帕金森病患者的腦 - 體交互：雙任務(wù)表現(xiàn)研究揭示新機制_abio生物試劑品牌網(wǎng)
帕金森病患者的腦 - 體交互：雙任務(wù)表現(xiàn)研究揭示新機制
由 Maryam Sousani 等學(xué)者完成的研究《Exploring BrAIn-Body Interactions in Parkinson’s Disease: A Study on Dual-Task Performance》發(fā)表在《IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING》雜志。該研究借助功能性近紅外光譜（fNIRS）技術(shù)，探索了帕金森病（PD）患者在雙任務(wù)表現(xiàn)中腦 - 體交互的情況，為理解 PD 的神經(jīng)生物學(xué)機制提供了重要實證依據(jù)。
圖1. 文章信息
背景介紹
帕金森病（PD）是一種影響全球數(shù)百萬人的神經(jīng)退行性疾病，其特征是多巴胺能神經(jīng)元減少，引發(fā)運動（如運動遲緩、僵硬等）和非運動癥狀，且隨病情進展影響認(rèn)知功能、生活質(zhì)量和功能獨立性。這些問題在日常生活中尤為明顯，因此研究其神經(jīng)機制和運動變化對開發(fā)評估系統(tǒng)和干預(yù)措施至關(guān)重要。
近期研究發(fā)現(xiàn)，PD 患者與健康人在執(zhí)行運動任務(wù)時額葉皮層激活存在差異，尤其在需同時進行運動和認(rèn)知處理的雙任務(wù)中，前額葉皮層（PFC）激活模式會改變。盡管已有相關(guān)研究，但仍存在缺乏標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議、未包含上下肢任務(wù)、缺少不同難度雙任務(wù)等局限。因此研究團隊設(shè)計并探究了PD 患者在計時起立行走（TUG）測試及同時進行的運動和認(rèn)知任務(wù)中受影響的皮質(zhì)和運動表現(xiàn)。
實驗設(shè)計：雙任務(wù)如何 “放大” 認(rèn)知差異？
研究團隊招募40 名參與者，包括 20 名 PD 患者和 20 名年齡匹配的健康對照組（HC）參與了這項研究。通過 fNIRS 設(shè)備記錄他們在不同任務(wù)中的腦活動，光極分布覆蓋前額葉、運動區(qū)等關(guān)鍵腦區(qū)，如圖2。研究人員使用五個 IMU 傳感器記錄運動測量值，傳感器固定在參與者的下背部、小腿和大腿，配備三軸加速度計、陀螺儀和磁力計，采樣率為 60Hz。
參與者在佩戴 fNIRS 帽并配備慣性測量單元（IMUs）的情況下，在三種不同條件下執(zhí)行 TUG 測試（見圖3）：
1. 簡單 TUG：從標(biāo)準(zhǔn)無扶手椅子站起，行走 3 米，轉(zhuǎn)身，走回，坐下；
2. 認(rèn)知雙任務(wù) TUG（CDTUG）：執(zhí)行 TUG 的同時，從一個三位數(shù)的隨機數(shù)開始倒數(shù) 2；
3. 運動雙任務(wù) TUG（MDTUG）：執(zhí)行 TUG 的同時，手持裝有四個塑料杯的托盤。
參與者以自己喜歡的速度執(zhí)行測試，測試順序隨機安排，每個參與者完成一次試驗，試驗之間休息 1 至 3 分鐘，每次試驗開始前記錄 1 分鐘基線數(shù)據(jù)，所有條件均以 30 秒的坐姿開始。
圖2. 光極分布
圖3. 一名佩戴功能性近紅外光譜（fNIRS）帽并配備慣性測量單元（IMU）傳感器執(zhí)行計時起立行走（TUG）測試的參與者
在功能性近紅外光譜分析中，數(shù)據(jù)處理主要圍繞兩種情況展開：一是計算每個任務(wù)期間所有通道的平均值，以此關(guān)注任務(wù)期間前額葉皮層的激活情況；二是通過對前額葉皮層內(nèi)背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）、腹外側(cè)前額葉皮層（VLPFC）、內(nèi)側(cè)前額葉皮層（mPFC）和眶額皮層（OFC）這四個不同感興趣區(qū)域進行比較分析，研究兩組受試者前額葉皮層每個子區(qū)域與運動指標(biāo)之間的關(guān)系。
運動傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟包括調(diào)整 IMU 坐標(biāo)系、識別 TUG 測試的不同時刻（站立、行走、轉(zhuǎn)身和坐下）。利用行走階段測量步時間（參考圖4）、步幅時間、步頻等，計算步幅長度和步態(tài)速度。
