运动性肌肉疲劳的主动肌拮抗肌肌电与脑电关联研究

论文摘要

研究目的主动肌与拮抗肌的协同收缩是实现人体运动中肢体协调的最重要生理过程之一，目前对运动性肌肉疲劳中主动肌与拮抗肌活动及其中枢调控等问题的认识存在争议。本研究的主要目的是了解静态负荷诱发主动肌疲劳对主动肌、拮抗肌表面肌电信号（sEMG）与脑电信号（EEG）时、频、相位关联关系的影响作用及拮抗肌疲劳对肌肉收缩中主动肌、拮抗肌活动及共神经输入的影响作用，探索静态负荷诱发肌肉疲劳的主动肌、拮抗肌功能联系和中枢控制关系，并从生物电信号关联角度印证拮抗肌中枢神经系统支配的“共驱动”或“异驱动”理论。研究方法以15名男性青年志愿者为研究对象，记录受试者以20%MVC（最大自主收缩力,Maximal Voluntary Contraction）和60%MVC静态屈肘诱发屈肘肌疲劳过程中肱桡肌、肱二头肌、肱三头肌的sEMG和EEG。此外，分别测试屈肘肌疲劳前、后伸肘肌收缩中测试肌肉sEMG和EEG。通过观察疲劳负荷实验前、后半段主动肌、拮抗肌sEMG与EEG之间的时域互相关关系、相位同步关系、频率一致性关系，了解运动性肌肉疲劳对主动肌与拮抗肌中枢神经系统共神经输入同步支配的影响作用及主动肌、拮抗肌与运动皮层中枢的耦合关系；对比分析屈肘肌疲劳前、后伸肘肌收缩过程中sEMG、EEG指标的差异，了解拮抗肌疲劳对肌肉收缩中主动肌、拮抗肌活动及共神经输入的影响作用。研究结果（1）两种负荷静态屈肘疲劳负荷实验中，不同脑区运动后半段内肱桡肌、肱二头肌、肱三头肌sEMG及EEG能量在Theta、Alpha、Beta频段内的值相对于运动前半段皆出现显著性的增加，其中sEMG及EEG在Beta频段内能量的平均值及能量相对值皆出现显著性的增加。（2）在20%MVC静态屈肘疲劳负荷中，运动后半段肱桡肌、肱二头肌、肱三头肌sEMG与左脑区导联记录EEG信号在Alpha频段内的相干函数值要明显大于运动前半段。（3）在20%MVC静态屈肘疲劳负荷实验后半段肱桡肌sEMG与EEG在beta频段，肱二头肌sEMG与EEG在Theta和Alpha频段，肱三头肌sEMG与Theta、Alpha、gamma频段内的相位同步指数显著高于运动前半段，在60%MVC疲劳负荷实验中肱桡肌sEMG与EEG在Gamma频段、肱二头肌sEMG与EEG在Theta频段，肱三头肌sEMG与EEG在Theta、Beta和Gamma频段内的相位同步指数显著高于运动前半段。（4）在20%MVC静态屈肘疲劳负荷实验后半段测试肌肉在Alpha和Beta频段内的相位同步指数较运动前半段都有显著性的增加，在60%MVC静态屈肘疲劳负荷实验后半段肱二头肌-肱三头肌在Theta、Alpha和Gamma频段，肱桡肌-肱二头肌、肱桡肌-肱三头肌sEMG在Beta频段内的相位同步指数较运动前半段显著性增加。（5）20%MVC静态屈肘疲劳负荷运动的运动后半段，肱桡肌-肱二头肌sEMG相干函数在Beta频段内的值和肱二头肌-肱三头肌、肱桡肌-肱三头肌sEMG相干函数在Beta频段和Gamma频段内的值具有显著性的差异，运动后半段相干函数在Beta频段和Gamma频段内的值明显大于运动前半段。在60%MVC静态屈肘疲劳负荷运动后半段记录肱二头肌-肱三头肌sEMG相干函数在Beta频段内的值显著大于运动前半段。（6）以20%MVC静态收缩诱发屈肘肌疲劳后进行的静态伸肘运动，记录肱桡肌、肱二头肌、肱三头肌sEMG相互之间的相干函数值在beta频段的值较屈肘肌疲劳前显著减小，肱三头肌sEMG指标C（n）较屈肘肌疲劳前显著减小。