郭 峰

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運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞過(guò)程中大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)運(yùn)動(dòng)相關(guān)電位變化

郭 峰

目的：觀察健康成年受試者上肢指屈肌次最大隨意等長(zhǎng)收縮誘發(fā)運(yùn)動(dòng)性疲勞過(guò)程中大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮層電位(movement-related cortical potentials,MRCPs)的變化。方法：對(duì)疲勞組(n=15)和非疲勞組(n=13)受試者在進(jìn)行200次的30% MVC的間斷性等長(zhǎng)握力收縮過(guò)程中的肌力、肌電以及腦電進(jìn)行同步測(cè)量。將200次收縮分為4個(gè)模塊，觀察最大握力以及肌電均方根振幅(RMS)的變化。將200次收縮分為前、后2個(gè)大模塊,分析在腦電信號(hào)中提取出的MRCPs電位。結(jié)果：研究表明，疲勞組受試者在指屈肌漸進(jìn)性疲勞過(guò)程中最大握力(P<0.001)及其對(duì)應(yīng)的肌電幅值(P<0.001)顯著性下降，在4個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊中指深屈肌肌電的RMS幅值逐漸增加(P<0.01)；運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行電位(motor potential,MP)和運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備電位(readiness potential,RP)幅值隨著疲勞發(fā)生發(fā)展顯著增加。非疲勞組受試者以上指標(biāo)沒(méi)有顯著性變化。與非疲勞組受試者相比，疲勞組受試者運(yùn)動(dòng)頭皮運(yùn)動(dòng)區(qū)MRCPs有向頭部前方和運(yùn)動(dòng)同側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)。結(jié)論：在指屈肌次最大隨意收縮誘發(fā)的漸進(jìn)性疲勞過(guò)程中大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮層電位激活水平增高，激活面積彌散，且有向頭部前方和運(yùn)動(dòng)同側(cè)移動(dòng)的特點(diǎn)，這可能是中樞為了彌補(bǔ)肌肉力量下降動(dòng)員更多肌纖維而采用的中樞策略。另外，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行電位與肌肉疲勞密切相關(guān)，而運(yùn)動(dòng)前準(zhǔn)備電位受肌肉疲勞影響較小。

運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞；握力；運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)；事件相關(guān)電位；運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮層電位

運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞引起的力量下降可能源于神經(jīng)肌肉控制軸的不同位置，例如，肌細(xì)胞膜、神經(jīng)肌肉接頭、脊髓或者大腦皮質(zhì)[33]，其中，中樞疲勞在肌肉力量下降中起到了關(guān)鍵作用。對(duì)于疲勞的中樞機(jī)制來(lái)說(shuō)，已經(jīng)有研究者使用EEG(electroen cephalog ram)和fMRI(functional magnetic resonance imaging)去探索疲勞運(yùn)動(dòng)任務(wù)過(guò)程中大腦皮層的信息處理過(guò)程[1,22-24]。目前，研究者們開(kāi)始把注意力轉(zhuǎn)向了運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮層電位(movement-related cortical potentials,MRCPs)的研究。MRCPs是一種與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的事件相關(guān)電位。 MRCPs電位包含多種成分，主要包括運(yùn)動(dòng)前成分和運(yùn)動(dòng)后成分。運(yùn)動(dòng)前成分又可以稱為準(zhǔn)備電位(bereitschaftpotential,BP 或者readiness potential,RP)，最初是由Kornhuber和Deecke[20]提出來(lái)的，這個(gè)成分主要與動(dòng)作執(zhí)行前的準(zhǔn)備過(guò)程有關(guān)，而運(yùn)動(dòng)后成分與軀體感覺(jué)輸入成分有關(guān)。RP電位以一種緩慢增加的負(fù)電位為特征，通常開(kāi)始于運(yùn)動(dòng)前的-1 500 ms。它又可以分成3種成分，即早期RP成分，是肌電觸發(fā)前的-1 000～-1 500 ms時(shí)間段內(nèi)的電位；晚期成分negative slope (NS’)，可以稱之為負(fù)性斜率成分，為肌電觸發(fā)前的-500 ms時(shí)間段內(nèi)的電位；運(yùn)動(dòng)電位(motor potential,MP)，這個(gè)電位主要對(duì)應(yīng)著MRCPs電位的峰值成分或者最大負(fù)性峰值，通常取肌電觸發(fā)后的50 ms內(nèi)的電位幅值[20]。以上這些電位成分能夠反映出隨意運(yùn)動(dòng)的計(jì)劃、準(zhǔn)備以及早期的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行過(guò)程，這些成分通常出現(xiàn)在初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)、前運(yùn)動(dòng)區(qū)、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)以及枕后區(qū)和軀體感覺(jué)皮質(zhì)區(qū)[3,4,7]。在這些區(qū)域，MRCPs電位成分的幅值和潛伏期可以直接反映中樞的運(yùn)動(dòng)命令。

目前，國(guó)內(nèi)研究者鮮見(jiàn)開(kāi)展對(duì)大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)MRCPs電位的研究，而研究主要集中在國(guó)外研究者。最近，有研究者研究發(fā)現(xiàn)，在重復(fù)性運(yùn)動(dòng)誘發(fā)肌肉疲勞的任務(wù)中，RP電位幅值顯著增加，認(rèn)為這種RP幅值的增加是對(duì)外周肌肉疲勞的一種補(bǔ)償[9,18,23,26,30]。Schillings等人[26]發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)性的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的RP電位幅值增加可能是由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)任務(wù)過(guò)程中認(rèn)知需求增加引起的，而并不是肌肉疲勞引起RP電位幅值的增加。因此，重復(fù)性收縮誘發(fā)肌肉疲勞的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可能會(huì)影響肌肉疲勞對(duì)MRCPs成分影響的判斷。同時(shí)，以前還有一些研究者研究發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)性疲勞過(guò)程中MRCPs幅值降低[25]，認(rèn)為這主要是由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中注意力下降和對(duì)運(yùn)動(dòng)任務(wù)的習(xí)慣化導(dǎo)致了電位幅值降低。因此，有關(guān)運(yùn)動(dòng)性疲勞時(shí)大腦運(yùn)動(dòng)皮層MRCPs幅值變化特征的研究結(jié)果并不一致，并且，針對(duì)這些結(jié)果的解釋也存在差異。

