《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Interstride Variation in EEG Power Spectra of Younger and Older Adults Walking at a Range of Gait Speeds
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本研究针对衰老如何影响步态自动性与神经控制机制这一关键问题，通过高密度脑电图技术，首次系统量化了年轻成人、高功能老年人和低功能老年人在四种不同步行速度下，步态周期间大脑感觉运动区和后顶叶皮层等关键脑区theta、alpha和beta频段电皮质活动的变异性。研究发现，更快的步行速度会降低步态周期间的脑电功率谱变异性，提示步态自动性增强；而老年人并未表现出预期的更高脑电变异性，反而在某些频段变异性更低，表明其步态自动性下降可能源于皮层下或外周因素。该研究为理解衰老过程中步态控制的神经机制提供了新的电生理证据。
行走，这一看似简单的日常活动，实则是由复杂的神经肌肉系统精密调控的结果。随着年龄的增长，步态会发生变化，例如步行速度降低、步态变异性增加，这常常与跌倒风险上升相关。传统观点认为，老年人步态自动性下降是由于需要更多的皮层（大脑）资源参与控制以补偿外周（如肌肉、感觉）功能的衰退。功能近红外光谱(fNIRS)等研究也观察到老年人在行走时前额叶皮层活动增强，似乎支持了这一“补偿理论”。然而，脑电图(EEG)因其极高的时间分辨率，能够捕捉步态周期内毫秒级的脑活动变化，为在步态周期水平上直接研究大脑电活动的动态提供了独特窗口。但步态周期间（即一步一步之间）大脑电活动是否稳定，这种稳定性如何随步行速度和年龄变化，此前尚不明确。本研究旨在填补这一空白，探究步态周期间电皮质活动的变异性，以揭示步态自动性的神经基础。
研究人员采用了高密度脑电图(EEG)技术，结合运动学测量，对年轻成人(YA, N=31)、高功能老年人(OHFA, N=26)和低功能老年人(OLFA, N=30)在跑步机上以四种速度（0.25, 0.50, 0.75, 1.0 m/s）行走时的脑电信号进行记录。关键技术方法包括：使用双电极层EEG系统并利用iCanClean算法去除运动和肌肉伪迹；采用自适应混合独立成分分析(AMICA)分离信号成分；基于个体化T1加权磁共振成像(MRI)构建有限元头模型进行脑电源定位；使用K-means聚类将个体脑电源映射到标准蒙特利尔神经学研究所(MNI)空间的9个共同脑区（重点关注双侧感觉运动区和后顶叶皮层）；通过计算步态周期间功率谱密度(PSD)的标准差来量化theta(θ, 3-8 Hz)、alpha(α, 8-13 Hz)和beta(β, 13-30 Hz)频段的幅度变异性，并计算跨步态周期间相位一致性(ITC)来评估相位变异性；使用线性混合效应模型进行统计学分析，比较不同速度和年龄组间的差异。
研究结果
步态运动学变异性
与年轻成人相比，两个老年组在所选步态运动学参数（支撑期时长、双支撑期时长、骨盆内外侧摆动）的步态周期间变异性上均未表现出显著增加。老年人在内外侧摆动变异性上随速度增加的趋势更陡，而在支撑期变异性随速度下降的趋势更平缓，低功能老年人趋势最为明显，但这并未达到统计学上的显著组间差异。
步态周期间脑电功率谱变异性
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步行速度的影响：在所有观察的脑区（包括双侧感觉运动区、后顶叶皮层、左辅助运动区、右前运动区、中扣带回等），更快的步行速度普遍导致alpha和beta功率的步态周期间变异性显著降低。在双侧后顶叶皮层、右前运动区和中扣带回，theta功率的变异性也随速度增加而降低。
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年龄组的影响：与假设相反，老年人并未表现出比年轻人更高的脑电变异性。相反，年轻人在左后顶叶皮层和中扣带回的theta功率变异性 across all speeds，以及在左感觉运动区、右后运动区和右后顶叶皮层的alpha功率变异性上均高于老年人。年轻人在右后顶叶和左颞叶的beta功率变异性也高于老年人，但事后检验不显著。此外，老年组（尤其是低功能老年人）在右后顶叶皮层的alpha和beta功率变异性随速度下降的斜率更陡。
步态周期间脑电相位变异性（跨步态周期间相位一致性）
跨步态周期间相位一致性分析显示，更快的步行速度导致所有脑区在theta、alpha和beta频段的跨步态周期间相位一致性普遍增加，表明相位变异性降低。在右后顶叶皮层，发现显著的组间差异：高功能老年人在gamma(30-50 Hz)频段的跨步态周期间相位一致性显著高于年轻人，表明其在该频段的脑电活动相位更稳定。
研究结论与讨论
本研究的主要结论是，在高达1.0 m/s的步行速度范围内，加快步速会降低年轻人和老年人步态周期间的电皮质活动变异性（包括功率幅度和相位），这支持了更快步速下步态自动性更高的观点。出乎意料的是，与年轻人相比，老年人并未表现出更高的脑电变异性，甚至在部分频段和脑区表现出更低的变异性。同时，本研究也未发现老年人在步态运动学变异性上存在显著差异。这些发现表明，通常观察到的老年人步态自动性降低和运动变异性增加，可能并非直接源于大脑皮层电活动稳定性的下降。相反，老年人相对更低的脑电变异性，尤其是在高功能老年人中观察到的右后顶叶gamma频段更高的相位一致性，可能暗示了某种代偿性神经机制的存在，或者表明步态控制的变异更多源于脊髓中枢模式发生器、外周神经肌肉系统或生物力学因素的变化。
这项研究首次系统地描绘了步态周期间大脑电活动变异性的全景图，挑战了关于衰老与步态皮层控制关系的传统假设。它强调了在评估步态控制时，将中枢神经活动与外周表现分开考量的重要性。未来研究需要进一步探索脑电变异性与步态运动学变异性之间的直接关联，并关注接近步行-跑步转换速度时的神经控制动力学变化。该研究为理解健康衰老和步态障碍患者的神经控制缺陷提供了新的视角和重要的电生理学依据。论文发表于《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》。
