1、其他研究QITAYANJIU非预期性干扰对踝关节调节策略的影响The Impact of Unanticipated Disturbances on Ankle JointControl Strategies恺然，陆阿明Ji Kairan,Lu Aming摘要：目的：本研究以压力中心(COP)在前后方向上的速率特征为划分依据,探索非预期性重物摆干扰在COP不同运动阶段对踝关节调节过程的影响。方法：17 名受试者单足站立于测力台上，实验人员分别在无提示和倒计时提示两种情况下释放悬吊于其后方天花板上的重物，通过无线表面肌电采集受试者胫骨前肌TA)和腓肠肌(GAS)肌电，三维测力台用以记录受试者CO
2、P变化。结果：干扰前阶段,预期性干扰时两块肌肉RMS均高于非预期性干扰时(P0.05);COP减速向前阶段,非预期性干扰时两块被测肌肉的RMS值都小于预期性干扰时,其中TA有显著性差异(P0.05);COP减速向后阶段,两块肌肉在非预期干扰情况下的RMS值都高于预期时,其中TA有显著性差异(P0.05)。结论：非预期性干扰不会引起TA和GAS的预激活；非预期性干扰会使TA在调整阶段产生更大的代偿性姿势调节，尤其在COP向后减速阶段。关键词：非预期性干扰；踝策略；静态平衡Abstract:OBJECTIVE:This study,using the rate characteristics of
3、 Center of Pressure(COP)in the anterior-posterior direction as a basis,explores the effects of unanticipated swinging loads on ankle joint regulation duringdifferent phases of COP.METHODS:Seventeen subjects stood on a force platform with one foot,andexperimenters released a weight suspended from the
4、 ceiling behind them under two conditions:with and withoutcountdown cues.Surface electromyography(EMG)was used to record the activity of the tibialis anterior(TA)andgastrocnemius(GAS)muscles,while a three-dimensional force platform tracked changes in COP.RESULTS:Prior to the disturbance,the root mea
5、n square(RMS)of both muscles was higher during expected perturbationscompared to unexpected ones(P 0.05).During the forward COP deceleration phase,the RMS values of bothmeasured muscles were lower during unexpected perturbations,with TA showing a significant dfference(P 0.05).During the backward COP
6、 deceleration phase,the RMS values of both muscles were higher duringunexpected perturbations,with TA displaying a significant difference(P O.05).CONCLUSION:Unanticipateddisturbances do not trigger pre-activation of the TA and GAS muscles.Instead,they lead to more pronouncedcompensatory posture adju
7、stments in the TA during the adjustment phase,particularly during COP deceleration inthe backward direction.Keywords:unanticipated disturbances;ankle strategy;static balance中图分类号：G804.2文献标识码：Adoi:10.19379/ki.issn.1005-0256.2023.09.068前言人们在日常生活中经常会受到外界干扰的影响，这些干扰会对平衡产生不同程度的影响。根据这些干扰是否能被预知，可将外部干扰分为预期性干
