解碼腦機(jī)交互：fNIRS與sEMG同步技術(shù)在神經(jīng)康復(fù)中的應(yīng)用探索
在神經(jīng)科學(xué)與康復(fù)醫(yī)學(xué)的前沿領(lǐng)域，理解大腦如何指揮肢體運(yùn)動(dòng)始終是一個(gè)核心命題。傳統(tǒng)的單一模態(tài)評(píng)估往往難以全面揭示“大腦指令”到“肌肉執(zhí)行”這一復(fù)雜閉環(huán)過(guò)程中的細(xì)微變化。近年來(lái)，功能性近紅外光譜技術(shù)（fNIRS）與表面肌電圖（sEMG）的同步聯(lián)合分析，正逐漸成為研究皮質(zhì)肌耦聯(lián)（Corticomuscular Coupling, CMC）的有力工具。這種多模態(tài)方法不僅能夠捕捉大腦皮層的血氧動(dòng)力學(xué)變化，還能同步記錄肌肉的電生理活動(dòng)，為探究運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制提供了全新的視角。
一、 技術(shù)基石：fNIRS與sEMG的協(xié)同優(yōu)勢(shì)
要理解大腦與肌肉的動(dòng)態(tài)交互，首先需要了解這兩種核心技術(shù)的特點(diǎn)：
1. 功能性近紅外光譜技術(shù) (fNIRS)：
作為一種非侵入性的神經(jīng)影像技術(shù)，fNIRS基于神經(jīng)血管耦合原理，通過(guò)檢測(cè)大腦皮層氧合血紅蛋白（HbO₂）和脫氧血紅蛋白（HbR）濃度的變化，來(lái)反映神經(jīng)元的激活情況。相比f(wàn)MRI，它具有抗運(yùn)動(dòng)偽影能力強(qiáng)、生態(tài)效度高的優(yōu)勢(shì)；相比EEG，它擁有更優(yōu)的空間定位能力。這使得fNIRS特別適合在受試者進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)皮層（如M1區(qū)、SMA區(qū)、PFC區(qū)）的激活水平和功能連接。
2. 表面肌電圖 (sEMG)：
sEMG技術(shù)通過(guò)皮膚表面電極記錄肌肉收縮時(shí)的生物電信號(hào)。它能夠無(wú)創(chuàng)地反映神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)的功能狀態(tài)，提供肌肉激活程度（如RMS）、肌肉疲勞（如中位頻率MF）以及信號(hào)復(fù)雜性（如模糊近似熵fApEn）等關(guān)鍵信息。在與fNIRS同步時(shí)，sEMG不僅是運(yùn)動(dòng)輸出的指標(biāo)，更是計(jì)算皮質(zhì)肌相干性（Coherence）和相位同步指數(shù)（PSI）的必要輸入。
通過(guò)同步采集fNIRS與sEMG信號(hào)，研究者可以構(gòu)建從“中樞指令產(chǎn)生”到“周?chē)∪鈭?zhí)行”的完整功能圖譜，這對(duì)于解析中風(fēng)后神經(jīng)功能重塑具有重要意義。
二、 深度解析：亞急性中風(fēng)患者皮質(zhì)肌耦聯(lián)的改變
為了具體展示這一技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，我們參考了近期發(fā)表于《BMC Neurology》的一項(xiàng)最新研究：《亞急性中風(fēng)患者皮質(zhì)肌耦聯(lián)功能的改變：來(lái)自fNIRS和sEMG的觀察》（Corticomuscular coupling alterations in subacute stroke patients: insights from fNIRS and sEMG）。
1. 研究背景
3. 主要研究結(jié)果：高激活與低耦聯(lián)的分離現(xiàn)象
研究結(jié)果揭示了亞急性中風(fēng)患者獨(dú)特的神經(jīng)生理特征：
4. 結(jié)論與啟示
三、無(wú)線高密度表面肌電設(shè)備推薦
要實(shí)現(xiàn)上述高質(zhì)量的科研探索，一套穩(wěn)定、精準(zhǔn)且具備高級(jí)分析能力的采集系統(tǒng)至關(guān)重要。結(jié)合上述研究需求，我司可提供Oct-HD 無(wú)線高密度表面肌電測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)專為神經(jīng)肌肉電生理研究設(shè)計(jì)，致力于為科研人員提供全場(chǎng)景的解決方案。
1. 高密度與多模態(tài)兼容
2. 智能分析與科研級(jí)生態(tài)
3. 靈活適配與可靠品質(zhì)
綜上所述，fNIRS與sEMG的同步技術(shù)為我們打開(kāi)了一扇窺視“腦-機(jī)交互”黑箱的窗口。結(jié)合前沿的科研成果與高性能的采集設(shè)備，我們有望在神經(jīng)康復(fù)、運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域取得更多突破性的進(jìn)展。
歡迎聯(lián)系我們，了解更多產(chǎn)品詳情與解決方案。
參考文獻(xiàn)：Wei X, Wei X, Li Z, Jamid S, Wang H. Corticomuscular coupling alterations in subacute stroke patients: insights from fNIRS and sEMG. BMC Neurol. 2025 Dec 23;26(1):45. doi: 10.1186/s12883-025-04589-4. PMID: 41436980; PMCID: PMC12825247.