本研究使用肌力、表面肌電(surface electromyography,sEMG)、MRCPs結(jié)合起來(lái)共同研究上肢小肌肉群運(yùn)動(dòng)疲勞過(guò)程中中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)電生理學(xué)機(jī)制，預(yù)觀察MRCPs不同成分在運(yùn)動(dòng)性疲勞過(guò)程中的變化情況。本研究假設(shè)運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮質(zhì)區(qū)的神經(jīng)元活動(dòng)會(huì)隨著肌肉的疲勞而發(fā)生變化。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

最初選取了32名健康受試者為研究對(duì)象，這些受試者通過(guò)自我報(bào)告的形式確定全部為右利手。將這32名受試者分為疲勞組16人和非疲勞組16人，但疲勞組中有1人腦電信號(hào)干擾較大，非疲勞組中有3人腦電信號(hào)干擾偽跡較大，這4名受試者最后被排除研究之外。最后，疲勞組15人(年齡23.4±1.1歲，身高1.75±0.11 m，體重72.3±7.4 kg)；非疲勞組13人(年齡22.7±1.7歲，身高1.77±0.16 m，體重70.3±9.4 kg)作為最終的研究對(duì)象。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明，2組受試者在年齡、身高、體重方面都沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。同時(shí)，受試者沒(méi)有神經(jīng)肌肉系統(tǒng)疾病以及精神疾病。向受試者詳細(xì)介紹本實(shí)驗(yàn)程序后，受試者同意參與本實(shí)驗(yàn)研究，并且承諾給予受試者一定的報(bào)酬。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

令疲勞組受試者的右手執(zhí)行200次間斷性的30%MVC等長(zhǎng)握力收縮，每次收縮時(shí)間大約持續(xù)6 s，間歇時(shí)間大約4 s。將200次收縮劃分為4個(gè)模塊(Block 1,Block 2,Block 3,Block 4)，每個(gè)模塊包含50次收縮，在每個(gè)模塊之間有不到1 min的休息時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)主要進(jìn)行最大隨意收縮力(maximal voluntary contraction,MVC)的測(cè)試。受試者對(duì)30%MVC力量水平的控制主要通過(guò)實(shí)時(shí)顯示在電腦顯示器上的目標(biāo)力水平線來(lái)完成，受試者可以通過(guò)實(shí)時(shí)顯示在電腦顯示器上的可視化力量反饋來(lái)控制目標(biāo)力量的高低。受試者按照自我節(jié)奏(self-paced)進(jìn)行收縮，盡可能精準(zhǔn)地達(dá)到目標(biāo)力水平并且持續(xù)6 s，同時(shí)保持間歇時(shí)間4 s。

在分析MRCPs時(shí)，為了獲得更高的信噪比，研究者將200次收縮分為2個(gè)模塊，每個(gè)模塊包含100次收縮，初期模塊(Early blocks，即Block 1 和Block 2)和后期模塊 (Late blocks，即Block 3 和Block 4)。

對(duì)于非疲勞組受試者來(lái)說(shuō)，收縮方式與疲勞組相同，同樣也是以30% MVC的收縮強(qiáng)度間斷性地收縮200次，每次收縮持續(xù)6 s，差別主要在于每次收縮之間的間歇休息時(shí)間，非疲勞組受試者有更充裕的間歇休息時(shí)間，大約為8 s。

1.3 實(shí)驗(yàn)具體程序

受試者調(diào)整自己的身體使其舒服地坐在椅子上，電腦顯示器距離受試者90 cm，受試者右側(cè)上肢貼著軀干同時(shí)肘關(guān)節(jié)屈曲大約90°，右側(cè)上肢的前臂倚在椅子的扶手上，同時(shí)，手掌保持90°的內(nèi)旋。為了減少其他肌肉的激活，允許受試者調(diào)整他們的身體，使身體其他部位處于放松狀態(tài)，使肌肉收縮只發(fā)生在前臂握力肌群。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，首先讓受試者熟悉一下實(shí)驗(yàn)過(guò)程，尤其是力量水平。

在正式實(shí)驗(yàn)前以及每個(gè)Block之間分別測(cè)試受試者的MVCs。測(cè)試MVCs時(shí)，令受試者盡自己最大的努力握握力計(jì)，持續(xù)5 s，并在測(cè)試同時(shí)給予口頭鼓勵(lì)，讓受試者盡最大努力堅(jiān)持。對(duì)于正式實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前的初始MVC，需要測(cè)試3次，然后，選擇力最大的1次作為研究。但是，為了降低疲勞效應(yīng)的影響，Block之間的MVC只測(cè)試1次。

本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和分析工作在沈陽(yáng)體育學(xué)院的運(yùn)動(dòng)心理學(xué)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家體育總局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的電生理實(shí)驗(yàn)完成。

1.4 數(shù)據(jù)采集與處理

1.4.1 肌力測(cè)量與分析

為了實(shí)現(xiàn)本研究目的，研究者自制了數(shù)字電子握力計(jì)，在電子拉力/壓力傳感器(最大量程500 N)的基礎(chǔ)之上，對(duì)其進(jìn)行了改造，配置了拉力手柄，拉力手柄有調(diào)節(jié)器，可以根據(jù)不同受試者的手掌大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，使受試者在進(jìn)行屈指運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)處于一個(gè)最舒服的發(fā)力位置，這種調(diào)節(jié)有利于受試者發(fā)揮出最大隨意收縮力，正如運(yùn)動(dòng)生理學(xué)中提到的，只有骨骼肌肌纖維的肌小節(jié)的初長(zhǎng)度處于一個(gè)最適長(zhǎng)度時(shí)才能使肌肉產(chǎn)生最大的收縮效果。為了增加握力過(guò)程中的舒適感以及降低手與握力計(jì)拉桿之間擠壓而產(chǎn)生的不舒服感，研究者在拉桿上增加了橡膠軟墊。另外，編制了實(shí)時(shí)顯示握力曲線軟件，在受試者執(zhí)行握力任務(wù)的同時(shí)，可以通過(guò)該軟件實(shí)時(shí)顯示其握力的力量水平。

