FNIRS 的外骨骼和大脑活动 (ExoNIRS)

运动系统神经科学的一个重要目标是描述大脑中的神经活动如何调节运动参数，例如力、速度、运动频率或运动方向。 力的神经编码已经在动物和人类身上进行了研究，包括 TEP、fMRI、功能性近红外光谱 (fNIRS)、EEG 或磁刺激。

非人灵长类动物的电生理学研究表明，对侧运动皮层多个区域的神经元放电率与施加的力振幅之间存在相关性。

在人类中，功能性磁共振成像 (fMRI) 研究证实了增加神经元激活与增加对侧初级运动/体感 (M1/S1) 皮质、辅助运动区 (SMA) 和前运动皮质中力的幅度之间的关系。 同侧运动皮层也可能有助于力编码。 也有证据表明基底神经节-丘脑-皮层环路参与力控制的调节。 苍白球 (GPi) 和底丘脑核 (STN) 的内部随着力的增加，信号变化百分比呈正增加，腹侧丘脑区域也以同样的方式暗示。 最近，fNIRS 研究证实了力水平与对侧和同侧半球大脑激活之间的关系。

大多数人类研究都涉及等距静态任务。 只有少数研究考虑了动态运动。 通常，与静态力的产生和控制相比，重复瞬时力变化的处​​理需要更多的代谢活动。 对侧 M1 和小脑前部的神经元网络中的力水平和皮层变化之间存在相关性。

大多数研究涉及上肢。 据我们所知，只研究了下肢在等长力水平上的问题。 一个涉及慢性阻塞性肺病患者股四头肌力矩控制的神经相关性，另一个涉及健康对照者与踝背屈肌的等长收缩。

fMRI 和 TEP 对运动伪影高度敏感，不适合动态近端关节或步态研究。 fNIRS 对运动伪影不那么敏感，并且允许对对照组或患者在更自然条件下的行走进行大量研究。 fMRI 和 fNIRS 基于神经血管耦合的生理原理，活跃的大脑区域通过扩张毛细血管和小动脉诱导局部血流增加以匹配其能量需求的过程。 fMRI 测量对应于含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白比率的血氧水平依赖性 (BOLD) 反应。 然而，血红蛋白的两个部分不是单独用 fMRI 测量的。 相反，fNIRS 分别测量两种血红蛋白。 在这种神经血管耦合过程中，供应的氧气量通常大于局部消耗的氧气量，导致该区域的 HbO2 显着增加和 HbR 略微降低。

许多关于步态的 fNIRS 研究记录了双任务范式前额叶皮层的血流动力学变化。 只有少数研究涉及运动皮层。

近年来，除了常规康复之外，还使用了机器人辅助康复。 它提供了早期、强化、特定任务管理的机会，多感官刺激被认为是促进神经可塑性最有效的方法。 文献表明，机器人康复提高了患者的行走能力、行走速度、下肢肌肉力量、步长和行走对称性。 然而，机器人辅助康复的神经生理学基础仍然鲜为人知。 外骨骼的使用使得控制所提供的援助的百分比成为可能。 在这项针对健康受试者的研究中，研究人员建议研究在外骨骼中行走时运动区域的大脑激活。 研究了四个强度水平：完全辅助 (A100%)、部分辅助 (A50%)、无辅助 (A0%) 和 25% 的阻力 (R25%) 从外骨骼行走。 研究人员假设 fNIRS 测量的大脑激活水平将随着受试者提供的努力而增加。