基于fNIRS的運動執(zhí)行與運動想象腦激活模式比較*

白學軍 張琪涵 章 鵬 周 菘 劉 穎 宋 星 彭國慧

(天津師范大學心理與行為研究院,天津 300074)

1 前言

運動想象(motor imagery,MI)是一個動態(tài)的過程,指人們在心里模擬動作而不伴隨任何的身體運動(Jeannerod,1994,2006)。運動想象包含視覺想象和動覺想象,前者需要從第一人稱或第三人稱的視角看到自己完成動作;后者需要人們真實地感覺到自己完成動作。目前MI在臨床和專業(yè)領域上被廣泛應用。MI是一種基于想象的心理練習,能夠提高運動員(Cumming &Hall,2002;Murphy,1994;Roure et al.,1999)、音樂家(Langheim,Callicott,Mattay,Duyn,&Weinberger,2002;Meister et al.,2004;Pascual-Leone et al.,1995;Yue &Cole,1992)或者高級手工技師(例如外科醫(yī)生,Rogers,2006)的行為表現(xiàn)。另外,Decety和Grèzes (2006)認為運動控制是運動過程與感覺、認知過程不斷交互的結果。皮層可塑性理論認為大腦皮層功能、皮層間的聯(lián)結等可以根據(jù)外界刺激的變化而變化,訓練可以改變大腦結構(Fiorio,Tinazzi,&Aglioti,2006)。所以那些運動功能損傷的病人,可以通過不斷地鍛煉,來改善、塑造大腦皮層,繼而實現(xiàn)運動功能的康復。因此,運動想象在神經系統(tǒng)損傷病人的康復治療上也具有一定的影響作用(Braun,Beurskens,Borm,Schack,&Wade,2006;Jackson,Lafleur,Malouin,Richards,&Doyon,2001;Johnson-Frey,2004;Lotze&Halsband,2006;Sharma,Pomeroy,&Baron,2006;Weiss et al.,1994)。

已有研究發(fā)現(xiàn),運動想象與運動執(zhí)行有幾點共性：(1)在時間進程上運動想象與運動執(zhí)行存在高度相關(Decety,Jeannerod,&Prablanc,1989);(2)運動想象任務下自主神經系統(tǒng)的外周反應與運動執(zhí)行任務下的相似,例如心跳(Decety,Jeannerod,Durozard,&Baverel,1993;Decety,Jeannerod,Germain,&Pastene,1991;Fusi et al.,2005);(3)運動執(zhí)行和運動想象任務引起了相似的皮電反應(Guillot,Collet,&Dittmar,2004;Guillot,Haguenauer,Dittmar,&Collet,2005);(4)隨著大腦影像技術的發(fā)展,研究者使用fMRI (functional magnetic resonance imaging)、PET(positron emission tomography)、TMS (Transcranial magnetic stimulation)等技術,探索這兩種任務下的腦機制,發(fā)現(xiàn)運動執(zhí)行與運動想象基本上激活了相似的神經機制(Guillot et al.,2008;Mellet,Petit,Mazoyer,Denis,&Tzourio,1998)或者這兩者的神經網絡至少部分重疊(Gerardin et al.,2000)。具體來說,共享的重疊區(qū)域主要包括輔助運動皮層(SMA)、前運動皮層(PMA)、初級感覺區(qū)(M1/S1)、后頂葉(PPL)、紋狀體、小腦、丘腦(Gerardin et al.,2000;Lotze et al.,1999;Munzert,Lorey,&Zentgraf,2009;Zhang et al.,2011)。

然而,研究者對初級感覺區(qū)(M1/S1)激活存在一些爭議。前人研究分別觀察到了主運動區(qū)的激活(Solodkin,Hlustik,Chen,&Small,2004;Sharma,Jones,Carpenter,&Baron,2008)、短暫激活(Dechent,Merboldt,&Frahm,2004)或者不激活(Lotze,Scheler,Tan,Braun,&Birbaumer,2003)。近期 Hétu 等人(2013)對運動想象神經網絡相關的122個實驗(來自75篇論文)進行了元分析,發(fā)現(xiàn)其中僅有22個實驗(來自 16篇論文)報告了運動想象任務激活主運動皮層。研究結果的不一致可能是由以下原因引起的：(1)實驗任務變量：實驗程序(Sharma et al.,2008)、任務類型(Dechent et al.,2004;Fourkas,Ionta,&Aglioti,2006;Wolbers,Weiller,&Büchel,2003)、任務復雜性(Holpe &Wolf,2011;Kuhtz-Buschbeck et al.,2003)等;(2)個體差異：專業(yè)水平(Lotze et al.,2003;Milton,Small,&Solodkin,2008;Chang et al.,2011)、想象力(Amedi,Malach,&Pascual-Leone,2005;Cui,Jeter,Yang,Montague,&Eagleman,2007;Guillot et al.,2008;van der Meulen,Allali,Rieger,Assal,&Vuilleumier,2014)、性別(Lissek et al.,2007;Schuster et al.,2011)、年齡(Personnier,Ballay,&Papaxanthis,2010;Schuster et al.,2011)等;(3)探測方法：相比于fMRI、PET研究,大量的TMS研究都為MI增強主運動皮層的興奮性提供了實證證據(jù)(Loporto,McAllister,Williams,Hardwick,&Holmes,2012);(4)最近 Raffin,Mattout,Reilly和 Giraux(2012)的研究發(fā)現(xiàn)在動覺運動想象任務下輔助運動皮層對主運動皮層起抑制作用。