在測(cè)試前，首先對(duì)握力計(jì)進(jìn)行校正。在最大隨意收縮測(cè)試時(shí)，使用語(yǔ)言鼓勵(lì)受試者發(fā)揮最大力量去握握力計(jì)，進(jìn)而得到受試者的最大握力力量。對(duì)于最大握力值，取力量曲線的平穩(wěn)期(即力量上升和下降之間的平穩(wěn)力量信號(hào))的平均值。測(cè)試最大力量的同時(shí)也測(cè)量肌肉對(duì)應(yīng)的肌電值，將得到的最大力量和其對(duì)應(yīng)的肌電幅值作為基準(zhǔn)值，用于標(biāo)準(zhǔn)化處理。肌力標(biāo)準(zhǔn)化處理的具體方法是將每一個(gè)Block內(nèi)測(cè)試的肌力平均值與初始MVC相除，將力值用%MVC來(lái)表示。最后，再將標(biāo)準(zhǔn)化處理的肌力對(duì)所有的受試者取平均值。

1.4.2 sEMG信號(hào)測(cè)量與處理

1.sEMG信號(hào)測(cè)量

選取受試者右手前臂的指深屈肌為測(cè)試肌肉，該肌肉已經(jīng)被很多研究者用于手指運(yùn)動(dòng)與大腦皮層控制的研究中。根據(jù)以往研究者的研究，指深屈肌的最佳位置在前臂距離肘關(guān)節(jié)遠(yuǎn)端3～5 cm，靠近尺骨內(nèi)側(cè)1～2 cm遠(yuǎn)處。另外，本研究為了進(jìn)一步判斷指深屈肌的準(zhǔn)確位置，讓受試者克服外界阻力屈曲第4指骨時(shí)的前臂指屈肌的肌腹最大隆起，幫助進(jìn)一步判斷指深屈肌的位置。肌電測(cè)試采用雙極記錄法，兩個(gè)雙極導(dǎo)聯(lián)來(lái)自腦電測(cè)試系統(tǒng)，這樣可以保證腦電與肌電同步測(cè)量。兩個(gè)雙極導(dǎo)聯(lián)電極的中心位置距離為20 mm，在粘貼電極之前對(duì)其所對(duì)應(yīng)的位置用去角質(zhì)皮膏(NuprepTM,D.O.Weaver & Co.,USA)進(jìn)行皮膚預(yù)處理，然后用75%的酒精擦拭去掉皮膚死皮，直至皮膚自然風(fēng)干后再粘貼電極注入導(dǎo)電膏，這樣可以顯著降低皮膚阻抗。肌電信號(hào)的采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz，帶通濾波設(shè)置為0.1～200 Hz。

肌肉每次收縮記錄到的sEMG信號(hào)通過(guò)均方根振幅法(root mean square,RMS)進(jìn)行全波整流，整流的時(shí)間窗口寬度為0.1 s，然后再對(duì)每次收縮內(nèi)的肌電信號(hào)RMS取平均值。最后，求出每一個(gè)受試者在每一個(gè)Block內(nèi)的平均RMS， 4個(gè)Block對(duì)應(yīng)4個(gè)平均的肌電RMS值。

2.sEMG信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化處理

同樣，對(duì)于sEMG信號(hào)也要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。sEMG信號(hào)分析中一個(gè)最大的缺點(diǎn)就是肌電幅值受到探測(cè)條件的影響：它隨著電極的位置、實(shí)驗(yàn)對(duì)象甚至同一塊肌肉的不同測(cè)試時(shí)期而發(fā)生變化?？朔@個(gè)幅值問(wèn)題的一個(gè)方法就是使用相對(duì)參考值的標(biāo)準(zhǔn)化值(例如，一個(gè)作為參考的最大隨意收縮值)。sEMG信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化的主要效應(yīng)是消除探測(cè)條件的影響，將微伏級(jí)數(shù)據(jù)變換成所選擇參考值的百分比，標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程不會(huì)改變肌電曲線形狀，只是改變了Y軸的比例。sEMG信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化處理的另外一個(gè)好處就是可以將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為一個(gè)相對(duì)于參考值的百分比，在實(shí)驗(yàn)中所有的受試者之間可以進(jìn)行比較分析，它消除了很多干擾因素，可以進(jìn)行不同組之間的定量研究。目前，比較受歡迎的是最大隨意收縮標(biāo)準(zhǔn)化方法，即記錄受試者某塊肌肉最大隨意收縮過(guò)程中的肌電幅值，然后，將收縮過(guò)程中sEMG信號(hào)與最大隨意收縮時(shí)的信號(hào)相除，具體方法與肌力標(biāo)準(zhǔn)化方法一致，只是肌電基準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的是最大肌力時(shí)產(chǎn)生的RMS值，將肌電值也用%來(lái)表示。將前面得到的4個(gè)Block內(nèi)的平均RMS絕對(duì)值經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后表示為%RMS，最后分別對(duì)每組內(nèi)的全部受試者%RMS取平均值。

1.4.3 EEG測(cè)量與分析

1.EEG測(cè)量

本研究使用美國(guó)64導(dǎo)聯(lián)Neuroscan SynAmps腦電測(cè)試系統(tǒng)(version 4.5,NeuroScan,El Paso,Texas,USA)測(cè)量受試者在運(yùn)動(dòng)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中連續(xù)的腦電信號(hào)。受試者在測(cè)試時(shí)佩戴64電極點(diǎn)的腦電帽(SynAmps2 Quik-Cap64，USA)，電極分布符合10-10國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分布[16]。EEG采集使用單極記錄方式，將右側(cè)乳突(M2)設(shè)置為參考電極。另外，Neuroscan SynAmps記錄系統(tǒng)中的一對(duì)雙極導(dǎo)聯(lián)用于測(cè)量sEMG信號(hào)，同時(shí)記錄了水平眼電和垂直眼電。接地電極置于FPz 和 Fz電極之間的位置。

腦電信號(hào)的采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz，放大器的帶通濾波設(shè)置為0.01～100 Hz。在佩戴腦電帽之前，用堿性洗發(fā)水去掉頭皮屑以及頭皮上的油脂成分，然后用電吹風(fēng)將頭發(fā)吹干。準(zhǔn)備工作完成后，配帶腦電帽，令Cz位置對(duì)應(yīng)頭的中心點(diǎn)(鼻尖與枕后粗隆連線與左右兩耳門(mén)連線的交叉點(diǎn))，將導(dǎo)電膏(Quick-GelTM,Compumedics,Inc.,Charlotte,NC,USA)注入到每一個(gè)電極中，使所有電極的阻抗都降到5 kΩ以下。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受試者要避免咬牙和亂動(dòng)，如果受試者在測(cè)試過(guò)程中需要放松移動(dòng)身體，可以在收縮間歇時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且，在身體調(diào)整穩(wěn)定片刻后再進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。

