帕金森病患者的脑 - 体交互：双任务表现研究揭示新机制
2025-08-04 来源:本站 点击次数:47
帕金森病患者的脑 - 体交互：双任务表现研究揭示新机制
由 Maryam Sousani 等学者完成的研究《Exploring Brain-Body Interactions in Parkinson’s Disease: A Study on Dual-Task Performance》发表在《IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING》杂志。该研究借助功能性近红外光谱（fNIRS）技术，探索了帕金森病（PD）患者在双任务表现中脑 - 体交互的情况，为理解 PD 的神经生物学机制提供了重要实证依据。
背景介绍
帕金森病（PD）是一种影响全球数百万人的神经退行性疾病，其特征是多巴胺能神经元减少，引发运动（如运动迟缓、僵硬等）和非运动症状，且随病情进展影响认知功能、生活质量和功能独立性。这些问题在日常生活中尤为明显，因此研究其神经机制和运动变化对开发评估系统和干预措施至关重要。
近期研究发现，PD 患者与健康人在执行运动任务时额叶皮层激活存在差异，尤其在需同时进行运动和认知处理的双任务中，前额叶皮层（PFC）激活模式会改变。尽管已有相关研究，但仍存在缺乏标准化协议、未包含上下肢任务、缺少不同难度双任务等局限。因此研究团队设计并探究了PD 患者在计时起立行走（TUG）测试及同时进行的运动和认知任务中受影响的皮质和运动表现。
实验设计：双任务如何 “放大” 认知差异？
研究团队招募40 名参与者，包括 20 名 PD 患者和 20 名年龄匹配的健康对照组（HC）参与了这项研究。通过 fNIRS 设备记录他们在不同任务中的脑活动，光极分布覆盖前额叶、运动区等关键脑区，如图2。研究人员使用五个 IMU 传感器记录运动测量值，传感器固定在参与者的下背部、小腿和大腿，配备三轴加速度计、陀螺仪和磁力计，采样率为 60Hz。
参与者在佩戴 fNIRS 帽并配备惯性测量单元（IMUs）的情况下，在三种不同条件下执行 TUG 测试（见图3）：
1. 简单 TUG：从标准无扶手椅子站起，行走 3 米，转身，走回，坐下；
2. 认知双任务 TUG（CDTUG）：执行 TUG 的同时，从一个三位数的随机数开始倒数 2；
3. 运动双任务 TUG（MDTUG）：执行 TUG 的同时，手持装有四个塑料杯的托盘。
参与者以自己喜欢的速度执行测试，测试顺序随机安排，每个参与者完成一次试验，试验之间休息 1 至 3 分钟，每次试验开始前记录 1 分钟基线数据，所有条件均以 30 秒的坐姿开始。
图2. 光极分布
在功能性近红外光谱分析中，数据处理主要围绕两种情况展开：一是计算每个任务期间所有通道的平均值，以此关注任务期间前额叶皮层的激活情况；二是通过对前额叶皮层内背外侧前额叶皮层（DLPFC）、腹外侧前额叶皮层（VLPFC）、内侧前额叶皮层（mPFC）和眶额皮层（OFC）这四个不同感兴趣区域进行比较分析，研究两组受试者前额叶皮层每个子区域与运动指标之间的关系。
运动传感器数据预处理步骤包括调整 IMU 坐标系、识别 TUG 测试的不同时刻（站立、行走、转身和坐下）。利用行走阶段测量步时间（参考图4）、步幅时间、步频等，计算步幅长度和步态速度。
关键实验结果
皮质激活
不同任务条件下 PFC 激活存在显著差异，被试组间也存在显著差异，未检测到条件和组的显著交互作用。PD 组在 TUG 和 CDTUG 之间、CDTUG 和 MDTUG 之间的 HBO 变化有显著差异；HC 组在 TUG 和 CDTUG 之间的 HBO 变化有显著差异（见图5 a）。在 MDTUG 条件下，PD 组和 HC 组在 HBO 和 ΔHHB 方面存在显著差异（见图5）。