一、 技術(shù)基石：fNIRS與sEMG的協(xié)同優(yōu)勢(shì)
要理解大腦與肌肉的動(dòng)態(tài)交互，首先需要了解這兩種核心技術(shù)的特點(diǎn)：
1. 功能性近紅外光譜技術(shù) (fNIRS)：
作為一種非侵入性的神經(jīng)影像技術(shù)，fNIRS基于神經(jīng)血管耦合原理，通過(guò)檢測(cè)大腦皮層氧合血紅蛋白（HbO₂）和脫氧血紅蛋白（HbR）濃度的變化，來(lái)反映神經(jīng)元的激活情況。相比f(wàn)MRI，它具有抗運(yùn)動(dòng)偽影能力強(qiáng)、生態(tài)效度高的優(yōu)勢(shì)；相比EEG，它擁有更優(yōu)的空間定位能力。這使得fNIRS特別適合在受試者進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)皮層（如M1區(qū)、SMA區(qū)、PFC區(qū)）的激活水平和功能連接。
2. 表面肌電圖 (sEMG)：
sEMG技術(shù)通過(guò)皮膚表面電極記錄肌肉收縮時(shí)的生物電信號(hào)。它能夠無(wú)創(chuàng)地反映神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)的功能狀態(tài)，提供肌肉激活程度（如RMS）、肌肉疲勞（如中位頻率MF）以及信號(hào)復(fù)雜性（如模糊近似熵fApEn）等關(guān)鍵信息。在與fNIRS同步時(shí)，sEMG不僅是運(yùn)動(dòng)輸出的指標(biāo)，更是計(jì)算皮質(zhì)肌相干性（Coherence）和相位同步指數(shù)（PSI）的必要輸入。
通過(guò)同步采集fNIRS與sEMG信號(hào)，研究者可以構(gòu)建從“中樞指令產(chǎn)生”到“周?chē)∪鈭?zhí)行”的完整功能圖譜，這對(duì)于解析中風(fēng)后神經(jīng)功能重塑具有重要意義。
二、 深度解析：亞急性中風(fēng)患者皮質(zhì)肌耦聯(lián)的改變
為了具體展示這一技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，我們參考了近期發(fā)表于《BMC Neurology》的一項(xiàng)最新研究：《亞急性中風(fēng)患者皮質(zhì)肌耦聯(lián)功能的改變：來(lái)自fNIRS和sEMG的觀察》（Corticomuscular coupling alterations in subacute stroke patients: insights from fNIRS and sEMG）。
1. 研究背景
- 研究背景：中風(fēng)是導(dǎo)致成人殘疾的主要原因，約80%的幸存者會(huì)出現(xiàn)上肢功能障礙。這種障礙不僅源于局部神經(jīng)損傷，還源于皮質(zhì)與周?chē)∪庀到y(tǒng)之間信息傳輸路徑的中斷。皮質(zhì)肌耦聯(lián)（CMC）反映了中樞與周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)控制中的動(dòng)態(tài)交互。
- 研究現(xiàn)狀：雖然基于EEG的CMC分析較為成熟，但其空間分辨率有限且易受運(yùn)動(dòng)偽影干擾。功能性近紅外光譜技術(shù)（fNIRS）具有更高的空間定位能力和抗運(yùn)動(dòng)偽影優(yōu)勢(shì)。然而，關(guān)于亞急性期中風(fēng)患者（神經(jīng)可塑性關(guān)鍵期）在主動(dòng)運(yùn)動(dòng)任務(wù)中的皮質(zhì)肌耦聯(lián)特征研究仍較為缺乏。
- 研究目的：利用同步fNIRS和表面肌電圖（sEMG）技術(shù)，探討亞急性期中風(fēng)患者在進(jìn)行上肢運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)，皮質(zhì)肌耦聯(lián)特征與健康受試者的差異。
- 研究對(duì)象：
- 中風(fēng)組：25名處于亞急性期（病程3-6個(gè)月）的單側(cè)中風(fēng)患者，均為右利手，患側(cè)為優(yōu)勢(shì)手。
