【“称”手工具箱】脑卒中后上肢的肌肉协同（Muscle Synergy）评估
01 背景介绍
肌肉协同（Muscle Synergy）作用作为神经运动控制的基本独立单元，已被广泛应用于脑卒中患者上肢功能的评估研究，为康复提供了客观的见解。通过分析肌肉协同模式，研究人员和临床医生能够更准确地理解脑卒中对运动控制的影响，评估功能恢复情况。
02 肌肉协同的定义和脑卒中后的模式变化
肌肉协同是指多个肌肉协同工作以产生平滑、有目的的运动。在健康的运动中，大脑不直接控制每个单独的肌肉，而是通过激活一组预设的“协同模式”来驱动肢体运动。这些协同模式可以被看作是肌肉激活的“基础模块”。
脑卒中后，大脑损伤会破坏这些协同模式的正常形成和激活，包括：
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协同模式的解体：原本协同工作的肌肉变得不协调，导致运动笨拙、不准确。
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协同模式的固化：患者倾向于过度依赖某些固有的、原始的协同模式（如屈肌协同或伸肌协同），即使这些模式并不适合当前的运动任务。这会导致运动幅度受限、不流畅，并且难以执行精细的动作。
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新的、异常协同模式的形成：大脑尝试通过重组来补偿损伤，但可能形成新的、低效的甚至有害的协同模式。
03 肌肉协同模型和提取方法
一组特定的运动过程，被募集的肌群具有恒定的激活比例关系，称为肌肉协同权重（常用W指代）；中枢神经系统在时序上共同激活这组肌肉协同的激活比例关系，称为时间激活系数（常用H指代）；两者结合实现人体层级运动控制（即募集到的每个肌肉的激活M）。其数学模型如下：
评估脑卒中后的肌肉协同主要依赖于多个肌肉的同步表面肌电图（sEMG），并通过特定的算法（常使用非负矩阵分解，NNMF）来提取协同结构（肌肉协同权重W，下图中Muscle Synergy）及其激活系数H（下图中的Activation Coefficient）。
通过分析卒中患者与健康对照组在协同权重（W）和时间激活系数（H）上的差异，揭示卒中后上肢功能障碍的神经机制。
04 肌肉协同评估脑卒中上肢功能
脑卒中后，大脑对肌肉的下行控制能力受损，导致肌肉协同模式发生改变，从而影响上肢运动功能。
协同数量
脑卒中患者的肌肉协同数量可能少于健康个体，这反映了运动控制模块化的简化，限制了运动的多样性和适应性。协同数量的减少与脑卒中后上肢功能障碍的严重程度相关。
肌肉协同权重
时间激活系数
时间激活系数描述了肌肉协同在时间上的动态变化，即该协同何时以何程度被募集。脑卒中后肌肉协同的时序激活模式被破坏，运动的流畅性和协调性降低。评估时间激活系数的准确性和时序差异，可以揭示运动控制的动态缺陷。
相似性、融合与分化
相似性：通过比较脑卒中患者患侧与健侧（或健康对照组）的肌肉协同模式，可以量化运动控制的恢复程度。较高的相似性通常表明患侧运动控制模式更接近健康状态，预示着更好的功能恢复。
融合与分化：融合可能指多个健康协同合并为一个，而分化则指一个健康协同分解为多个不完全的协同。对康复干预有积极反应的患者，其肌肉协同模式可能显示出更有效的分化或重组，以支持更精细的运动。
肌肉协同可塑性
肌肉协同的可塑性在评估脑卒中患者康复训练干预前后运动功能提升方面具有优势。响应康复的患者通常表现出肌肉协同模式的显著可塑性，使其能够适应并重组以更好地执行运动任务。
上图展示了轻度受损的卒中患者保留了肌肉协同运动，而重度受损的患者则没有。（A）从轻度受损卒中患者（FMA评分 50 分）受影响（红色）和未受影响（蓝色）手臂的肌电图（EMG）中提取的肌肉协同运动。（B）FMA 评分为 29 分的重度受损卒中患者的肌肉协同运动。对于该受试者，仅需要四个协同运动来重建受影响手臂的 EMG，而未受影响手臂则需要六个协同运动。
05 肌肉协同与临床量表评分
作为临床量表的补充：客观定量
临床评定量表作为金标准，通常基于专业医疗人员的主观判断，以评估运动范围、协调性以及特定任务的完成能力等宏观的运动表现为主。在真实的临床环境中易于实践，提供患者整体的宏观的功能状态评价 。
肌肉协同分析从神经肌肉控制层面，为大脑如何组织和控制肌肉（群）活动提供了客观的生理测量。它能够量化肌肉激活模式在时间和空间的改变，捕捉患者神经肌肉控制的细微缺陷 。
提供不同维度的信息：神经电生理学
肌肉协同可以提供更深层次的神经电生理学信息，而临床量表则侧重于功能性的宏观表现。脑卒中后，中枢神经系统对肌肉的控制策略会发生改变，表现肌肉协同数量的减少、协同内部肌肉权重的异常以及协同激活系数的时序紊乱。肌肉协同分析通过评估患侧与健侧肌肉协同模式的相似性、融合和分化等参数，可以更准确地理解运动障碍的性质和程度，并天然地可以与电刺激等设备结合，针对性地提供个性化康复干预。
预测康复结果的潜力：动态评估监测
通过分析肌肉协同模式随时间的变化可以将其作为生物标志物来跟踪康复进展和评估治疗干预的有效性。
06 肌肉协同的局限性
标准化问题
肌肉协同的提取和量化方法尚未完全标准化，其结果可能依赖于算法、肌肉信息的选择。
任务特异性
肌肉协同模式具有任务特异性：在不同运动任务中评估的肌肉协同变化可能有所不同。未来的研究需要从临床经验出发，选择具有代表性的标准化的运动任务，增强肌肉协同评估的泛化能力。
与临床量表的关系
肌肉协同分析与传统的临床评估量表之间的关系仍在探讨中。肌肉协同可以提供更深层次的神经电生理学信息，而临床量表则侧重于功能性的宏观表现。
互补性研究
未来的研究应着重于探索肌肉协同参数与临床量表评分之间的更深层次的互补关系。通过多模态数据融合，即将肌肉协同分析与运动学、动力学参数以及神经影像学等其他生理信号结合，可以提供更全面和准确的上肢功能定量评估，并更好地理解其与临床功能改善的关系。
07 总结
肌肉协同分析为脑卒中患者上肢功能的评估提供了一个强大的工具，与临床量表评分从不同层面评估运动功能障碍。肌肉协同分析在提供客观、定量的神经生理学信息方面具有优势，并有望成为预测康复结果和指导个性化康复策略的重要工具。
参考文献：
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Cheung, V. C. K. et al. Muscle synergy patterns as physiological markers of motor cortical damage. Proc. Natl. Acad. Sci. 109, 14652–14656 (2012).
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Wang, C. et al. Quantitative assessment of upper-limb motor function for post-stroke rehabilitation based on motor synergy analysis and multi-modality fusion. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 28, 943–952 (2020).
