帕金森病患者的腦 - 體交互：雙任務表現研究揭示新機制_abio生物試劑品牌網
帕金森病患者的腦 - 體交互：雙任務表現研究揭示新機制
由 Maryam Sousani 等學者完成的研究《Exploring BrAIn-Body Interactions in Parkinson’s Disease: A Study on Dual-Task Performance》發表在《IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING》雜志。該研究借助功能性近紅外光譜（fNIRS）技術，探索了帕金森病（PD）患者在雙任務表現中腦 - 體交互的情況，為理解 PD 的神經生物學機制提供了重要實證依據。
圖1. 文章信息
背景介紹
帕金森病（PD）是一種影響全球數百萬人的神經退行性疾病，其特征是多巴胺能神經元減少，引發運動（如運動遲緩、僵硬等）和非運動癥狀，且隨病情進展影響認知功能、生活質量和功能獨立性。這些問題在日常生活中尤為明顯，因此研究其神經機制和運動變化對開發評估系統和干預措施至關重要。
近期研究發現，PD 患者與健康人在執行運動任務時額葉皮層激活存在差異，尤其在需同時進行運動和認知處理的雙任務中，前額葉皮層（PFC）激活模式會改變。盡管已有相關研究，但仍存在缺乏標準化協議、未包含上下肢任務、缺少不同難度雙任務等局限。因此研究團隊設計并探究了PD 患者在計時起立行走（TUG）測試及同時進行的運動和認知任務中受影響的皮質和運動表現。
實驗設計：雙任務如何 “放大” 認知差異？
研究團隊招募40 名參與者，包括 20 名 PD 患者和 20 名年齡匹配的健康對照組（HC）參與了這項研究。通過 fNIRS 設備記錄他們在不同任務中的腦活動，光極分布覆蓋前額葉、運動區等關鍵腦區，如圖2。研究人員使用五個 IMU 傳感器記錄運動測量值，傳感器固定在參與者的下背部、小腿和大腿，配備三軸加速度計、陀螺儀和磁力計，采樣率為 60Hz。
參與者在佩戴 fNIRS 帽并配備慣性測量單元（IMUs）的情況下，在三種不同條件下執行 TUG 測試（見圖3）：
1. 簡單 TUG：從標準無扶手椅子站起，行走 3 米，轉身，走回，坐下；
2. 認知雙任務 TUG（CDTUG）：執行 TUG 的同時，從一個三位數的隨機數開始倒數 2；
3. 運動雙任務 TUG（MDTUG）：執行 TUG 的同時，手持裝有四個塑料杯的托盤。
參與者以自己喜歡的速度執行測試，測試順序隨機安排，每個參與者完成一次試驗，試驗之間休息 1 至 3 分鐘，每次試驗開始前記錄 1 分鐘基線數據，所有條件均以 30 秒的坐姿開始。
圖2. 光極分布
圖3. 一名佩戴功能性近紅外光譜（fNIRS）帽并配備慣性測量單元（IMU）傳感器執行計時起立行走（TUG）測試的參與者
在功能性近紅外光譜分析中，數據處理主要圍繞兩種情況展開：一是計算每個任務期間所有通道的平均值，以此關注任務期間前額葉皮層的激活情況；二是通過對前額葉皮層內背外側前額葉皮層（DLPFC）、腹外側前額葉皮層（VLPFC）、內側前額葉皮層（mPFC）和眶額皮層（OFC）這四個不同感興趣區域進行比較分析，研究兩組受試者前額葉皮層每個子區域與運動指標之間的關系。
運動傳感器數據預處理步驟包括調整 IMU 坐標系、識別 TUG 測試的不同時刻（站立、行走、轉身和坐下）。利用行走階段測量步時間（參考圖4）、步幅時間、步頻等，計算步幅長度和步態速度。
圖4. 人類步態周期（GC）及不同步態事件：腳跟觸地（HS）、擺動、支撐和腳趾離地（TO）
關鍵實驗結果
皮質激活
不同任務條件下 PFC 激活存在顯著差異，被試組間也存在顯著差異，未檢測到條件和組的顯著交互作用。PD 組在 TUG 和 CDTUG 之間、CDTUG 和 MDTUG 之間的 HBO 變化有顯著差異；HC 組在 TUG 和 CDTUG 之間的 HBO 變化有顯著差異（見圖5 a）。在 MDTUG 條件下，PD 組和 HC 組在 HBO 和 ΔHHB 方面存在顯著差異（見圖5）。
