编者按：本文选自《中国医学气功学会气功医疗专业委员会2024学术年会论文集》，由上海中医药大学附属普陀医院胡凡等撰写。该文借助功能性近红外成像，探究改良八段锦干预脑卒中患者的皮层响应特征，揭示功法康复脑机制，为卒中上肢康复与中医功法现代化研究提供新思路。

改良八段锦激活脑卒中患者大脑皮层响应特征的分析研究

胡凡¹ 张光沪² 朱光跃² 许东升²

（1上海中医药大学附属普陀医院 2上海中医药大学）

摘要：目的：本研究希望借助功能性近红外成像技术，从大脑皮质激活和脑功能连接变化的角度，探索并分析改良八段锦激活脑卒中患者上肢功能的大脑皮层响应特征规律，并通过对健康人的对比，找到其与上肢运动功能和协调性相关的核心脑区，为下一步神经调控介入提供依据。方法：选取上肢具有运动功能障碍的卒中患者（CVA组）21名与健康对照（HC组）19名，对两组分别进行静息态和改良八段锦任务的近红外检测，并使用量表评估卒中患者的上肢运动功能，协调性，日常生活参与。结果：1）脑激活同源通道对比中：两组在改良八段锦任务中均出现了全脑各通道（CH1-CH38）的显著激活（p＜0.05）；且静息态中CVA组双侧pFC激活显著高于HC组（p＜0.05）；任务态中CVA组患侧PFC、PMC，健侧S1激活显著高于HC组（p＜0.05）。2）脑激活左右通道对比中：静息态HC组左M1激活显著高于右侧；任务态HC组左M1、SMA激活显著高于右侧，右S1、PFC激活显著高于左侧（p＜0.05）。3）脑功能连接对比中：HC组在任务态出现了跨脑区的多处功能连接下降，而CVA组下降通道较少，主要为健侧M1-患侧M1、健侧M1-健侧SFC（p＜0.05）。4）不同运动模式的对比中：非对称动作功能连接显著大于对称运动（整体连通成分p=0.037）。但CVA组内两种运动模式并无显著差异。5）相关性分析中，CVA组中双侧PFC中的皮质激活幅度与FMA-UE、MBI、CHAIH-9呈正相关（ρ＞0.4,p＜0.05），健侧SMA皮质激活幅度与CHAIH-9呈正相关（ρ=0.43,p＜0.05）。6）CVA组的格兰杰因果分析中，在任务态和静息态比较中，发现患侧DLPFC与健侧M1、患侧LOC、患侧S1之间存在因果关系（p＜0.05）。结论：改良八段锦可有效增加脑皮质激活，提升了全脑的血液与氧气供应，为大脑功能恢复提供物质基础。卒中患者与健康人相比皮层激活缺乏明显偏侧化，功能连接保持较高水平，是脑网络异常的一种表现。不同运动模式会导致大脑出现不同的脑网络连接模式。双侧PFC、健侧SMA激活幅度与上肢运动能力、协调性、日常生活参与量表呈现显著相关性。额顶网络的激活在卒中后期上肢运动网络重组中可能起到积极作用。功能性近红外成像有望成为一种中医功法检测的有效技术手段。

关键词：功能性近红外成像技术；脑卒中；改良八段锦；上肢功能。

脑卒中为我国最常见的脑血管疾病之一，至2019年，我国40岁及以上人群现患和曾有脑卒中人数约为1704万^[1]，成为我国成年人出现残疾的首要原因。我国永久性功能障碍分级标准中，上肢功能占全身功能的60%，在日常生活开展中占到举足轻重的地位。而80%的脑卒中患者群体均会出现肢体功能障碍，而且在发病6个月之后，超60%患者仍然遗留有上肢或手功能障碍^[2-3]，即使处于康复后期，上肢及手功能障碍依然严重影响患者的活动和参与，使其无法独立回归社会，导致生活质量低下^[4]。有研究表明，现有的临床治疗对于卒中后的上肢障碍效果并不理想，即便是经康复治疗后，仅有5%的患者恢复了较为完整的上肢功能^[5]。所以，在目前的康复治疗现状中，脑卒中的上肢康复依然是重点与难点。即使对于部分恢复较好的脑卒中患者来说，依然会留存双上肢协调较差、活动参与度较低、难以完成复杂动作等功能障碍，成为挡在康复路上的“最后一座高山”。