圖4. 人類步態(tài)周期（GC）及不同步態(tài)事件：腳跟觸地（HS）、擺動、支撐和腳趾離地（TO）
關(guān)鍵實驗結(jié)果
皮質(zhì)激活
不同任務(wù)條件下 PFC 激活存在顯著差異，被試組間也存在顯著差異，未檢測到條件和組的顯著交互作用。PD 組在 TUG 和 CDTUG 之間、CDTUG 和 MDTUG 之間的 HBO 變化有顯著差異；HC 組在 TUG 和 CDTUG 之間的 HBO 變化有顯著差異（見圖5 a）。在 MDTUG 條件下，PD 組和 HC 組在 HBO 和 ΔHHB 方面存在顯著差異（見圖5）。
對于子區(qū)域的分析，PD 組的 VLPFC 和 OFC 在 CDTUG 期間 HBO 的增加最高，VLPFC、mPFC 和 OFC 中的 ΔHHB 有顯著差異（見圖7）；HC 組的 DLPFC 區(qū)域在 TUG 期間的 HHB 變化最低，與 MDTUG 相比有顯著差異，OFC 中 MDTUG 期間的 ΔHHB 水平最高，與 CDTUG 相比有顯著差異（見圖7 d）。
圖5 . 健康對照者（HCs）和帕金森病（PD）患者在計時起立行走測試（TUG）、認(rèn)知雙任務(wù)計時起立行走測試（CDTUG）及運動雙任務(wù)計時起立行走測試（MDTUG）期間的氧合血蛋白變化量（?HBO）和脫氧血紅蛋白變化量（?HHB）
圖6. 健康對照組（HC）與帕金森病（PD）組在計時起立行走測試（TUG）、認(rèn)知雙任務(wù)計時起立行走測試（CDTUG）及運動雙任務(wù)計時起立行走測試（MDTUG）期間的氧合血紅蛋白變化量（?HBO）對比。
圖7. 健康對照組（HC）和帕金森病（PD）組在計時起立行走測試（TUG）、認(rèn)知雙任務(wù)a TUG 測試（CDTUG）及運動雙任務(wù) TUG 測試（MDTUG）期間，不同感興趣區(qū)域（ROIs）的氧合血紅蛋白變化量（?HBO）和脫氧血紅蛋白變化量（?HHB）對比。
身體運動
不同條件下，PD 組和 HC 組的步態(tài)速度無顯著差異，但 PD 組的步時間和步幅時間均短于 HC 組。PD 組在 TUG 期間的步頻顯著更高，在 MDTUG 期間的步幅時間顯著低于 HC 組。
PD 組內(nèi) CDTUG 和 MDTUG 之間的步時間有顯著差異；HC 組中 CDTUG 期間的步幅時間最高，與其他條件有顯著差異（見圖8）。
圖8. 帕金森病（PD）患者與健康對照組（HC）在計時起立行走測試（TUG）、認(rèn)知雙任務(wù)TUG測試（CDTUG）及運動雙任務(wù)TUG測試（MDTUG）期間的步頻、步幅時間、步長時間、步幅長度、步態(tài)速度、轉(zhuǎn)身持續(xù)時間、坐站轉(zhuǎn)換時間和站坐轉(zhuǎn)換時間的對比。
任務(wù)期間的 PFC 激活與兩組運動測量值之間的相關(guān)關(guān)系
PD 組中，TUG 期間 ΔHBO 與步頻呈負(fù)相關(guān)，與步時間呈正相關(guān)，MDTUG 期間坐站持續(xù)時間與 ΔHBO 有顯著相關(guān)，TUG 期間 ΔHHB 的增加與步幅時間和轉(zhuǎn)身持續(xù)時間呈正相關(guān)。
HC 組中，TUG 期間 ΔHBO 與步數(shù)呈負(fù)相關(guān)，DLPFC 區(qū)域步態(tài)速度與 ΔHBO 呈正相關(guān)，TUG 期間站坐和坐站的持續(xù)時間與 ΔHBO 水平呈負(fù)相關(guān)，MDTUG 期間 mPFC 區(qū)域 ΔHHB 與步時間和步幅時間呈負(fù)相關(guān)。
總結(jié)與展望：打造MU驅(qū)動的智能神經(jīng)康復(fù)系統(tǒng)
在簡單 TUG 任務(wù)中，PD 組和 HC 組的 PFC 激活水平相似，但 PFC 子區(qū)域的激活水平有差異，PD 組的 DLPFC 激活最高，HC 組的 VLPFC 活動增加，這可能與 PD 組執(zhí)行任務(wù)時面臨更大挑戰(zhàn)有關(guān)。CDTUG 中，兩組 PFC 激活均顯著增加，PD 組在多個 PFC 子區(qū)域激活較高，表明其需要更多認(rèn)知資源來應(yīng)對雙任務(wù)需求，但兩組的運動測量值無顯著差異，可能與任務(wù)難度、樣本疾病階段等因素有關(guān)。MDTUG 中，PD 組 PFC 激活水平最低，HC 組 PFC 激活較高，兩組在 PFC 子區(qū)域的激活模式不同，反映了 PD 和 HC 組在雙任務(wù)條件下采用不同的認(rèn)知和運動策略，突出了 PD 對認(rèn)知 - 運動整合的影響。