對于子區域的分析，PD 組的 VLPFC 和 OFC 在 CDTUG 期間 HBO 的增加最高，VLPFC、mPFC 和 OFC 中的 ΔHHB 有顯著差異（見圖7）；HC 組的 DLPFC 區域在 TUG 期間的 HHB 變化最低，與 MDTUG 相比有顯著差異，OFC 中 MDTUG 期間的 ΔHHB 水平最高，與 CDTUG 相比有顯著差異（見圖7 d）。
圖5 . 健康對照者（HCs）和帕金森病（PD）患者在計時起立行走測試（TUG）、認知雙任務計時起立行走測試（CDTUG）及運動雙任務計時起立行走測試（MDTUG）期間的氧合血蛋白變化量（?HBO）和脫氧血紅蛋白變化量（?HHB）
圖6. 健康對照組（HC）與帕金森病（PD）組在計時起立行走測試（TUG）、認知雙任務計時起立行走測試（CDTUG）及運動雙任務計時起立行走測試（MDTUG）期間的氧合血紅蛋白變化量（?HBO）對比。
圖7. 健康對照組（HC）和帕金森病（PD）組在計時起立行走測試（TUG）、認知雙任務a TUG 測試（CDTUG）及運動雙任務 TUG 測試（MDTUG）期間，不同感興趣區域（ROIs）的氧合血紅蛋白變化量（?HBO）和脫氧血紅蛋白變化量（?HHB）對比。
身體運動
不同條件下，PD 組和 HC 組的步態速度無顯著差異，但 PD 組的步時間和步幅時間均短于 HC 組。PD 組在 TUG 期間的步頻顯著更高，在 MDTUG 期間的步幅時間顯著低于 HC 組。
PD 組內 CDTUG 和 MDTUG 之間的步時間有顯著差異；HC 組中 CDTUG 期間的步幅時間最高，與其他條件有顯著差異（見圖8）。
圖8. 帕金森病（PD）患者與健康對照組（HC）在計時起立行走測試（TUG）、認知雙任務TUG測試（CDTUG）及運動雙任務TUG測試（MDTUG）期間的步頻、步幅時間、步長時間、步幅長度、步態速度、轉身持續時間、坐站轉換時間和站坐轉換時間的對比。
任務期間的 PFC 激活與兩組運動測量值之間的相關關系
PD 組中，TUG 期間 ΔHBO 與步頻呈負相關，與步時間呈正相關，MDTUG 期間坐站持續時間與 ΔHBO 有顯著相關，TUG 期間 ΔHHB 的增加與步幅時間和轉身持續時間呈正相關。
HC 組中，TUG 期間 ΔHBO 與步數呈負相關，DLPFC 區域步態速度與 ΔHBO 呈正相關，TUG 期間站坐和坐站的持續時間與 ΔHBO 水平呈負相關，MDTUG 期間 mPFC 區域 ΔHHB 與步時間和步幅時間呈負相關。
總結與展望：打造MU驅動的智能神經康復系統
在簡單 TUG 任務中，PD 組和 HC 組的 PFC 激活水平相似，但 PFC 子區域的激活水平有差異，PD 組的 DLPFC 激活最高，HC 組的 VLPFC 活動增加，這可能與 PD 組執行任務時面臨更大挑戰有關。CDTUG 中，兩組 PFC 激活均顯著增加，PD 組在多個 PFC 子區域激活較高，表明其需要更多認知資源來應對雙任務需求，但兩組的運動測量值無顯著差異，可能與任務難度、樣本疾病階段等因素有關。MDTUG 中，PD 組 PFC 激活水平最低，HC 組 PFC 激活較高，兩組在 PFC 子區域的激活模式不同，反映了 PD 和 HC 組在雙任務條件下采用不同的認知和運動策略，突出了 PD 對認知 - 運動整合的影響。
本研究存在一定局限性，如參與者多為輕中度 PD 患者、PD 患者在服藥狀態下測試、僅關注 PFC 等，未來研究應納入更多階段的患者，進行未服藥狀態下的評估等。總體而言，該研究表明 PD 患者在復雜活動中運動和認知障礙更顯著，運動和認知雙任務對 PD 的綜合評估均很重要，MDTUG 能有效區分 PD 組和 HC 組。
原文鏈接
Sousani M, Fernandez Rojas R, Preston E, Ghahramani M. Exploring Brain-Body Interactions in Parkinson's Disease: A Study on Dual-Task Performance. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2025;33:984-993. doi: 10.1109/TNSRE.2025.3546278. Epub 2025.