针对现代医学与祖国医学对于卒中后肢体障碍的认知，越来越多的中医功法被应用于卒中后的康复，八段锦就是其中的一种。八段锦属于我国古代导引法之一，由八节动作组成，是一种将呼吸和身体运动相结合的健身方法。近年来，八段锦运动逐渐在脑卒中的预防和康复中广泛应用。本研究希望借助功能性近红外成像技术，从大脑皮质激活和脑功能连接变化的角度，探索并分析改良八段锦激活脑卒中患者上肢功能的大脑皮层响应特征规律，并通过对健康人的对比，找到其与上肢运动功能和协调性相关的核心脑区，为下一步神经调控介入提供依据。

1方法

本研究为单中心研究，中心为上海中医药大学附属普陀医院。基于先前研究卒中患者功能网络模式的fNIRS研究进行样本量计算^[6-8]，共招募受试者41人（其中脑卒中患者21人、健康受试者20人、健康人1人不符合要求）。在测试过程中1人健康受试者因为探头信号不良导致近红外数据不理想而脱落，最后共计入组受试者40人（其中脑卒中患者21人、健康受试者19人）。入组人员各项数据均清晰、完好。近红外实验为上肢运动任务，共36分钟，受试者需在近红外脑功能成像的采集过程中分为静息态任务和改良八段锦任务两个部分。

实验开始之前先由研究者对受试者进行讲解实验内容，受试者首先通过图片了解改良八段锦。同时完成基本信息登记，包括受试者的性别、年龄、受教育程度、认知功能测试（MMSE）。

脑卒中组受试者将额外登记病程时间、大脑受损位置、完成上肢运动功能测试（FMA-UE）。同时确认两组受试者符合纳入要求并同时确认其在接受测试前12小时内未摄入茶叶、咖啡、酒精等容易造成神经兴奋或抑制的食物，并且未进行跑步、攀登等剧烈运动。包含量表测试的总体时长为60分钟左右。

在任务开始前，评估者为受试者佩戴光极帽进行采集，通过皮尺测量定位，将光极帽正中点对准受试者两耳前连线与鼻根－枕后隆突交点（Cz点）。通过拨开各光极下头发遮挡，保证所有通道信号良好，随后进行预采集，待信号稳定后开始试验。受试者佩戴采集设备后，被要求坐在椅子上休息1分钟以消除之前其他活动引起的血流动力学反应。

第一部分静息态任务：开始进行静息状态测试。受试者被要求坐下后保持清醒，目视前方，自然呼吸，不可说话或者进行肢体活动，尽力而为保持舒适、固定的坐姿不动，尽量不要积极进行性思维活动。测试持续时间是12分钟。第一个任务完成后，参与者需要休息1分钟。

第二部分改良八段锦任务。再次进行预采集，确保各通道信号良好。受试者保持坐姿，目视屏幕，跟随国家体育总局版《八段锦口令版》视频中模仿完成一套完整的改良八段锦，为减少对于近红外信号的干扰，仅进行上肢与躯干动作的完成。练习时长为12分钟。

完成八段锦功能性近红外光谱成像数据采集之后，受试者休息10分钟。然后还需要对脑卒中组受试者完成双侧上肢协调性测试CAHAI-9测试香港版（CAHAI-9HK）、日常生活能力评价改良巴氏指数（MBI）、徒手肌力测试（MMT）、改良Ashworth肌张力评分（MAS）。

图1-1近红外下完成改良八段锦示意图

图1-2本研究实验流程图

在之前的多项使用功能性近红外光谱技术进行大脑数据采集的研究中，已经阐述了多种数据预处理的方法^[9-11]。本研究以氧合血红蛋白（OxyHb）为主要结局指标。使用NirSpark、GraphPadPrism、SPSS22.0等软件进行数据分析。分析步骤包括：（1）检测原始数据，删除光强过饱和的通道；（2）计算采集到的光强信号，得到光密度信号的变化值；（3）使用巴特沃斯带通滤波器（0.005–2Hz）过滤波频来消除系统和生理噪声（如呼吸、心跳以及不可避免的无意识言语、咳嗽等）以及基线漂移等情况；（4）通过修正的Beer-Lambert定律将光密度信号转换成反映血红蛋白浓度变化图像^[12]。通过信号预处理之后，可以有效消除异常数据对于实验最终结果的干扰。同时为了进一步分析八段锦不同动作的之间的区别，将其按照口令时间进行拆分。拆分时将，按照口令时间（即每节动作口令开始为节点），依照fNIRs对动作的表现特点，将时间段延后5秒进行分析^[13]。

