绪波1，△

1)上海中医药大学康复医学院，上海 201203 2)上海中医药大学附属第七人民医院，上海 200137

平衡是指身体在运动或受到外力作用时，能自动调整并维持姿势的一种能力[1]。平衡控制是一个闭环，一般认为维持平衡的环节包括感觉输入、感觉整合、运动控制[2]。视觉、本体感觉、前庭系统的信息输入是保持平衡过程中重要的三大感觉输入[3]。当身体处于不平衡的状态时，中枢神经系统将传入的感觉信息整合传出到运动系统，随后身体作出相应的反应重新达到平衡。这时，感觉系统再次输入新的感觉信息从而形成了一个闭合的环路。功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)具有便携性、低成本、头动伪迹影响小等优点[4]，在动态任务脑功能成像研究中具有较大的优势[5]。fNIRS利用血红蛋白(O2Hb)和脱氧血红蛋白(HHb)在近红外(700～900 nm)范围内的光学特性，在神经-血管偶联[6]过程中检测脑血管中其浓度变化[4]，从而推测相关脑区及各脑区之间的关系。

目前，部分学者采用感觉统合测试(sensorial organization test，SOT)结合fNIRS的方式，对平衡任务期间针对视觉、本体觉、前庭觉的影响及其相关脑区活动进行更进一步分析[7-11]。此外，也有在平衡任务中引入VR技术为研究提供了进行多样和有目的任务的机会[12-14]。本文旨在通过fNIRS监测不同任务态下健康人的相关脑区活动，归纳姿势控制平衡的相关脑区，积极探索不同动态平衡任务、老化和相关脑区的相互关系。

1 资料与方法

1．1文献纳入标准(1)研究对象为健康人(≥18岁)，含有健康人组的实验；(2)站立平衡任务；(3)有平衡任务期间的实时皮质活动。

1．2文献排除标准(1)缺少原文；(2)非中英文文献；(3)文献综述、个案研究、讨论、会议；(4)与平衡无关的干预和治疗、药物对任务的影响。

1．3文献检索策略计算机检索PubMed、Cochrane、Web of Science、ScienceDirect、Medline、Embase等数据库，检索时限为2010-01—2020-01。采用主题词与自由词组合的方式检索。英语检索词包括：Spectroscopy，Near-Infrared(主题词)、postural balance(主题词)、near-infrared spectroscopy、fNIRS；balance、balance control、postural control、postural ability、body equilibrium。对检索出的文献中的关键参考文献进行了额外的抽查检索，以进一步加强文献综述的可靠性。以PubMed为例，具体检索策略如图1所示。

1．4文献筛选与资料提取将检索到的所有中英文文献导入Endnote X9版文献检索与管理软件进行合并，剔重后阅读题目，排除明显无关文献后，阅读摘要、全文以确定是否纳入(图2)。资料提取内容包括：(1) 纳入研究的基本信息：文章题目、第一作者；(2)研究对象的基本特征：样本量、年龄、性别；(3)具体的平衡任务；(4)本研究需要的神经影像结果。

2 结果

2．1文献概况通过数据库检索共获得文献1 141篇，剔重后剩余文献672篇。经阅读文题和摘要排除651篇。通过阅读全文，排除文献7篇，最终纳入系统综述14篇。纳入研究的过程和筛选标准见图2。纳入研究的详细信息见表1。

2．2自动动态平衡任务9篇文献[8-11，12，15-18]对262例健康人进行了自动动态平衡任务之下相关脑区fNIRS成像结果的报告，fNIRS的光源探测器通常定位于额叶、颞叶、顶叶、枕叶。其中5篇[8-11，15]探讨了不同感觉输入对姿势控制与平衡的影响。实验表明，仅有前庭觉输入的情况下，STG、SMG被激活。HIROMASA等[8]评价了11例健康年轻男性在SOT 6种情况下的表现，在仅测试前庭觉的条件下，f-Op、STG、p-Op、SMA被明显激活。KARIM等[9]发现，当完全依赖前庭信息进行平衡控制时，双侧STG、SMG被激活。LIN等[11]还发现，老年人枕叶ROI也明显激活。DLPFC在姿势控制中参与分配注意力资源。TEO等[10]发现，随着感觉复杂性的增加，年轻人和老年人双侧DLPFC激活且老年人表现出更大程度的激活。HELMICH等[15]的实验中年轻人在不稳定平面上闭眼的情况下，DLPFC激活。

其他4篇文献[12，16-18]描述了在站立活动时重新获得稳定状态过程中脑皮质的活动。HEROLD等[17]报告了当健康人从稳定到不稳定平面上进行姿势与平衡控制时，SMA、中央后回、中央前回的O2Hb上升。同时ROSEN等[16]也发现，在60 s的睁眼单脚站立实验中健康人这三个区域O2Hb较大。在8 s的默数站立任务中，MAHONEY等[18]描述在整个过程中PFC血氧饱和度上升，但后4 s中PFC的上升减少，表明在后4 s中被试完成了相似水平的姿势控制。KARIM等[12]使用VR技术设计不同难度让受试者做模拟滑雪任务，在双侧STG和SMG均观察到激活。