- 健康對(duì)照組：20名年齡匹配的健康受試者。
- 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：所有受試者進(jìn)行等長(zhǎng)腕伸展任務(wù)（50%最大自主收縮力，持續(xù)15秒），同時(shí)記錄fNIRS和sEMG信號(hào)。
- 數(shù)據(jù)采集：
- fNIRS：覆蓋雙側(cè)前額葉皮質(zhì)（PFC）、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)（SMA）和初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)（M1），主要分析氧合血紅蛋白（ΔHbO₂）濃度變化。
- sEMG：采集尺側(cè)腕伸�。‥CU）和橈側(cè)腕屈�。‵CR）的肌電信號(hào)。
- 分析指標(biāo)：
- 皮質(zhì)肌耦聯(lián)：計(jì)算相位同步指數(shù)（PSI）和相干性（Coherence）。
- 腦功能：皮質(zhì)激活水平（ΔHbO₂幅度）和功能連接（FC）。
- 肌肉功能：sEMG的均方根（RMS）、中位頻率（MF）和模糊近似熵（fApEn）。
圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。A 同步采集fNIRS和sEMG信號(hào)的實(shí)驗(yàn)裝置。B fNIRS通道的探頭布局，光源用紅點(diǎn)標(biāo)記，探測(cè)器用藍(lán)點(diǎn)標(biāo)記�？偣�16個(gè)光源和16個(gè)探測(cè)器組成39個(gè)通道，覆蓋六個(gè)腦區(qū)：LPFC、RPFC、LSMA、RSMA、LM1和RM1。C fNIRS和sEMG數(shù)據(jù)采集的流程方案。每個(gè)試次包括15秒的任務(wù)和25秒的休息，每個(gè)session重復(fù)六次。（圖片來(lái)自原文）
3. 主要研究結(jié)果：高激活與低耦聯(lián)的分離現(xiàn)象
研究結(jié)果揭示了亞急性中風(fēng)患者獨(dú)特的神經(jīng)生理特征：
- 皮質(zhì)肌耦聯(lián)顯著降低： 與健康人相比，中風(fēng)患者在同側(cè)半球（患側(cè)）的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)（M1）、前額葉皮質(zhì)（PFC）及輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)（SMA）與肌肉（尺側(cè)腕伸肌ECU、橈側(cè)腕屈肌FCR）之間的相干性（Coherence）和相位同步指數(shù)（PSI）顯著降低。這表明中樞對(duì)肌肉的控制效率下降。
圖 2：任務(wù)期間卒中患者與健康組之間 ROI 與 ECU、FCR 肌肉之間相干值（A）和 PSI（B）的比較。紅色表示顯著值（P < 0.05）（圖片來(lái)自原文）
- 皮質(zhì)激活增強(qiáng)與功能連接異常： 盡管皮質(zhì)肌耦聯(lián)減弱，但患者在對(duì)側(cè)（健側(cè)）的SMA、M1和PFC區(qū)域表現(xiàn)出比健康人更高的激活水平（ΔHbO₂），且腦區(qū)間功能連接（FC）增強(qiáng)。
圖 3 健康個(gè)體（A）和卒中患者（B）中氧合血紅蛋白濃度（ΔHbO2）的變化情況。（圖片來(lái)自原文）
圖4 健康對(duì)照組（A）和中風(fēng)患者（B）感興趣區(qū)（ROIs）之間的皮質(zhì)ΔHbO₂相關(guān)性分析。每條連線的顏色表示ROI對(duì)之間功能連接的強(qiáng)度。C 突出了兩組在腕伸展任務(wù)期間區(qū)域間連接的顯著差異。（圖片來(lái)自原文）
- 肌肉激活復(fù)雜性降低： sEMG分析顯示，患者肌肉的放電復(fù)雜性（fApEn）降低，均方根（RMS）值減小，提示運(yùn)動(dòng)單位募集能力受損和肌肉激活程度不足。
