人体平衡的复杂度分析及其中枢神经调控机制的研究

In this study, we will utilize biomechanical approches to acquire the signals of center of pressure (COP) during human balance procedure and the non-linear dynamic analyses will be applied to exact the hidden scale-free properties from the balance-related time courses to effectively characterize the capablity and intrinsic features of human balance control.Furthermore, by using non-invasive functional MRI (i.e. BOLD, ASL), we will explore the neuro-control mechanisms underlying the scaling properties of COP in balance control. MRI-compatible foot pressure stimulator, random noise stimulation and transcranialdirect current stimulation (tDCS) will be induced to establish the balance-related brain networks (i.e. small-world network), and to study the effects of plantar stimulation and tDCS on these networks during balance control process.

本项目研究通过生物力学测试方法获得人体平衡过程的一系列动力学历程, 应用非线性动力学方法和多尺度方法来分析挖掘隐藏在与平衡相关的力学信号时间序列中的尺度无关属性和尺度相关特征，这些指标能够更加客观准确刻画和评价整体平衡能力。进一步，在足底力学刺激以及特定脑区经颅直流电刺激下, 引入多种功能核磁共振成像技术和复杂网络分析方法，研究与平衡调控有关的高级中枢神经系统，获得大脑皮层复杂系统的小世界网络特性及变化规律, 分析它们与平衡尺度特性之间隐藏的关系，为深入理解平衡的神经反馈调节机制奠定坚实的实验基础，也为构建包括实际神经调控机制的平衡生物力学模型铺平道路。

【背景和问题】随着人口老龄化的进程日益加快，人们逐渐意识到跌倒除了导致老年人死亡外，还会导致残疾，严重影响老年人的身心健康并明显增加家庭和社会负担。而静态平衡功能减退和动态步态稳定性下降是引发老年人跌倒的主要原因。.【我们做了什么】本项目通过与北大医院、北大人民医院以及美国哈佛医院开展了深入的合作，开展了深入的医工结合交叉合作研究，我们提出和发展了一系列应用非线性动力学和复杂度分析方法，挖掘出与平衡相关的力学信号时间序列中的尺度无关特征，用于有效地刻画和评价整体平衡能力， 通过行为学实验和复杂度分析验证了这种全新的干预方法的可行性和有效性，并为深入理解平衡的神经反馈调节机制奠定坚实的实验基础。.【我们的成果】本研究项目具有典型的医工结合交叉合作研究特色。围绕平衡功能的复杂度评价方法和中枢调控机制研究，取得一系列令人鼓舞的研究成果。共发表了7篇包括Diabetes, European Journal of Neuroscience、Scientific Reports杂志的SCI文章，本项目的6个阶段性研究结果在国际姿势与步态研究大会（ISPGR）、国际磁共振年会（ISMRM）、以及国际骨关节炎和关节软骨Osteoarthritis and Cartilage会议被接受为摘要，申请了3篇国家发明专利。与此同时，项目执行期间共培养三名博士生以及两名硕士生，积累了丰富的跨学科团队合作经验，并得到多方的肯定。.【科学意义】在方法论方面，对于人体平衡这种诸多因素强耦合的动力学系统，采用复杂系统的整体论，而不是传统的还原论被证实的确更为合理和有效。这对今后个性化康复的处方设计也有潜在转化价值和临床应用价值。同时，基于多种功能核磁共振成像技术和复杂网络分析方法，在国际上首次提出了利用经颅电刺激方法用于改善和提高老年人的平衡能力，并通过行为学实验和复杂度分析验证了这种全新的干预方法的可行性和有效性，这个原创性的干预策略尝试对减缓退行性病变和神经康复的干预具有明确的应用价值和重要的学术价值。