单侧脑瘫儿童单次虚拟现实投掷运动任务中的大脑皮层激活与功能连接特征：一项功能性近红外光谱技术（fNIRS）研究

《Frontiers in Rehabilitation Sciences》：Cerebral cortical activation and functional connectivity characteristics of children with unilateral cerebral palsy during a single-session virtual reality throwing motor task: a functional near-infrared spectroscopy study

　　

目的：这项横断面研究利用功能性近红外光谱技术（fNIRS）探索单侧脑瘫（UCP）儿童在静息状态、传统非虚拟现实（non-VR）和单次VR投掷运动任务下的大脑皮层激活与功能连接，旨在阐明VR与非VR任务间神经反应的差异，并为VR在儿童脑瘫康复中的应用提供初步神经影像学证据。方法：共招募35名UCP儿童（18名男性，17名女性，平均年龄9.67±2.4岁；16名左侧偏瘫，19名右侧偏瘫；3名MACS Ⅰ级，13名Ⅱ级，19名Ⅲ级），患侧半球被标准化为左侧。所有参与者以随机顺序完成三种条件下的fNIRS数据采集：6分钟静息状态（闭眼安静坐位）、单次半沉浸式VR投掷任务（每个运动周期8秒，通过ToF 3D运动捕捉对水平移动虚拟目标的成功击打提供实时视听奖励反馈）以及运动节奏匹配但无目标或反馈的传统非VR投掷任务。fNIRS用于监测6个感兴趣区域（ROI）的氧合血红蛋白（HbO₂）浓度：双侧前额叶皮层（LPFC/RPFC）、前运动皮层（LPMC/RPMC）和感觉运动皮层（LSMC/RSMC）。采用重复测量单因素方差分析（ANOVA）并经过FDR校正进行统计分析，并由专业生物统计学家验证。结果：大脑功能连接强度（FCS）分析显示，经FDR校正后，任务条件对LSMC-LPMC [F(2,68)=16.956, p<0.001, η_p²=0.333]、LPMC-RPFC [F(2,68)=16.256, p<0.001, η_p²=0.323] 和 LPMC-LPFC [F(2,68)=22.725, p<0.001, η_p²=0.401] 的FCS存在显著主效应，均具有大效应量（η_p²≥0.14）。这些ROI对的FCS呈现一致趋势：静息状态 > 单次VR投掷运动任务 > 非VR投掷运动任务，任意两条件间差异显著（P_FDR<0.05）。其他ROI间的FCS无显著差异（P_FDR>0.05）。皮层激活水平分析显示，经FDR校正后，任务条件对患侧LSMC [F(2,68)=15.952, p<0.001, η_p²=0.319] 和患侧LPFC [F(2,68)=13.606, p<0.001, η_p²=0.286] 的激活水平存在显著主效应，均具有大效应量（η_p²≥0.14）。具体而言，LSMC的激活水平排序为：单次VR投掷运动任务 > 非VR投掷运动任务 > 静息状态；LPFC的激活水平排序为：单次VR投掷运动任务 > 静息状态 > 非VR投掷运动任务，任意两条件间差异显著（P_FDR<0.05）。其他脑区的激活水平无显著差异（P_FDR>0.05）。讨论：基于功能性近红外光谱技术（fNIRS），这项横断面研究证实，与静息状态和传统非VR投掷运动任务相比，单次VR投掷运动任务下UCP儿童表现出独特的大脑皮层神经活动模式。具体而言，单次VR运动任务与患侧（所有受试者统一标准化为左侧）感觉运动皮层（LSMC）和左侧前额叶皮层（LPFC）的显著更高激活水平相关，并调节了前运动皮层与其功能相关脑区之间的功能连接。与传统非VR投掷运动任务相比，单次VR投掷运动任务在上述运动相关及高级认知脑区引发了更强的激活，并诱导了运动-认知网络显著不同的神经反应模式。本研究结果揭示了UCP儿童在单次VR运动任务下的皮层神经反应特征，为后续探索基于VR的儿童脑瘫康复神经机制研究提供了初步神经影像学证据。

**研究背景与问题**
脑瘫（CP）是一种非进行性综合征，以胎儿或婴幼儿期脑发育阶段的运动和姿势发育障碍为特征，全球平均患病率为2.11‰。约80%的CP儿童伴有上肢功能障碍，表现为活动范围受限、精细运动缺陷、手眼协调异常、感觉功能障碍及肌力下降，严重影响日常活动参与和自理能力。现有常规康复干预（如神经发育疗法、手功能训练、限制性诱导运动疗法等）存在重复性高、强度大、易疲劳、儿童依从性差等局限。虚拟现实（VR）技术因其沉浸性、交互性和想象性优势，可构建多感官整合训练环境，显著提升儿童参与动机，且已有系统综述提示长期VR康复训练对改善上肢运动功能具有潜在益处，但现有证据质量有限，且多数研究仅关注运动行为指标变化，缺乏对神经激活模式和脑功能重组机制的深入探索。为揭示VR运动任务的中枢效应，该研究引入功能性近红外光谱（fNIRS）技术，利用其高运动耐受性和环境适应性，在接近自然康复训练的条件下实时监测皮层血流动力学变化。

