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研究背景

研究表明在自主控制運動任務(voluntary control movement, i.e. HA)時對肌肉施加電刺激(Electrical stimulation ,ES)，相比僅是模仿運動可以提高對肌肉的控制力。然而，在不同HA任務期間施加電刺激以及HA對腦皮質影響依舊未知。此文旨在利用fNIRS研究在HA期間施加多種電刺激對肌肉血氧的影響及血氧變化與腦皮質的關系。
 

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研究方法
 

2.1、被試

19位年齡在23.70 ± 3.00的成年男性，沒有精神、心臟、膝蓋的疾病。全部被試在實驗前均未進行高強度運動。
 

2.2、實驗設定

整體布置如下圖。

設備使用ISS Imagent的NIRS。肌肉血氧變換用SpO2指標評價，光源和檢測器之間的距離為1.95、2.01、2.46、2.51、2.97、3.04、3.45和3.53厘米，采樣頻率為5Hz；腦皮質活動用HbO，HbR，HbT等指標評價，光源波長為使用690nm和830nm兩種，光源數量為14個，探測器數量為4個。

腦皮層電極配置如下圖，分別布置在感覺運動頂葉(SMC)，輔助運動區(SMA)，前運動頂葉(PMC)等腦區。實驗前采集180s靜息態數據，每個trials包括30s休息和20s訓練(isometric)。重復8次以后會有一個長時間休息。

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研究結果

下圖是時域下膝關節伸展收縮運動的氧飽和度 (SpO2) 變化。 ΔSpO2 和耗竭速率是根據等距的雙曲正切方程計算的收縮階段。

垂直虛線表示分別是等長收縮的開始（30 秒）和結束（50 秒）。
 

下圖是長伸膝階段五種方式的 ΔSpO2。等距膝關節伸展中五種模式的時間常數（以秒為單位）相位（較小的時間常數值表示消耗速度快）。* 表示條件之間的顯著差異。

下圖是血紅蛋白皮質區域變化的濃度，即 [HbO]（紅線）、[HbR]（藍線）和 [HbT]（綠線），在伸膝期間（黃色條）覆蓋雙側 SMC、PMC、和 SMA 用于 VOL、ES、HA-I、HA-II 和 HA-III 模式。

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實驗結論

增加ES水平可以提高HA任務下肌肉耗氧需求。ES刺激可以產生與肌肉收縮(VOL)類似的腦皮層活動，但是強度要弱于自主肌肉運動。HA期間腦皮層活動水平還取決于皮層位置的功能特異性(functional specificity)。但是低強度HA不能增加肌肉氧需求。

Assessments of Muscle Oxygenation and Cortical Activity Using Functional Near-infrared Spectroscopy in Healthy Adults During Hybrid Activation. Tai-You Lin et al. IEEE Transactions. 10.1109/TNSRE.2015.2429655.