本实验中，大脑皮质区域获得的近红外信号，主要反映自发皮质活动区域的血流动力学波动。由于静息态和八段锦状态的数据需要进行对比，而这两类血流动力学信号在时间和频率上具有显著不同的特征。传统的傅里叶变换善于分析平稳数据，对此类数据分析并不敏感^[14]。因此，必须考虑使用时－频域的分析方法。

在皮层激活方面，小波变换可以将非平稳血氧信号（例如改良八段锦时的氧信号）从时域变换到频域，并且可以通过使用可调节的滤波器带长度来提供适当的时间和频率分辨率。本研究中使用小波变换进行分析，选择Morlet小波作为母小波，进行连续小波变换^[15-17]。将变换后的数值并在时域内进行平均，获得小波幅值（wavelet amplitude，WA)。每个通道的小波幅值可以描述一段时间内该测量区域的皮层激活状态。

在时－频域的分析中，小波相位相干性（Wavelet Phase Coherence，WPCO）通过两组独立信号之间相位数据是否存在局部相移行为来判断两者间的相关性，可以通过定量方式来解释在同一时间段内的两组数据是否存在关联性^[18]。目前，该计算方法被广泛应用于fNIRS分析中，并被用来计算脑区间功能连接^[19-20]。

通过函数计算，获得WPCO值，该值在0-1之间。WPCO值越接近“1”表示两个通道间的信号关联性越高，可以认为其功能连接更多。此外，本研究采用调幅傅里叶变换（amplitude adjusted Fourier transform,AAFT）来研究两个通道信号之间WPCO值的差异显著性。使用原始时间序列的关键特征（包括均值、方差和分布）生成100个不保留任何相位关系的替代信号。然后计算100个替代信号的WPCO平均值，并采用FDR矫正。当两个通道信号的WPCO高于100个替代数据的WPCO均值的2倍标准差之和时，即被认为这两个通道内存在显著差异。

2结果

1）脑激活同源通道对比中：两组在改良八段锦任务中均出现了全脑各通道（CH1-CH38）的显著激活（p＜0.05）；且静息态中CVA组双侧pFC激活显著高于HC组（p＜0.05）；任务态中CVA组患侧PFC、PMC，健侧S1激活显著高于HC组（p＜0.05）。2）脑激活左右通道对比中：静息态HC组左M1激活显著高于右侧；任务态HC组左M1、SMA激活显著高于右侧，右S1、PFC激活显著高于左侧（p＜0.05）。3）脑功能连接对比中：HC组在任务态出现了跨脑区的多处功能连接下降，而CVA组下降通道较少，主要为健侧M1-患侧M1、健侧M1-健侧SFC（p＜0.05）。4）不同运动模式的对比中：非对称动作功能连接显著大于对称运动（整体连通成分p=0.037）。但CVA组内两种运动模式并无显著差异。5）相关性分析中，CVA组中双侧PFC中的皮质激活幅度与FMA-UE、MBI、CHAIH-9呈正相关（ρ＞0.4,p＜0.05），健侧SMA皮质激活幅度与CHAIH-9呈正相关（ρ=0.43,p＜0.05）。

图3HC组与CVA组小波幅值的可视化比较

图4健康人与脑卒中患者在静息态与八段锦训练中的通道间组功能连接矩阵图。a.HC组静息态。b.HC组改良八段锦。c.CVA组静息态。d.CVA组改良八段锦。

图5健康人与脑卒中患者在静息态与八段锦训练中的通道间组功能连接对比的矩阵。a.HC组的静息态与八段锦任务对比。b.CVA的静息态与八段锦任务对比。c.HC组与CVA组静息态对比。d.HC组与CVA组改良八段锦对比。（p<0.025）