近期的一些研究發(fā)現(xiàn)運動強度能夠影響主運動皮層的激活。例如Shibusawa 等(Shibusawa,Takeda,Nakajima,Ishigami,&Sakatani,2009;Shibusawa et al.,2010)用fNIRS (functional near-infrared spectroscopy)監(jiān)測人們分別用最大握力的20%、50%、80%的力量進行抓握任務時主運動皮層和體感皮層內氧合血紅蛋白的濃度變化。發(fā)現(xiàn)不同力量強度的抓握任務其觀測皮層上的氧合血紅蛋白濃度差異顯著。還有一些研究也發(fā)現(xiàn)主運動皮層的激活程度存在隨力量強度水平的增強而升高的趨勢(Derosière et al.,2013;Shibuya,Kuboyama,&Tanaka,2014)。甚至一些較小的力量強度變化(最大握力的 1%～10%)也會引起主運動皮層激活程度的正性改變(Kuhtz-Buschbeck et al.,2008)。那么增強運動想象任務的想象強度是否也能夠引起主運動皮層的激活變化？在運動執(zhí)行任務下相關皮層激活程度隨力量強度變化的原因可能來源于外周體覺信息的傳入或者是運動控制。如果變化原因是由體覺信息傳入引起的,那么運動(想象)強度僅會影響運動執(zhí)行任務下相關皮層的激活水平;如果是由運動控制引起的,那么運動執(zhí)行與運動想象任務下探測皮層都會受到運動(想象)強度的影響。但目前對想象強度在運動想象任務下的作用情況的研究相對較少,有些研究者雖采用fNIRS考察了不同力量強度、速度下運動想象任務的皮層信號變化,但其主要探究力量強度和速度對應反應信號的精確分類,沒有單純地比較不同想象強度對探測皮層的影響作用。能夠確定的是想象強度影響主運動皮層內氧合血紅蛋白濃度變化,因為隨著運動想象強度的逐步增加,主運動皮層內的氧合血紅蛋白濃度也是逐步增高的,但是否達統(tǒng)計學上顯著還需進一步檢驗(Xu et al.,2014;Yin et al.,2015)。另外,Mizuguchi,Nakata 和Kanosue (2014)使用fMRI探究了前運動-頂葉皮層活動與想象強度水平的關系,發(fā)現(xiàn)前額葉皮層、輔助運動皮層、前運動皮層、腦島、頂下小葉的激活情況受想象強度的影響,沒有報告主運動區(qū)與想象強度間的變化關系。所以,目前想象強度對運動想象腦機制的影響作用還不明確。

此外,與fMRI、PET等技術相比,功能性近紅外光譜成像技術(fNIRS) (Brickman et al.,2005;Hock et al.,1997)有其獨特的優(yōu)勢。fNIRS的操作簡便、造價低、對人體無損傷、便攜性好、時間分辨率和空間分辨率較高等;適用于自然情境、嬰幼兒童和特殊人群的認知神經科學研究(劉寶根,周兢,李菲菲,2011;楊炯炯,駱清銘,2002)。由于fNIRS對被試實驗過程中的動作不是特別敏感,對運動具有較高的寬容度,所以相比于對運動敏感的 fMRI,fNIRS為運動領域內腦功能活動的研究開辟了一條新路,提高了該領域研究的生態(tài)效度。Leff等(2011)曾對基于 fNIRS的運動任務腦活動研究進行系統(tǒng)性的回顧,認為這一技術有利于自然情境下的運動技能學習、運動控制、運動員表現(xiàn)、神經疾病康復等內部機制的探索。

