前交叉韧带损伤重建后外周途径及中枢系统特征变化研究现状

王婧怡

·科研综述·

前交叉韧带损伤重建后外周途径及中枢系统特征变化研究现状

王婧怡

三门峡职业技术学院，河南 472000

对前交叉韧带损伤重建后外周途径及中枢系统特征变化进行综述，探究造成前交叉韧带损伤后膝关节失稳的运动系统和中枢神经系统原因，为今后前交叉韧带损伤的治疗和康复提供理论依据。

前交叉韧带；肌力；肌肉；中枢神经；脑；重塑；综述

前交叉韧带（anterior cruciate ligament,ACL）是膝关节内重要的韧带，其主要功能是限制胫骨过度前移和维持膝关节旋转稳定性。前交叉韧带中含有丰富的机械感受器，也是重要的本体感觉器官。前交叉韧带损伤是常见的严重运动损伤，损伤后病人会出现不同程度的膝关节不稳。目前，多采用关节镜下重建的方法对于前交叉韧带损伤进行治疗。移植物的选择包括自体骨⁃髌腱⁃骨、自体腘绳肌肌腱、同种异体移植物、人工韧带等。虽然重建手术恢复了膝关节正常的解剖结构，但无论选取何种移植物都无法完全恢复病人正常的本体感觉功能。病人术后仍需要进行专门的康复，加强本体感觉。本体感觉神经肌肉系统控制通路主要是由外周本体感觉感受器将信号传入中枢神经系统，中枢神经系统对接收到的信息进行整合，通过脊髓反射、认知规划、平衡的方式改变肌肉的张力，从而正确完成动作。前交叉韧带损伤引起传入信号变化，上行的中枢神经系统运动控制也受到影响，继而引发传出信号的改变，不仅患侧肢体运动模式改变，未损伤侧也会出现异常，从而增加对侧肢体受伤的风险。因此，本研究对前交叉韧带断裂和重建后产生的中枢变化特征进行综述，探究前交叉韧带损伤后膝关节失稳的机理，为今后前交叉韧带损伤的治疗和康复提供理论依据。

1 下肢肌肉力量及肌肉激活变化

1.1肌力变化前交叉韧带损伤后，由于制动及步态改变等原因，膝关节周围肌肉肌力及收缩产生变化，一般认为股四头肌肌力减弱的程度大于腘绳肌。研究发现，前交叉韧带损伤病人中股四头肌肌力减弱14%，而腘绳肌减弱约4%，且股四头肌肌力不足是前交叉韧带重建后长期存在的一个问题。Carter等[1]研究发现，采用自体腘绳肌行前交叉韧带重建术6个月时，病人股四头肌肌力缺失高达21.9%。Maeda等[2]研究显示，前交叉韧带重建术后2年，病人股四头肌仍有11.3%的缺损。与健康人群相比，这种力量缺失会长期存在[3]。Igor等[4]认为，积极康复的病人股四头肌肌力及腘绳肌肌力虽优于传统康复组，但仍低于健康对照组。

腘绳肌相对股四头肌萎缩程度较少，但腘绳肌对前交叉韧带有重要的保护作用。现阶段，前交叉韧带重建大多选取自体腘绳肌作为移植物，术后腘绳肌的功能会受到影响。Uhorchak等[5]研究发现，腘绳肌体积下降程度与移植物的选择有关，术后前3个月，骨髌腱移植病人腘绳肌体积下降2%～3%，半腱肌股薄肌移植病人腘绳肌体积下降7%～8%，且股薄肌体积呈持久下降（术后3周、15周和1年分别下降22%、37%、44%），部分采用自体腘绳肌重建前交叉韧带的病人，腘绳肌腱可以再生，但病人术后仍然长时间存在腘绳肌功能障碍，受屈膝肌力和胫骨内旋肌力降低的影响，膝关节的稳定性和功能活动水平降低。Tadokoro等[6]检测了自体腘绳肌腱重建前交叉韧带术后2年的病人，磁共振成像结果显示，75%以上的病人有半腱肌腱再生,但无论是否再生,患侧腘绳肌肌力和股四头肌的等速肌力均显著低于健侧下肢。

