健康人类中经脊髓刺激下调行走时的屈曲反射通路
经脊髓刺激在健康人类行走中下调屈曲反射通路
学术背景
人类的行走是一个复杂的运动过程，涉及中枢神经系统和周围神经系统的协同工作。脊髓作为中枢神经系统的重要组成部分，在控制运动反射和维持步态方面发挥着关键作用。屈曲反射（Flexion Reflex）是一种保护性反射，通常在足部受到刺激时触发，帮助个体避免伤害。然而，在脊髓损伤（Spinal Cord Injury, SCI）患者中，屈曲反射可能变得异常增强，导致步态失调和行走困难。因此，研究如何通过神经调控技术来调节屈曲反射的兴奋性，对于帮助脊髓损伤患者恢复正常行走功能具有重要意义。
近年来，经皮脊髓刺激（Transcutaneous Spinal Cord Stimulation, TSS）作为一种非侵入性的神经调控技术，逐渐成为研究和治疗脊髓损伤的重要手段。该技术通过电刺激脊髓区域，调节神经元网络的兴奋性，从而改善运动功能。然而，经脊髓刺激对屈曲反射的具体影响，尤其是在行走过程中的动态调节机制，仍然不清楚。本篇研究旨在探讨经脊髓刺激在不同频率和强度下对健康人类行走过程中胫骨前肌（Tibialis Anterior, TA）屈曲反射的调节作用。
研究来源
本论文由Maria Knikou和Abdullah M. Sayed Ahmad共同撰写，他们分别来自美国纽约市立大学斯塔滕岛分校的KLab4Recovery Sci研究项目和物理治疗系。该研究于2024年12月27日被接受，并于2025年1月8日首次发表在《Journal of Neurophysiology》期刊上。
研究流程与结果
研究流程
1. 参与者招募
研究招募了9名健康成年人（6名男性，3名女性），年龄在19至26岁之间。所有参与者均无神经系统、骨科或系统性疾病的病史。每位参与者均在实验前签署了知情同意书，实验得到了纽约市立大学伦理审查委员会的批准。
2. 实验设计
研究采用经脊髓刺激技术，分别在15 Hz、30 Hz和50 Hz的频率下进行实验，刺激强度分为高于和低于感觉阈值的两种强度。所有实验均在进行跑步机行走时完成。屈曲反射通过在足弓内侧施加30 ms的电脉冲序列来触发，刺激随机分布在步态周期的16个等分区间内。
3. 数据采集与分析
研究人员记录了参与者在跑步机行走时的表面肌电图（Surface Electromyography, EMG）信号，并从胫骨前肌和比目鱼肌（Soleus, SOL）中提取数据。屈曲反射的幅值通过计算电脉冲序列结束后20 ms至200 ms内的EMG面积来衡量，并将其归一化为最大步态相关EMG活动。
主要结果
屈曲反射的相位依赖性调制：研究发现，未经刺激的屈曲反射在步态周期中表现出明显的相位依赖性调制。这一结果与以往在健康人类中的观察结果一致。
经脊髓刺激对屈曲反射的影响：无论刺激频率或强度如何，经脊髓刺激均显著抑制了行走过程中的屈曲反射。这种抑制效应在步态周期的多个区间内均显著，且屈曲反射的相位依赖性调制模式得以维持。
背景EMG活动的变化：研究发现，经脊髓刺激并未显著改变胫骨前肌的背景EMG活动，表明屈曲反射的抑制效应主要源于脊髓神经元网络的调节，而非肌肉本身的兴奋性变化。
斜率与截距的稳定性：通过线性回归分析，研究人员发现，屈曲反射与背景EMG活动之间的斜率和截距在经脊髓刺激前后均保持稳定。这表明，经脊髓刺激并未改变脊髓神经元网络的增益或屈曲反射的兴奋性阈值。
结论与价值
本研究的发现首次表明，经脊髓刺激无论在何种频率或强度下，均能显著抑制健康人类在行走过程中的胫骨前肌屈曲反射。这种抑制作用与屈曲反射的相位依赖性调制模式的维持一致，且未改变脊髓神经元网络的增益或兴奋性阈值。这一发现为脊髓损伤患者的康复治疗提供了重要的理论基础。通过抑制过度增强的屈曲反射，经脊髓刺激有望帮助患者恢复正常的步态模式，特别是在从站立到摆动的过渡阶段。
研究亮点
- 重要发现：经脊髓刺激在行走过程中显著抑制了胫骨前肌的屈曲反射，且这种抑制效应与刺激频率和强度无关。
- 问题解决：研究为脊髓损伤患者步态障碍的治疗提供了新的神经调控策略，特别是在抑制过度增强的屈曲反射方面具有潜在应用价值。
- 方法创新：研究采用了新颖的经脊髓刺激技术，并结合了跑步机行走实验，动态地评估了屈曲反射的调制模式。
其他有价值的信息
研究人员还指出，尽管经脊髓刺激对屈曲反射的调节机制尚不完全清楚，但可能与脊髓神经元网络的突触前和突触后抑制有关。未来研究可以进一步探讨经脊髓刺激在脊髓损伤患者中的应用效果，以优化神经调控参数，最大限度地促进运动功能的恢复。
总结
本研究的发现为脊髓损伤患者的康复治疗提供了新的思路，特别是通过经脊髓刺激调节屈曲反射的兴奋性，有望改善患者的步态模式和生活质量。此外，研究还展示了经脊髓刺激作为一种非侵入性神经调控技术的潜力，为未来的临床研究和应用奠定了基础。