运动性肌肉疲劳对肌电与脑电相干性分析
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【摘 要】大脑是人体的运动中枢，脊髓运动神经元生物电活动受大脑皮层控制产生肌电信号，大脑皮层自发或诱发的脑电活动则称之为脑电信号。探讨二者之间的关系对于深入认识运动性肌肉疲劳的本质具有重要意义，文章据此做简单的实验性分析。
【关键词】运动性肌肉疲劳;肌电;脑电
一、实验阶段
（一）受试者选取
从XX高校随机选取15名健康青年男性志愿者作为受试者，受试者皆无专业体育运动训练经历，且都是右利手;所有受试者在实验前需接受问卷调查，确保受试者身体健康状况良好。
（二）实验程序
正式实验进行之前，受试者坐在座椅上，上身保持直立，分别调节座椅高度和身体姿势，使得髋、膝、踝关节保持90°，双脚平放于地面。右前臂与右上臂保持垂直，右上臂与水平面保持垂直，另一侧手臂自然下垂于体侧。嘱咐受试者身体保持放松，内心保持平静，记录受试者在安静状态自由眨眼20次过程中的眼电和脑电活动，已备后期去除眼电伪迹时用。之后进行屈肘疲劳负荷实验。受试者在保持实验开始前准备姿势的条件下，使受试者右臂腕部拉住可在肘关节处产生20%MVC的重物，至受试者不能坚持负荷运动任务时结束实验。记录静态屈肘疲劳负荷过程中受试者肱二头肌表面肌电信号及脑电信号。
（三）表面肌电信号采集
记录实验过程中受试者右侧肱二头肌表面肌电信号。放置电极前利用磨砂膏打磨皮肤表面以去除角质和表面污垢，之后用75%酒精棉球清理皮肤表面，以减小阻抗。利用医用胶带将测试电极置于右侧肱二头肌肌腹表面，两电极间距2cm。通过注射针管往每个肌电测试电极内注入导电膏，并通过导联电阻监测图了解测试导联与皮肤的接触情况。实验过程中保证2个测试肌电电极的电阻低于10000Ω，SEMG采样频率设置为2000HZ，带通滤波1～1000HZ。
（四）脑电信号采集
按照国际10/20系统安放电极。实验时先让受试者带上电极帽，并将具有松紧性的电极帽套罩在电极帽上，以增加脑电电极与头皮的接触。通过注射针管往每个脑电电极内注入导电膏，在此过程中通过脑电记录系统自带的脑电导联电阻监测图可以确定脑电导联与头皮的电阻值及接触情况，并根据接触情况对某些特定电极进行处理（在电极表面施加压力、增加注入导电膏量等方法）。实验过程中保证每一脑电导联与头皮接触的电阻低于5000Ω。选取头顶作为参考电极。脑电信号的采集参数设置为：采样频率2000HZ，带通滤波0.01～100HZ。设置脑电信号采集系统参数为50HZ以屏蔽50HZ交流电信号对测试脑电信号的影响。
二、研究数据
静态屈肘疲劳负荷实验过程中肱二头肌SEMG指标随运动时间的变化曲线如图1所示。通过对各受试者疲劳负荷实验运动持续时间进行统计发现，各受试者运动持续时间为364.93±93.92S，其中，运动持续时间的最大值为561.00S，最小值为249.00S。随着静态屈肘运动持续时间的延长，肱二头肌SEMG指标RMS表现出逐渐增大的趋势（P<0.05），而MF表现出逐渐减小的趋势（P<0.05，图1）。
由图2可知，运动开始、结束阶段内记录的EEG功率谱在α、β、γ频段内的均值分别在3000μV2、2000μV2和1000μV2左右，而开始、结束阶段内记录的SEMG功率谱在α、β、γ频段内的均值则分别在20000μV2、40000μV2和40000μV2左右。运动开始、结束阶段所记录的EEG与SEMG功率谱在α、β、γ频段内的值皆有显著性差异，运动结束阶段内记录的EEG与SEMG功率谱值要显著高于运动开始阶段。
三、讨论阶段