总之，无论前交叉韧带损伤或重建术后，膝关节周围肌肉力量缺失都是病人需要长期面对的问题。目前认为术前股四头肌肌力及血流限制训练有利于加快术后股四头肌肌力恢复。

1.2肌肉激活变化前交叉韧带内含有丰富的机械感受器，是膝关节内重要的本体感觉感受器官。前交叉韧带损伤或重建术后膝关节周围肌肉力量缺失，一方面可能因为关节出现变化，活动受限，肌肉失用性萎缩；另一方面还与神经肌肉反射出现变化有关。腘绳肌位于大腿后侧，其向心收缩时可以向后方牵拉胫骨，与前交叉韧带有着协同作用，保护前交叉韧带。有学者认为，前交叉韧带与腘绳肌之间存在前交叉韧带⁃腘绳肌反射，即前交叉韧带受到牵拉时会引起腘绳肌反射性的收缩。Knoll等[7]研究了急慢性病人前交叉韧带重建前后行走过程中步态及肌电变化，结果显示，股二头肌对前交叉韧带在减少胫骨平移方面具有协同作用，前交叉韧带损伤侧膝的反射性腘绳肌收缩潜伏期（electromechanical delay，EMD）相比于正常膝显著延长。Ristains等[8]对自体腘绳肌重建前交叉韧带病人术后2年腘绳肌肌电变化，与健侧相比，患侧股二头肌和半腱肌出现电机械延迟，平均延长近30 ms，较健康人群延长近40 ms；患侧股二头肌较健侧平均延长近20 ms。比与Beard等[9]的研究结果类似，其研究显示，前交叉韧带缺损膝关节腘绳肌EMD平均为99 ms，而健侧腘绳肌平均为53 ms。腘绳肌EMD与膝关节功能性不稳显著相关。因此，认为膝关节本体感觉功能障碍会导致关节功能性不稳。Ristanis等[10]观察了自体腘绳肌重建前交叉韧带术后2年病人腘绳肌在疲劳状态下EMD的表现，结果显示，疲劳导致患侧股二头肌和半腱肌EMD增加，但并不影响股二头肌和半腱肌的同步性收缩。以上结果说明前交叉韧带损伤或重建后腘绳肌神经肌肉控制能力减弱，会影响急停、急转等动作时膝关节的稳定性。

股四头肌激活可能与损伤时程有关。急性前交叉韧带重建病人的站立相四头肌活性增加，而慢性前交叉韧带重建病人的股四头肌活性降低。长内收肌的活动在摆动前期增加。此外，在摆动时股二头肌的联合收缩在康复期间大大减少。长收肌在摆动前期的活动增加。Georgoulis等[11]研究了髌腱重建前交叉韧带病人术后伸膝肌EMD，结果表明，股四头肌EMD较术前没有显著变化，其认为该结果与切取髌腱后局部瘢痕形成有关。Rudolph等[12]研究发现，前交叉韧带断裂侧在慢跑时的外侧腘绳肌激活程度更高，认为前交叉韧带缺失后出现伸肌力矩减弱的现象，不仅是由于股四头肌力量较弱，还与前交叉韧带断裂后的神经肌肉控制改变有关[13]。Benedetti等[14]研究指出，膝关节屈伸肌联合收缩是减少膝关节剪切力的常用策略，但会增加关节压缩力和关节负荷，但僵硬的膝关节也可能会妨碍膝关节对于破坏稳定性的干扰做出适当反应。Jacobs等[15]研究表明，在慢跑、跳跃和冲刺时，腘绳肌有助于将力量从膝盖转移到髋关节上，在负重接受过程中，膝关节运动减少使膝关节更“坚固”，这可能会使他们面临未来关节退化的风险。