对于子区域的分析，PD 组的 VLPFC 和 OFC 在 CDTUG 期间 HBO 的增加最高，VLPFC、mPFC 和 OFC 中的 ΔHHB 有显著差异（见图7）；HC 组的 DLPFC 区域在 TUG 期间的 HHB 变化最低，与 MDTUG 相比有显著差异，OFC 中 MDTUG 期间的 ΔHHB 水平最高，与 CDTUG 相比有显著差异（见图7 d）。
身体运动
不同条件下，PD 组和 HC 组的步态速度无显著差异，但 PD 组的步时间和步幅时间均短于 HC 组。PD 组在 TUG 期间的步频显著更高，在 MDTUG 期间的步幅时间显著低于 HC 组。
PD 组内 CDTUG 和 MDTUG 之间的步时间有显著差异；HC 组中 CDTUG 期间的步幅时间最高，与其他条件有显著差异（见图8）。
任务期间的 PFC 激活与两组运动测量值之间的相关关系
PD 组中，TUG 期间 ΔHBO 与步频呈负相关，与步时间呈正相关，MDTUG 期间坐站持续时间与 ΔHBO 有显著相关，TUG 期间 ΔHHB 的增加与步幅时间和转身持续时间呈正相关。
HC 组中，TUG 期间 ΔHBO 与步数呈负相关，DLPFC 区域步态速度与 ΔHBO 呈正相关，TUG 期间站坐和坐站的持续时间与 ΔHBO 水平呈负相关，MDTUG 期间 mPFC 区域 ΔHHB 与步时间和步幅时间呈负相关。
总结与展望：打造MU驱动的智能神经康复系统
在简单 TUG 任务中，PD 组和 HC 组的 PFC 激活水平相似，但 PFC 子区域的激活水平有差异，PD 组的 DLPFC 激活最高，HC 组的 VLPFC 活动增加，这可能与 PD 组执行任务时面临更大挑战有关。CDTUG 中，两组 PFC 激活均显著增加，PD 组在多个 PFC 子区域激活较高，表明其需要更多认知资源来应对双任务需求，但两组的运动测量值无显著差异，可能与任务难度、样本疾病阶段等因素有关。MDTUG 中，PD 组 PFC 激活水平最低，HC 组 PFC 激活较高，两组在 PFC 子区域的激活模式不同，反映了 PD 和 HC 组在双任务条件下采用不同的认知和运动策略，突出了 PD 对认知 - 运动整合的影响。
本研究存在一定局限性，如参与者多为轻中度 PD 患者、PD 患者在服药状态下测试、仅关注 PFC 等，未来研究应纳入更多阶段的患者，进行未服药状态下的评估等。总体而言，该研究表明 PD 患者在复杂活动中运动和认知障碍更显著，运动和认知双任务对 PD 的综合评估均很重要，MDTUG 能有效区分 PD 组和 HC 组。
原文链接
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
研究团队介绍
该文章作者包括Maryam Sousani、Raul Fernandez Rojas、Elisabeth Preston以及Maryam Ghahramani。其中，Maryam Sousani、Raul Fernandez Rojas和Maryam Ghahramani隶属于澳大利亚堪培拉大学科学与技术学院；Elisabeth Preston隶属于澳大利亚堪培拉大学健康学院。
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由 Maryam Sousani 等学者完成的研究《Exploring Brain-Body Interactions in Parkinson’s Disease: A Study on Dual-Task Performance》发表在《IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING》杂志。该研究借助功能性近红外光谱（fNIRS）技术，探索了帕金森病（PD）患者在双任务表现中脑 - 体交互的情况，为理解 PD 的神经生物学机制提供了重要实证依据。
图1. 文章信息
背景介绍