2讨论

本研究在近红外数据中发现，两组间静息态的全脑激活均值并未出现明显差异。进一步从各通道水平进行分析发现，在静息态中，健康人和脑卒中患者的双侧前额叶皮质出现了显著差异，脑卒中组在健、患双侧前额叶的激活更多。通过对比后发现，该研究中选取的脑卒中受试者FMA分数较低（FMA66.3±23.2分，满分100分），存在较为明显的肢体障碍。故本研究认为，不同阶段的脑卒中患者，可能经历“肢体功能障碍明显/前额叶皮质激活较差”——“肢体功能障碍较好、协调功能障碍尚存/前额叶皮质过度激活”——“肢体功能、协

调功能均无明显障碍/前额叶皮质激活模式趋近于健康人”的这一过程，而随着各项运动能力，特别是协调以及精细活动不断趋近于健康人后，前额叶在静息态的过度激活才会改善。

在本研究中，改良八段锦对于脑卒中组和健康人均产生了双侧前额皮质、双侧感觉运动皮质和双侧枕叶皮质的脑激活提升，各通道均表现出显著差异。改良八段锦的上肢动作特点融合了传统的经络脏腑学说、阴阳五行等理论，具有对称、协调、有序的特点^[21]。从动作分析的角度而言，完成八段锦上肢练习需要整个上肢和躯干的配合，肩关节、肘关节、腕关节、手指关节均有参与，包含了屈曲、伸展、内外旋、旋前旋后等运动模式。同时，它不仅仅是形体活动，还要配合呼吸和心神调节，让身体和谐、流畅地运转。有研究显示^[22]，改良八段锦的练习有效改善了脑卒中患者的平衡功能和感觉运动功能。本研究中发现，改良八段锦中广泛的近红外通道激活表达了响应各脑区的神经活性的增加和全脑的脑血流获得增加，根据神经血管耦合假说，有研究将其称为功能性充血^[23]。而足够的血液供给为大脑提供了充足氧气和其他养分，为大脑恢复提供了物质基础。

在组间比较中，脑卒中组的患侧前额叶皮质、患侧初级运动皮质、健侧初级躯体感觉皮质激活均高于正常人。该结果提示，在首次进行八段锦练习时，脑卒中患者需要比正常人投入更多的神经资源。前额叶皮质，特别是背外侧前额叶皮质被证明在运动过程中有着注意力控制、空间认知、动作解析、连接认知与动作等作用^[24]，而在本研究中，脑卒中患者首次学习改良八段锦，故需要投入大量的注意与认知参与运动学习过程。患侧上肢的运动缺陷导致了所对应患侧M1激活较高，同时健侧S1皮质的激活可能代偿了卒中患者本体感觉的缺失，同时也表现出感觉运动网络（sensorimotor network,SMN）在改良八段锦中的参与^[25]。

本研究还进行了脑激活的偏侧化对比：在静息态时，HC组的初级运动皮质通道有显著差异，左脑激活大于右脑。在改良八段锦过程中，左侧脑的辅助运动区(LSMA)、初级运动皮质（L-M1）有较右侧更多的激活，而右侧脑的初级感觉皮质（R-S1）以及前额叶皮质（RPFC）

的激活更多。其中右侧前额叶皮质负责动作信息的回收和整合，所以在改良八段锦阶段有较多激活。而本次实验均收录右利手受试者，所以优势半球为左侧，在左右侧同时出现激活的过程中，优势半球的运动区起到更大的作用，但同时右侧脑区也表现出了感觉皮质的协同激活。根据本研究结果，可以认为在复杂运动中，左右脑区出现偏侧化差异是大脑协同性更好的一种表现。而本研究中，CVA组在静息态和改良八段锦中，均未表现明显的健患侧通道激活差异。