研究结论（1）运动性肌肉疲劳引起主动肌-主动肌、主动肌-拮抗肌协同收缩时的频率、相位关系和运动皮层与主动肌、拮抗肌的耦合度产生一致性的改变，印证了拮抗肌活动控制的“共驱动”理论。（2）运动性肌肉疲劳引起运动皮层细胞活动数量和主动肌、拮抗肌运动单位募集数量增加，并引起运动皮层与主动肌、拮抗肌之间的协同增加。在维持关节稳定性的同时维持既定收缩负荷，疲劳后中枢神经系统控制协同收缩肌肉，特别是控制主动肌与拮抗肌以更加同步的方式活动。（3）拮抗肌疲劳引起运动皮层对主动肌-拮抗肌共神经输入（common neuralinputs）支配减小，中枢神经系统控制主动肌与拮抗肌同步活动的程度下降。这可能是由拮抗肌疲劳引起主动肌与拮抗肌外周收缩能力及中枢激活能力改变的不同步性、控制主动肌与拮抗肌皮层脊髓神经元之间的相互作用、中枢神经系统为补偿由拮抗肌疲劳带来的关节稳定性下降而对主动肌与拮抗肌运动单位募集采取不同的调节方式等造成的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要缩略词及中英文对照
• 目录
• 1 前言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 研究思路与技术路线
• 1.4 研究假设
• 2 文献综述
• 2.1 主动肌、拮抗肌协同收缩的联系
• 2.1.1 脊髓神经元回路在主动肌与拮抗肌协同收缩中的作用
• 2.1.2 交互激活与共激活
• 2.1.3 共驱动与异驱动
• 2.2 运动性肌肉疲劳的中枢与外周变化及其联系
• 2.2.1 运动性肌肉疲劳的外周改变
• 2.2.2 运动性肌肉疲劳的脊髓运动神经元与运动皮层活动变化
• 2.2.3 运动性肌肉疲劳引起运动本体感觉变化
• 2.3 运动性肌肉疲劳诱发拮抗肌活动变化的特征
• 2.3.1 运动性肌肉疲劳的拮抗肌 sEMG 活动特征
• 2.3.2 拮抗肌支配神经传导通路的兴奋性
• 2.3.3 疲劳负荷运动后拮抗肌疲劳状况
• 2.3.4 主动肌、拮抗肌疲劳状况对肌肉收缩特性的影响
• 2.4 肌电与脑电信号在运动控制研究中的应用
• 2.4.1 人体运动控制相关表面肌电信号特征
• 2.4.2 人体运动控制相关脑电信号特征
• 2.4.3 脑电与肌电协同分析方法及其在运动控制研究中的应用
• 2.4.3.1 观察脑电与肌电指标同步变化特征
• 2.4.3.2 相干性分析及其应用
• 2.4.3.3 相位同步分析及其应用
• 2.4.3.4 互相关分析及其应用
• 2.5 文献总结
• 3 研究对象与方法
• 3.1 研究对象
• 3.2 实验仪器及材料
• 3.3 实验程序
• 3.3.1 实验总体流程
• 3.3.2 MVC 测试
• 3.3.3 表面肌电信号采集
• 3.3.4 脑电信号采集
• 3.4 数据处理
• 3.4.1 脑电信号、表面肌电信号预处理
• 3.4.1.1 脑电信号预处理
• 3.4.1.2 肌电信号预处理
• 3.4.2 屈肘疲劳负荷实验中的 sEMG、EEG 处理
• 3.4.2.1 计算 sEMG 的 RMS、MF、MPF、C（n）、共激活比率等指标
• 3.4.2.2 运动前、后半段 sEMG、EEG 的功率谱分析
• 3.4.2.3 运动前、后半段 sEMG、EEG 的互相关分析
• 3.4.2.4 运动前、后半段 sEMG、EEG 相干性分析
• 3.4.2.5 运动前、后半段 sEMG、EEG 相位同步分析
