JNER：选择性神经刺激方法改善脊髓损伤后的自行车运动功能

脊髓损伤（SCI）和其他神经肌肉疾病导致的上运动神经元损伤会导致许多继发性健康并发症。长期丧失运动功能会导致肌肉萎缩、骨密度降低和心血管疾病，对患者的整体健康和生活质量产生负面影响。运动对于缓解甚至预防某些次要健康问题和改善长期预后至关重要。以往，下肢瘫痪的人仅用他们上身肌肉进行锻炼。手骑自行车和手臂负重练习虽然可以保持上身的张力并提供一些心血管锻炼，但不能解决瘫痪下肢特有的并发症。

电刺激驱动的运动康复系统通过激活瘫痪的肌肉组织提供更全面的全身锻炼。电刺激会激活受伤水平以下仍有神经支配但失去上行神经控制的肌肉，从而在电刺激的帮助下的自行车或划船运动。几项研究表明，SCI患者使用康复系统进行训练后，下肢肌肉质量、身体成分和感知生活质量显著改善。

然而，电刺激会导致一些并发症， 如肌肉快速疲劳，持续运动强度低，刺激诱导运动耐力差。由于这些固有的局限性，电刺激系统未能很好地让生理指标（如骨密度）的显著改善，骨密度依赖于负荷，可能需要更长的运动时间来抵抗更高的阻力。许多生理学改善通常是长期训练方案之后才出现的，为了延长运动持续时间和提高可用性，商用功能性电刺激（FES）自行车内置了电机，在肌肉疲劳时帮助踩踏板。然而，使用马达可以消除自行车运动中的大部分阻力训练，无法达到训练效果。为了产生令人信服的生理改善，肌肉本身必须单独产生和维持强大的运动输出。因此，有必要确定激活肌肉输出的刺激策略，使瘫痪患者能够在每次训练中进行更长时间、更高强度的训练，以获得最大效果。

改善运动的一个潜在方法是减少刺激电极之间激活纤维的重叠。电刺激通过多个表面电极或植入的神经电极触点以高脉冲幅度（PA）和/或脉冲宽度（PW）立即进行刺激，使得可能多的肌纤维参与，尤其是在自行车的伸膝阶段。第二种方法可以显著改善刺激驱动的运动，即减少激活的运动单元的占空比。传统的循环刺激方法在每次踏板旋转时激活大量协同肌纤维。例如，当需要强有力的膝盖伸展时，股四头肌的大部分甚至多个肌肉头部同时激活。而通过选择性多触点电极，刺激模式在肌肉之间交替，可以降低占空比而不中断循环运动。。通过在每个踏板行程中仅激活一个独立的运动单元池（MUP），并在每次踏板旋转时交替激活或静止哪个池，可以降低占空比并提高运动性能。

本研究的目的是探索低重叠刺激和低占空比刺激单独或联合使用的相对效应，以确定其对SCI后性能的急性影响。本文发表在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》。

三名SCI患者（植入了神经刺激系统）参与了选择性刺激驱动的运动实验。曲轴角度编码器将瞬时横卧自行车踏板曲轴位置中继至外部控制单元（ECU)。曲柄角被映射到ECU刺激模型内平滑循环所需的肌肉激活和计时。ECU通过紧密耦合的感应射频通信链路将基于曲柄角的期望刺激中继到皮下植入的脉冲发生器。然后，植入的刺激器通过所需髋部和躯干肌肉运动神经附近的肌内或肌外电极传递适当的电刺激波形，或通过股神经上的单个多触点神经套电极触点激活股四头肌组的各个部分。该系统的植入部件已被证明能够提供稳定的纵向性能，而不会损坏受刺激的神经组织。

选择性神经刺激系统

股四头肌、腘绳肌、内收肌和臀肌都参与刺激过程，以进行自行车运动。在这项研究中，只有股四头肌的激活在不同的刺激条件下有所不同。在两名受试者中，将复合平面界面神经电极（C-FINEs）双侧植入近端股神经周围。先前的研究发现，在这种情况下，每个C-FINE上的三个触点可以选择性地激活独立的膝伸肌MUP。另一名受试者在近端股神经周围有双侧螺旋袖带电极，肌外电极缝合在每个股外侧肌（VL）的运动点附近。发现每个螺旋袖带和肌外电极有两个触点可选择性激活独立的膝伸肌。因此，每个参与者都有三个独立控制的电触点，这些电触点引出单独的MUP用于膝关节伸展，从而能够研究重叠和占空比的影响。

训练自行车

三名患有脊髓损伤和植入刺激系统的患者使用常规（S-Max）、低重叠（S-low）、低占空比（C-Max）和/或组合低重叠和低占空比（C-low）刺激模式进行了试验。测量结果包括总功（W）、功率（Pend）、功率波动指数（PFI）、电荷累积（Q）和效率（η）。Mann–Whitney检验用于对选择性模式和S-Max之间的W和Pend进行统计比较。Welch方差分析用于评估受试者内所有测试模式的PFI差异。W和Pend作为给定试验条件下的试验结果和同一试验阶段的S-Max试验结果的差异进行了检查。在S-Low循环5分钟后，1号病人完成的工作显著增加（18.8%，p < 0.05）。C-Max 2c（6.4%，p < 0.05）比常规（S-Max）刺激更有效。

在S-Low刺激下循环2.5分钟后，2号病人比S-Max（17.2%，p < 0.05）和C-Max 2c（23.3%，p < 0.05)做功显著增加。做功随C-低刺激而降低，但没有显著性变化。在所有试验条件下，PED均显著高于S-Max。注意，尽管差异的绝对值低于其他刺激方法，但C-Max 2c的改善百分比更大。这是由于在检测C-Max 2c之前，在新冠病毒-19大流行期间长时间不活动导致基线循环能力大幅下降。因此，虽然使用C-Max 2c模式时，W和Pend改善的绝对值较小，但与在同一时间点进行的常规刺激试验相比，它们实际上反映了更大的运动改善。3号病人完成的工作量显著增加（18.4%，p < 循环1.5分钟后，与S-Max刺激相比，使用C-Max 2c刺激时为0.05）。功率也显著增加（56.9%，p < 0.05）

选择性刺激模式可以增加疲劳前瘫痪肌肉的工作表现和维持力量，并提高刺激效率。虽然仍然有效，但低占空比模式会导致每个踏板的功率输出不一致，但这可以通过利用优化的刺激水平来管理。每次锻炼都会增加工作和持续的力量，这有可能最终提高刺激驱动锻炼的生理效益。

Gelenitis, K., Foglyano, K., Lombardo, L. et al. Selective neural stimulation methods improve cycling exercise performance after spinal cord injury: a case series. J NeuroEngineering Rehabil 18, 117 (2021). https://doi.org/10.1186/s12984-021-00912-5