2.EEG信號(hào)分析

使用NeuroScan 4.5 (Compumedics USA,Inc.) 軟件進(jìn)行腦電信號(hào)的離線分析。首先，手動(dòng)去除偽跡干擾，將帶有嚴(yán)重肌電干擾的原始腦電片段手動(dòng)去除。然后，使用相關(guān)法去除眼電偽跡[12]。

本研究觀察大腦皮質(zhì)相關(guān)區(qū)域的MRCPs電位特征，對(duì)于事件發(fā)生點(diǎn)來(lái)說(shuō)，很多研究者選取肌電的觸發(fā)點(diǎn)作為肌肉收縮事件相關(guān)點(diǎn)(即0時(shí)刻點(diǎn))[20,28]。還有一些研究者將事件相關(guān)點(diǎn)設(shè)置為力閾值15 N、 20 N或者20%MVC的點(diǎn)[1,23]，但本研究觀察的是肌肉疲勞過(guò)程中中樞神經(jīng)系統(tǒng)的變化。因此，以肌電觸發(fā)激活點(diǎn)為事件相關(guān)0時(shí)刻點(diǎn)更適合研究疲勞時(shí)神經(jīng)-肌肉的特征關(guān)系。

去除偽跡干擾完成之后，將不受干擾的連續(xù)腦電信號(hào)分成若干4 000 ms的時(shí)間段(肌電觸發(fā)之前的-2 000 ms到肌電觸發(fā)之后的2 000 ms時(shí)間段,-2 000～2 000 ms)。對(duì)每段腦電信號(hào)要進(jìn)行基線提取，基線提取的時(shí)間窗設(shè)置為從-2 000～-1 500 ms，取500 ms內(nèi)平均幅值。為了進(jìn)一步降低噪聲水平，將每段腦電進(jìn)行低通濾波，低通截止頻率設(shè)置為30 Hz。濾波后的分段腦電又使用閾值法再次進(jìn)行偽跡去除，閾值設(shè)定為-80～80 μV，超過(guò)這個(gè)閾值范圍的分段腦電將被去除。然后，將沒(méi)有干擾的分段腦電進(jìn)行疊加平均，得到初始MRCPs波形。最后，對(duì)初始的MRCPs波形再次進(jìn)行了處理，將初始MRCPs電位進(jìn)行整體再平均化參考，得到最終的MRCPs電位，用于統(tǒng)計(jì)分析。

在實(shí)驗(yàn)次最大隨意握力收縮誘發(fā)的MRCPs電位中有明顯的BP電位以及MP電位，在以往研究的基礎(chǔ)之上[18]，為了滿足本研究的需要，研究者將肌電觸發(fā)前-1 500～-100 ms看成運(yùn)動(dòng)前的準(zhǔn)備活動(dòng)過(guò)程。將肌電觸發(fā)附近的0～150 ms時(shí)間窗作為MP電位。以上這兩種成分被研究者認(rèn)為與動(dòng)作的準(zhǔn)備和早期執(zhí)行有關(guān)[1,3,4,28]。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用社會(huì)學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件Spss 16.0對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。選取最大隨意收縮力值(MVC)，肌電值(RMS)作為獨(dú)立變量來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)體的疲勞情況，使用2×4雙因素混合模型方差分析，其中，分組變量：疲勞組(Fatigue)和非疲勞組(Non-fatigue)作為組間變量；模塊變量： Block 1、Block 2、Block 3以及Block 4作為組內(nèi)變量。

對(duì)于疲勞過(guò)程中大腦皮質(zhì)的MRCPs分析，使用一般線性混合模型2(分組變量,2個(gè)水平)×2 (模塊變量,2個(gè)水平)×2 (額狀面電極,2個(gè)水平：額中央?yún)^(qū)以及中央?yún)^(qū))×3 (矢狀面電極,3個(gè)水平：運(yùn)動(dòng)的同側(cè)區(qū)、中線區(qū)以及運(yùn)動(dòng)對(duì)側(cè)區(qū))×2 (MRCPs成分,2個(gè)水平：RP和MP，受試者內(nèi)變量)方差分析。6個(gè)電極為 FC1,FCz,FC2,C1,Cz,C2。研究者們一致認(rèn)為，MRCPs電位主要發(fā)生器位于前輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)，輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)以及初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)[28]。以上電極位置的選取建立在峰值電位和以往研究的基礎(chǔ)之上： FC1,FC2,FCz和Cz粗略覆蓋輔助運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)；C1和C2覆蓋初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)。

2 結(jié)果

2.1 疲勞運(yùn)動(dòng)任務(wù)過(guò)程中肌力與sEMG的變化

疲勞組和非疲勞組受試者在未進(jìn)行正式收縮前的初始MVC分別為307.7±82.8 N和 299.8±86.4 N，兩組之間并沒(méi)有顯著的分組效應(yīng)[F(1,26)=0.046,P=0.83]。200次收縮結(jié)束之后，兩組受試者M(jìn)VC分別下降到231.9±70.6 N(疲勞組)和265.1±73.5 N (非疲勞組)。以肌電激活點(diǎn)和失活點(diǎn)為基礎(chǔ)，所有受試者持續(xù)收縮的時(shí)間為6.2±2.7 s，其中，疲勞組受試者的間歇休息時(shí)間為4.5±1.9 s，非疲勞組受試者間歇休息時(shí)間為8.2±1.3 s。

圖1 本研究疲勞組與非疲勞組受試者在每一個(gè)block內(nèi)實(shí)際輸出力以及實(shí)際輸出力的標(biāo)注差的變化示意圖Figure 1. The Actual Force Level over Each Block and SD of Actual Force over Each Block for Subjects in Fatigue and Non-fatigue Groups

注：* 表示P<0.05,** 表示P<0.001。

圖2 本研究疲勞組與非疲勞組的最大隨意收縮力、最大隨意收縮力的肌電RMS、每個(gè)Block內(nèi)平均肌電RMS示意圖Figure 2. MVC (A),EMG RMS of MVC (B),and Average RMS of EMG over Each Block (C) for Subjects in Fatigue and Non-fatigue Groups

2.2 運(yùn)動(dòng)性疲勞過(guò)程MRCPs的變化

疲勞組和非疲勞組受試者在疲勞運(yùn)動(dòng)任務(wù)中，疲勞組受試者在運(yùn)動(dòng)后期模塊時(shí)，MRCPs電位的激活強(qiáng)度和激活區(qū)域要比非疲勞組大(圖3、圖4)。