本研究存在一定局限性，如參與者多為輕中度 PD 患者、PD 患者在服藥狀態(tài)下測試、僅關(guān)注 PFC 等，未來研究應(yīng)納入更多階段的患者，進行未服藥狀態(tài)下的評估等。總體而言，該研究表明 PD 患者在復(fù)雜活動中運動和認(rèn)知障礙更顯著，運動和認(rèn)知雙任務(wù)對 PD 的綜合評估均很重要，MDTUG 能有效區(qū)分 PD 組和 HC 組。
原文鏈接
Sousani M, Fernandez Rojas R, Preston E, Ghahramani M. Exploring Brain-Body Interactions in Parkinson's Disease: A Study on Dual-Task Performance. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2025;33:984-993. doi: 10.1109/TNSRE.2025.3546278. Epub 2025.
DOI: 10.1109/TNSRE.2025.3546278
研究團隊介紹
該文章作者包括Maryam Sousani、Raul Fernandez Rojas、Elisabeth Preston以及Maryam Ghahramani。其中，Maryam Sousani、Raul Fernandez Rojas和Maryam Ghahramani隸屬于澳大利亞堪培拉大學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；Elisabeth Preston隸屬于澳大利亞堪培拉大學(xué)健康學(xué)院。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進的技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
相關(guān)產(chǎn)品
由 Maryam Sousani 等學(xué)者完成的研究《Exploring BrAIn-Body Interactions in Parkinson’s Disease: A Study on Dual-Task Performance》發(fā)表在《IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING》雜志。該研究借助功能性近紅外光譜（fNIRS）技術(shù)，探索了帕金森病（PD）患者在雙任務(wù)表現(xiàn)中腦 - 體交互的情況，為理解 PD 的神經(jīng)生物學(xué)機制提供了重要實證依據(jù)。
圖1. 文章信息
背景介紹
帕金森病（PD）是一種影響全球數(shù)百萬人的神經(jīng)退行性疾病，其特征是多巴胺能神經(jīng)元減少，引發(fā)運動（如運動遲緩、僵硬等）和非運動癥狀，且隨病情進展影響認(rèn)知功能、生活質(zhì)量和功能獨立性。這些問題在日常生活中尤為明顯，因此研究其神經(jīng)機制和運動變化對開發(fā)評估系統(tǒng)和干預(yù)措施至關(guān)重要。
近期研究發(fā)現(xiàn)，PD 患者與健康人在執(zhí)行運動任務(wù)時額葉皮層激活存在差異，尤其在需同時進行運動和認(rèn)知處理的雙任務(wù)中，前額葉皮層（PFC）激活模式會改變。盡管已有相關(guān)研究，但仍存在缺乏標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議、未包含上下肢任務(wù)、缺少不同難度雙任務(wù)等局限。因此研究團隊設(shè)計并探究了PD 患者在計時起立行走（TUG）測試及同時進行的運動和認(rèn)知任務(wù)中受影響的皮質(zhì)和運動表現(xiàn)。
實驗設(shè)計：雙任務(wù)如何 “放大” 認(rèn)知差異？
研究團隊招募40 名參與者，包括 20 名 PD 患者和 20 名年齡匹配的健康對照組（HC）參與了這項研究。通過 fNIRS 設(shè)備記錄他們在不同任務(wù)中的腦活動，光極分布覆蓋前額葉、運動區(qū)等關(guān)鍵腦區(qū)，如圖2。研究人員使用五個 IMU 傳感器記錄運動測量值，傳感器固定在參與者的下背部、小腿和大腿，配備三軸加速度計、陀螺儀和磁力計，采樣率為 60Hz。
