《Gait & Posture》：Comparative analysis of static and dynamic postural balance control in multiple system atrophy and Parkinson’s disease using an intermittent control model
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帕金森病（PD）与多重系统萎缩（MSA）患者动态站立时中枢神经系统间歇控制策略存在差异，MSA组切换频率显著高于PD组，与临床平衡评分呈负相关，为区分两类疾病提供新指标。
魏宝|陈凯|杨宇晨|谭玉燕|刘俊
中国浙江省杭州市杭州电子科技大学机械工程学院
摘要
背景
帕金森病（PD）和多系统萎缩症（MSA）都表现为姿势不稳定，增加了跌倒的风险并影响了生活质量。本研究旨在比较PD和MSA在静态和动态站立状态下的间歇控制策略，重点关注模拟中枢神经系统（CNS）反应的主动控制器参数的变化。
方法
使用间歇控制模型，在静态和动态条件下评估了17名健康对照组、61名PD患者、40名MSA-C（小脑型）患者和26名MSA-P（帕金森型）患者的姿势稳定性。分析了压力中心（COP）的特征，包括路径长度、速度和轨迹分布面积，以及模型参数，如间歇切换频率（反映CNS决策）和轨迹变异性。
结果
在静态站立条件下，未发现COP或模型参数在各组之间存在显著差异。在需要实时姿势调整的动态条件下，对照组与MSA组之间以及PD与MSA两个亚型之间存在显著差异。MSA组的间歇切换频率高于PD组，表明其CNS控制策略有所不同。间歇切换频率与临床平衡评分呈负相关（rho = –0.6，P < 0.050），表明较高的切换频率与更好的平衡表现相关。
结论
动态站立任务揭示了PD和MSA在姿势控制策略上的差异，MSA组的切换频率更高。这些发现为区分神经退行性疾病之间的平衡控制特征提供了定量证据，并可能为针对性的康复方法提供依据。
引言
诊断帕金森病（PD）和多系统萎缩症（MSA）仍然具有挑战性，因为这两种疾病具有重叠的运动症状，如震颤、僵硬、运动迟缓和姿势不稳定[1]、[2]。特别是在运动症状出现后的前三年内，姿势不稳定是诊断和区分PD与MSA的关键临床标志[3]。尽管PD和MSA的平衡障碍的病理生理机制尚不完全清楚，但这两种情况都伴随着身体摇晃的增加。然而，导致这些平衡障碍的具体神经缺陷仍不清楚。
最近的研究试图阐明在静态站立期间维持直立姿势的复杂控制机制[4]。静态站立需要下肢肌肉的连续和预期性调整，这些调整由中枢神经系统（CNS）的间歇性指令驱动[5]、[6]。然而，标准的静态姿势图学方法往往无法区分早期MSA和PD，因为补偿机制可能在低需求条件下掩盖潜在的缺陷。因此，我们假设需要结合动态扰动和间歇控制模型来揭示CNS切换机制中的潜在缺陷。与简单的摇晃指标不同，间歇控制框架使我们能够量化CNS的“决策”频率，为区分MSA中的小脑功能障碍和PD中的基底节功能障碍提供了一个潜在的生理生物标志物。
站立期间的姿势调整主要遵循这种间歇控制范式，结合了连续监测和周期性的纠正动作[7]、[8]。研究表明，对脚桥核（PPN）进行深部脑刺激（DBS）可以通过增加静态站立期间的间歇性姿势纠正频率来改善PD患者的站立姿势[9]、[10]。这些发现表明，PD患者在站立姿势的间歇控制系统中可能存在缺陷，这与观察到的姿势不稳定与间歇性极限环振荡有关[11]、[12]，而治疗干预可能有助于改善这种情况[13]。数据驱动的方法已成功地对健康对照组和PD患者的这些系统进行了参数化[14]。虽然现有模型已经广泛探讨了静态站立期间的自发摇晃及其神经生理回路[15]、[16]、[17]、[18]，但它们在动态扰动下的适用性尚未得到充分探索。最近的改进结合了紧急干预[19]和瞬时频率[20]，提高了计算精度，但PD和MSA之间的动态区分仍需进一步研究。