8、扰和非预期性干扰。在受干扰时的姿势控制方面，中枢神经系统（central nervous system,CNS)主要通过两种调节方式来实现其功能。在扰动发生之前，人体感知到即将到来的干扰并通过对肌肉预先激活来抵抗干扰带来的影响 ,这种调节方式叫做预期性姿势调节（antic-ipatory postural adjustments,APAs）；在干扰发生之后，人体通过整合前庭觉、本体感觉等方面的信息，产生一系列肌肉活动以应对干扰带来的影响2 ,这种调节方式被称为代偿性姿势调节(compensatory postural adjustments,CPAs)。根据心理学方面的研究，心理预期是影响AP
9、As和CPAs的重要因素之一3。视觉预期作为心理预期的重要方面，在姿势控制预期效应研究的经典范式中被广泛使用。Santos等人使用重物摆范式，发现在有视觉预期的情况下受试者躯干肌和腿部肌肉有明显的APAs,在没有视觉预期的情况下不能观270BULLETIN OF SPORTSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.31.NO.9.2023文章编号：10 0 5-0 2 56(2 0 2 3)0 9-0 2 7 0-4察到 APAs,但是可以观察到强烈的CAPs4。近年来，时间线索预期也被运用于姿势控制预期效应的研究5-7 。在Crom-mert 等人的突发加载实验中,分别对受试者无预期施
10、加重物和给予声音倒计时提示后施加重物,发现有声音提示时出现明显的APAs5。Li a n g 等人发现,受试者经过短暂培训后，可通过听觉提示产生APAs活动6 。证明时间线索预期具有和视觉线索在引起APAs方面有类似的效果。以往大多数研究使用眼/闭眼来控制受试者对干扰物的心理预期,即静眼可以看到干扰物向自已运动为有预期，闭第一作者简介：嵇恺然（1998），男，江苏连云港人，在读硕士研究生，研究方向：运动人体科学。通讯作者简介：陆阿明（196 5），男，江苏昆山人，教授，博士，研究方向：人体运动控制与生物力学，运动与健康促进。作者单位：苏州大学体育学院，江苏苏州2 150 0 6School o
11、f Physical Education and Sports,Soochow University,Suzhou 215006,China.其他研究QITAYANJIU眼无法获得干扰物视觉信息为无预期。但也有学者表示，当视免受试者对下一次干扰的方式进行预判,测试时预期性干扰和力正常的人闭眼时,其COP在前后和左右方向上的摆动增非预期性干扰随机交替进行。大8-9。因此本实验使用从后方扰动的重物摆，以避免视觉对1.3.2实验步骤COP的运动产生影响。在研究人体受到干扰时姿势调节的差实验开始前一小时召集受试者，向他们讲解实验的流异方面，前人多以固定时刻为标准来划分阶段，如-2 50 m一程和注意事
12、项。随后受试者签署知情同意书,并在实验人员的100ms、-10 0 m s +50 m s、+50 m s +2 0 0 m s、+2 0 0 m s +指导下进行扰动适应性训练（这里只针对预期性扰动进行适350ms（以干扰瞬间为0，“_”表示干扰前，“+”表示干扰应）。训练过程中，要求受试者在扰动发生后尽快恢复平衡，后)4。为了对干扰后的姿势调节特征进行更加细致的描述，恢复平衡时不能使用跨步调节。本实验以COP在前后方向上的速率特征为划分标准，探索两实验开始前，实验人员记录受试者身高、体重、年龄、病种不同预期性的重物摆干扰对踝策略调节过程的影响,为深入史等信息,使用踢球法10 对受试者优势侧
13、进行判定,另一名实研究不同预期的外界干扰对踝策略调节的影响提供方法学验人员根据受试者身高调整软球的位置。思考。受试者更换实验专用短裤和鞋子并由专业人员粘贴电1研究方法极,完成后在速度为4km/h的跑步机上热身5min。1.1实验对象受试者用优势腿单腿站立在测力台中央，非优势侧脚1.1.1受试者来源及相关情况向上抬起至优势腿小腿中部，身体直立，双手叉腰，目视前方。本次实验的受试者均为某大学在校大学生，共招募17 人待受试者站稳后，实验人员根据实验计划随机交替进行预期性纳入本研究（年龄2 0.7 6 1.8 1yr,身高17 4.48 6.2 8 cm,体重干扰和非预期性干扰,预期性和非预期性干扰
14、次数分别为2-68.7510.87kg）。所有受试者均自愿参与,并在实验前签署3次，每两次干扰之间休息2 min。另一名实验人员同步记录知情同意书。测力台数据和肌电数据。1.1.2纳入标准1.4数据采集与处理无心脑血管及呼吸系统疾病；下肢的肌肉、骨骼、关节、神1.4.1测力台数据处理经在近半年内无损伤；前庭功能正常；无视力问题或视力矫正使用ViconNexus程序自带的算法计算出受试者在测力后可达正常水平。台上压力中心（COP）的X轴实时坐标。通过自编MATLAB1.2实验仪器代码对COP在X轴方向上的数据进行零相移Butterworth低1.2.1测力台通滤波（阶数：4阶，截止频率10 Hz