圖3 本研究受試者總平均的頭皮MRCPs的地形分布示意圖Figure 3. Total Average Topography of MRCPs for All Subjects

注：從-2 000 ms開(kāi)始到運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后的1 200 ms結(jié)束，每隔100 ms取一個(gè)平均值的腦電地形分布圖。A圖為非疲勞組全部受試者初期運(yùn)動(dòng)模塊的平均地形分布圖；B圖為疲勞組全部受試者后期運(yùn)動(dòng)模塊的平均地形分布圖。

鑒于SAG×COR×Group存在顯著的交互作用，因此，對(duì)肌肉疲勞過(guò)程中MRCPs不同成分的在頭皮上的分布空間特點(diǎn)進(jìn)行了描述。

注：F-Early block代表疲勞組初期模塊；NF-Early block代表非疲勞組初期模塊；F-Late block代表疲勞組后期模塊；NF-Late block代表非疲勞組后期模塊。

表1 本研究MRCPs幅值的5因素混合模型方差分析一覽表Table 1 5-factor Mixed Model ANOVAs on MRCPs

注：COR表示額狀面電極；SAG表示矢狀面電極。

表2 本研究分組效應(yīng)對(duì)不同模塊的RP和MP幅值的影響一覽表Table 2 Effects of Group on RP and MP Amplitude in Different Blocks

對(duì)于RP電位在額狀面的電極分布來(lái)說(shuō)，在肌肉未發(fā)生疲勞時(shí)，中央?yún)^(qū)域的RP幅值C1(-3.14±0.51 μV)要顯著高于(P=0 .005) C2(-2.06±0.57 μV)，但是當(dāng)肌肉疲勞時(shí)，C2的RP負(fù)性電位幅值增加，最終使得C1(-3.38±0.62 μV)和C2(-3.14±0.61 μV)之間沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。同樣，額中央?yún)^(qū)也表現(xiàn)出與中央?yún)^(qū)一樣的變化特點(diǎn)，也是隨著疲勞的產(chǎn)生，RP電位產(chǎn)生向肢體運(yùn)動(dòng)的同側(cè)運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于MP電位來(lái)說(shuō)，在矢狀面上，不管疲勞組還是非疲勞組，在大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)的對(duì)側(cè)、中線以及同側(cè)區(qū)域都存在顯著性的電極效應(yīng)。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析表明，在肌肉未發(fā)生疲勞時(shí)，MP幅值在運(yùn)動(dòng)區(qū)靠前的位置(FC1和FCz) 要顯著低于后面的位置(C1和Cz)，P<0 .05；但是，當(dāng)肌肉發(fā)生疲勞時(shí)，結(jié)果相反，運(yùn)動(dòng)區(qū)靠前位置(FC1和FCz)MP電位的幅值要顯著高于后面位置(C1和Cz)，P<0.03。說(shuō)明當(dāng)肌肉發(fā)生疲勞時(shí)，MP電位也似乎向運(yùn)動(dòng)區(qū)前方移動(dòng)。

3 分析

3.1 運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞過(guò)程中肌力和sEMG的變化特征

目前，在體育運(yùn)動(dòng)中已經(jīng)有研究者利用肌力同時(shí)結(jié)合sEMG測(cè)量綜合評(píng)價(jià)肌肉疲勞[2，18]，這種方法能夠有效地評(píng)價(jià)和理解肌肉疲勞的過(guò)程與機(jī)制。從本研究結(jié)果可以看出，30%MVC的重復(fù)性握力收縮方案能夠顯著地誘發(fā)肌肉疲勞。非疲勞組受試者在間歇8 s的方案中并沒(méi)有引起肌力和肌電顯著性的下降，說(shuō)明非疲勞組的運(yùn)動(dòng)方案沒(méi)有引起受試者肌肉疲勞。

在本研究的運(yùn)動(dòng)任務(wù)中，疲勞組與非疲勞組受試者都執(zhí)行30% MVC的次最大強(qiáng)度的握力收縮，要求受試者每次收縮持續(xù)6 s,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組運(yùn)動(dòng)方案的差別主要在于每次收縮之間的休息時(shí)間不同，在本研究中要求疲勞組受試者每次收縮之間的間歇休息時(shí)間為4 s,而非疲勞組受試者的間歇休息時(shí)間為8 s。從受試者完成的情況來(lái)看，雖然兩組受試者基本按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求都能夠達(dá)到30% MVC的目標(biāo)力水平。但是，從本研究的數(shù)據(jù)能夠看出，兩組受試者在力輸出的平臺(tái)期時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差相差比較大，非疲勞組受試者其輸出力標(biāo)準(zhǔn)差較小，說(shuō)明輸出力穩(wěn)定，變異小，而疲勞組受試者的力輸出值變異較大。雖然兩組在前兩個(gè)Block平臺(tái)期輸出力的標(biāo)準(zhǔn)差沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但隨著疲勞組受試者疲勞程度加深，在Block 3和Block 4兩個(gè)模塊時(shí)，疲勞組受試者平臺(tái)期輸出力的標(biāo)準(zhǔn)差顯著大于非疲勞組，說(shuō)明在疲勞后期，疲勞組受試者由于疲勞程度加深，力輸出變得不穩(wěn)定。輸出力匹配失誤可能與長(zhǎng)時(shí)間牽拉肌腱中的腱器官而使其敏感性下降有關(guān)[13]，這使對(duì)力量輸出調(diào)整的能力減弱，所以導(dǎo)致本研究中后期受試者平臺(tái)期肌力標(biāo)準(zhǔn)差變大。另外，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察到，疲勞組受試者在最大隨意收縮過(guò)程中，最大肌力以及最大肌力對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化肌電RMS值隨著疲勞發(fā)生發(fā)展而顯著下降。肌肉疲勞是一種常見(jiàn)的生理現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞是指由運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的單塊肌肉或者肌群的最大隨意收縮力量下降的現(xiàn)象，還有研究者把它定義為機(jī)體不能夠維持所需或者預(yù)定的力量水平。因此，通常將力量、功率或者力矩作為機(jī)體肌肉疲勞的直接測(cè)試指標(biāo)，肌肉疲勞時(shí)這些指標(biāo)下降。

