前馈控制与康复

前馈控制与康复浙江大学医学院附属邵逸夫医院康复医学科李建华姿势控制中枢控制指令肢体运动姿势干扰姿势调节APAs+CPAs预期姿势调节补偿姿势调节姿势控制是机体运动控制的基础，是机体保持重心稳定、维持身体平衡和维系肢体空间定位的基本身体能力。姿势控制①基于心理预期活动的前馈控制（feed-forwardMechanism)②基于感受器传人信息的反馈控制(RapidReflexMechanism)③基于意识性活动的随意控制(VoluntaryControlMechanism)前馈控制是指中枢神经系统基于视觉等主观心理预期因素实现的姿势肌肉活动的下意识中枢运动控制现象。预先姿势调整是前馈控制具体表现之一前馈控制的生物学意义在于当身体平衡和姿势稳定受到各种内外因素干扰时，预先知晓干扰发生的相关信息使相应肌肉应对突发干扰的快速反应时间明显加快，肌肉活动的反应强度减小，从而对突发的身体和姿势变化做出合理的应对，以维持身体稳定性并减少伤害事故的发生。前馈控制具有独立的反应机制，具有控制自主性；前馈控制又是随意运动控制的一部分，其活动强度与目标动作的强度有显著的相关。前馈控制机制研究内部干扰研究①快速举臂试验②拉杆试验③酒保试验外部干扰研究①落球试验②重物摆试验快速举臂试验要求直立的受试者快速举起手臂，在此过程中腿和躯干的姿势肌肉会因手臂的自主运动而发生活动。腰腿部的姿势肌肉激活比手臂活动早50ms，这被认为是对姿势干扰的代偿性运动，这是随意动作造成的内部干扰下，姿势肌肉前馈控制的典型表现不同举臂方向和不同负重对前馈控制效应的影响研究发现，不同方向的手臂活动会引起不同的肌肉反应模式，其中前后方向的举臂活动相较侧向会造成更强的前馈控制效应；而负重对于前馈控制的影响并不显著。除了上肢，该范式还被扩展应用于腿部、躯干等其它部位的随意运动。拉杆试验受试者双脚开立、与肩同宽，躯干保持直立状态，双手抓住固定于墙上的拉杆，以声音或闪光为信号用力拉动拉杆，同步记录其姿势和动作肌肉的肌电信号。通过调节拉杆阻力、控制受试者用力大小等方式进行前馈控制效应的定量研究。让婴儿直立状态拉动抽屉发现，其腓肠肌的前馈效应随着年龄增长而增强；改变抽屉内部连接物体的重量来控制婴儿拉动的阻力，则部分婴儿在面对较大的拉动阻力时会有更强的前馈控制效应，经验在婴儿的前馈运动控制中起到一定的作用。酒保试验是指酒保抬着一箱玻璃酒瓶时本人从箱中拿起一瓶时能保持手臂不动；而别人取走酒瓶时则会造成手臂向上的运动。采用坐姿位，要求受试者右肘呈90度臂保持水平，右臂近手腕处放置重物，在自主条件下，受试者用左手提举右臂上的重物；受试者没有预期的情况下，由主试来触发被试右臂重物的释放。与酒保试验的经验相同，自主触发的负重变化会造成前馈控制效应，欺骗条件则不会。落球试验要求受试者双脚与肩同宽站立，双肘90度弯曲手持托盘。从固定的高度释放小球、重锤等重物砸落受试者手中的托盘中心，要求受试者保持手持托盘姿势的稳定。应用于衰老、疾病等多种不同人群的前馈控制效应研究。与砸球实验的原理相似的还有腿部突发失衡、躯干突发加载等多种利用突发载荷变化研究肌肉反应模式和前馈控制效应的实验方法躯干突发减载实验，在受试者自主释放重物、主试突发释放重物和主试倒数释放重物三种条件下研究腰腿部肌肉反应的前馈控制效应，发现当受试者知道干扰何时发生时前馈控制效应会发生，从而抵抗对身体姿势平衡的干扰。重物摆试验在重物摆的实验中，悬挂着的重物如钟摆一样下落，当重物靠近身体时直立的受试者利用手臂或者肩部停下它。接触的瞬间重物对受试者的身体姿势平衡造成干扰，实验可通过控制重摆的重量来操作干扰的大小，以及通过睁闭眼等操作受试者对干扰发生时间的预期。研究发现在重物摆范式下，受试者以与重物下落方向不同的角度接受干扰时，只要知道干扰的强度和发生时间便会产生肌肉的预激活效应。在干扰发生后肌肉会产生补偿姿势调整；发现在预激活发生之前，还有早期动作调整(earlyposturaladjustments)的存在，以此将前馈控制效应分为早期和晚期两个阶段。