• 3.4.3 屈肘疲劳负荷实验前、后伸肘运动中 sEMG、EEG 处理
• 3.4.3.1 计算 sEMG 时、频、非线性指标
• 3.4.3.2 屈肘肌疲劳前、后伸肘运动中 sEMG 相干性分析
• 3.5 数据统计分析
• 4 研究结果
• 4.1 受试者疲劳负荷实验运动持续时间相关指标
• 4.2 疲劳负荷实验中主动肌、拮抗肌 sEMG 指标变化
• 4.2.1 20%MVC 屈肘疲劳实验 sEMG 指标变化
• 4.2.2 60%MVC 疲劳负荷实验中 sEMG 指标变化
• 4.3 屈肘疲劳负荷实验前、后半段 sEMG、EEG 功率谱特征
• 4.4 疲劳负荷实验前、后半段主动肌、拮抗肌 sEMG 与 EEG 协同变化特征
• 4.4.1 主动肌、拮抗肌 sEMG 与 EEG 的时域互相关分析
• 4.4.2 疲劳负荷实验前、后半段 sEMG、EEG 相干性分析
• 4.4.2.1 运动前、后半段 sEMG 相干函数均值随频率的变化情况
• 4.4.2.2 运动前、后半段 sEMG 相干函数在不同频段内最大值所处的频率 ...63
• 4.4.2.3 运动前、后半段 sEMG 相干函数在不同频段内的值
• 4.4.2.4 运动前、后半段 sEMG、EEG 相干函数在不同频段内的值
• 4.4.3 运动前、后半段测试肌肉 sEMG 与 EEG 相位同步分析
• 4.4.3.1 运动前、后半段 sEMG、EEG 相位同步指数的对比分析
• 4.4.3.2 疲劳前、后测试肌肉 sEMG 相位同步指数的对比分析
• 4.5 屈肘肌疲劳对伸肘肌收缩中 sEMG 指标及频率一致性的影响
• 4.5.1 屈肘肌疲劳对伸肘肌收缩中 sEMG 相关指标的影响
• 4.5.2 屈肘肌疲劳对伸肘肌收缩中 sEMG 频率一致性的影响
• 5 分析与讨论
• 5.1 实验设计方案及数据分析方法选择的有效性探讨
• 5.1.1 实验设计方案的考虑因素及有效性探讨
• 5.1.2 数据分析方法选择的依据及适用性探讨
• 5.2 屈肘疲劳实验中主动肌、拮抗肌 sEMG 指标随运动时间的变化特征
• 5.2.1 主动肌 sEMG 指标随运动时间的变化特征
• 5.2.2 拮抗肌 sEMG 指标随运动时间的变化特征
• 5.3 运动性肌肉疲劳对主动肌、拮抗肌、运动皮层活动关联的影响
• 5.3.1 运动性肌肉疲劳对外周肌肉活动的关联影响
• 5.3.1.1 运动性肌肉疲劳对主动肌、拮抗肌 sEMG 互相关分析结果的影响
• 5.3.1.2 运动性肌肉疲劳对主动肌、拮抗肌 sEMG 相干性分析结果的影响
• 5.3.1.3 疲劳对主动肌、拮抗肌 sEMG 相位同步分析结果的影响
• 5.3.2 运动性肌肉疲劳对外周肌肉与运动皮层活动的关联影响
• 5.3.2.1 疲劳对主动肌、拮抗肌 sEMG 与 EEG 功率谱能量的影响
• 5.3.2.2 疲劳对主动肌、拮抗肌 sEMG 与 EEG 相干性分析结果的影响
• 5.3.2.3 疲劳对主动肌、拮抗肌 sEMG 与 EEG 相位同步分析结果的影响
• 5.4 拮抗肌疲劳对主动肌拮抗肌疲劳、运动皮层活动关联的影响
• 5.4.1 拮抗肌疲劳对主动肌、拮抗肌 sEMG 指标的影响
• 5.4.2 拮抗肌疲劳对主动肌、拮抗肌 sEMG 频率一致性的影响
• 5.5 总结
• 6 结论
• 7 创新点
• 8 研究不足与展望
• 8.1 研究不足
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附件 1
• 附件 2
• 附件 3