綜上所述,本研究采用fNIRS技術,通過控制運動(想象)強度來考察被試完成運動執(zhí)行與運動想象任務時大腦皮層血氧濃度變化。實驗采用舉啞鈴這一簡單運動任務、動覺想象這一想象任務類型來控制任務相關變量對監(jiān)測結果的影響;選取具有一定想象能力、非體育專業(yè)的青年被試參與正式實驗,盡可能的排除掉被試相關變量帶來的干擾;fNIRS在運動領域內應用的生態(tài)效度較高、對運動方面的限制較少。所以在控制了這些無關變量之后,運動執(zhí)行與運動想象的激活模式很可能十分相似,運動執(zhí)行與運動想象任務下都會激活主運動皮層;另外,想象強度對運動想象任務下大腦活動的影響也很可能與運動執(zhí)行任務下的變化保持一致,即想象強度不會改變大腦激活模式,但會影響皮層的激活水平。

2 方法

2.1 被試

(1)使用握力計篩選被試。其中男性握力在37.7～56.6 kg之中,女性握力在 21.8～35.0 kg之中。

(2)實驗被試非體育專業(yè);在啞鈴運動或啞鈴運動相關腦區(qū)上沒有主觀或客觀癥狀;無心血管、肺腎、神經障礙等方面疾病;沒有進行過艱苦訓練;實驗前沒進食過含咖啡因的食物或飲料。

(3)通過《運動想象問卷-修訂版》(MIQ-RS)(Gregg,Hall,&Butler,2010)篩選出具有動覺想象能力的被試,即選擇動覺想象平均難易程度大于4“一般”的被試參與正式實驗。

(4)15名右利手健康的男性志愿者(平均握力47.2 ± 4.08 kg)和15名右利手健康的女性志愿者(平均握力27.1 ± 3.47 kg)參加了正式實驗。男性被試的平均年齡為24.3 ± 1.49歲,女性被試的平均年齡為23.8 ± 0.77歲。每位被試在實驗后獲得25元報酬。

2.2 實驗設備

采用島津公司生產的LABNIRS功能性近紅外光譜成像儀(LABNIRS/16,Shimadzu Corporation,Kyoto,Japan),通過三波長(780 ± 5 nm、805 ± 5 nm、830 ±5 nm)的近紅外線半導體激光(被歸為 IED-60825-1標準下的 1M 級),根據(jù)修訂后的比爾-朗伯(吸收)定律(modified Beer-Lambert law,MBLL)得到探測區(qū)域下氧合血紅蛋白濃度(HbO)、脫氧血紅蛋白濃度(HbR)、總血紅蛋白濃度(HbT)的變化。采樣率設置為11 Hz。因HbO指標對任務刺激的變化更加敏感(Hoshi,Kobayashi,&Tamura,2001),所以著重分析HbO的變化。

2.3 材料

2.3.1 《運功想象問卷-修訂版》

《運功想象問卷-修訂版》(MIQ-RS)由7個視覺想象問題和7個動覺想象問題組成(Gregg et al.,2010)。采用7點評分,從1“非常困難”到7“非常容易”。使用該想象力問卷篩選出動覺想象平均難易程度大于 4“一般”的被試,參與正式實驗。分別有右利手、健康的15名男性志愿者和15名女性志愿者參加了正式實驗。表1是被試想象力的測試結果。

表1 想象力測試結果

結果顯示：男性的平均想象力得分為5.98,女性的平均想象力得分為 5.55,都處于 5“有些容易”到 6“容易”之間。經統(tǒng)計檢驗,男性、女性的動覺想象力無顯著差異,

t

(28)=1.61,

p

＞0.05。

2.3.2 自編《運動想象自評問卷》

《運動想象自評問卷》的目的在于被試完成運動想象任務后對其想象品質的評定。采用7點量表,被試從 1“無法想象”到 7“非常容易”;以及對不同強度運動想象任務間差異的評價,從 1“差異巨大”到7“沒有差異”。

2.4 實驗設計

本實驗采用 2任務類型(運動執(zhí)行任務,運動想象任務)×2運動強度(4磅,8磅/2磅,4磅)的被試內設計。已有研究發(fā)現(xiàn)運動疲勞時運動皮層內的氧合血紅蛋白濃度明顯下降(Shibuya &Tachi,2006;Shibuya &Kuboyama,2007)。Kuhtz-Buschbeck 等人(2008)發(fā)現(xiàn)較小強度的力量變化也能夠影響到主運動皮層的激活水平。所以為了排除疲勞的干擾,本研究采用平均最大握力的3.6%和7.2%的力量強度,即男性與之對應的重量約為4磅、8磅的啞鈴,女性與之對應的重量約為2磅、4磅的啞鈴。

