研究生理和病理运动控制,是我们认识感觉运动系统,尤其是大脑脊髓中枢神经系统的结构和生理功能的重要内容,也是为运动功能障碍患者提供运动功能补偿和康复的基础。神经运动控制的研究方法分实验观测分析与计算模型仿真两种:实验研究对感觉运动系统中各层次回路的辨识和行为功能认识,是建立计算模型的基础;而计算模型仿真结果,又可以提供在实验条件下无法观测的系统状态的神经信息。因此,实验分析和模型仿真方法在认识中枢神经系统感知运动功能中起到互补的作用。本论文探讨的科学问题是,在姿态和运动双重控制的理论框架下,大脑和脊髓中各神经回路在整合感觉信息、控制运动执行过程中的模块化功能。本论文的工作突破了现阶段研究方法的瓶颈,将感觉运动系统各子系统部分的大量数据和已知信息整合成为多尺度计算模型,从系统层面研究生理和病理运动的神经控制机制。本论文在前期工作的基础上,完善了多尺度虚拟手臂模型的仿真平台,并验证了虚拟手臂模型的真实性和有效性;利用虚拟手臂模型,分析并提出了肌梭伽马神经支配的中枢非线性编码假设;搭建人体上肢运动实验采集分析平台,并分析了帕金森病肢体震颤中,肌群的协同发放与震颤幅度的相关关系,为使用虚拟手臂模型进一步探索帕金森病震颤的神经病理机制提供了实验数据。本论文的主要研究内容和成果包括以下四个方面:1.在前期工作基础上开发多尺度整合的虚拟手臂模型。我们将前期工作中开发的上肢肌骨系统生物力学模型、虚拟肌肉、肌梭、高尔基腱器官等模块,和新增的脊髓反射回路和脊髓固有神经元网络模型模块整合起来,移植到SIMULINK建模仿真平台中,优化参数,统一接口,整合为一个具有真实生理特征的虚拟手臂系统模型。我们采用了模块化的模型结构,使其具有模块易于更新替换,拓展性强,可根据需要定制化和个性化等特点。该模型在模拟正常和病理神经运动行为,研究神经运动控制机制中有巨大潜力,并为康复应用的开发和临床前评估提供了一个可靠且高效的仿真平台和环境。2.验证虚拟手臂模型神经力学行为的真实性和有效性,定量评估前馈和反馈控制对维持上肢端点姿态稳定性的贡献。手刚度反映了手的阻抗特性,手的运动变异性描述了固有神经噪声影响下的手的稳定范围,这两个神经力学行为指标可以定量评价姿态控制下的手稳定性。将系统模型仿真的神经力学行为(手刚度与变异性)与人体实验测量数据比较,确认虚拟手臂模型的真实性和有效性。由于实验测量手段的局限性,现阶段我们还无法在系统层面准确测量脊髓反射回路对上肢端点的姿态稳定性的贡献,因而在不同的运动控制理论中,对本体感觉反馈在运动控制中的作用有不同解释。虚拟手臂模型使我们可以通过设计开环和闭环条件下的仿真实验,定量评估多关节系统中,闭环感觉反馈对系统阻抗特性和稳定性的影响。结果表明,在稳态的闭环感觉反馈作用下,手刚度椭圆的面积增大35.75±16.99%(均值±标准差,下同),手变异性椭圆的面积缩小49.41±21.19%,显示出本体感觉反馈在脊髓层面的闭环姿态控制中,对抗内部神经噪声和外界环境扰动,维持多关节肢体稳定性的显著贡献。3.研究肌梭运动神经控制中可能的关节角度编码模式,及其对外周本体感觉传入中关节角度编码的影响。实验证据表明下行的肌梭运动神经发放活动与关节运动轨迹相关,以某种形式编码了关节角度信息作为中枢对外周姿态控制的参考信号。同时肌梭运动神经起到维持不同姿态下肌梭梭内肌纤维张力的作用,调节感觉末梢的灵敏度以控制本体感觉发放频率中对关节角度的线性编码。由于人体正常运动状态下的肌梭运动神经元发放模式无法通过电生理技术手段测量,我们尚不了解肌梭运动神经中的关节角度编码模式。基于虚拟手臂模型仿真实验平台,我们提出并检验了三种可能的肌梭运动控制编码模态假设。各假设的正确性通过检验假定的肌梭运动神经编码模态下,仿真的初级感觉传入神经发放是否与实验测量相匹配的方法验证。研究结果表明,在姿态控制中,神经系统可能采取了对肌梭灵敏度的非线性控制策略,使肌梭运动神经承担起中枢向外周系统传输关节角度编码信息的功能。4.研究肌肉间同步活动对上肢帕金森震颤运动的贡献,及其产生的大脑和脊髓神经回路基础。建立实验采集帕金森震颤运动和肌电图的方法,采用相干和互相关等方法分析帕金森震颤中各肌肉的节律性发放活动,提出“paired coherence”和“pool-averaged coherence”两种评价指标定量评估肌群间活动的同步水平,并分析其与关节震颤运动幅度间的相关性。分析显示,不同患者的上肢肌群震颤活动的同步水平存在较大差异,且与上肢关节的震颤幅度成正相关。该结果表明,肌肉非自主发放活动在肌群间的同步,是驱动帕金森震颤运动的重要因素。这一研究为最新的解释帕金森震颤运动产生机制的“调制-开关模型”假说提供了支持,并进一步提出源自小脑和基底节系统的中枢振荡信号,经过脊髓固有神经元网络的传输、整合和处理,支配对抗肌群中的交替发放活动,导致震颤运动产生的神经模型。综上,本论文建立了一个基于模型仿真和实验运动分析的神经运动控制研究平台,并应用于研究生理和病理状态下,中枢脊髓神经网络在运动控制中的作用。研究结果为认识神经运动控制开辟了新思路和新方法,也对运动康复治疗和临床前评估具有理论指导意义。