DOI: 10.1109/TNSRE.2025.3546278
研究團隊介紹
該文章作者包括Maryam Sousani、Raul Fernandez Rojas、Elisabeth Preston以及Maryam Ghahramani。其中，Maryam Sousani、Raul Fernandez Rojas和Maryam Ghahramani隸屬于澳大利亞堪培拉大學科學與技術學院；Elisabeth Preston隸屬于澳大利亞堪培拉大學健康學院。
關于維拓啟創
維拓啟創（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業長期保持合作關系，致力于將優質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協助用戶的科研工作，持續提升使用體驗。
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由 Maryam Sousani 等學者完成的研究《Exploring BrAIn-Body Interactions in Parkinson’s Disease: A Study on Dual-Task Performance》發表在《IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING》雜志。該研究借助功能性近紅外光譜（fNIRS）技術，探索了帕金森病（PD）患者在雙任務表現中腦 - 體交互的情況，為理解 PD 的神經生物學機制提供了重要實證依據。
圖1. 文章信息
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帕金森病（PD）是一種影響全球數百萬人的神經退行性疾病，其特征是多巴胺能神經元減少，引發運動（如運動遲緩、僵硬等）和非運動癥狀，且隨病情進展影響認知功能、生活質量和功能獨立性。這些問題在日常生活中尤為明顯，因此研究其神經機制和運動變化對開發評估系統和干預措施至關重要。
近期研究發現，PD 患者與健康人在執行運動任務時額葉皮層激活存在差異，尤其在需同時進行運動和認知處理的雙任務中，前額葉皮層（PFC）激活模式會改變。盡管已有相關研究，但仍存在缺乏標準化協議、未包含上下肢任務、缺少不同難度雙任務等局限。因此研究團隊設計并探究了PD 患者在計時起立行走（TUG）測試及同時進行的運動和認知任務中受影響的皮質和運動表現。
實驗設計：雙任務如何 “放大” 認知差異？
研究團隊招募40 名參與者，包括 20 名 PD 患者和 20 名年齡匹配的健康對照組（HC）參與了這項研究。通過 fNIRS 設備記錄他們在不同任務中的腦活動，光極分布覆蓋前額葉、運動區等關鍵腦區，如圖2。研究人員使用五個 IMU 傳感器記錄運動測量值，傳感器固定在參與者的下背部、小腿和大腿，配備三軸加速度計、陀螺儀和磁力計，采樣率為 60Hz。
參與者在佩戴 fNIRS 帽并配備慣性測量單元（IMUs）的情況下，在三種不同條件下執行 TUG 測試（見圖3）：
1. 簡單 TUG：從標準無扶手椅子站起，行走 3 米，轉身，走回，坐下；
2. 認知雙任務 TUG（CDTUG）：執行 TUG 的同時，從一個三位數的隨機數開始倒數 2；
3. 運動雙任務 TUG（MDTUG）：執行 TUG 的同時，手持裝有四個塑料杯的托盤。
參與者以自己喜歡的速度執行測試，測試順序隨機安排，每個參與者完成一次試驗，試驗之間休息 1 至 3 分鐘，每次試驗開始前記錄 1 分鐘基線數據，所有條件均以 30 秒的坐姿開始。
圖2. 光極分布
圖3. 一名佩戴功能性近紅外光譜（fNIRS）帽并配備慣性測量單元（IMU）傳感器執行計時起立行走（TUG）測試的參與者
在功能性近紅外光譜分析中，數據處理主要圍繞兩種情況展開：一是計算每個任務期間所有通道的平均值，以此關注任務期間前額葉皮層的激活情況；二是通過對前額葉皮層內背外側前額葉皮層（DLPFC）、腹外側前額葉皮層（VLPFC）、內側前額葉皮層（mPFC）和眶額皮層（OFC）這四個不同感興趣區域進行比較分析，研究兩組受試者前額葉皮層每個子區域與運動指標之間的關系。
運動傳感器數據預處理步驟包括調整 IMU 坐標系、識別 TUG 測試的不同時刻（站立、行走、轉身和坐下）。利用行走階段測量步時間（參考圖4）、步幅時間、步頻等，計算步幅長度和步態速度。
圖4. 人類步態周期（GC）及不同步態事件：腳跟觸地（HS）、擺動、支撐和腳趾離地（TO）
關鍵實驗結果
皮質激活
不同任務條件下 PFC 激活存在顯著差異，被試組間也存在顯著差異，未檢測到條件和組的顯著交互作用。PD 組在 TUG 和 CDTUG 之間、CDTUG 和 MDTUG 之間的 HBO 變化有顯著差異；HC 組在 TUG 和 CDTUG 之間的 HBO 變化有顯著差異（見圖5 a）。在 MDTUG 條件下，PD 組和 HC 組在 HBO 和 ΔHHB 方面存在顯著差異（見圖5）。