2 下肢运动学变化

前交叉韧带的损伤和重建会导致步态中下肢关节运动学、动力学和能量模式的改变，这些改变可能是肌肉适应和神经肌肉重塑的结果，也可能是对疼痛或不稳定的反应，病人通过这些适应性策略稳定膝关节并防止步态中出现再次损伤。前交叉韧带损伤后病人走时会采取尽力避免股四头肌收缩的“股四头肌逃避步态”模式。Knoll等[7]研究表明，病人的步态与损伤时间有关，前交叉韧带损伤期小于6个月的病人会出现股四头肌逃避步态，慢性损伤病人中不会出现该现象，其认为至少需要8个月的时间股四头肌逃避步态及膝关节周围肌肉正常功能才得以恢复。Devita等[16]检测了前交叉韧带损伤者伤后2周、术前以及术后3周和5周的步态模式，结果发现，在术前和术后3周表现出股四头肌回避步态，术后5周时步态模式仍然异常，但与对照组相似。Timoney等[17]则认为，前交叉韧带重建病人股四头肌逃避步态逐渐消失，步态恢复正常。

前交叉韧带损伤还会造成运动过程中关节活动度的减少。Xergia等[18]发现，自体骨髌腱骨前交叉韧带重建的男性，术后6～9个月在跳跃过程中，伤侧膝比健侧膝显示出更小的屈曲角度，膝关节运动活动度的降低可能与股四头肌强度有关，股四头肌弱的病人行走和慢跑时的屈曲角度和力矩更低，除了膝关节活动度出现变化，病人胫骨运动也出现变化。Keizer等[19]发现，前交叉韧带撕裂时，胫骨前移(0.75±1.40)mm，胫骨的旋转角度比健侧多约6°，前交叉韧带重建后，伤侧前移比健侧仍多了(0.2±1.1)mm，旋转角度比健侧则减少(0.2±6.1)°。Knoll等[7]认为，膝关节屈曲的减少是因需要减少由股四头肌活动引起的净内伸力矩，从而减少胫骨的前移位。研究者将其归因于一种补偿性策略，通过减少股四头肌、内收肌活动，增加股二头肌的活动，增加脚跟撞击地面时膝关节稳定性，从而防止或最小化膝关节的内旋。Gao等[20]认为，前交叉韧带缺失和前交叉韧带重建病人步态周期中各相及时空变量都出现显著变化，前交叉韧带缺失膝在站立相时伸展性显著降低，前交叉韧带重建膝关节在摆动期伸展性显著降低。前交叉韧带缺失的膝关节胫骨内翻和内旋程度明显增加，且在前交叉韧带重建的膝关节中，这些趋势并未消除。行走过程前交叉韧带缺失膝时空表现和三维关节运动学明显异常，而前交叉韧带重建膝关节运动学有一定改善，但不能完全恢复到正常水平。Yang等[21]对8例单侧前交叉韧带损伤病人平地行走及下坡跑步步态进行测试，结果表明，即使在没有不稳定症状的情况下，前移位和膝关节接触路径也会改变，与未损伤侧肢体相比，未报告不稳定症状的前交叉韧带缺失病人可能仍表现出膝关节运动学和关节运动学的改变。Zhao等[22]研究了18例前交叉韧带损伤病人上楼梯时运动学改变，结果显示，矢状面上，整个步态周期中40%～60%的时间伤侧膝关节活动度低于健侧，主要表现为屈伸不全；40%～60%的时间伤侧膝关节内旋明显比正常侧增大；70%～80%的时间伤侧膝关节胫骨前移增大。Czamara等[23]研究表明，与双束前交叉韧带重建和对照组比较，单侧前交叉韧带重建病人步态中下肢大关节出现更多的旋转运动学障碍。但Claes等[24]认为，前交叉韧带重建后6个月，病人平步走时胫骨旋转完全恢复。