2.5 實驗程序

在正式實驗之前,招募5名男性右利手健康被試,平均年齡24.3歲,平均握力42.7 kg。這些被試不再參與正式實驗。要求他們做6組啞鈴運動,每組啞鈴運動包括1次4磅啞鈴運動和1次8磅啞鈴運動,隨機呈現(xiàn)。被試要分別對做4組啞鈴運動和做6組啞鈴運動的意志疲勞程度進行評價(7點評分,1“無疲勞”,7“非常疲勞”)。結果顯示,被試做 4 組啞鈴運動的意志疲勞程度為 4.2,做 6組啞鈴運動的抑制疲勞程度為5.8。這說明4次4磅啞鈴運動和4次8磅啞鈴運動達不到運動疲勞狀態(tài)。

另外對于女性來說,為了控制被試不達到運動疲勞,同樣在正式實驗前招募5名女性右利手健康被試,平均年齡23.5歲,平均握力26.7 kg,不再參與正式實驗。除了將8磅啞鈴換成了2磅啞鈴外,其余同男性的實驗前操作。結果顯示,被試做4組啞鈴運動的意志疲勞程度為 4,做6組啞鈴運動的意志疲勞程度為 5.6。這說明4次2磅啞鈴運動和 4次4磅啞鈴運動達不到運動疲勞狀態(tài)。

正式實驗。為了避免視覺想象的干擾,運動指令以聲音的形式呈現(xiàn),被試閉眼執(zhí)行實驗任務。對于男性來說,運動執(zhí)行任務(motor execution,ME)包括4組啞鈴運動。聽到聲音“1”時,拿起4磅的啞鈴按照隨后呈現(xiàn)的節(jié)奏(1 Hz)進行鍛煉;聽到聲音“2”時,拿起8磅的啞鈴按照相同的節(jié)奏進行鍛煉,聲音“1”和聲音“2”隨機呈現(xiàn)。聽到聲音“嘟”時,放下啞鈴,全身放松休息,見圖1。右手完成運動執(zhí)行任務。

圖1 實驗流程圖

在運動想象任務中,聽到聲音“1”,想象拿起 4磅的啞鈴進行鍛煉;聽到聲音“2”,想象拿起8磅的啞鈴進行鍛煉;想象右手在做啞鈴運動。除了上述不一致外,其余都與運動執(zhí)行任務一樣。

為了使實驗被試獲得運動想象的標準,所有被試都先完成運動執(zhí)行任務,再進行運動想象任務。運動想象任務完成后,使用自編《運動想象自評問卷》,要求被試評價自己完成運動想象任務時的想象品質。

對于女性實驗被試來說,除了將8磅啞鈴換成2磅啞鈴之外,其余的實驗程序都同男性。

2.6 探頭布置

使用 4×7的多通道探頭架,包括 14個發(fā)射器和14個探測器,探頭間距為3cm,構成45個通道,覆蓋額葉-頂葉皮層。根據(jù)國際10-20系統(tǒng),將通道23定位于 Cz上(見圖2,其中紅色為發(fā)射探頭,藍色為接收探頭)。fNIRS測試后,使用 3D定位儀(FASTRAK,Polhemus,Colchester,VT,USA)確定Cz、Nz、AL、AR點及探頭位置。通過概率配準方法將 fNIRS通道位置與 MNI空間坐標進行配準,獲得與布魯?shù)侣謪^(qū)之間的對應關系。表2、表3列出的通道定位區(qū)域為該通道覆蓋概率最大的區(qū)域。本研究主要觀測區(qū)域為主運動皮層,但也給出了前運動皮層和輔助運動皮層、體感皮層和體感聯(lián)合皮層的對應關系,見圖3,其中綠色代表主運動皮層,紅色代表前運動皮層與輔助運動皮層,藍色代表體感皮層,黃色代表體感聯(lián)合皮層。定位結果如表2、表3所示。

2.7 數(shù)據(jù)分析

首先,在Matlab (v2014a)操作環(huán)境下使用NIRSSPM (Near infrared Spectroscopy-Statistical Parametric Mapping)軟件(v4.1) (Ye,Tak,Jang,Jung,&Jang,2009)分析fNIRS數(shù)據(jù)。先使用主成分分析方法(Principal Components Analysis,PCA) (Virtanen,Noponen,&Meril?inen,2009;Wilcox,Bortfeld,Woods,Wruck,&Boas,2008)去噪聲。主成分分析是一種簡化數(shù)據(jù)集的技術,應用正交變換將原始的數(shù)據(jù)集分解成N個相互無關聯(lián)的成分。因此可以通過 PCA過濾掉生理噪聲和運動偽跡。Cooper等(2012)敏感度分析結果顯示：PCA的閾限值百分數(shù)設置為97%時其去噪效果達最佳,故本研究將其設置為97%。