參與者在佩戴 fNIRS 帽并配備慣性測量單元（IMUs）的情況下，在三種不同條件下執(zhí)行 TUG 測試（見圖3）：
1. 簡單 TUG：從標(biāo)準(zhǔn)無扶手椅子站起，行走 3 米，轉(zhuǎn)身，走回，坐下；
2. 認(rèn)知雙任務(wù) TUG（CDTUG）：執(zhí)行 TUG 的同時，從一個三位數(shù)的隨機數(shù)開始倒數(shù) 2；
3. 運動雙任務(wù) TUG（MDTUG）：執(zhí)行 TUG 的同時，手持裝有四個塑料杯的托盤。
參與者以自己喜歡的速度執(zhí)行測試，測試順序隨機安排，每個參與者完成一次試驗，試驗之間休息 1 至 3 分鐘，每次試驗開始前記錄 1 分鐘基線數(shù)據(jù)，所有條件均以 30 秒的坐姿開始。
圖2. 光極分布
圖3. 一名佩戴功能性近紅外光譜（fNIRS）帽并配備慣性測量單元（IMU）傳感器執(zhí)行計時起立行走（TUG）測試的參與者
在功能性近紅外光譜分析中，數(shù)據(jù)處理主要圍繞兩種情況展開：一是計算每個任務(wù)期間所有通道的平均值，以此關(guān)注任務(wù)期間前額葉皮層的激活情況；二是通過對前額葉皮層內(nèi)背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）、腹外側(cè)前額葉皮層（VLPFC）、內(nèi)側(cè)前額葉皮層（mPFC）和眶額皮層（OFC）這四個不同感興趣區(qū)域進行比較分析，研究兩組受試者前額葉皮層每個子區(qū)域與運動指標(biāo)之間的關(guān)系。
運動傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟包括調(diào)整 IMU 坐標(biāo)系、識別 TUG 測試的不同時刻（站立、行走、轉(zhuǎn)身和坐下）。利用行走階段測量步時間（參考圖4）、步幅時間、步頻等，計算步幅長度和步態(tài)速度。
圖4. 人類步態(tài)周期（GC）及不同步態(tài)事件：腳跟觸地（HS）、擺動、支撐和腳趾離地（TO）
關(guān)鍵實驗結(jié)果
皮質(zhì)激活
不同任務(wù)條件下 PFC 激活存在顯著差異，被試組間也存在顯著差異，未檢測到條件和組的顯著交互作用。PD 組在 TUG 和 CDTUG 之間、CDTUG 和 MDTUG 之間的 HBO 變化有顯著差異；HC 組在 TUG 和 CDTUG 之間的 HBO 變化有顯著差異（見圖5 a）。在 MDTUG 條件下，PD 組和 HC 組在 HBO 和 ΔHHB 方面存在顯著差異（見圖5）。
對于子區(qū)域的分析，PD 組的 VLPFC 和 OFC 在 CDTUG 期間 HBO 的增加最高，VLPFC、mPFC 和 OFC 中的 ΔHHB 有顯著差異（見圖7）；HC 組的 DLPFC 區(qū)域在 TUG 期間的 HHB 變化最低，與 MDTUG 相比有顯著差異，OFC 中 MDTUG 期間的 ΔHHB 水平最高，與 CDTUG 相比有顯著差異（見圖7 d）。
圖5 . 健康對照者（HCs）和帕金森病（PD）患者在計時起立行走測試（TUG）、認(rèn)知雙任務(wù)計時起立行走測試（CDTUG）及運動雙任務(wù)計時起立行走測試（MDTUG）期間的氧合血蛋白變化量（?HBO）和脫氧血紅蛋白變化量（?HHB）
圖6. 健康對照組（HC）與帕金森病（PD）組在計時起立行走測試（TUG）、認(rèn)知雙任務(wù)計時起立行走測試（CDTUG）及運動雙任務(wù)計時起立行走測試（MDTUG）期間的氧合血紅蛋白變化量（?HBO）對比。
圖7. 健康對照組（HC）和帕金森病（PD）組在計時起立行走測試（TUG）、認(rèn)知雙任務(wù)a TUG 測試（CDTUG）及運動雙任務(wù) TUG 測試（MDTUG）期間，不同感興趣區(qū)域（ROIs）的氧合血紅蛋白變化量（?HBO）和脫氧血紅蛋白變化量（?HHB）對比。
身體運動
不同條件下，PD 組和 HC 組的步態(tài)速度無顯著差異，但 PD 組的步時間和步幅時間均短于 HC 組。PD 組在 TUG 期間的步頻顯著更高，在 MDTUG 期間的步幅時間顯著低于 HC 組。