**研究设计与结论**
该研究是一项横断面研究，共纳入35名单侧脑瘫（UCP）儿童（18男，17女，平均年龄9.67±2.4岁；左侧偏瘫16例，右侧偏瘫19例；患侧半球统一标准化为左侧），所有受试者来自2023年10月至2024年1月在常州德安医院住院的患儿。研究人员利用fNIRS比较了静息状态、传统非VR投掷运动任务和单次VR投掷运动任务下的大脑皮层激活水平与功能连接强度（FCS）。结论显示：与静息状态和非VR任务相比，单次VR投掷运动任务诱导了患侧感觉运动皮层（LSMC）和外侧前额叶皮层（LPFC）显著更高的激活水平，并调节了前运动皮层（LPMC）与感觉运动皮层、双侧前额叶皮层之间的功能连接，表现为运动-认知网络的特异性神经反应模式。该研究发表在《Frontiers in Rehabilitation Sciences》，为探索VR康复的中枢神经机制提供了初步的神经影像学证据。

**关键技术方法**
研究人员采用了半沉浸式VR系统（Silverfit3D系统，荷兰）和便携式近红外成像设备（Nir Smart-3000A，中国），结合电磁3D数字化仪进行探头空间定位。fNIRS探头按国际10/20脑电图系统标准放置，覆盖双侧前额叶皮层（LPFC/RPFC，BA10）、前运动皮层（LPMC/RPMC，BA6）和感觉运动皮层（LSMC/RSMC，BA1/2/3）共6个ROI，形成35个测量通道。数据采集在三种条件下随机进行：6分钟闭眼静息状态、6分钟VR投掷任务（每8秒一个运动周期，通过ToF 3D运动捕捉实时反馈）和6分钟非VR投掷任务（节奏匹配但无目标和反馈）。使用NirSpark软件进行预处理（运动伪影校正、带通滤波0.01-0.1 Hz、修正Lambert-Beer定律计算HbO₂浓度），选取任务后30-330秒稳态窗口，计算ROI内平均ΔHbO₂作为皮层激活指标，计算ROI对间Pearson相关系数经Fisher z变换作为FCS指标。统计采用重复测量单因素方差分析（RM-ANOVA）并经过Benjamini-Hochberg FDR校正，预先验证了正态性和球形假设，样本量（n=35）通过了统计功效检验（GPower计算最低28例）。

**研究结果**
**3.1 一般资料**
35名参与者中，GMFCS Ⅰ级12人、Ⅱ级23人；MACS Ⅰ级3人、Ⅱ级13人、Ⅲ级19人。所有受试者的常规临床颅脑CT支持UCP诊断和病变侧别确定。

**3.2 功能连接强度结果**
经FDR校正后，任务条件对LSMC-LPMC、LPMC-RPFC和LPMC-LPFC的FCS存在显著主效应（均P<0.001，η_p²≥0.14），效应量大。事后比较显示，这三个ROI对的FCS一致呈现：静息状态 > 单次VR任务 > 非VR任务，任意两条件间差异显著（P_FDR<0.05）。其他ROI对无显著差异（P_FDR>0.05）。

**3.3 皮层激活水平结果**
经FDR校正后，任务条件对患侧LSMC和患侧LPFC的激活水平存在显著主效应（均P<0.001，η_p²≥0.14），效应量大。LSMC激活水平：单次VR任务 > 非VR任务 > 静息状态；LPFC激活水平：单次VR任务 > 静息状态 > 非VR任务，任意两条件间差异显著（P_FDR<0.05）。其他ROI无显著差异。

**讨论与结论**
讨论部分指出，与非VR任务相比，单次VR任务诱导了患侧LPFC和LSMC更强的激活，并提高了LPMC与同侧感觉运动皮层及双侧前额叶皮层之间的FCS，这归因于VR环境的多感觉输入、实时反馈和更高认知负荷导致的运动-认知网络适应性神经调节。研究人员强调，单次任务观察到的急性神经反应不能直接等同于长期康复的神经可塑性变化，但为探索VR康复的中枢机制提供了初步依据。研究结论翻译如下：利用fNIRS，本研究考察了UCP儿童在静息状态、单次VR投掷运动任务和匹配非VR运动任务下的大脑皮层激活与功能连接特征。结果显示，VR任务在患儿患侧半球诱导了运动-认知网络的特异性神经反应：与静息状态相比，运动任务状态下前运动皮层相关核心脑区的FCS显著降低；与非VR任务相比，VR任务显著增强了患侧LPFC和LSMC的激活，并增加了患侧LPMC与同侧感觉运动皮层及双侧前额叶皮层之间的FCS。研究结果表明，具有多感觉实时反馈的VR任务可通过增加认知负荷和参与度诱导运动-认知网络的适应性神经反应，突显了前额叶皮层和前运动皮层在UCP儿童运动控制中的核心作用。尽管单次任务的急性神经反应不能直接等同于长期康复的神经可塑性变化，但本研究为探索VR康复的中枢机制提供了初步神经影像学证据，并可对儿童脑瘫临床VR康复方案的优化提供参考。