圖2 fNIRS通道布局

表2 通道布局與布魯?shù)侣謪^(qū)間的對應關系(男性)

表3 通道布局與布魯?shù)侣謪^(qū)間的對應關系(女性)

圖3 通道布局與主要觀測區(qū)域的對應關系

其次,根據(jù)血液動力響應函數(shù)(Haemodynamic Response Functions,HRF)和 Wavelet-MDL 方法(Jang et al.,2009)再次排除掉噪聲(頭動、心跳等)和漂移。Wavelet-MDL (Wavelet-minimum description length)分析是一種去除信號漂移的算法,校正因呼吸、被試運動、機器熱噪聲等引起的信號失真。通過小波變換將fNIRS測量值分解出整體趨勢、血液動力信號和無關噪聲成分。其中MDL原則有利于整體趨勢評估最優(yōu)模型的選擇,阻止過分擬合或擬合不足的現(xiàn)象發(fā)生。

再次,通過一般線性模型(General Linear Model,GLM)整合任務效應,用任務擬合參考波推斷參數(shù)估計(GLM模型中beta值的權重),precoloring方法調節(jié)此過程的時間自相關。最后,在 SPSS的基礎上根據(jù)實驗設計,分別對不同運動任務下獲得的beta值進行單樣本或配對樣本

t

檢驗。使用 FDR(false discovery rate)校正所有的

p

值,校正后

p

＜0.05為顯著(Singh &Dan,2006),對于沒有進行FDR校正的情況,會在結果中進行說明。

3 結果

3.1 運動想象自評問卷

在執(zhí)行完運動想象任務后,實驗被試填寫《運動想象自評問卷》。其中運動想象品質的評價從1“無法想象”到7“非常容易”;以及對不同強度運動想象任務間差異的評價,從 1“差異巨大”到 7“沒有差異”。

結果顯示,男性被試認為4磅和8磅啞鈴運動想象任務都能較容易的想象出來,評定分數(shù)分別為5.73 (

SD

＝0.80)和5.47 (

SD

＝1.36);在評定自己完成4磅與8磅啞鈴運動想象任務的想象差異時,都認為這兩種想象任務間存在中等以上程度的差異,評定分數(shù)為 3.40(

SD

＝1.30)。女生也能夠較容易地完成2磅和4磅啞鈴運動想象任務,評定分數(shù)分別為5.73 (

SD

＝0.70)和5.33 (

SD

＝1.23),兩者間差異的評定分數(shù)為3.60 (

SD

＝1.24)。這說明被試能夠想象出不同運動強度下的啞鈴運動。另外,對男性、女性在4磅啞鈴運動想象任務下的想象品質進行獨立樣本

t

檢驗,結果顯示男、女性的想象品質沒有顯著差異,

t

(28)=1.054,

p

＞0.05。

3.2 運動執(zhí)行任務

3.2.1 男性在運動執(zhí)行任務下的腦激活情況

對不同強度的運動執(zhí)行任務進行單樣本

t

檢驗,檢驗值為0。根據(jù)各通道的

t

值,繪制了熱點圖3。其中執(zhí)行 4磅啞鈴運動沒被顯著激活的通道包括ch8,ch10,ch11,ch21,ch24,ch33,ch35,ch40,ch41、ch42、ch43,其余通道都被顯著激活,見圖4(a);執(zhí)行8磅啞鈴運動沒被顯著激活的通道有ch35、ch41、ch43,其余通道都被顯著激活,見圖4(b)。這說明4磅啞鈴運動與 8磅啞鈴運動的激活模式基本相同,都激活了主運動皮層、前運動皮層與輔助運動皮層、體感皮層、體感聯(lián)合皮層。對運動執(zhí)行任務下8磅與4磅啞鈴運動各通道的beta值進行配對樣本

t

檢驗,這兩種運動強度下不存在顯著差異的通道包括：ch4,ch5,ch9,ch10,ch11,ch16,ch24,ch35,ch41,ch42,ch43,其余通道都顯著激活。結果見圖4(c)。

圖4 運動執(zhí)行任務下大腦各通道激活t值熱量圖(男性)