帕金森病（PD）是一种影响全球数百万人的神经退行性疾病，其特征是多巴胺能神经元减少，引发运动（如运动迟缓、僵硬等）和非运动症状，且随病情进展影响认知功能、生活质量和功能独立性。这些问题在日常生活中尤为明显，因此研究其神经机制和运动变化对开发评估系统和干预措施至关重要。
近期研究发现，PD 患者与健康人在执行运动任务时额叶皮层激活存在差异，尤其在需同时进行运动和认知处理的双任务中，前额叶皮层（PFC）激活模式会改变。尽管已有相关研究，但仍存在缺乏标准化协议、未包含上下肢任务、缺少不同难度双任务等局限。因此研究团队设计并探究了PD 患者在计时起立行走（TUG）测试及同时进行的运动和认知任务中受影响的皮质和运动表现。
实验设计：双任务如何 “放大” 认知差异？
研究团队招募40 名参与者，包括 20 名 PD 患者和 20 名年龄匹配的健康对照组（HC）参与了这项研究。通过 fNIRS 设备记录他们在不同任务中的脑活动，光极分布覆盖前额叶、运动区等关键脑区，如图2。研究人员使用五个 IMU 传感器记录运动测量值，传感器固定在参与者的下背部、小腿和大腿，配备三轴加速度计、陀螺仪和磁力计，采样率为 60Hz。
参与者在佩戴 fNIRS 帽并配备惯性测量单元（IMUs）的情况下，在三种不同条件下执行 TUG 测试（见图3）：
1. 简单 TUG：从标准无扶手椅子站起，行走 3 米，转身，走回，坐下；
2. 认知双任务 TUG（CDTUG）：执行 TUG 的同时，从一个三位数的随机数开始倒数 2；
3. 运动双任务 TUG（MDTUG）：执行 TUG 的同时，手持装有四个塑料杯的托盘。
参与者以自己喜欢的速度执行测试，测试顺序随机安排，每个参与者完成一次试验，试验之间休息 1 至 3 分钟，每次试验开始前记录 1 分钟基线数据，所有条件均以 30 秒的坐姿开始。
图2. 光极分布
图3. 一名佩戴功能性近红外光谱（fNIRS）帽并配备惯性测量单元（IMU）传感器执行计时起立行走（TUG）测试的参与者
在功能性近红外光谱分析中，数据处理主要围绕两种情况展开：一是计算每个任务期间所有通道的平均值，以此关注任务期间前额叶皮层的激活情况；二是通过对前额叶皮层内背外侧前额叶皮层（DLPFC）、腹外侧前额叶皮层（VLPFC）、内侧前额叶皮层（mPFC）和眶额皮层（OFC）这四个不同感兴趣区域进行比较分析，研究两组受试者前额叶皮层每个子区域与运动指标之间的关系。
运动传感器数据预处理步骤包括调整 IMU 坐标系、识别 TUG 测试的不同时刻（站立、行走、转身和坐下）。利用行走阶段测量步时间（参考图4）、步幅时间、步频等，计算步幅长度和步态速度。
图4. 人类步态周期（GC）及不同步态事件：脚跟触地（HS）、摆动、支撑和脚趾离地（TO）
关键实验结果
皮质激活
不同任务条件下 PFC 激活存在显著差异，被试组间也存在显著差异，未检测到条件和组的显著交互作用。PD 组在 TUG 和 CDTUG 之间、CDTUG 和 MDTUG 之间的 HBO 变化有显著差异；HC 组在 TUG 和 CDTUG 之间的 HBO 变化有显著差异（见图5 a）。在 MDTUG 条件下，PD 组和 HC 组在 HBO 和 ΔHHB 方面存在显著差异（见图5）。
对于子区域的分析，PD 组的 VLPFC 和 OFC 在 CDTUG 期间 HBO 的增加最高，VLPFC、mPFC 和 OFC 中的 ΔHHB 有显著差异（见图7）；HC 组的 DLPFC 区域在 TUG 期间的 HHB 变化最低，与 MDTUG 相比有显著差异，OFC 中 MDTUG 期间的 ΔHHB 水平最高，与 CDTUG 相比有显著差异（见图7 d）。
图5 . 健康对照者（HCs）和帕金森病（PD）患者在计时起立行走测试（TUG）、认知双任务计时起立行走测试（CDTUG）及运动双任务计时起立行走测试（MDTUG）期间的氧合血蛋白变化量（∆HBO）和脱氧血红蛋白变化量（∆HHB）