从实验过程中测试肌肉肱二头肌SEMG的变化情况看，时域指标RMS随运动持续时间表现出良好的增加趋势，频域指标MF随运动持续时间表现出逐渐减小的趋势。前期对次最大负荷静态收缩诱发运动性肌肉疲劳引起SEMG指标变化的相关研究表明，RMS随运动持续时间逐渐增加、频域指标MF随运动持续时间逐渐减小，是肌肉在次最大负荷静态收缩诱发局部肌肉疲劳的典型特征。本研究中，RMS、MF随运动持续时间的变化情况一方面反映了疲劳负荷实验过程中神经肌肉系统功能状况的变化;另一方面，也提示本实验疲劳模型设计的科学性和所获实验数据的有效性。
在运动性肌肉疲劳引起参与收缩肌肉SEMG与EEG功率谱能量变化的研究方面，研究表明，在拇收肌进行静态最大自主收缩诱发疲劳后，脑对侧区导联记录EEG振幅RMS都出现增加，其中，RMS在β频段内的值最大，在γ频段内的值最小。30%MVC静态屈肘诱发屈肘肌疲劳运动后半段内测试肌肉SEMG及EEG功率谱能量皆出现显著性的增加，其中，EEG能量在β频段内的增加尤为显著。本研究中，疲劳引起测试肌肉SEMG与EEG能量在各频段皆出现显著性的增加。由于运动性肌肉疲劳中运动皮层、脊髓前角运动神经元激活能力下降及肌肉外周收缩能力下降，为维持既定的负荷运动任务和补偿由中枢与外周的一系列变化，中枢神经系统募集更多的皮层脊髓细胞和运动单位参与肌肉收缩。两信号的相干性分析结果反映了两分析源信号在不同频率或频段内的接近程度。
本研究结果表明，以20%MVC恒定负荷静态收缩诱发屈肘肌疲劳引起肱二头肌SEMG与脑电C5导联记录脑电在β频段、SEMG与脑电Pz导联记录EEG相干函数在α频段内频率一致性的增加。由于运动皮层对躯体运动的对侧性支配原理，在受试者右侧肘关节屈曲运动过程中，左脑区作为支配该运动的最主要皮层区域，在其表面记录到的EEG可以反映出皮层对运动控制的重要信息;而C5导联作为左脑区区域的导联，其记录EEG与肱二头肌SEMG相干函数在β频段内的值增加，提示，疲劳引起外周收缩肌肉与对侧脑区运动皮层活动的振荡耦合性增加。对于运动皮层与外周肌肉生物电活动频率一致性产生的生理学机制，最初的研究认为其与皮质脊髓轴突及其发出抵达脊髓运动神经元的单突触连接调节活动密切相关。
此外，有研究认为，肌电与脑电相干性分析结果可能跟同步放电的运动皮层神经元数目有关。最近的研究则表明，肌电与脑电相干性分析结果是一个受到多种因素影响的复杂问题，其中，外周肌肉的感觉反馈作用及伦肖细胞抑制作用的变化等都会对运动皮层与外周肌肉生物电活动频率一致性产生影响。本研究中发现的运动性肌肉疲劳引起肌电与脑电相干函数在β频段内的增加可能跟疲劳后各种原因引起上运动神经元对脊髓内α运动神经元支配性的改变、疲劳后参与活动的运动皮层细胞活动的同步性增加、传入纤维反馈调节作用变化、疲劳引起的伦肖细胞抑制作用降低等因素共同作用进而引起皮层调节活动的改变有关。因此，通过以上讨论可以看出，运动性肌肉疲劳诱发肌电与脑电信号相干函数在β频段内值的变化是疲劳后中枢与外周特定性改变引起的必然外在反映。这种变化一方面揭示了疲劳引起中枢与外周耦合性的总体变化;另一方面，也为深入认识和探索疲劳中运动皮层、脊髓、外周肌肉、神经传导通路及相关调控系统之间功能活动的联系提供了参考依据。
【参考文献】
[1]运动性肌肉疲劳过程中主动肌与拮抗肌sEMG相干性分析[J]. 王乐军，黄勇，龚铭新，毋江波，李占强，岳增科.体育科学. 2011（10）
[2]不同形式肌肉运动疲劳前后肌电参数及脑电α指数的变化特征[J]. 张立，周彬.武汉体育学院学报. 2010（04）
作者簡介：李梅杰（1982—），河南周口人，黄河科技学院副教授，研究方向：体育教育训练学。
项目来源：2019年度河南省教育厅重点项目，项目编号：19A890012 ，项目名称：力竭运动致大鼠红细胞氧化应激损伤及其机制研究。