圖5 中風(fēng)患者與健康受試者肌電信號(hào)特征的比較：（A）FCR和ECU的RMS值；（B）FCR和ECU的MF值；（C）FCR和ECU的fApEn值。組間顯著差異用 *P < 0.05，**P < 0.01 表示。（圖片來(lái)自原文）
4. 結(jié)論與啟示
- “高激活-低耦聯(lián)”現(xiàn)象：研究發(fā)現(xiàn)中風(fēng)患者存在一種特殊的分離現(xiàn)象——即皮質(zhì)激活和功能連接增強(qiáng)，但皮質(zhì)與肌肉之間的耦聯(lián)卻減弱。這表明盡管患者動(dòng)員了更廣泛的皮質(zhì)資源（包括對(duì)側(cè)皮質(zhì)）試圖進(jìn)行補(bǔ)償，但這種努力未能有效轉(zhuǎn)化為皮質(zhì)肌耦聯(lián)，提示中樞-周?chē)ㄐ磐肥軗p。
- 病理機(jī)制：皮質(zhì)肌耦聯(lián)的減弱可能源于皮質(zhì)脊髓束的結(jié)構(gòu)損傷，導(dǎo)致下行運(yùn)動(dòng)指令傳輸效率降低。增強(qiáng)的皮質(zhì)激活可能是一種代償性重組，但未能建立有效的功能連接。
- 臨床意義：fNIRS-sEMG耦合分析可以作為評(píng)估中風(fēng)后運(yùn)動(dòng)功能障礙的潛在生物標(biāo)志物，有助于理解中樞-周?chē)嗷プ饔玫母淖儯橹贫▊�(gè)性化的康復(fù)策略（如針對(duì)改善中樞-周?chē)鷤鲗?dǎo)效率的干預(yù)）提供理論依據(jù)。
三、無(wú)線高密度表面肌電設(shè)備推薦
要實(shí)現(xiàn)上述高質(zhì)量的科研探索，一套穩(wěn)定、精準(zhǔn)且具備高級(jí)分析能力的采集系統(tǒng)至關(guān)重要。結(jié)合上述研究需求，我司可提供Oct-HD 無(wú)線高密度表面肌電測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)專為神經(jīng)肌肉電生理研究設(shè)計(jì)，致力于為科研人員提供全場(chǎng)景的解決方案。
1. 高密度與多模態(tài)兼容
- 精細(xì)化捕捉： Oct-HD采用分布式可穿戴設(shè)計(jì)，單模塊支持64通道肌電信號(hào)采集，配合九軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，最高可擴(kuò)展至512通道同步工作。這種高密度采集能力能夠繪制詳細(xì)的肌電地形圖，精準(zhǔn)定位肌肉的高活躍區(qū)域。
- 無(wú)縫聯(lián)用： 系統(tǒng)支持Lab Streaming Layer協(xié)議，能夠輕松實(shí)現(xiàn)與fNIRS、EEG、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)（如Vicon）等設(shè)備的多模態(tài)同步。這對(duì)于需要同時(shí)記錄腦血氧信號(hào)與肌肉電信號(hào)的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（如前述中風(fēng)研究）提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
2. 智能分析與科研級(jí)生態(tài)
- 深度解碼： 針對(duì)fNIRS-sEMG聯(lián)合分析的需求，Oct-HD配套軟件提供了神經(jīng)元分解、肌纖維傳導(dǎo)速度計(jì)算等高級(jí)算法。無(wú)需繁瑣的編程基礎(chǔ)，研究者即可進(jìn)行皮質(zhì)肌耦聯(lián)相關(guān)的復(fù)雜運(yùn)算。
- 高效產(chǎn)出： 軟件支持一鍵生成論文級(jí)圖表（如激活時(shí)序曲線、疲勞指數(shù)統(tǒng)計(jì)、肌電熱力圖），并可直接導(dǎo)出數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析，極大地縮短了從數(shù)據(jù)采集到成果發(fā)表的周期。
3. 靈活適配與可靠品質(zhì)