在次最大隨意收縮誘發(fā)肌肉疲勞的運(yùn)動(dòng)方案中，規(guī)定受試者200次收縮的每一次輸出收縮力都要達(dá)到30%MVC的目標(biāo)水平，隨著運(yùn)動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行，肌肉內(nèi)能源物質(zhì)消耗得不到及時(shí)補(bǔ)充以及代謝產(chǎn)物的堆積，肌肉會(huì)發(fā)生疲勞。但是，受試者為了每一次收縮都能夠達(dá)到目標(biāo)力水平，他們需要不斷激活脊髓處更多的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元以便募集更多的肌纖維進(jìn)而補(bǔ)償疲勞的肌纖維，進(jìn)而保證不變的輸出力水平。因此，在本研究中發(fā)現(xiàn)，在次最大隨意收縮中隨著疲勞的發(fā)生，每個(gè)Block內(nèi)的平均RMS表現(xiàn)為顯著性地逐漸增加，次最大隨意收縮過(guò)程中肌電活動(dòng)的這種變化也被認(rèn)為是肌肉疲勞的一種表現(xiàn)。

3.2 MRCPs電位頭皮地形圖分布

與以前相似的研究相比[23,24,31]，本研究中由上肢指屈肌次最大隨意等長(zhǎng)收縮誘發(fā)的MRCPs電位空間分布樣式似乎更加靠近內(nèi)側(cè)分布。這可能是由于握力等長(zhǎng)收縮時(shí)需要?jiǎng)訂T前臂主動(dòng)肌和拮抗肌同時(shí)參與收縮，才能產(chǎn)生一定的握力。根據(jù)肢體在運(yùn)動(dòng)區(qū)大腦皮質(zhì)上的投影分布，越靠近上肢近端其在大腦皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)上的投影越靠近內(nèi)側(cè)。另外，在肌肉發(fā)生疲勞時(shí)，可以看出RP電位和MP電位的地形圖分布更加靠近頭的前部以及運(yùn)動(dòng)的同側(cè)。本研究中RP和MP電位的這種地形圖變化得到Liu 等人[22]研究結(jié)果的支持,他們令受試者進(jìn)行上肢間斷性的最大隨意收縮，直至發(fā)生疲勞。與此同時(shí)，采用溯源分析法對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生前的50 ms內(nèi)的腦電信號(hào)進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)，與非疲勞組相比，這段時(shí)間內(nèi)的腦源偶極子向大腦前部以及運(yùn)動(dòng)同側(cè)大腦半球移動(dòng)。但是，他們只對(duì)運(yùn)動(dòng)前準(zhǔn)備階段的腦源信號(hào)進(jìn)行了研究，并沒(méi)有對(duì)動(dòng)作執(zhí)行時(shí)的腦源進(jìn)行分析。

從MRCPs電位的地形圖分布來(lái)看，本研究發(fā)現(xiàn)，與非疲勞組受試者相比，疲勞組受試者感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)MRCPs的激活強(qiáng)度和激活區(qū)域變大。這一發(fā)現(xiàn)與fMRI的結(jié)果一致，Liu等人[21]設(shè)計(jì)了一個(gè)2 min最大握力收縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)的前1 min，感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的fMRI成像中激活像素?cái)?shù)目增加，這種激活區(qū)域的擴(kuò)大被認(rèn)為是由于激活了額外的神經(jīng)元引起的，進(jìn)而補(bǔ)償肌肉疲勞時(shí)引起的力量不足。在本實(shí)驗(yàn)中，隨著肌肉的疲勞，受試者動(dòng)員了大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)內(nèi)更多的神經(jīng)元區(qū)激活脊髓處更多的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，進(jìn)而彌補(bǔ)疲勞引起的肌肉力量不足。所以，在本研究中，疲勞組受試者的頭皮地形分布圖表現(xiàn)出更大的激活區(qū)域，而且，有向運(yùn)動(dòng)同側(cè)和大腦前部移動(dòng)的趨勢(shì)。另外，在本研究中，MRCPs電位的幅值也增加，這種變化可能也是補(bǔ)償肌肉力量不足而產(chǎn)生的中樞變化。

3.3 運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞對(duì)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)MRCPs的影響

目前，研究者們發(fā)現(xiàn)，與隨意運(yùn)動(dòng)相關(guān)的最明顯的頭皮電位是BP(Bereitschaftspotential)或者RP(Ready potential)[20,27]。這個(gè)電位開(kāi)始于運(yùn)動(dòng)前，可以理解為運(yùn)動(dòng)之前的大腦皮質(zhì)準(zhǔn)備過(guò)程。在本實(shí)驗(yàn)研究中，與非疲勞組受試者比較，盡管疲勞組受試者在運(yùn)動(dòng)任務(wù)的早期時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的肌肉疲勞現(xiàn)象，但是，RP幅值并沒(méi)有顯著性差異。然而，隨著運(yùn)動(dòng)任務(wù)的進(jìn)行，在任務(wù)的后期時(shí)，RP幅值呈現(xiàn)出疲勞組和非疲勞組之間顯著的差異，但也僅僅在FC1位置才表現(xiàn)出疲勞組受試者RP幅值顯著高于非疲勞組受試者。Liu等人[23]研究發(fā)現(xiàn)，在最大隨意收縮誘發(fā)的上肢肌肉疲勞任務(wù)中，受試者在運(yùn)動(dòng)任務(wù)的準(zhǔn)備時(shí)相MRCPs電位幅值和腦電信號(hào)功率都沒(méi)有顯著變化。他們認(rèn)為，該研究結(jié)果支持他們以前的假設(shè)，即動(dòng)作準(zhǔn)備時(shí)相的腦電信號(hào)不會(huì)隨著疲勞而發(fā)生變化?；诖耍瑢W(xué)者提出了一個(gè)假設(shè)模型，認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)前準(zhǔn)備時(shí)相的活動(dòng)主要涉及注意力[27]。頂區(qū)、扣帶回以及前額區(qū)的聯(lián)合皮質(zhì)被認(rèn)為是調(diào)節(jié)注意力的主要皮質(zhì)區(qū)域，并且很有可能就是注意力的發(fā)生源[10]。