步态周期中胫骨内旋增加造成更高的内收时刻改变了膝关节的负重，这也是前交叉韧带重建病人术后骨关节炎(OA)早期发病率相比于保守治疗病人并没有太多改善的原因之一。

3 中枢系统变化

前交叉韧带不仅是膝关节重要的稳定结构，其内含有丰富的机械感受器，是重要的本体感觉器官。前交叉韧带的损伤会引起本体感觉传入功能产生障碍，进而影响上位神经系统，导致中枢神经系统重塑。Carol[25]发现，前交叉韧带损伤后本体感觉功能下降，上传通路变化导致初级感觉运动区和运动前区的激活减小[26]。前交叉韧带重建虽在一定程度上重建膝关节的机械稳定性，移植物内本体感受器和关节的本体感觉有所恢复[27]，但不能从根本上解决本体感觉障碍问题，初级感觉运动区和运动前区的激活仍旧不能增高至正常。中枢神经系统的变化会进而引起输出功能变化，不仅影响损伤侧肢体的控制，健侧肢体也受到累及。病程长短对本体感觉有着影响，因此一些学者推断，随着受伤时间的延长，脑功能发生重塑，双侧膝本体感觉都有所下降，并且推测前交叉韧带重建术后也会出现类似的结果。

3.1脑部活动的变化脑电图是脑部神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反应。应用脑电分析对前交叉韧带损伤病人，并与健康人员进行对比，明确前交叉韧带断裂和重建后病人脑电功率谱的变化特征，探究因前交叉韧带损伤造成的膝关节不稳的中枢神经机制，可以选取有针对性的治疗方式，为康复治疗提供更多的理论依据。Baumeister等[28]测量了前交叉韧带重建病人关节位置重现时脑电图的频谱特征，并与健康对照组进行比较，结果显示，前交叉韧带组双肢额叶θ⁃power（F3、F4、F8）明显高于对照组，重建肢顶叶位置α⁃2功率明显高于对照组（P3、P4）；前交叉韧带重建后病人注意力的改变与前扣带皮层和顶叶体感皮层(α⁃2)的感觉加工有关，随后在病人完成力量重复性任务时，监测脑电图观察皮层活动是否受到了重建手术的影响，结果显示，与对照组比较，前交叉韧带重建组的患肢在做力量重复性任务时，大脑额部θ⁃power区皮层活动增高，提示扣带回皮质前部皮层活动的变化。苗欣等[29]测量了16例前交叉韧带断裂病人单腿位置觉测试时的脑电信号，结果发现，病人在主动关节位置觉运动时，伤侧脑电功率谱的δ、θ、α、β波段在Fz和Pz电极点处高于未伤侧，其认为一侧前交叉韧带断裂会导致运动感觉感受器受损，并引起中枢神经系统的变化，这种变化在未手术侧肢体运动时仍然存在；在进行主动关节位置觉测试时，患侧运动时额区和顶叶的脑电功率值高于非伤侧肢体运动时的脑电功率值，说明肌肉主动收缩参与运动任务时，伤侧需要动用更多的脑资源。An等[30]对15例前交叉韧带重建半年以上病人姿势控制能力及过程中脑电变化进行测试，结果发现，前交叉韧带重建者整体姿势控制能力与健康对照组比较差异无统计学意义（>0.05），但是大脑皮层激活模式不同。在不稳的平台上维持姿势时，前交叉韧带重建病人中央前额叶、同侧前运动/辅助运动、中央和同侧初级运动、中央和双侧躯体感觉和初级视觉皮层的θ波振荡神经活动增加；与稳定状态相比，同侧前运动/补充运动皮层的α⁃2振荡神经活动也更少。θ波功率与任务难易程度、肌肉的预收缩有关。Vincen等[31]发现，与相对容易的认知条件相比，更具挑战性的执行条件会增加额叶和顶叶皮层的θ波功率，这可能由于在快速和复杂的环境中，需要更多神经信息的整合适当协调运动反应[28]。Popivanov等[32]发现，在握力开始前，运动前区、辅助运动区和顶叶皮层的θ波功率增加，其认为θ波功率的增加表明肌肉预备收缩。Peterson等[33]认为，当视觉和身体需求在清醒和站立平衡任务中变得更具挑战性时，前扣带回、顶叶和视觉皮质的θ波功率增加，α⁃2震荡神经活动降低表明脑区的神经抑制，在不稳定状态下，同侧前运动/补充运动皮层的α⁃2功率比稳定状态下低，意味着这些皮层的皮层激活更多，反映了前交叉韧带重建病人更高的认知加工需求，即需要同时检测平台的偏差用以保持平衡。