影响前馈控制的因素姿势干扰成长与衰老疾病肌肉疲劳①姿势干扰干扰的发生时间是否可知,是外部干扰条件下产生前馈控制的条件之一面对同样的任务，身体姿势的区别会造成中枢神经系统发出不同的运动指令速度是前馈控制的影响因素之一，速度加快会导致更强的预激活效应，减慢则预激活会减小甚至消失不同方向的快速举臂运动会造成不同的肌肉反应模式，在前后方向举臂时其前馈控制效应会比侧向更强不同负载引起的姿势干扰强度的变化也是影响前馈控制效应的因素不稳定的支撑平面、减少足底支撑等使身体的稳定性降低，模糊的视觉造成对自身信息和周围信息传人的减少，以及站立在高台边缘等危险情境等环境因素均会影响前馈控制的效应②成长与衰老是一个从无到有、最终稳定的过程老年人前馈动作控制的效应减弱老年人的视力退化对维持姿势的稳定也有显著的影响③疾病腰痛患者研究发现预激活的推迟与受试者对腰痛程度的认知有关，并在痛感消失之后依然持续一段时间；在慢性腰痛患者身上对干扰或运动后果的认知改变了中枢神经系统姿势控制的策略初级运动皮层机制的改变是引起腰痛患者脊柱稳定性控制策略变化的重要原因脑卒中等疾病的症状通常包括姿势平衡性的破坏，使患者在遇到突发的姿势干扰时肌肉正确回应的时间延迟、预先调整晃动的幅度减小，以至容易摔倒帕金森病患者直立姿态自主运动手臂时表现出与健康老人相似的动作控制反应；但由别人触发外部姿势干扰时，多数患者的肌肉并没有发生预激活推断帕金森病患者前馈控制改变的原因不在于疾病造成的动作迟缓，而是与自主运动准备和开始过程的中枢神经通路受损有关多发性硬化的患者在有预期的情况下肌肉预激活存在，但比正常人群反应强度小、起始时间延迟多发性硬化的患者会出现髓鞘脱失、运动皮层损坏和下皮质结构的损坏，中央皮质回路信息传递的延迟被认为是前馈控制机制减弱的原因④肌肉疲劳肌肉疲劳通常定义为运动引起的最大肌力的减小，可引起中枢运动控制和运动单位收缩特性的变化，从而影响动作和姿势控制研究发现单臂快速抬举实验时，同侧的半腱肌被发现有类似的预激活提前，这种预激活的提前被认为是面对肌肉疲劳的情况，为了减少对姿势平衡的干扰而产生的中枢神经系统的功能性适应。疲劳对前馈控制影响的假说临界力假说(criticalforcehypothesis)抵消干扰影响而保持姿势需要肌肉产生超过阈限的力，这个超过临界值的力即使是疲劳之后的肌肉也能够产生，但是在疲劳影响下产生速率下降，因此在面临姿势干扰时为了达到临界力，肌肉需要提早预激活。相似冲量假说(similarimpulsehypothesis)抵消干扰影响的关键不在于力的大小，而在于肌肉所产生的冲量大小。其前提是疲劳造成肌肉最大肌力的下降，抵抗干扰所能做出的姿势控制相关肌肉反应强度也同样减小。因此补偿性的通过预激活提前才能保持疲劳状态下的肌肉冲量与非疲劳状态下相同前馈控制＆跌倒前馈控制是中枢神经系统对肌肉活动下意识控制作用的基本表现形式。基于随意运动或视觉信息传人等造成的主观心理预期，在姿势干扰发生之前由中枢神经系统发出运动指令提前激活或抑制肌肉系统的活动，对维持姿势的稳定和身体的平衡有重要的作用。跌倒的国际流行病学研究Germany:德国30%以上的65岁以上老人每年至少跌倒1次，15%的老人跌倒2次或更多80岁以上的老年人：跌倒的风险性提高50%Source:Bürge2002;Runge2000,1998;Specht-Leibleetal.1997UK：英国大约30%以上的65岁以上生活在社区的老人每年会跌倒一次。2008年的研究：90岁以上的老年人，58%的人在过去的一年中曾经跌倒至少一次，60%的人在一年的随访中发生过跌倒（女性90人，男性20人）跌倒的国际流行病学研究USA：美国2008年的研究：疾病控制与预防中心（CDC）580万的65岁和65岁以上的人，或者美国同年龄段所有人群的15.9%的人，在过去3个月中至少跌倒过1次。