15、），然后计算COP在X轴采用一块面积为6 0 cm40 cm且表面与地面平齐的Kis-方向的移动速率,最后根据COP移动速率的特点对其进行阶tler 三维测力台(92 8 7 B,Kistler Instrumente AG,Switzerland）,测段划分。划分的标准如下：使用窗口大小为50 0 ms的滑动量三维地面反作用力并通过MXGiganet与Vicon运动捕捉系窗口算法对干扰开始点进行判断，当某个时刻COP速率大于统相连接，采样频率10 0 0 Hz。这个时刻之前50 0 ms内COP平均值与1倍标准差之和，且1.2.2肌电测试系统持续50 ms时,判定该时刻为干扰开始时刻记作T。
16、；C O P使用无线表面肌电测试系统（WavePlus，Co m e t a,It a l y），采向前的速率到达最大的时刻记作Tr;CO P向前的速率由最样频率2 0 0 0 Hz。肌电测试系统使用一次性Ag/AgCl表面电极大下降至O的时刻记作T,；C O P向后的速率达到最大的时片(LT-601，上海励图医疗器材有限公司，中国），电极直径5刻记作T；C O P向后的速率由最大下降至0 的时刻记mm,交流阻抗3kQ。作T4。1.3研究方法通过各时刻的确定，本实验将人体在受到后一前方向干1.3.1干扰方案扰时COP在矢状轴方向上的运动情况分为四个阶段：COP加干扰方案参考重物摆外部干扰研究范
17、式，重物为沙子填速向前阶段（S1）C O P减速向前阶段（S2）、C O P加速向后阶段充的软球,质量(m)参照 Sanlos等的实验设定为1.36 kg。（S3）、CO P减速向后阶段（S4)（图1）。1500软球通过细绳悬挂在测力台上方的天花板上，悬挂的位置和细绳的长度以细绳垂直于地面时软球刚好触碰到受试者后背两肩胛骨中间位置为标准。实验时将软球向远离受试者方向移动到距离两肩脚骨中间0.8 m位置并固定。受试者使用优势腿单脚站立在测力台中央，非优势侧大腿与地面垂直小腿向后屈曲至膝关节90,身体直立,双手叉腰，目视前方。预期性干扰：受试者单脚站立于测力台,待受试者站稳之后实验人员从1-10
18、s报数，数到10 s时释放软球,受试者尽力克服软球带来的扰动并保持平衡，调整的过程中支撑脚的位置不能发生移动。非预期性干扰：受试者单脚站立于测力台，待受试者站稳之后实验人员在1-10 s之间随机释放软球,受试者尽力克服软球带来的扰动并保持平衡，调整的过程中支撑脚的位置不能发生移动。所有受试者均进行预期性干扰和非预期性干扰,为了避S11000500速率0-500-1000F-1500注：Y轴正负仅代表方向，负值表示COP向前运动，正值表示COP向后运动。271第31卷第9期2023年9月S3ToTIT2T3T4时间图1根据COP速率划分的运动阶段体育科技文献通报S4速率（mm/s)其他研究QIT
19、AYANJIU1.4.2肌电数据处理使用EMGandMotionTools软件将肌电数据以ASCII形式输出,使用自编MATLAB代码对肌电数据进行整流、零相移Butterworth带通滤波（阶数：4阶，通带频率：10-40 0 Hz）、RM S平滑、最大值归一化，然后根据需要计算各阶段的肌电指标。本实验使用的肌电指标为COP四个运动阶段和干扰前10 0ms5内(SO)的肌肉均方根肌电值(RMS)。1.5统计学分析本研究的数据使用 SPSS 26软件进行统计学分析,采用 S-W方法检验预期和非预期两种干扰模式下各变量的正态性，经检验全部符合正态分布，使用配对样本T检验对两种干扰条件下的数据进行
20、分析。显著性水平为p0.05）。非预期干扰情况下COP最大向前位移较预期干扰情况下高且有显著性差异(P0.05)(表1)。表 1COP速率及 COP最大向前位移比较(xs)干扰方式COP最大向前速率(mm/s)预期干扰765.40 183.61非预期干扰823.24 178.62注：*表示与预期性干扰相比具有显著差异,P0.05。2.2不同预期干扰对下肢肌电的影响SO 阶段,预期性干扰情况下的TA和GAS的RMS值均高于非预期干扰情况下,具有显著性差异（P0.05）,G A S的RMS值在此阶段达到最高,这可能与该肌肉在受到牵拉时的牵张反射有关。S2阶段，非预期干扰情况下的两块肌肉RMS值都小
21、于预期干扰时的 RMS值,其中 TA有显著性差异(P0.05);S4阶段,被测两块肌肉在非预期干扰情况下的RMS值都高于预期时,其中TA有显著性差异(P0.05)(图2、图3)。0.970.80.7-0.6-0.50.40.30.2-0.10.0272BULLETINOFSPORTSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.31.NO.9.2023预期1.07非预期0.8-0.6-0.40.20.0+3讨论姿势控制对人体具有重要的作用。当人体的姿势控制中,中枢神经系统(CNS)主要通过前馈控制、反馈控制和随意运动控制三种方式保持稳定I-12，根据外界干扰的可预期性不同,控制方式也不一样。当
