触觉反馈增益对平衡的影响及其神经机制研究
触觉反馈增益对平衡的影响及其神经机制研究
背景介绍
在日常生活中，人体的平衡控制依赖于多种感觉输入，包括视觉、前庭觉和本体感觉。触觉反馈（haptic feedback）在平衡控制中也扮演着重要角色，尤其是在接触固定物体时，触觉能够显著减少身体的摇摆（postural sway）。然而，触觉反馈的增益（gain）如何影响平衡控制，以及中枢神经系统（CNS）如何处理这些反馈信号，仍然是一个未完全解决的问题。为了探索这一问题，研究人员设计了一项实验，通过人工调节触觉反馈增益，研究其对平衡控制的影响，并试图揭示其背后的神经机制。
这项研究由Raymond F. Reynolds、Craig P. Smith和Lorenz Assländer共同完成，分别来自英国伯明翰大学的运动、锻炼与康复科学学院和德国康斯坦茨大学的人类表现研究中心。研究结果于2025年发表在《European Journal of Neuroscience》期刊上。
研究流程
实验设计与参与者
研究招募了14名健康志愿者（平均年龄23岁，7名女性），所有参与者均签署了知情同意书，实验获得了伯明翰大学伦理委员会的批准。参与者被要求赤脚站立，闭眼，轻轻握住一个机器人操纵杆（manipulandum）。机器人操纵杆的运动与参与者的身体摇摆同步，研究人员通过调节机器人运动的增益（gain）来系统地改变触觉反馈的强度。增益范围从-2到+2，其中0表示机器人静止，正增益表示机器人运动方向与身体摇摆方向相同，负增益则表示方向相反。
实验设备与数据采集
参与者站立在一个力平台上，机器人操纵杆位于脚踝前方400毫米、身体中线外侧200毫米、高度1100毫米的位置。机器人操纵杆内置了一个三轴力传感器，用于测量手与操纵杆之间的相互作用力。身体摇摆通过一个运动追踪设备（Fastrak, Polhemus, USA）实时记录，数据以120 Hz的频率采集并用于控制机器人运动。每个增益条件重复5次，每次试验持续50秒，前10秒的数据被丢弃以避免初始适应阶段的影响。
数据分析与模型构建
研究人员通过功率谱密度（PSD）分析身体摇摆的幅度和速度，并计算手部力与身体位置之间的互相关性（cross-correlation）。为了解释实验结果，研究人员构建了一个反馈控制模型，模拟不同触觉反馈增益下的身体摇摆行为。该模型包括两个主要反馈回路：一个基于空间参考的反馈回路，另一个基于触觉参考的反馈回路。模型还引入了一个“冲突估计器”（conflict estimator），用于区分由身体运动引起的触觉反馈和由外部物体运动引起的触觉反馈。
主要结果
触觉反馈增益对身体摇摆的影响
实验结果显示，触觉反馈增益对身体摇摆有显著影响。当增益为0（机器人静止）时，身体摇摆显著减少，与无接触条件相比减少了55%-62%。当增益为负值时，身体摇摆保持在较低水平，尤其是在增益为-0.25和-0.5时，摇摆最小。然而，当增益为正值时，触觉反馈的效果减弱，尤其是在增益为+2时，身体摇摆显著增加，甚至超过了无接触条件下的摇摆幅度。
手部力与身体位置的关系
研究人员发现，手部力与身体位置之间的互相关性在增益为负值时较高，表明触觉反馈的质量较好。随着增益的增加，互相关性逐渐降低，尤其是在增益为+1和+2时，相关性显著下降。这表明，触觉反馈的质量与身体摇摆的控制密切相关。
模型验证
研究人员通过反馈控制模型成功复现了实验观察到的身体摇摆行为。模型结果显示，当触觉反馈增益为负值时，身体摇摆最小，而正值增益则导致摇摆增加。这一结果与实验数据一致，进一步验证了模型的准确性。
结论与意义
这项研究表明，中枢神经系统能够利用人工调节的触觉反馈增益来增强平衡控制，但仅限于增益变化较小的情况。当增益变化较大时，触觉反馈可能会对平衡产生负面影响。研究还揭示了触觉反馈在平衡控制中的重要性，尤其是在反馈质量较高时，身体摇摆能够得到有效抑制。
这项研究的科学价值在于揭示了触觉反馈增益对平衡控制的非线性影响，并为开发基于触觉反馈的平衡辅助设备提供了理论依据。未来，这项研究可能会在老年人或神经系统疾病患者的平衡康复中发挥重要作用。
研究亮点
- 创新性实验设计：通过调节机器人操纵杆的运动增益，系统地研究了触觉反馈增益对平衡控制的影响。
- 反馈控制模型：引入“冲突估计器”的反馈控制模型成功解释了实验数据，揭示了中枢神经系统如何处理触觉反馈信号。
- 应用潜力：研究结果为开发基于触觉反馈的平衡辅助设备提供了理论支持，尤其是在老年人和神经系统疾病患者的康复中具有潜在应用价值。
其他有价值的信息
研究人员还讨论了触觉反馈延迟对实验结果的可能影响。尽管实验中存在60毫秒的延迟，但这一延迟对实验结果的影响较小，未来研究可以进一步探讨不同延迟时间对触觉反馈效果的影响。
这项研究不仅深化了我们对触觉反馈在平衡控制中作用的理解，还为未来的临床应用和技术开发提供了重要的理论依据。