所有上述控制模型都基于单连杆倒立摆表示。尽管双连杆模型[21]以及包含多个自由度和多感官输入的高度详细的神经肌肉骨骼模型[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]提供了细致的渐进式模拟，但它们引入了相当大的计算复杂性。临床研究通常依赖于直接从实验数据中提取特征，而不是模拟渐进式的理论响应。对于我们的目标，即从临床数据集中识别特定的CNS决策频率，单连杆倒立摆结合间歇控制框架非常有效且足以捕捉与本研究相关的关键特征。
在我们之前的工作中，我们在静态和动态条件下评估了PD和MSA患者的姿势平衡，但没有应用间歇控制模型。研究结果表明，在动态条件下，特定的姿势图学指标可以区分MSA和PD[30]。然而，各种姿势图学特征与间歇控制模型之间的关系，以及姿势反应中的潜在生理控制缺陷仍待探索。
因此，本研究旨在探讨PD和MSA患者在站立姿势的间歇控制方面的差异，特别关注动态条件。具体来说，我们试图阐明为什么静态站立姿势在这两种条件下的变化很小，而动态站立则显示出显著差异。我们使用了单连杆倒立摆模型和改进的间歇控制模型来探讨神经疾病是否导致站立姿势的差异，从而影响大脑控制回路的功能。
参与者与临床评估
参与者与临床评估
本研究检查了PD、MSA患者和健康对照组在静态和动态站立条件下的姿势控制差异。使用力平台记录参与者的压力中心（COP）。研究招募了17名年龄匹配的健康对照组和127名患者，其中包括61名PD患者和66名MSA患者。其中一部分患者（42名PD患者和32名MSA患者，包括16名MSA-C和16名MSA-P）来自Bao等人之前报告的数据集[30]。其余17名...
姿势摇晃的间歇切换
Kruskal-Wallis H检验后进行的Dunn-Bonferroni事后分析表明，在静态站立条件下，对照组与PD组、MSA-C组和MSA-P组之间的间歇性姿势摇晃切换存在显著差异（所有调整后的P < 0.050；图2(A1)）。所有三个疾病组的切换频率都低于对照组。相比之下，PD组、MSA-C组和MSA-P组之间没有显著差异，表明它们的姿势控制程度相似...
静态站立
在静态站立期间，所有患者组（PD、MSA-C、MSA-P）的轨迹分布面积（EA_st）显著大于对照组（调整后的P < 0.050；图2(A3)），表明平衡控制能力较差。控制组的间歇切换值（IS_st）最高，超过了所有患者组（调整后的P < 0.050），反映了更频繁的间歇性姿势调整。
结论
间歇控制模型参数的比较显示，不同组之间的CNS介导的姿势调整存在显著差异。对照组表现出更高的间歇切换频率、更小的轨迹分布面积和更长的定期干预周期，表明其平衡控制能力更强。PD组与MSA-C组或MSA-P组之间在这些参数上没有显著差异。
作者贡献
KC和JL提出了原始想法并设计了研究。WB和YcY进行了实验。WB、YyT和KC进行了数据分析。WB和KC起草了手稿。KC和JL监督了研究。所有作者都对文章做出了贡献并批准了提交的版本。
CRediT作者贡献声明
陈凯：写作——审阅与编辑。魏宝：写作——初稿。谭玉燕：数据管理。杨宇晨：监督。
伦理声明
涉及人类参与者的研究已经得到了上海瑞金医院伦理委员会的审查和批准（批准编号LWEC2019017）。患者/参与者提供了书面知情同意书，同意参与这项研究。
出版者说明
本文中表达的观点仅代表作者本人，并不一定反映其所属机构、出版者或审稿人的观点。出版者不保证或认可本文中评估的任何产品或其制造商的任何声明。
资助
本研究得到了浙江省重点科学研究项目（资助编号2017C03040）和国家重点研发计划（资助编号2023YFE0125700）的支持。本研究未获得任何额外的外部资助。
利益冲突声明
作者声明，本研究在开展过程中没有涉及任何可能构成潜在利益冲突的商业或财务关联。
