近期，中山大学生物医学工程学院宋嵘教授团队基于高密度表面肌电对痉挛肌肉的异常激活进行了全面分析，旨在探究脑卒中患者在不自主激活与自主激活时运动单元（Motor units, MUs）招募的时空变化及其模式差异。研究表明，脑卒中患者在痉挛诱发的肌肉不自主激活中，MUs的招募具有空间异质性和同步性。此外，受影响的MUs在不自主激活时不被抑制而在自主激活时不被招募，激活区域呈现出极其明显的空间互补性。相关成果发表在IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering和Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation上。

研究背景

肌肉痉挛作为脑卒中后常见的一种后遗症，特征为因牵张反射亢进所导致的肌肉不自主激活。痉挛引起的运动障碍和一系列并发症严重阻碍了康复的进展，降低了患者的生活质量。然而，痉挛的潜在机制尚不明确，临床上缺乏明确的评估框架，阻碍了有效治疗策略的制定。在目前的痉挛研究中，既没有深入探究肌肉在不自主激活时MUs招募的时空分布特性，也未能明确肌肉在不自主激活与自主激活时的激活模式差异。表面肌电（Surface Electromyography, sEMG）是一种无创检测肌肉电生理活动的技术，通过采集与肌肉激活相关的神经信号，为有效探究神经肌肉功能提供了重要工具。高密度表面肌电（High-density sEMG, HD-sEMG）是sEMG从点检测到面检测的进阶，使用数十乃至数百个紧密间隔的电极全面覆盖目标肌肉，能以更高的时间和空间分辨率捕捉肌肉活动，提供更丰富和详细的肌肉激活信息，有助于更深入地理解神经肌肉系统的控制机制。全面了解与痉挛相关的神经肌肉功能障碍是进一步了解其潜在机制的必要条件。

研究概述

基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。

研究通过等速测力仪来稳定诱发脑卒中患者上肢肱二头肌痉挛，结合HD-sEMG来无创评估不同速度下肌肉应对被动牵伸做出的反射反应。为了对比肌肉不自主激活和自主激活的差异，实验设计了被动和主动两种任务，招募脑卒中患者进行不同速度的被动牵伸任务和不同强度的主动收缩任务，采用8*8的电极矩阵同步采集脑卒中患者偏瘫侧肱二头肌的HD-sEMG信号，采用均方根（Root mean square, RMS）和模糊熵（Fuzzy entropy, FE）相结合的HD-sEMG信号分析方法，从中提取肌肉激活的强度和复杂度，同时建立二维的肌肉激活图，探究痉挛肌肉异常激活在时空分布上的线性与非线性特征变化，深入分析肌肉异常激活之间的关联性。

实验结果表明，随着牵伸速度的增加，脑卒中患者的肌肉激活强度显著增加而激活复杂度显著降低，均伴随着逐渐扩大的特定变化区域，且分布区域相似，呈一高一低趋势，这种模式在痉挛更严重的脑卒中患者中表现得更为明显。此外，脑卒中患者在两种情况下的激活区域几乎不重叠，在整个肱二头肌区域呈现出极其明显的空间互补性。具体表现为与自主激活相比，不自主激活表现出更远端、外侧的激活分布。

图2：牵伸速度对激活复杂度的影响

（图片来自原文）

图3：激活强度和激活复杂度的区域相关性

（图片来自原文）

图4：激活强度和复杂度与痉挛临床评分的相关性

（图片来自原文）

图5：不自主激活和自主激活的空间互补性

（图片来自原文）

研究意义

这些发现不仅给痉挛的定量评估提供了新指标，还为痉挛的机制理解提供了新视角：脑卒中后下行皮质输入减少，导致负责抑制牵张反射的脊髓运动神经元选择性静默，继而诱导了空间异质性的MU同步招募。脊髓的部分运动神经元因脑卒中后大脑对脊髓的投射中断而获得独立性，继而导致其发送到痉挛肌肉的神经驱动存在区域特异性，造成受影响的MU在脊髓反射活动中不必要招募而在自主运动中无能力招募的相反模式。

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