图1 PubMed检索策略

图2 文献筛选流程图

表1 纳入文献的基本信息

续表

注：f-Op：额下回；p-Op：右顶盖；STG：颞上回；SMG：缘上回；SMA：辅助运动区；PFC：前额叶皮质；DLPFC：背外侧前额叶皮质。ST：单任务；DT：双重任务

2．3他动动态平衡任务2篇文献[13-14]报告了受试者在他动动态平衡任务中PFC的脑血氧饱和度的变化。在BASSO MORO等[13]的试验中，设置干扰程度为4个等级，随着干扰程度的增大，平衡板前后摆动的速度变快，被试的PFC O2Hb升高；从3～4难度等级变化中，PFC的O2Hb、HHb变化趋于稳定。在任务中双侧PFC激活程度增大以应对任务难度的增加，与FERRARI等[14]的试验结果相同。

2．4双重任务3项研究[19-21]使用fNIRS监测健康人在双重任务期间的大脑活动。MARUSIC等[19]报告健康年轻人和老年人在任务期间的表现。在单任务和双重任务中，当受试者从正常站立转换成串联步站立后，PFC的O2Hb显著升高；将认知任务添加到正常站立中DLPFC的O2Hb并无明显变化，表明在DLPFC中姿势负荷对其影响大于认知负荷。ROSSO等[20]发现老年人在注意力单任务和双重任务中DLPFC激活；年轻人仅在注意力单任务条件下，听觉选择反应刺激引起DLPFC激活。关于闭眼站在平台上的姿势任务，年轻人和老年人DLPFC、SMG、STG均被激活，年轻人激活程度更高。在试验中，老年人双重任务干扰较大，表现出PFC和颞叶更大的激活。在FUJITA等[21]以双脚站立和单脚站立作为姿势任务，Stroop测试为认知任务的试验中，报告了单脚站立单任务和双任务中SMA和右侧DLPFC激活程度比双脚站立单任务大。

3 讨论

站立被认为是相对自动运动任务，主要依赖于皮质下结构，如基底神经节和小脑的控制[17]。SMA参与动作计划[22]和肢体协调[17]。从地面双脚站立到更具挑战性的站立，SMA被激活是对平衡情况的反应，从而计划维持平衡的动作[23]。研究[24]发现，SMA与中央前回、小脑区域有强烈共同激活作用；在不平衡情况下，共同被激活以保持平衡。

关于PFC的纳入研究中[10-11，19-20]，老年人在平衡任务期间的脑活跃高于中年人和年轻人，与MIRELMAN等[25]实验结果一致。随着年龄增长，个体执行任务的效率较低，大脑可能会增加某个神经网络的活动，以弥补处理效率的下降。PFC的活跃性普遍增加，可能是适应性大脑的标志[26-27]。但MARUSIC等[19]发现老化在执行任务期间对O2Hb无显著影响。值得注意的是，该研究选择串联步站立而非双足站立的任务。引起结果差异可能是因老化使得大脑神经网络之间的功能性连接变弱[28]，而年轻人在更高姿势和注意力要求的任务中可利用资源更多，也可能在更具挑战性的姿势任务下，脑区逐渐适应这项任务[29]。

在SOT条件下的试验普遍发现，当受试者视觉和本体感觉反馈均退化，主要依赖前庭信息时，颞顶叶区域的激活增加[8-11]。一项进行模拟滑雪游戏的研究中描述了SMG、STG的激活[12]。滑雪是多感觉输入和统合的过程，SMG、STG参与调节了视觉、本体觉、前庭觉的信息处理。LIN等[11]的研究还发现，在任务期间视觉和本体感退化时，老年人的枕区相关皮质也明显激活，提示老年人更大程度地运用视觉和前庭觉维持平衡。有研究发现STG、视觉联合皮质参与视觉前庭的自我运动处理和来自不同感觉信号的信息整合[30]。在老化过程中，这可能是大脑完成任务的一种适应性处理。

本次研究存在一些局限性。首先，纳入文献数量及其样本量均较小，从而不具代表性和普遍性。第二，由于高皮层结构的参与可能会随着训练而改变[21]，由于符合要求文献较少并未纳入，未来可将此部分研究纳入进行进一步分析。

SMA、SMG、STG、PFC参与平衡的控制。少量研究表明平衡任务期间中央前回、中央后回被激活。此外，老化对平衡任务期间PFC的影响有必要进行进一步研究。fNIRS在非卧床和平衡研究中具有明显优势，未来可以使用多通道fNIRS对更多脑区更多更具挑战性的动态平衡任务进行研究。