2-6岁健康儿童应对步态条件改变的反馈调节机制及协调性的研究

Age 2-6 is an important period in both physical and psychological developments of children, meanwhile develop of motion is more critical for the synthetic development of their other life systems. Gait pattern and its coordination are determined by the “neuro-musculo-skeletal systems”; however, mechanism of this system cannot be directly observed, but it requires indirect observation from the exact motion or feedback. Therefore, this study is aimed to clarify the compensation strategies and features of coordination of healthy children aged 2-6 when their normal motion is changed by several kind of walking-paths with varied direction, angle and frequency and by simulated interruptions. Moreover, according to 3D motion recorder, those feedbacks can be quantified. Concerning on the above purpose, four aspects will be interpreted: (1) to develop a criterion of the gait and coordination mechanism from the normal walking of healthy children aged 2-6; (2) by contrasting with the criterion, compensation strategies and features of coordination while walking direction, walking angle and gait frequency changed are to be built; (3) by contrasting with the gait with and without the visual interruptions, their compensation strategies and features of coordination are to be clarified; (4) to evaluate the factors of gender and age in the compensation strategies and features of coordination.

2-6 岁的年龄阶段是儿童动作与心理发育的重要时期，运动能力发育的好坏对其他生命系统的协同发展非常关键。步态的形式和协调性是在“神经-肌肉-骨骼”机制的统筹下来完成的；然而，这些机制通常是不能够被直接观测的，需要通过对运动的动作及反馈来间接证实。因此，本研究通过设置目标动作和模拟外界干扰来改变正常的步态，从而激发儿童对于这些改变的反馈；同时，采用三维动作捕捉系统记录这些反馈并进行定量的分析，能够建立起2-6岁健康儿童对环境变化所做出的调整策略及肢体表现出来的协调性特点。本研究的主要内容有：（1）建立200名2-6岁健康儿童正常行走的步态机制和下肢协调性的特点；（2）改变运动的方向、运动的角度和步态的频率，来对比研究儿童对于运动方向、角度和频率改变的调整策略和协调性特点；（3）对视觉进行模拟干扰，来对比研究儿童对视觉的改变所作出的调整策略；（4）评价性别、年龄因素对调整策略和协调性影响

本课题的目标是通过设置特定动作和模拟外界干扰来改变正常的步态，从而激发儿童对于这些改变的反馈；并且在这一过程中，采用三维动作捕捉和表面肌电系统记录这些反馈并进行定量的分析，从而建立起2-6岁健康儿童对环境变化所做出的调整策略及肢体表现出来的协调性特点。在课题的实施过程中，我们累计招募了240名受试者（220名健康儿童（实验组）和20名健康成人（对照组）），通过测试和分析这些受试者在正常行走、长步行走、转向行走和跨障碍行走的下肢运动学和肌电反馈，从运动补偿和反馈机制角度评价了健康儿童运动发育特点及其协调性，本课题取得的重要的结果如下：（1）健康儿童在直行动作时核心关节如膝关节显著发育阶段提前至3岁与4岁阶段，而踝关节则在之5岁之后协调性显著提高；肌电反馈证实了健康儿童已能够成熟应用胫骨前肌和股直肌的激活时间，延长了外侧腓肠肌的激活时长，增加了胫骨前肌、外侧腓肠肌和股直肌的激活程度来应对直行长步态的变化。（2）为了应对转弯动作和跨越障碍动作，5岁儿童已能够对下肢多关节控制来实现下肢运动的调整，特别是6岁时儿童学会了在步态早期用膝关节来调整运动姿态；肌电反馈显示，2-6岁儿童已熟练掌握在离地阶段的下肢肌群的激活时间和激活强度，从而改变内侧肢和外侧肢在支撑期的占比、及步态速度、步长及步频，以完成转弯和跨越障碍动作。以上重要结论所具有的科学意义在于：一方面，从运动学上结果可以证实5-6岁是儿童运动反馈机制的发育的里程碑，很多任务的策略均已经完全形成，并能够被儿童成熟应用；另一方面，从肌电反馈可以证实，健康学龄前儿童运动控制和协调能力发育基本成熟，而运动执行能力的完善有赖于肌肉系统力量的进一步提升。这些定量分析结果直观的反映出儿童运动发育成熟的程度，从而间接描述了“神经-肌肉-骨骼”的作用机制，并为儿童发育迟缓评价、脑瘫儿童治疗和康复提供理论基础。