導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)前大腦產(chǎn)生活動(dòng)的另一個(gè)原因可能源自準(zhǔn)備相位信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可能僅僅來(lái)自在運(yùn)動(dòng)動(dòng)作之前才產(chǎn)生活動(dòng)的相位神經(jīng)元。這些神經(jīng)元可能僅僅在運(yùn)動(dòng)之前簡(jiǎn)單地激活一下，目的是激活位于初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)的輸出神經(jīng)元發(fā)出神經(jīng)沖動(dòng)讓執(zhí)行神經(jīng)元去執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)。這些時(shí)相細(xì)胞可能位于次級(jí)和/聯(lián)合運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)內(nèi)。例如，Cadoret 和Smith[5]發(fā)現(xiàn)，在猴子大腦的輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)和扣帶回運(yùn)動(dòng)區(qū)的很多神經(jīng)細(xì)胞在肌力產(chǎn)生之前放電率增加，但是在力量維持階段，其中大多數(shù)細(xì)胞是處于安靜狀態(tài)的。他們?cè)谶@兩個(gè)區(qū)域記錄到的細(xì)胞，高于60%的細(xì)胞是在手指肌力產(chǎn)生前表現(xiàn)為時(shí)相性放電(即該神經(jīng)細(xì)胞只在運(yùn)動(dòng)前產(chǎn)生電活動(dòng))，只有10%的神經(jīng)細(xì)胞在肌肉持續(xù)收縮階段是強(qiáng)直性激活的(即在持續(xù)收縮階段神經(jīng)細(xì)胞持續(xù)產(chǎn)生電活動(dòng))，大約有13%的神經(jīng)細(xì)胞為時(shí)相性兼強(qiáng)直性放電，它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)前和持續(xù)運(yùn)動(dòng)階段都一直放電?？赡芪挥诖渭?jí)和/聯(lián)合皮質(zhì)區(qū)與注意力相關(guān)的相位放電的神經(jīng)元在疲勞運(yùn)動(dòng)任務(wù)中不容易疲勞，因?yàn)?，它們總是在運(yùn)動(dòng)之前簡(jiǎn)單地被激活一下，然后就休息，所以，不容易疲勞，這可能可以解釋為什么在疲勞過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)前各個(gè)電極位置的RP電位沒(méi)有明顯變化。

已經(jīng)有學(xué)者[1,11,18,26]通過(guò)比較重復(fù)性運(yùn)動(dòng)的初期和后期兩個(gè)模塊發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)后期模塊運(yùn)動(dòng)電位的RP成分顯著高于運(yùn)動(dòng)初期模塊。在他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，肌肉疲勞也是通過(guò)重復(fù)性的次最大隨意收縮誘發(fā)的。Schillings 等人[26]認(rèn)為，這種重復(fù)性的運(yùn)動(dòng)本身可能會(huì)導(dǎo)致RP幅值增加，因?yàn)?，在重?fù)性運(yùn)動(dòng)中，受試者的認(rèn)知需求增加可能會(huì)導(dǎo)致RP電位幅值增加。在Schillings等人的研究中發(fā)現(xiàn)，受試者在執(zhí)行70%MVC的握力收縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，中央運(yùn)動(dòng)區(qū)的RP電位幅值顯著增加，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，外周肌肉僅僅產(chǎn)生了很小的疲勞。由長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)引起的RP電位幅值這種變化可能被解釋為由身體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中認(rèn)知需求增加引起的，認(rèn)知需求增加彌補(bǔ)了在重復(fù)性收縮過(guò)程中大腦皮層效率的下降，而不是肌肉疲勞引起的RP幅值變化。這個(gè)觀點(diǎn)也受到Freude和Ullsperger[11]研究的支持，他們發(fā)現(xiàn)，受試者在執(zhí)行80%MVC和20%MVC的重復(fù)性收縮時(shí)，RP電位曲線圍成的面積顯著增加，但是，在50%MVC強(qiáng)度時(shí)并沒(méi)有變化，研究者推測(cè)在80%MVC和20%MVC收縮強(qiáng)度下，RP幅值增加可能與受試者“參與意圖”增加有關(guān)，因?yàn)橄鄬?duì)來(lái)說(shuō)，在這種力量水平下完成這些收縮對(duì)于受試者來(lái)說(shuō)難度更大，需要付出更多地運(yùn)動(dòng)意圖，而50%MVC收縮強(qiáng)度對(duì)于受試者來(lái)說(shuō)比較容易完成， 不需要付出那么多地注意力或者不需要較高的意圖參與其中。因此，更多的用力認(rèn)知成分增加可能是導(dǎo)致RP電位幅值增加的原因。

在本研究中，RP電位幅值在運(yùn)動(dòng)早期時(shí)，疲勞組和非疲勞組之間沒(méi)有顯著性差別可能與在運(yùn)動(dòng)早期用力的認(rèn)知成分沒(méi)有差別有關(guān)，而與疲勞無(wú)關(guān)，因?yàn)?，在運(yùn)動(dòng)方案早期的時(shí)候，疲勞組受試者與非疲勞受試者相比，已經(jīng)明顯發(fā)生了疲勞；在運(yùn)動(dòng)后期疲勞組，受試者RP電位幅值要顯著高于非疲勞組，這可能與疲勞組受試者在肌肉疲勞時(shí)完成同樣的目標(biāo)輸出力時(shí)相對(duì)來(lái)說(shuō)難度更大了有關(guān)，例如，在肌肉疲勞時(shí)受試者依舊要保持精確的收縮時(shí)機(jī)、準(zhǔn)確的力量水平以及保持工作記憶，這可能需要受試者付出更多的用力認(rèn)知成分，所以導(dǎo)致后期RP電位幅值顯著增加。

本研究非疲勞組受試者的RP電位在整個(gè)重復(fù)性次最大隨意收縮過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)生顯著變化，暗示30%MVC強(qiáng)度的收縮，間歇休息8 s的重復(fù)性運(yùn)動(dòng)可能不會(huì)誘發(fā)更多的用力認(rèn)知成分參與其中，正如Jahanshahi等[15]指出的，RP電位幅值對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表現(xiàn)出不同的敏感性。