結果顯示,8磅啞鈴運動在相關運動皮層上的激活水平顯著高于4磅啞鈴運動。這說明運動強度影響運動區(qū)域的激活水平。

3.2.2 女性在運動執(zhí)行任務下的腦激活情況

對運動執(zhí)行任務下2和4磅啞鈴運動進行單樣本

t

檢驗,大腦各通道激活

t

值見圖5。其中執(zhí)行2磅啞鈴運動沒有顯著激活的通道包括ch8,ch9,ch10,ch12,ch16,ch21,ch22,ch24,ch25,其余通道都被顯著激活,見圖5(a);執(zhí)行4磅啞鈴運動沒有顯著激活的通道包括 ch9,ch10,ch11,ch12,ch16,ch22,ch24,ch42,其余通道都被顯著激活見圖5(b)。結果顯示：2磅啞鈴運動與4磅啞鈴運動的激活模式類似,也都激活了主運動皮層、前運動皮層與輔助運動皮層、體感皮層、體感聯(lián)合皮層。對不同強度運動執(zhí)行任務下各通道的 beta值進行配對樣本

t

檢驗,執(zhí)行4磅與2磅啞鈴運動各通道差異不顯著;不進行校正時,存在顯著差異的通道包括：ch1,ch2,ch4,ch5,ch7,ch8,ch14,ch17,ch18,ch19,ch21,ch26,ch29,ch30,ch31,ch33,ch34,ch36,ch40,ch41,ch44,見圖5(c)。這說明4磅啞鈴運動的皮層激活水平高于2磅啞鈴運動,運動強度也同樣影響運動執(zhí)行任務下女性大腦觀測皮層的激活水平,但這一結果存在一定的假陽性。

圖5 運動執(zhí)行任務下大腦各通道激活t值熱量圖(女性)

3.3 運動想象任務

3.3.1 男性在運動想象任務下的腦激活情況

同樣,對運動想象任務中的4磅和8磅啞鈴運動想象分別進行單樣本

t

檢驗和配對樣本

t

檢驗(圖6)。

圖6 運動想象任務下大腦各通道激活t值熱量圖(男性)

結果顯示,4磅啞鈴運動想象任務顯著激活的通道包括：ch3,ch15,ch17,ch23,ch28,ch30,ch36。說明4磅啞鈴運動想象任務激活了主運動皮層、前運動皮層與輔助運動皮層,但不進行 FDR校正時,4磅啞鈴運動想象任務也會激活這4個觀測區(qū)域。8磅啞鈴運動想象任務顯著激活的通道包括：ch3,ch7,ch11,ch15,ch16,ch17,ch18,ch20,ch23,ch27,ch28,ch30,ch32,ch33,ch36,ch37,ch38,ch39,ch40,ch43,ch44,ch45。表明8磅啞鈴運動想象也激活主運動皮層、前運動皮層與輔助運動皮層、體感皮層、體感聯(lián)合皮層。對8磅和4磅啞鈴運動想象任務進行配對樣本

t

檢驗,發(fā)現(xiàn)通道間差異不顯著,即這兩種任務下大腦皮層的激活水平無顯著差異。想象強度的改變沒有影響到運動想象任務下男性大腦皮層的激活水平。

3.3.2 女性在運動想象任務下的腦激活情況

對女性在不同強度的想象任務下各通道的beta值進行

t

檢驗,發(fā)現(xiàn)2磅啞鈴運動想象任務沒有顯著激活的通道包括：ch8,ch10,ch12,ch17,ch21,ch22,ch24,ch34,ch42,其余通道都被顯著激活;4磅啞鈴運動想象任務沒有顯著激活的通道包括：ch8,ch10,ch21,ch24,ch25,ch26,ch31,ch34,ch35,ch42,其余通道都被顯著激活。這表明2磅啞鈴運動想象與4磅啞鈴運動想象皮層激活模式相似,都激活了4個觀測皮層。對4磅和2磅啞鈴運動想象任務進行配對樣本

t

檢驗,同樣發(fā)現(xiàn)不同強度運動想象任務下的皮層激活水平無顯著差異。詳見圖7。

圖7 運動想象任務下大腦各通道激活t值熱量圖(女性)

3.4 運動執(zhí)行與運動想象皮層激活模式的比較

3.4.1 男生在運動執(zhí)行任務與運動想象任務下的腦激活模式比較

對4磅啞鈴運動與4磅啞鈴運動想象和8磅啞鈴運動與8磅啞鈴運動想象進行配對樣本

t

檢驗。結果顯示在執(zhí)行4磅啞鈴運動與運動想象任務下差異不顯著的通道包括：ch10,ch22,ch24,ch41,ch42,ch43,其余通道都顯著;在執(zhí)行 8磅啞鈴運動與運動想象任務下差異不顯著的通道包括：ch22,ch24,ch35,ch41,ch42,ch43,同樣其余通道都顯著,詳見圖8?？梢?無論運動強度如何變化,運動執(zhí)行任務下觀測皮層內相關通道的激活水平顯著高于運動想象任務下相關通道的激活水平。