對于子區域的分析，PD 組的 VLPFC 和 OFC 在 CDTUG 期間 HBO 的增加最高，VLPFC、mPFC 和 OFC 中的 ΔHHB 有顯著差異（見圖7）；HC 組的 DLPFC 區域在 TUG 期間的 HHB 變化最低，與 MDTUG 相比有顯著差異，OFC 中 MDTUG 期間的 ΔHHB 水平最高，與 CDTUG 相比有顯著差異（見圖7 d）。
圖5 . 健康對照者（HCs）和帕金森病（PD）患者在計時起立行走測試（TUG）、認知雙任務計時起立行走測試（CDTUG）及運動雙任務計時起立行走測試（MDTUG）期間的氧合血蛋白變化量（?HBO）和脫氧血紅蛋白變化量（?HHB）
圖6. 健康對照組（HC）與帕金森病（PD）組在計時起立行走測試（TUG）、認知雙任務計時起立行走測試（CDTUG）及運動雙任務計時起立行走測試（MDTUG）期間的氧合血紅蛋白變化量（?HBO）對比。
圖7. 健康對照組（HC）和帕金森病（PD）組在計時起立行走測試（TUG）、認知雙任務a TUG 測試（CDTUG）及運動雙任務 TUG 測試（MDTUG）期間，不同感興趣區域（ROIs）的氧合血紅蛋白變化量（?HBO）和脫氧血紅蛋白變化量（?HHB）對比。
身體運動
不同條件下，PD 組和 HC 組的步態速度無顯著差異，但 PD 組的步時間和步幅時間均短于 HC 組。PD 組在 TUG 期間的步頻顯著更高，在 MDTUG 期間的步幅時間顯著低于 HC 組。
PD 組內 CDTUG 和 MDTUG 之間的步時間有顯著差異；HC 組中 CDTUG 期間的步幅時間最高，與其他條件有顯著差異（見圖8）。
圖8. 帕金森病（PD）患者與健康對照組（HC）在計時起立行走測試（TUG）、認知雙任務TUG測試（CDTUG）及運動雙任務TUG測試（MDTUG）期間的步頻、步幅時間、步長時間、步幅長度、步態速度、轉身持續時間、坐站轉換時間和站坐轉換時間的對比。
任務期間的 PFC 激活與兩組運動測量值之間的相關關系
PD 組中，TUG 期間 ΔHBO 與步頻呈負相關，與步時間呈正相關，MDTUG 期間坐站持續時間與 ΔHBO 有顯著相關，TUG 期間 ΔHHB 的增加與步幅時間和轉身持續時間呈正相關。
HC 組中，TUG 期間 ΔHBO 與步數呈負相關，DLPFC 區域步態速度與 ΔHBO 呈正相關，TUG 期間站坐和坐站的持續時間與 ΔHBO 水平呈負相關，MDTUG 期間 mPFC 區域 ΔHHB 與步時間和步幅時間呈負相關。
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在簡單 TUG 任務中，PD 組和 HC 組的 PFC 激活水平相似，但 PFC 子區域的激活水平有差異，PD 組的 DLPFC 激活最高，HC 組的 VLPFC 活動增加，這可能與 PD 組執行任務時面臨更大挑戰有關。CDTUG 中，兩組 PFC 激活均顯著增加，PD 組在多個 PFC 子區域激活較高，表明其需要更多認知資源來應對雙任務需求，但兩組的運動測量值無顯著差異，可能與任務難度、樣本疾病階段等因素有關。MDTUG 中，PD 組 PFC 激活水平最低，HC 組 PFC 激活較高，兩組在 PFC 子區域的激活模式不同，反映了 PD 和 HC 組在雙任務條件下采用不同的認知和運動策略，突出了 PD 對認知 - 運動整合的影響。
本研究存在一定局限性，如參與者多為輕中度 PD 患者、PD 患者在服藥狀態下測試、僅關注 PFC 等，未來研究應納入更多階段的患者，進行未服藥狀態下的評估等。總體而言，該研究表明 PD 患者在復雜活動中運動和認知障礙更顯著，運動和認知雙任務對 PD 的綜合評估均很重要，MDTUG 能有效區分 PD 組和 HC 組。
原文鏈接
Sousani M, Fernandez Rojas R, Preston E, Ghahramani M. Exploring Brain-Body Interactions in Parkinson's Disease: A Study on Dual-Task Performance. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2025;33:984-993. doi: 10.1109/TNSRE.2025.3546278. Epub 2025.
DOI: 10.1109/TNSRE.2025.3546278
研究團隊介紹
該文章作者包括Maryam Sousani、Raul Fernandez Rojas、Elisabeth Preston以及Maryam Ghahramani。其中，Maryam Sousani、Raul Fernandez Rojas和Maryam Ghahramani隸屬于澳大利亞堪培拉大學科學與技術學院；Elisabeth Preston隸屬于澳大利亞堪培拉大學健康學院。
關于維拓啟創
維拓啟創（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業長期保持合作關系，致力于將優質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協助用戶的科研工作，持續提升使用體驗。
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