- 全場(chǎng)景應(yīng)用： 無(wú)論是康復(fù)醫(yī)學(xué)中的步態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)科學(xué)中的爆發(fā)力研究，還是假肢控制中的手勢(shì)識(shí)別，Oct-HD的無(wú)線設(shè)計(jì)和靈活配置都能適應(yīng)肢體與軀干的多部位部署，確保在動(dòng)態(tài)任務(wù)中無(wú)干擾地獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)。
- 質(zhì)量保障： 系統(tǒng)內(nèi)置全通道阻抗檢測(cè)功能，確保電極接觸質(zhì)量；數(shù)據(jù)精度通過(guò)ISO認(rèn)證，為科研結(jié)果的可靠性保駕護(hù)航。
綜上所述，fNIRS與sEMG的同步技術(shù)為我們打開(kāi)了一扇窺視“腦-機(jī)交互”黑箱的窗口。結(jié)合前沿的科研成果與高性能的采集設(shè)備，我們有望在神經(jīng)康復(fù)、運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域取得更多突破性的進(jìn)展。
歡迎聯(lián)系我們，了解更多產(chǎn)品詳情與解決方案。
參考文獻(xiàn)：Wei X, Wei X, Li Z, Jamid S, Wang H. Corticomuscular coupling alterations in subacute stroke patients: insights from fNIRS and sEMG. BMC Neurol. 2025 Dec 23;26(1):45. doi: 10.1186/s12883-025-04589-4. PMID: 41436980; PMCID: PMC12825247.
- 細(xì)胞收縮與鈣成像標(biāo)測(cè)助力實(shí)現(xiàn)離體小鼠海馬腦片動(dòng)作電位成像與可視化
- Cell文章：揭秘PAK1自身抑制釋放機(jī)制并精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)激酶激活劑
- 固定后水洗：被忽視的關(guān)鍵步驟，直接影響染色質(zhì)量與抗原保存
- Mapping標(biāo)測(cè)技術(shù)從單細(xì)胞到在體多尺度助力揭示房顫核心機(jī)制
- 解碼腦機(jī)交互：fNIRS與sEMG同步技術(shù)在神經(jīng)康復(fù)中的應(yīng)用探索
- 類(lèi)器官智能(OI)讓神經(jīng)系統(tǒng)成為可計(jì)算載體的技術(shù)背景與挑戰(zhàn)
- 高密度肌電握力在肌肉疲勞狀態(tài)下的應(yīng)用
- 等長(zhǎng)握力收縮對(duì)脛骨前肌運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元PIC估計(jì)值的影響研究
- 意大利OT高密度肌電技術(shù)交流會(huì)在南京醫(yī)科大學(xué)舉辦
- CNS 2026神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)第十九屆全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議通知
- 意大利OT攜瑞鴻安前往深圳先進(jìn)院開(kāi)展合作交流活動(dòng)
- 意大利OT公司負(fù)責(zé)人到訪瑞鴻安開(kāi)展深度交流學(xué)習(xí)活動(dòng)
- 第三屆斯高心臟科學(xué)研究國(guó)際研討會(huì)第一輪通知
- 北京基爾比與歐洲器官芯片BiomimXSrl簽署重磅合作
- 斯高開(kāi)放日預(yù)告：從細(xì)胞到心臟—心肌功能評(píng)價(jià)技術(shù)
- 拜譜邀您共赴2026心血管藥理學(xué)術(shù)盛會(huì)
Copyright(C) 1998-2026 生物器材網(wǎng) 電話：021-64166852;13621656896 E-mail：info@bio-equip.com