3.4.2 女生在運動執(zhí)行任務與運動想象任務下的腦激活模式比較

對2磅啞鈴運動與2磅啞鈴運動想象和4磅啞鈴運動與4磅啞鈴運動想象進行配對樣本

t

檢驗。結果顯示在2磅啞鈴運動與運動想象任務下差異顯著的通道包括：ch7,ch13,ch14,ch15,ch20,ch27,ch28,ch40;在 4磅啞鈴運動與運動想象任務下差異顯著的通道包括：ch1,ch3,ch4,ch5,ch6,ch7,ch13,ch14,ch15,ch18,ch20,ch23,ch26,ch27,ch28,ch29,ch33,ch34,ch35,ch36,ch39,ch40,ch41,ch43,ch44,ch45。詳見圖9。這表明,對于女生來說,運動執(zhí)行任務的腦激活水平顯著高于運動想象任務。

3.5 男、女性在運動執(zhí)行與運動想象任務下激活優(yōu)勢腦的分析

本研究對左右腦通道下的 beta值進行配對樣本

t

檢驗,以比較男女性在4磅啞鈴運動與運動想象下左右腦的激活情況。詳見表4。

圖8 運動執(zhí)行任務與運動想象任務各通道激活水平的比較(男性)

圖9 運動執(zhí)行任務與運動想象任務各通道激活水平的比較(女性)

表4 男、女性在不同任務下左右腦通道差異的比較：t(dcohen)

結果發(fā)現(xiàn),男性被試在4磅啞鈴運動下左右半球差異顯著的通道所對應的皮層包括左側的體感皮層、主運動皮層、輔助運動皮層和前運動皮層,左半球的激活水平強于右半球;女性被試在4磅啞鈴運動下左右半球差異顯著的區(qū)域包括左側的體感皮層、體感聯(lián)合皮層、主運動皮層、輔助運動皮層和前運動皮層、緣上回、角回,同樣左腦的激活水平高于右腦?？梢?男性、女性在同等重量的運動執(zhí)行任務下左半球皮層的激活情況高于右半球,其中男性主要集中在運動皮層,而女性表現(xiàn)的更為寬泛。男性和女性在4磅啞鈴運動想象任務下左右半球間各通道差異不顯著,這說明無論被試是男性還是女性,在運動想象任務下左半球皮層激活情況與右半球皮層激活情況相似,不存在優(yōu)勢腦。

4 討論

本研究發(fā)現(xiàn)運動執(zhí)行與運動想象都激活了主運動皮層;除了男性在想象舉4磅啞鈴任務下僅激活主運動皮層、前運動皮層和輔助運動皮層外,其余無論男性還是女性在運動執(zhí)行與運動想象任務下都激活了這4個探測皮層,且運動執(zhí)行的激活水平強于運動想象。從整體趨勢上來看,運動強度影響運動執(zhí)行任務相關運動區(qū)域的激活水平,即運動強度越強,激活水平越高;在運動想象任務下,不同強度的運動想象任務間大腦皮層激活水平無顯著差異。另外男性和女性在運動執(zhí)行任務中的左半球皮層的激活水平都高于右半球皮層,而在運動想象任務中沒有表現(xiàn)出這一單側化現(xiàn)象。

4.1 運動執(zhí)行與運動想象的大腦皮層激活

早期觀點認為運動系統(tǒng)具有一定的等級,根據(jù)不同大腦區(qū)域的運動控制功能來說可以分成兩部分：運動計劃(前運動中心)和傳送運動指令到效應器的運動中心。前運動中心主要包括一些皮層區(qū)域,即輔助運動皮層、前運動皮層、扣帶運動區(qū)域(Jones,Burton,&Porter,1975),和一些皮層下結構,例如紋狀體、小腦等(Yamamoto,Samejima,&Oka,1990)。運動中心主要指的是主運動皮層。前運動中心將運動執(zhí)行指令發(fā)送給主運動皮層。主運動皮層的傳入信息在中央前回的細胞層中進行整合,調節(jié)該區(qū)域的加熱速度(Yamamoto et al.,1990),繼而將運動指令傳出到機體肌肉(Georgopoulos,Ashe,Smyrnis,&Taira,1992)。即主運動區(qū)的功能在于給效應器傳遞運動指令,更多表現(xiàn)在運動執(zhí)行上。這一觀點得到部分研究的支持(Binkofski et al.,2000;Hanakawa et al.,2003)。