图6. 健康对照组（HC）与帕金森病（PD）组在计时起立行走测试（TUG）、认知双任务计时起立行走测试（CDTUG）及运动双任务计时起立行走测试（MDTUG）期间的氧合血红蛋白变化量（∆HBO）对比。
图7. 健康对照组（HC）和帕金森病（PD）组在计时起立行走测试（TUG）、认知双任务a TUG 测试（CDTUG）及运动双任务 TUG 测试（MDTUG）期间，不同感兴趣区域（ROIs）的氧合血红蛋白变化量（∆HBO）和脱氧血红蛋白变化量（∆HHB）对比。
身体运动
不同条件下，PD 组和 HC 组的步态速度无显著差异，但 PD 组的步时间和步幅时间均短于 HC 组。PD 组在 TUG 期间的步频显著更高，在 MDTUG 期间的步幅时间显著低于 HC 组。
PD 组内 CDTUG 和 MDTUG 之间的步时间有显著差异；HC 组中 CDTUG 期间的步幅时间最高，与其他条件有显著差异（见图8）。
图8. 帕金森病（PD）患者与健康对照组（HC）在计时起立行走测试（TUG）、认知双任务TUG测试（CDTUG）及运动双任务TUG测试（MDTUG）期间的步频、步幅时间、步长时间、步幅长度、步态速度、转身持续时间、坐站转换时间和站坐转换时间的对比。
任务期间的 PFC 激活与两组运动测量值之间的相关关系
PD 组中，TUG 期间 ΔHBO 与步频呈负相关，与步时间呈正相关，MDTUG 期间坐站持续时间与 ΔHBO 有显著相关，TUG 期间 ΔHHB 的增加与步幅时间和转身持续时间呈正相关。
HC 组中，TUG 期间 ΔHBO 与步数呈负相关，DLPFC 区域步态速度与 ΔHBO 呈正相关，TUG 期间站坐和坐站的持续时间与 ΔHBO 水平呈负相关，MDTUG 期间 mPFC 区域 ΔHHB 与步时间和步幅时间呈负相关。
总结与展望：打造MU驱动的智能神经康复系统
在简单 TUG 任务中，PD 组和 HC 组的 PFC 激活水平相似，但 PFC 子区域的激活水平有差异，PD 组的 DLPFC 激活最高，HC 组的 VLPFC 活动增加，这可能与 PD 组执行任务时面临更大挑战有关。CDTUG 中，两组 PFC 激活均显著增加，PD 组在多个 PFC 子区域激活较高，表明其需要更多认知资源来应对双任务需求，但两组的运动测量值无显著差异，可能与任务难度、样本疾病阶段等因素有关。MDTUG 中，PD 组 PFC 激活水平最低，HC 组 PFC 激活较高，两组在 PFC 子区域的激活模式不同，反映了 PD 和 HC 组在双任务条件下采用不同的认知和运动策略，突出了 PD 对认知 - 运动整合的影响。
本研究存在一定局限性，如参与者多为轻中度 PD 患者、PD 患者在服药状态下测试、仅关注 PFC 等，未来研究应纳入更多阶段的患者，进行未服药状态下的评估等。总体而言，该研究表明 PD 患者在复杂活动中运动和认知障碍更显著，运动和认知双任务对 PD 的综合评估均很重要，MDTUG 能有效区分 PD 组和 HC 组。
原文链接
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
研究团队介绍
该文章作者包括Maryam Sousani、Raul Fernandez Rojas、Elisabeth Preston以及Maryam Ghahramani。其中，Maryam Sousani、Raul Fernandez Rojas和Maryam Ghahramani隶属于澳大利亚堪培拉大学科学与技术学院；Elisabeth Preston隶属于澳大利亚堪培拉大学健康学院。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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