PD 組內(nèi) CDTUG 和 MDTUG 之間的步時間有顯著差異；HC 組中 CDTUG 期間的步幅時間最高，與其他條件有顯著差異（見圖8）。
圖8. 帕金森病（PD）患者與健康對照組（HC）在計時起立行走測試（TUG）、認(rèn)知雙任務(wù)TUG測試（CDTUG）及運動雙任務(wù)TUG測試（MDTUG）期間的步頻、步幅時間、步長時間、步幅長度、步態(tài)速度、轉(zhuǎn)身持續(xù)時間、坐站轉(zhuǎn)換時間和站坐轉(zhuǎn)換時間的對比。
任務(wù)期間的 PFC 激活與兩組運動測量值之間的相關(guān)關(guān)系
PD 組中，TUG 期間 ΔHBO 與步頻呈負(fù)相關(guān)，與步時間呈正相關(guān)，MDTUG 期間坐站持續(xù)時間與 ΔHBO 有顯著相關(guān)，TUG 期間 ΔHHB 的增加與步幅時間和轉(zhuǎn)身持續(xù)時間呈正相關(guān)。
HC 組中，TUG 期間 ΔHBO 與步數(shù)呈負(fù)相關(guān)，DLPFC 區(qū)域步態(tài)速度與 ΔHBO 呈正相關(guān)，TUG 期間站坐和坐站的持續(xù)時間與 ΔHBO 水平呈負(fù)相關(guān)，MDTUG 期間 mPFC 區(qū)域 ΔHHB 與步時間和步幅時間呈負(fù)相關(guān)。
總結(jié)與展望：打造MU驅(qū)動的智能神經(jīng)康復(fù)系統(tǒng)
在簡單 TUG 任務(wù)中，PD 組和 HC 組的 PFC 激活水平相似，但 PFC 子區(qū)域的激活水平有差異，PD 組的 DLPFC 激活最高，HC 組的 VLPFC 活動增加，這可能與 PD 組執(zhí)行任務(wù)時面臨更大挑戰(zhàn)有關(guān)。CDTUG 中，兩組 PFC 激活均顯著增加，PD 組在多個 PFC 子區(qū)域激活較高，表明其需要更多認(rèn)知資源來應(yīng)對雙任務(wù)需求，但兩組的運動測量值無顯著差異，可能與任務(wù)難度、樣本疾病階段等因素有關(guān)。MDTUG 中，PD 組 PFC 激活水平最低，HC 組 PFC 激活較高，兩組在 PFC 子區(qū)域的激活模式不同，反映了 PD 和 HC 組在雙任務(wù)條件下采用不同的認(rèn)知和運動策略，突出了 PD 對認(rèn)知 - 運動整合的影響。
本研究存在一定局限性，如參與者多為輕中度 PD 患者、PD 患者在服藥狀態(tài)下測試、僅關(guān)注 PFC 等，未來研究應(yīng)納入更多階段的患者，進行未服藥狀態(tài)下的評估等。總體而言，該研究表明 PD 患者在復(fù)雜活動中運動和認(rèn)知障礙更顯著，運動和認(rèn)知雙任務(wù)對 PD 的綜合評估均很重要，MDTUG 能有效區(qū)分 PD 組和 HC 組。
原文鏈接
Sousani M, Fernandez Rojas R, Preston E, Ghahramani M. Exploring Brain-Body Interactions in Parkinson's Disease: A Study on Dual-Task Performance. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2025;33:984-993. doi: 10.1109/TNSRE.2025.3546278. Epub 2025.
DOI: 10.1109/TNSRE.2025.3546278
研究團隊介紹
該文章作者包括Maryam Sousani、Raul Fernandez Rojas、Elisabeth Preston以及Maryam Ghahramani。其中，Maryam Sousani、Raul Fernandez Rojas和Maryam Ghahramani隸屬于澳大利亞堪培拉大學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；Elisabeth Preston隸屬于澳大利亞堪培拉大學(xué)健康學(xué)院。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進的技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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