3.2前交叉韧带损伤病人的脑重塑中枢神经系统具有适应性，可根据接收到的外周刺激及上行传导通路的改变而发生改变，这种大脑的皮层组织发生持久性形态学或功能改变的能力为脑神经可塑性[34]。有研究显示，前交叉韧带断裂后上行传导通路发生改变并最终导致了中枢神经系统功能的重组[25]，其认为传入神经的阻滞不会因为其他本体感觉神经的代偿或重建手术后力学上的稳定而改善。有学者评估了18例右侧前交叉韧带完全断裂的病人脑结构的改变，结果显示，与健康人比较，前交叉韧带断裂组病人灰质脑组织显著改变，标准灰质体积（GMV）增加的脑皮层区域有左侧小脑Crus1区；减少的脑皮层区域均在右侧，分别为辅助运动区、顶上回、顶下缘角回、尾状核与海马旁回。可能原因为：前交叉韧带断裂病人膝本体感觉信号传入的减少，造成大脑皮层中枢对感觉和运动信息的整合处理能力下降，动作逐渐趋向于简单化，对运动的认知和记忆出现障碍，神经肌肉控制能力下降；随着时间推移，病人脑结构发生了可塑性改变，控制动作精确性和感觉运动整合的皮层相关脑区体积缩小，而皮层下运动中枢体积增加，提示前交叉韧带断裂病人的运动控制策略由皮层向皮层下运动控制策略的转移。Grooms等[35]对15例前交叉韧带重建术后病人进行功能性磁共振成像研究发现，相对于正常人，病人对侧初级运动皮质、舌回、同侧次级躯体感觉区（ipsilateral SⅡ）激活增强，而同侧运动皮质以及小脑部分的激活程度下降，对侧初级运动皮质激活增加是因为运动皮质兴奋性减弱造成需要更强的激活以达到相同程度的运动。次级躯体感觉区（SⅡ)激活的增加与前交叉韧带损伤后激活增加原因一致。舌回与肢体位置觉，运动知觉等有关，负责反馈来自视觉皮质的运动指令并控制运动输出，舌回激活的增加提示前交叉韧带重建术后病人更多依靠视觉⁃运动策略而不是本体感觉⁃运动策略完成膝关节功能，以补偿本体感觉损失带来的脑运动功能的影响。而同侧运动皮质和小脑的激活减少提示健侧下肢功能受影响，进而影响姿势控制。Grooms等[35]亦对1例经历右侧前交叉韧带重建10个月的病人进行了脑部核磁检测，试验结束后26 d此病人又经历了左膝前交叉韧带的断裂，结果显示，重建侧运动时对侧舌回、小脑、前运动区和同侧次级躯体感觉皮层的激活较弱，同侧小脑的激活较弱，检测时健康侧（之后前交叉韧带断裂）膝关节的同侧小脑、同侧舌回、与健康对照组相比，对侧初级感觉皮层和对侧辅助运动区和初级运动区激活较少，其认为单侧前交叉韧带断裂可能导致双侧神经可塑性效应。Kapreli等[26]研究指出，膝前交叉韧带损伤后的肢体功能不稳同时还伴随着大脑皮层辅助运动前区（pre⁃SMA）、次级躯体感觉区后部（SⅡp）、同侧颞下回后部（pITG）的激活增加，初级感觉运动区（SM1）、基底节、SⅡ、扣带回运动区、运动前区、同侧小脑的激活减少。