在大脑功能连接方面，本研究中发现，在静息态情况下，HC组与CVA组的小波相干系数在患侧额叶皮质与健侧运动前皮质（CH1-CH29）之间有显著差异，其余通道无明显差异，可以发现卒中患者在静息态功能连接中与健康人相差不大。李策的研究支持这个观点^[26]，在静息态功能连接中，轻度运动障碍组在同源和非同源的脑区间的氧合血红蛋白功能连接强度与健康人对照组无显著差异。而在轻度卒中患者的患侧上额叶皮质在上肢运动中往往占有主导地位，并认为这种现象可能是上肢功能康复的重要标志之一^[27]。患侧额叶皮质与健侧运动皮质在静息态出现功能连接增强，也是上肢功能恢复和脑网络重组的表现^[28]。在改良八段锦中，两组间健侧背外侧前额叶与健侧初级运动皮质（CH25-CH36）的通道功能连接有显著差异，卒中患者功能连接更高。由于对侧大脑半球可能占所有皮质脊髓投射的10%—20%，健侧大脑间功能连接也常常会代偿部分患侧肢体的活动控制^[29]。我们认为这可能提示，在复杂运动中，健侧脑区内的功能链接将代偿部分患侧脑区内的功能连接，以达到对上肢任务的较高要求。

在HC组与CVA各自的组内比较中发现，改良八段锦使两组的通道间功能连接均有下降，且健康人的功能连接下降更为明显。在这些功能连接下降的通道中，跨皮层的脑区间通道占到了绝大多数。在HC组中，主要分布于左、右侧前额叶皮质与感觉运动皮质间的连接；同侧脑区内功能连接下降的通道为左侧感觉运动皮质内连接；右侧额叶皮质与右侧感觉运动区的连接。在最近研究中发现^[30]，面对较为复杂上肢任务时，会导致两个半球间的全局网络效率下降，表明执行复杂运动任务所需的大脑功能资源的重新分配。另一项关于太极拳的近红外研究也有类似结论^[28]：在完成太极拳功法时，运动技巧更高的专家组在脑区间功能连接降低，这种降低与长期大强度训练后神经效率的提高有关。

CVA组整体也出现功能连接下降的通道较少，主要是健侧初级运动皮质与同侧额上回以及患侧初级运动皮质。两个半球间M1区出现功能连接下降，意味着卒中后M1区的脑间相互作用被破坏，而随着运动功能恢复，这种情况会发生改善。

基于该现象说明，因为健康人的各脑区均有相对完备的功能，在改良八段锦中，各脑区间特别是半球间功能连接减弱。而卒中后，由于单独脑皮质的网络功能受损导致“效率低下”，需要更多的功能连接以协助完成复杂的、有协调性需求的运动任务。

本研究显示，八段锦在双侧前额叶皮质（PFC）内引起的激活增加幅度与卒中患者在FMA-UE、MBI、CHAIH-9（HK）的量表分值显著相关，在运动辅助区（SMA）的激活增加幅度与CHAIH-9（HK）的量表分值显著相关。这表明卒中患者的前额叶皮质激活与上肢功能状态之间存在密切联系，该现象可能意味着对运动表现所需的认知负荷往往需要前额叶皮质的管理^[31]。有研究表明：脑卒中肢体运动功能障碍患者静息态前额叶的偏侧化指数（LI）与FMA评分呈显著正相关^[32]。在本研究中，卒中患者的偏侧化激活无明显差别，故通过选取改良八段锦造成的皮质激活差异进行对比，发现八段锦引起的前额叶激活升高与上肢运动功能、日常生活参与、协调性功能呈正相关。这些结果表明，认知在运动与协调功能中起到重要作用。患者的运动越好，越能充分调动和分配注意力资源，激活前额叶，以获得更好的运动表现。也有一项健康人的研究发现^[33]，经过8周的八段锦运动训练后，发现左前额叶皮质中的氧合血红蛋白增加。由此可以认为，八段锦对于前额叶的激活具有提升卒中患者认知和上肢协调的能力。

3结论

改良八段锦可有效增加脑皮质激活，提升了全脑的血液与氧气供应，为大脑功能恢复提供物质基础。卒中患者与健康人相比皮层激活缺乏明显偏侧化，功能连接保持较高水平，是脑网络异常的一种表现。不同运动模式会导致大脑出现不同的脑网络连接模式。双侧PFC、健侧SMA激活幅度与上肢运动能力、协调性、日常生活参与量表呈现显著相关性。额顶网络的激活在卒中后期上肢运动网络重组中可能起到积极作用。功能性近红外成像有望成为一种中医功法检测的有效技术手段。

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