研究者發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)作觸發(fā)時(shí)總是伴隨一個(gè)峰值負(fù)電位，有研究認(rèn)為，該電位與運(yùn)動(dòng)動(dòng)作執(zhí)行有關(guān)[27]。Hallett[14]將MP電位看成是NS’電位后續(xù)發(fā)展的一部分，他們也認(rèn)為該電位與動(dòng)作早期執(zhí)行有關(guān)。Cunnington等人[6]取運(yùn)動(dòng)前-1 500～-500 ms作為MRCPs的早期成分，來(lái)反應(yīng)運(yùn)動(dòng)前的準(zhǔn)備活動(dòng)。取動(dòng)作開(kāi)始附近的MRCPs峰值負(fù)電位作為晚期成分。研究還發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)該峰值成分很明顯而在運(yùn)動(dòng)想象時(shí)未出現(xiàn)。所以，他們認(rèn)為，該峰值負(fù)電位與實(shí)際運(yùn)動(dòng)執(zhí)行有關(guān)。Cunnington等人[6]認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)觸發(fā)附近的MRCPs峰值電位反應(yīng)的是大腦對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的執(zhí)行。Woldag等人[32]發(fā)現(xiàn)，在積極主動(dòng)的運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)了MP電位，但是，在被動(dòng)運(yùn)動(dòng)中沒(méi)有MP電位，說(shuō)明MP電位與隨意運(yùn)動(dòng)執(zhí)行有關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)，MP電位幅值隨著肌肉疲勞的發(fā)生和發(fā)展顯著增加。目前，已有研究者對(duì)肌肉疲勞或者肌肉無(wú)力現(xiàn)象對(duì)大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的MP電位幅值影響進(jìn)行了研究[16,18,24,29]。Shibata等[29]通過(guò)動(dòng)脈閉塞技術(shù)誘發(fā)受試者在運(yùn)動(dòng)任務(wù)中肌肉無(wú)力的現(xiàn)象，等同于肌肉疲勞肌力下降的效果。他們發(fā)現(xiàn)，在肌肉收縮前大腦皮質(zhì)的負(fù)性電位活動(dòng)沒(méi)有顯著變化，但是在動(dòng)作執(zhí)行階段的MP電位幅值卻顯著增加，同時(shí)伴隨著肌電活動(dòng)顯著增加。有研究者認(rèn)為，由動(dòng)脈閉塞誘發(fā)的動(dòng)作執(zhí)行階段大腦皮質(zhì)電位活動(dòng)增加可能反映出大腦通過(guò)募集更多地運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元從而補(bǔ)償肌肉力量的下降。同樣，Jankelowitz和Colebatch[16]通過(guò)肌細(xì)胞內(nèi)麻醉使肌肉力量下降，發(fā)現(xiàn)在動(dòng)作執(zhí)行階段的MP電位幅值發(fā)生了顯著變化，而RP電位只有較小的變化。另外，Morree等人[24]設(shè)計(jì)了一個(gè)受試者上肢提拉重物直至疲勞的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，受試者只在動(dòng)作執(zhí)行階段時(shí)的皮質(zhì)電位活動(dòng)發(fā)生了變化，且只發(fā)生在了Cz位置。他們采用等動(dòng)訓(xùn)練手段誘發(fā)肌肉疲勞，然后，再測(cè)試腦電，這樣做的目的是為了消除長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)性運(yùn)動(dòng)對(duì)RP電位帶來(lái)的影響，發(fā)現(xiàn)即使肌肉疲勞了，RP電位也沒(méi)有發(fā)生顯著變化，而MP電位幅值顯著增加了。但是，他們的這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可能會(huì)使疲勞效應(yīng)降低，因?yàn)?，佩戴腦電帽以及注射導(dǎo)電膏也要耗費(fèi)一段時(shí)間，這些工作做完后可能會(huì)使疲勞得到了恢復(fù)。除此之外，Johnston[18]也發(fā)現(xiàn)，肌肉疲勞只對(duì)MP電位幅值產(chǎn)生了影響。結(jié)合以上學(xué)者的研究成果，本研究認(rèn)為，肌肉疲勞主要影響運(yùn)動(dòng)執(zhí)行電位MP。

4 結(jié)論

本研究使用疲勞和非疲勞分組基礎(chǔ)之上的混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型，發(fā)現(xiàn)在動(dòng)作執(zhí)行階段，大腦輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)電活動(dòng)水平隨著肌肉疲勞的發(fā)生逐漸增強(qiáng)。運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)MRCPs電位的分布似乎隨著肌肉的疲勞向大腦的前部以及運(yùn)動(dòng)同側(cè)大腦半球區(qū)域移動(dòng)。機(jī)體大腦中樞可能通過(guò)這兩條途徑來(lái)彌補(bǔ)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉疲勞時(shí)引起的肌肉力量下降。另外，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行電位與肌肉疲勞密切相關(guān)，而運(yùn)動(dòng)前準(zhǔn)備電位受肌肉疲勞影響較小。

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Changes of Movement-related Cortical Potentials in Motor Cortex Areas during Exercise-induced Muscle Fatigue

GUO Feng

Objective:To examine the changes of movement-related cortical potentials (MRCPs) in motor cortex areas induced by submaximal voluntary isometric fatiguing contractions of flexor digitorum.Methods:15 subjects in fatigue group and 13 subjects in non-fatigue group performed 200 repeated 30% MVCs isometric contractions of flexor digitorum,accompanying by measurements of muscle force,surface electromyography (sEMG),and electroencephalography (EEG).The 200 contractions were divided by 4 blocks,to observe the changes of maximal handgrip force and RMS of sEMG.And the 200 contractions were divided by 2 large blocks,to analyze the MRCPs distracted from EEG.Results:Subjects from the fatigue group during muscle fatigue showed significant decrease of the maximal handgrip force (P<0.001) and RMS of sEMG (P<0.001),accompanying the significant increase of average RMS over 4 blocks.With the development of muscle fatigue,the amplitudes of motor potential (MP) and readiness potential (RP) significantly increased.However,these measurements did not present significant changes.In addition,compared with the non-fatigue group,the MRCPs site in the fatigue group presented the shift to anterior and ipsilateral brain areas.Conclusion:During the muscle fatigue induced by submaximal voluntary isometric contractions of flexor digitorum,the activation strength and activation areas of MRCPs in brain motor cortex areas increases,and the activation site of MRCPs presents a tendency of shift to anterior and ipsilateral brain areas,suggesting a central strategy to compensate the loss of force.In addition,muscle fatigue has more effects on the MP than the RP.

exercise-inducedmusclefatigue;handgrip;motorcortexareas;event-relatedpotential(ERP);movement-relatedcorticalpotentials(MRCPs)

1000-677X(2015)04-0042-10

10.16469/j.css.201504005

2014-11-18；

2015-03-06

遼寧省教育廳一般科學(xué)研究項(xiàng)目(L2012412)。

郭峰(1982-)，遼寧凌海人，講師，博士，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)性疲勞的中樞機(jī)制以及神經(jīng)肌肉控制的電生理學(xué)，E-mail：guofeng_first@aliyun.com。

沈陽(yáng)體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110102 Shenyang Sport University,Shenyang,110102,China.

G804

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