然而,本研究在運動執(zhí)行任務和運動想象任務時都發(fā)現(xiàn)了主運動區(qū)的激活,與一些研究結果相一致(Gao,Duan,&Chen,2011;Leonardo et al.,1995;Lotze et al.,1999;Nair,Purcott,Fuchs,Steinberg,&Kelso,2003)。Jones 等(1975)和 Donoghue,Leibovic和Sanes (1992)還發(fā)現(xiàn)中央前回與前運動中心的皮層或皮層下結構存在復雜的傳入-傳出關系。這些研究使傳統(tǒng)觀點面臨巨大的挑戰(zhàn)。

研究者們對主運動皮層(BA4)進行了細分,分成了兩部分。接近前運動皮層與輔助運動皮層(BA6)的部分為 BA4a區(qū),是運動想象主要激活的位置;后面部分為BA4p區(qū),與純粹的運動執(zhí)行關系密切(Stippich,Ochmann,&Sartor,2002)。換句話說,無論主運動皮層怎樣劃分,其功能也不僅僅局限于運動執(zhí)行上,主運動皮層還具有運動計劃、運動控制的功能。

運動執(zhí)行與運動想象也激活了輔助運動皮層(SMA)、前運動皮層(PMC)、體感聯(lián)合皮層等區(qū)域。研究者們(Stephan et al.,1995)認為輔助運動皮層與前運動皮層在運動想象中起關鍵作用,因為輔助運動皮層與運動計劃有關。想象任務的類型與前運動皮層的激活位置有關,Binkofski等(2000)發(fā)現(xiàn)視覺想象激活腹側前運動皮層,動覺想象激活背側前運動皮層。Wolbers等(2003)發(fā)現(xiàn)體感聯(lián)合皮層與運動軌跡有關,本研究的實驗任務是舉啞鈴,存在空間上的移動。雖然各個區(qū)域都具有一定的功能作用,但具體、清晰的內部功能聯(lián)接還需要繼續(xù)挖掘。

4.2 運動執(zhí)行與運動想象大腦皮層的激活水平

本研究發(fā)現(xiàn),不同強度的運動執(zhí)行任務下主運動皮層的激活水平不同,運動強度越大,激活水平越高;然而,運動想象任務沒有因運動想象強度的變化而影響皮層激活水平。原因可能是主運動皮層激活水平的變化是由體覺信息傳入引起的。運動執(zhí)行與運動想象最主要的差異就是一個存在、一個不存在肌肉收縮。在肌肉收縮的這個過程中,主運動皮層向運動神經元與體感皮層傳遞運動指令,使體感皮層接受從肌梭和皮膚感受器上傳入的反饋信號。在本研究中想象強度與皮層激活水平之間關系不顯著,可能就是由于缺少外周反應的傳入信息導致的(Mizuguchi et al.,2014)。

然而,近期 Mizuguchi,Umehara,Nakata和Kanosue (2013)的研究發(fā)現(xiàn)右手想象力量的加強伴隨著左半球皮層脊髓束興奮性的增強。這說明左側主運動皮層與想象強度是存在一定關聯(lián)的。但在Mizuguchi 等(2014)探討前運動-頂葉區(qū)域與想象強度水平間關系時,沒有發(fā)現(xiàn)顯著的主運動皮層激活。本研究在已控制了相關影響變量(例如被試想象力、任務類型等)后,雖發(fā)現(xiàn)運動想象任務都能夠激活主運動皮層,但想象強度不影響運動想象任務下主運動皮層的激活水平。

4.3 研究局限與展望

我們推測運動強度不影響主運動皮層激活水平的原因可能是這兩種運動想象任務間的想象強度差異不夠大。在《運動想象自評問卷》中被試認為這兩種強度的運動想象存在中等以上程度的差異,如果我們增加想象強度的差異程度,是否能夠引起主運動皮層的活動變化？這是我們進一步想要探索的。本研究的另一個局限是：固定的任務執(zhí)行順序,即先執(zhí)行運動執(zhí)行任務,再執(zhí)行運動想象任務,沒有對實驗順序效應進行抵消平衡。我們也將會在今后研究中對這一局限進行修正。

此外,越來越多的研究者證明了基于fNIRS的神經反饋訓練能夠調節(jié)運動想象水平(Chiew,LaConte,&Graham,2012;Johnson et al.,2012;Kanoh,Susila,Miyamoto,Yoshinobu,&Kawashima,2011;Mihara et al.,2012)。在接下來的工作中,我們將會通過神經反饋技術訓練被試對不同強度的運動想象任務的執(zhí)行控制力,以期更為客觀的探究想象強度對相關皮層的影響作用。也會為神經修復領域帶來一定的實證價值。

5 結論

運動執(zhí)行與運動想象都顯著激活主運動皮層。另外,運動強度影響運動執(zhí)行任務下主運動皮層的激活水平;運動想象任務下主運動皮層的激活情況不受想象強度的調節(jié)。

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