基于肌电相干性分析的脑卒中后吞咽障碍咀嚼运动的神经耦合机制

Mastication dysfunction is one of the most symptoms in chronic stroke patients with dysphagia, which has little improvement after conventional therapy. Recent studies have shown that transcranial direct current stimulation (tDCS) might be effective to improve oromotor function, but the mechanisms are unclear. Our previous studies have suggested a very high degree of control specificity for muscles firing pattern in different mastication behaviors, one potential mechanism is the downstream effects of synchronous brain oscillations in different frequencies on central pattern generator and motor neuron in brainstem, although the neural connectivity among brain oscillations, motor neuron and masticatory muscles in stroke patients are still unclear. Intermuscular coherence (IMC) analysis based on surface electromyography may be an effective method to detect the propagation of cortical oscillations and be able to quantify the strength of neural coupling. In this study, anodal and cathodal tDCS will be used to regulate the brain oscillatory activity, which aims to investigate its effect on the strength and network of IMC and PDC in both alpha and beta frequency band and also further clarify the relations between intermuscular coherence and muscle coordination, chewing efficiency, as well as the range of mandibular and lip movements using the facial tracking system during chewing three kinds of foods with different hardness among three different chewing tasks. These will reveal the neural coupling mechanism of mastication and effect of tDCS in stroke patients with dysphagia, which provides a theoretical basis for the treatment of chewing difficulty in disordered people due to stroke.

咀嚼运动障碍是慢性期脑卒中吞咽障碍患者的常见症状，常规治疗疗效差。最近研究表明，经颅直流电刺激（tDCS）可改善口腔运动功能，但其作用机制不详。前期研究显示，正常人进行不同口颌任务时咀嚼肌的协同模式发生动态变化。我们推测这种协同模式可能受皮质神经振荡调控，在脑干内中枢模式发生器和运动神经元进行不同程度神经耦合，但脑卒中患者皮质振荡、脑干内神经元、咀嚼肌之间如何连通并不清楚。肌电相干性分析是量化神经耦合程度的有效方法。本研究拟采用不同极性tDCS上调或下调咀嚼运动皮质振荡幅度，同步采集咀嚼肌的表面肌电信号，运用3D面部追踪技术记录运动学参数，比较三种刺激条件下不同食物质地、不同形式咀嚼任务时各咀嚼肌、口轮匝肌之间的beta和gamma频段肌电相干性和肌肉网络，及其与运动幅度、咀嚼效率之间的关系，从而阐明脑卒中患者咀嚼障碍的神经耦合机制，为临床上tDCS治疗咀嚼障碍的普及推广提供循证依据。

既往研究提示，不同的下颌运动任务时双侧咀嚼肌的协调模式并不相同，揭示可能存在不同的神经系统调控机制，但具体不详。其中一方面原因是缺乏很好量化口颌运动功能手段，另外神经系统是否通过协调双侧咀嚼肌的肌肉对运动来调控尚不明确。文献发现，基于经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）可调控不同频率的皮质振荡活动，形成不同强度的神经耦合，表现为特定频率的肌电相干性，表现为不同肌电发放模式，来协调双侧肌肉进行节律性运动。.本课题通过咀嚼食物图片分析、肌电信号相干性和相关性分析、实时视频分析，创新性地从多维度对下颌运动模式进行了深入的分析，明确了正常人进行不同咀嚼任务时各咀嚼运动相关肌肉的肌电活动相干性的变化；阐述不同条件的tDCS刺激如何影响其肌电相干性，从而阐明脑卒中患者咀嚼运动障碍的神经调控机制，为临床上脑卒中后咀嚼障碍治疗的普及推广提供循证依据。.本研究首先探讨了年龄、性别、脑卒中病灶部位对咀嚼效率的影响，发现性别对咀嚼效率无明显影响，而年龄差异有统计学意义，同时该指标可以反映不同神经受损程度导致的下颌运动功能受损，适合临床推广应用。研究表明，脑桥部位脑卒中患者的咀嚼效率更差。通过正常人不同咀嚼任务的肌电相干性分析发现，gamma频段相干性不论任务之间、不同肌肉对之间差异均无统计学意义，因此，beta频段相干性可能更有意义。结果发现，肌肉对之间的相干性在咀嚼食物时最大，可能表明咀嚼食物时需要更多的皮质参与，也说明相干性的传递过程中同时受食物质地信息的影响。相关性分析也发现咀嚼食物时肌肉的协同性更好。同时本研究开发了口面部运动追踪软件对下颌和唇的运动进行实时追踪分析，运动学分析与肌电图信号相互弥补。发现患者下颌运动幅度和速度均较正常人明显降低。给与刺激时间为20min、刺激强度为2mA2的tDCS刺激后，发现仅阴极tDCS表现出降低beta频段相干强度，阳极tDCS与假刺激组的统计学无明显差异。下一步可能需要进一步建模，分析脑干内双侧神经元交互的情况。