22、外界干扰可以预知时,往往会出现较明显的预期性姿势调节（APAs）以减小干扰对身体稳定性造成的不利影响；当外界干扰不可预知时，几乎不会产生预期性姿势调节,所以人体质量中心的位移峰值将会增加，相应地COP最大向后COP最大向前速率(mm/s)位移(mm)747.96 319.4461.10 11.90821.14 289.5468.81 13.80*预期非预期SOS1图2 TA各阶段RMS变化情况SO图3GAS各阶段RMS变化情况会产生更加强烈的补偿性姿势调节（CPAs）4.13。在干扰的预期性方面,前人多研究视觉线索对平衡控制的影响4,虽然视觉在人类的动作控制中具有重要作用14，但是在视觉信息不
23、可获得（如黑夜)的情况下，就需要其他方面来辅助（如听觉）。已有研究证明,听觉信息可以产生与视觉信息类似的效果15。本实验模拟生活中人受到从后向前方向的干扰，通过干扰前是否可以获得倒计时声音提示区分预期性干扰和非预期性干扰,研究不同预期条件下TA和GAS肌电特征。为了更加细致地了解人体受到干扰后踝策略调节的过程,进一步揭示踝策略神经控制机制，实验采取了不同于前人观察固定时间窗口内肌电活动的方法，依据干扰后COP在矢状轴方向上的移动速率,将受干扰后恢复稳定的过程划分为COP加速向前、COP减速向前、COP加速向后和COP减速向后四个阶段（分别为S1、S2、S3、S4），分别观察每个阶段内的肌肉活动
24、。人体受到外界干扰时，会产生偏离原来位置的倾向，如果不及时做出调整,那么平衡状态将会被打破。神经中枢通过对各肌肉的协调控制，来对抗这种倾向，使人体尽快回到原来的位置，所以肌电表现在一定程度上体现了神经中枢的活动。本研究通过分析受试者在受到两种干扰前后不同阶段的RMS值,探索不同预期干扰下的神经控制策略。干扰前阶段（10 0ms至T）,T A 和GAS的RMS均表现出受预期干扰时高于受非预期干扰时,且有显著性差异，前人的研究也证实了这个结果4.7.16 ,感觉系统感受到干扰即将来临并将信息传递给神经中枢,随后神经中枢协调相应的肌肉激活以抵抗将要出现的扰动17 。S1 阶段,干扰的预期性对肌肉活动
25、的影响无显著性差异。值得一提的是,此阶段 GAS 的 RMS值大幅提高,这可能与肌肉的牵张反射有关，肌梭受到突然地牵拉后将信息通过神S2S3阶段S1S4经细胞传递至脊髓，随即一部分信号从原路径传回产生肌肉收缩,以维持身体姿势18 。有学者测量跳落时比目鱼肌牵张反射肌电表现，显示肌电峰值可达到较高水平，约为最大自主收S2阶段S3S4其他研究QITAYANJIU缩(MVC)的40%19。S2 阶段,GAS 和TA 在预期干扰时的on balance measures and proprioception among middle and older ageRMS平均值均大于非预期干扰时,且 TA有
26、显著性差异,表明adults with diabetic peripheral neuropathy J.Gait&Posture,2019,受预期干扰时TA需要更大的代偿性姿势调节，这似乎与其他74:114-120.学者的研究结果发生冲突5。这可能与本实验采用单足站立9Wang Y,Hu Z,Chen K,et al.Automatic characterization of strokepatients posturography based on probability density analysis J.的方式有关，相较于双足站立时较大的支撑面，此时的支撑面Biomedical En
27、gineering Online,2023,22(1):8.缩小了很多故人体的稳定性比较差。当人体处于稳定性较差10张英媛，王国栋，陆阿明，下肢优势侧评定方法的比较研究J.的情况下，神经中枢倾向于共同收缩伸肌和屈肌来增加踝关节刚度2 0-2 1。所以预期干扰时的TA在整个过程中一直保持较高的激活状态。S3阶段和S4阶段，非预期干扰时TA的RMS均值都大于预期干扰时，但仅S4阶段有显著性差异。人体在非预期干扰时，质心向前位移较大13,故身体需要产生更大的调整以控制质心。为了防止这种过大的变化影响身体稳定，人体会在调整的最后阶段做出躯干前屈动作,将身体的质心向前方调整。4结论非预期性干扰不会引起T
28、A和GAS的预激活；非预期性干扰会使TA在调整阶段产生更大的代偿性姿势调节,尤其在COP向后减速阶段。参考文献：1陈意,谢运娟,高强。预期性姿势调节的神经调控网络研究进展J中国康复理论与实践,2 0 2 0,2 6(5）：56 8-57 1.2Yu Q,Huo Y,Chen M,et al.,A Study on the Relationship betweenPostural Control and Pain-Related Clinical Outcomes in Patientswith Chronic Nonspecific Low Back Pain J.Pain Research&
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