这些人中的180万人（31.3%），由于跌倒造成了损伤。China:中国在中国，据报道每年大约有2500万次跌倒的发生。与跌倒相关的花销是巨大的，直接医疗消费算起来大约有50亿元，与其相关的社会花销为600-800亿元。跌倒是我国伤害死亡的第四位原因，而在65岁以上的老年人中则为首位。我国65岁以上老年人跌倒死亡率男性为49.56/10万，女性为52.80/10万因此防跌倒风险战略对于社会和经济效益有着深远的影响。Wangetal.2010,InstituteforGeriatricClinicandRehabilitation,BeijingGeriatricHospital前馈控制训练-预防跌倒力量训练神经肌肉控制训练平衡训练肢体运动控制反馈训练本体感觉训练应激训练力量训练神经肌肉控制训练平衡训练MFTS3动态平衡测试训练系统感觉统合临床站立平衡测试（CTSIB）肢体运动控制反馈训练本体感觉训练Posturomed本体感觉测试训练系统应激训练BalanceTutorsystem危机模拟应激测试训练系统BalanceTutor危机模拟应激测试训练系统全球第一台“应激反应测试训练”设备——BalanceTutor危机模拟应激测试训练系统。BalanceTutor危机模拟应激测试训练系统可在静态和动态（步行）中提供应激反应测试和针对性的不可预知扰动扰动，从而训练患者的应激反应能力。跑带固定在可向中间、左右两侧及前后移动的平台上上，从而模拟静态及动态模式下滑倒和绊倒的情境。干扰的幅度、频率、方向、速度、时间均可以根据患者的能力和需求个性化设置依据步态周期诱发干扰模式左腿/右腿任意一侧下肢的摆动期或支撑期，诱发向左、向左、向前、向后的姿势干扰通过代偿性迈步诱发扰动模式通过重心位置变化诱发干扰模式•IlanKurzetal,Unexpectedperturbationstrainingimprovesbalancecontrolandvoluntarysteppingtimesinolderadults–adoubleblindrandomizedcontroltrial；BMCGeriatrics(2016)16:58•Shimadaetal,NewInterventionProgramforPreventingFallsamongFrailElderlyPeople:TheEffectsofPerturbedWalkingExerciseUsingaBilateralSeparatedTreadmill；PhysMedRehabil(2004);83:493–499•Michaeletal,AgeInfluencestheOutcomeofaSlippingPerturbationduringInitialButNotRepeatedExposures,BiolSciMedSci(2002);57(8)•Avriletal,EffectofaPerturbation-BasedBalanceTrainingProgramonCompensatorySteppingandGraspingReactionsinOlderAdults:ARandomizedControlledTrial,PhysicalTherapy,April(2010);90(4)476-49.•Avriletal,DoesPerturbation-BasedBalanceTrainingPreventFalls?SystematicReviewandMeta-AnalysisofPreliminaryRandomizedControlledTrials,PhysicalTherapy(2015);95(5)700-709.参考文献•Avriletal,IsImpairedControlofReactiveSteppingRelatedtoFallsDuringInpatientStrokeRehabilitation?Neural