轻触对前庭诱发平衡反应的影响：感觉运动重加权动力学的见解

2025-01-18 Sat
轻触如何改变前庭诱发的平衡反应背景介绍平衡控制是人体维持姿势和运动的重要机制，依赖于多种感觉信息的整合，包括视觉、前庭觉和触觉。前庭系统通过感知头部的运动和位置变化，提供关键的平衡信息。然而，当这些感觉信息发生冲突时，中枢神经系统（CNS）需要通过“感觉运动重加权”（sensorimotor reweighting）来调整对不同感觉信息的依赖程度，以维持平衡。
轻触（light touch）是指指尖与稳定表面之间的轻微接触（通常小于2牛顿的力），它能够显著减少身体的摆动幅度（center of pressure, COP）。然而，前庭电刺激（electrical vestibular stimulation, EVS）会引入错误的前庭信息，导致身体摆动增加。这两种感觉信息的冲突为研究感觉运动重加权的动态机制提供了独特的机会。
本研究由Megan H. Goar、Michael Barnett-Cowan和Brian C. Horslen共同完成，他们来自加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）的运动与健康科学系。研究于2024年12月3日发表在《Journal of Neurophysiology》上，旨在探讨轻触如何影响前庭诱发的平衡反应，并揭示感觉运动重加权的动态过程。
研究流程与实验设计实验对象与伦理批准研究招募了16名健康年轻成年人（18-35岁）参与实验1，10名参与实验2。所有参与者均无神经系统或骨科疾病，且签署了知情同意书。实验获得了滑铁卢大学研究伦理委员会的批准（REB #44217）。
实验设备与设置参与者赤脚站在两块力板（AMTI OR6-5）上，双脚分开与脚长相等。头部通过一个固定的角度（18°）保持特定姿势，以确保前庭电刺激（EVS）能够有效诱发平衡反应。EVS通过双耳乳突上的电极施加，刺激信号为0-25 Hz的随机噪声，峰值电流为4.5 mA。
实验条件实验分为两种条件：无接触（no-touch）和轻触（touch）。在轻触条件下，参与者用食指轻轻接触一个负载传感器（load cell），施加1-2牛顿的力。在无接触条件下，参与者将手指悬空，不接触任何表面。
实验1：单状态实验实验1包括两种试验：基线试验和单状态试验。基线试验持续60秒，参与者在不施加EVS的情况下进行无接触或轻触。单状态试验持续200秒，参与者在施加EVS的同时进行无接触或轻触。通过线性系统分析（如相干性和增益）量化EVS与COP之间的关系。
实验2：切换实验实验2引入了切换试验，持续300秒，参与者每6-15秒在无接触和轻触之间切换。切换由实验者通过杠杆系统控制，以研究轻触引入或移除时EVS与COP关系的动态变化。
数据分析COP数据通过力板记录，并使用MATLAB进行离线分析。相干性（coherence）和增益（gain）用于量化EVS与COP之间的关系。相干性反映了COP变化中可由EVS解释的部分，增益则反映了COP对EVS的响应幅度。
主要结果轻触减少COP位移实验结果显示，轻触显著减少了COP的位移幅度。在基线试验中，轻触条件下的COP位移减少了49%（实验1）和52%（实验2）。在单状态试验中，轻触条件下的COP位移减少了45%（实验1）和50%（实验2）。这表明轻触能够有效减少身体摆动，即使在前庭电刺激的干扰下。
轻触增加高频前庭贡献尽管轻触减少了COP的总体位移，但它增加了高频（12-30 Hz）范围内EVS与COP的相干性。实验1和实验2均显示，轻触条件下高频相干性显著增加，尤其是在12-28.5 Hz范围内。这表明轻触不仅减少了前庭诱发的摆动幅度，还增加了高频前庭信息对平衡控制的贡献。
增益的变化与相干性相反，轻触显著降低了EVS与COP的增益。实验1中，轻触条件下的增益降低了58%，实验2中降低了68%。这表明轻触减少了COP对EVS的响应幅度。
切换实验的动态变化切换实验显示，从轻触切换到无接触时，相干性和增益的变化发生在接触断开之前或之后。而从无接触切换到轻触时，相干性和增益的变化则延迟发生。这表明CNS在失去轻触信息时能够更快地调整前庭运动控制，而在获得轻触信息时则需要更多时间进行评估和适应。
结论与意义科学价值本研究揭示了轻触如何通过感觉运动重加权机制调节前庭诱发的平衡反应。轻触不仅减少了前庭诱发的摆动幅度，还增加了高频前庭信息对平衡控制的贡献。这一发现扩展了我们对多感觉整合机制的理解，特别是在感觉信息冲突的情况下。
应用价值研究结果对设计增强姿势稳定性的治疗干预和辅助技术具有潜在的应用价值。例如，轻触可以作为一种非侵入性的平衡训练方法，帮助老年人或平衡障碍患者改善姿势控制。
研究亮点高频前庭贡献的发现：轻触增加了高频范围内EVS与COP的相干性，这一现象在以往的研究中未被报道。
动态感觉运动重加权：切换实验揭示了CNS在失去和获得轻触信息时的不同适应机制。
机械稳定与感觉运动稳定的区分：通过负载传感器的四分位分析，研究证实轻触的效果主要依赖于感觉运动稳定，而非机械稳定。
其他有价值的信息研究还探讨了轻触力大小对EVS与COP关系的影响，发现轻触力的微小变化（低于2牛顿）对相干性和增益的影响较小。这表明轻触的稳定效果主要依赖于其可用性，而非具体的力大小。
本研究通过创新的实验设计和深入的数据分析，揭示了轻触在前庭运动控制中的重要作用，为未来的平衡控制研究提供了新的方向。