针对前交叉韧带断裂与重建病人大脑出现的一系列变化，刘凯等[34]尝试采用神经肌肉训练干预，测试病人脑区激活的变化，结果显示，相比常规康复治疗的前交叉韧带重建病人，术后经过神经肌肉训练的前交叉韧带重建病人小脑蚓部、扣带回激活增加，颞下回、舌回激活减少。小脑蚓部主要是接受脊髓和前庭的传入神经信息，功能为传导双下肢的本体感觉神经信号，控制肌张力，调整肌肉力量，协调拮抗肌群已完成下肢功能动作。小脑蚓部激活增加提示术后经过神经肌肉训练，前交叉韧带重建病人采用皮层下运动控制策略而非皮层运动控制策略，这种情况与前交叉韧带重建术后韧带中的本体感受器并未完全恢复正常有关。扣带回的激活增加提示经过神经肌肉训练的病人相比常规康复治疗病人在运动时，大脑皮层运动脑区之间的联系加强，对运动的整合能力增强。虽然姿势控制能力提高，但皮层下运动中枢体积增加，提示重建后前交叉韧带的本体感受功能仍未完全恢复。前交叉韧带损伤病人颞下回区激活增加是因为受损关节本体感觉信息传入受限，而导致病人运动过程中对视觉的辅助和反馈需求增加。术后进行神经肌肉训练有助于前交叉韧带重建病人的本体感觉恢复，降低运动中大脑对视觉信息辅助和反馈的需求，因此该区激活减少。舌回主要作用是视觉记忆和视觉表象，前交叉韧带重建术后病人经过专门的神经肌肉训练，可以减少对视觉的依赖。宋炎成等[36]研究发现，经颅直流电刺激可以通过作用于初级运动皮层，提高下肢肌肉兴奋性、肌力及动态平衡能力，对前交叉韧带重建术后病人进行经颅直流电刺激治疗有利于术后本体感觉、平衡觉的康复。

4 小结

前交叉韧带损伤后，膝关节周围肌肉力量与激活发生变化。股四头肌与腘绳肌肌力下降，股四头肌肌力缺失程度更大，腘绳肌出现明显的电机械延迟；运动时下肢运动学参数与正常膝关节也存在差异，即使进行前交叉韧带重建手术，这些差异也将长期存在。高强度神经肌肉电刺激和扰动训练可被用于解决神经肌肉激活不足的问题，其被证明可在前交叉韧带重建术后恢复肢体对称性。前交叉韧带的损伤会引起外周传入功能产生障碍，进而影响上位神经系统，导致中枢神经系统重塑。控制动作精确性和感觉运动整合的皮层相关脑区体积缩小，而皮层下运动中枢体积增加。与正常人相比，前交叉韧带病人完成动作时脑活动出现变化，伤侧肢体完成需要动用更多的脑资源。中枢神经系统的重塑不仅会引起损伤侧运动控制出现变化，同样会引起健侧肢体产生一系列变化。前交叉韧带重建术后对病人进行经颅电刺激、神经肌肉控制训练等方式可以改善中枢系统激活状态。今后的康复不仅需要关注损伤侧肢体肌肉力量及神经肌肉控制训练，还应当注意病人中枢神经系统的重塑以及心理方面的康复。

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Research status of changes in peripheral pathways and central system characteristics after anterior cruciate ligament injury and reconstruction

WANGJingyi

Sanmenxia Polytechnic, Henan 472000 China

anterior cruciate ligament； muscle strength； muscles； central nervous system； brain； remolding； review

WANG Jingyi, E⁃mail: 447922602@qq.com

10.12102/j.issn.1009-6493.2023.12.014

（2022-06-01；

2023-05-22）

中文作者简介:三门峡市2022年科技发展计划，编号：2022003004

王婧怡，助教，硕士，E⁃mail：447922602@qq.com

王婧怡.前交叉韧带损伤重建后外周途径及中枢系统特征变化研究现状[J].护理研究,2023,37(12):2165⁃2170.

（本文编辑 曹妍）