連結神經科學與物理治療: 從fNIRS看運動控制與學習

臨床情境中，神經物理治療師發揮專業，為個案提供適切的治療方案。對於老年人或神經疾患的患者（如中風、帕金森氏症等），常會出現動作障礙，治療師將根據不同情況選擇相應的動作學習策略。常見的策略包括動作執行（Motor Execution）、動作心像（Motor Imagery）、動作觀察(Motor Observation)及鏡像回饋(Mirror Visual Feedback)。

近年來，臨床治療中逐漸強調認知能力在功能性表現中的重要性。例如，在執行動作時，患者不僅需要進行動作本身，還需於同時進行決策、判斷與計畫，這些認知功能的配合對於完成複雜的功能性動作至關重要。因此，動作整合（Cognitive-Motor Integration）能力扮演不可或缺的重要角色。最常見的例子是雙重任務（dual tasking），例如一邊走路一邊執行認知或動作任務時，步態表現往往會變差，且同時進行的認知或動作任務表現也可能下降。在神經相關疾患或健康老化的情況下，認知與動作的整合能力明顯不如健康人，這被視為需要物理治療介入的項目。

此外，調節腦部狀態（brain modulation）也是近年來神經復健的重要趨勢。通過非侵入性腦部刺激來改變大腦的活性，從而改善動作或認知功能。以中風為例，中風後，由於雙側大腦活性失衡，常見患側大腦活性下降及健側大腦活性過高的情況，這會影響動作的恢復。因此，除了動作再教育外，近年來開始使用非侵入性經顱磁刺激或電刺激，旨在提升中風患者患側大腦的活性，或抑制健側大腦過高的活性。

上述三個方向是物理治療中常見的介入方式，然而，由於對其背後機制尚不了解，因此，臨床治療中要選擇最合適的介入方式仍較為困難。為此，我的實驗室研究結合了近紅外光頻譜儀（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）技術，於執行動作時量測大腦的功能性活化情況，這項技術不受姿勢和動作限制（例如功能性核磁共振要求受試者全程躺在機器內）。這將進一步優化神經復健的應用。希望能協助發展個人化的復健策略、整合動作與認知訓練（Integrating Motor & Cognitive Training），以及提升臨床應用與生活品質。

以下介紹我們的第一個研究方向：動作獲得策略的神經機制。本實驗室進行的橫斷性研究，利用 fNIRS 技術深入探討動作控制與學習的腦部機制，並比較物理治療臨床常用的動作學習模式，包括實際執行、動作心像、動作觀察和鏡像回饋。受試者以坐姿執行功能性前伸及抓握動作（如圖一所示），並在實際執行、動作心像、動作觀察與鏡像動作回饋的情境下進行腦部活化測量。fNIRS透過近紅外光之發射與接收探頭的相對擺放位置，監測目標腦區中含氧血紅素（HbO）與去氧血紅素（HbR）濃度的變化（如圖二所示）。

結果顯示（如圖三所示），不同動作學習模式對運動相關腦區有不同程度的活化。具體而言，實際執行動作主要活化前額葉皮質及相關運動區域；動作心像則誘發更多聯合運動區域的活化；鏡像動作回饋則同時活化雙側多個腦區。這些發現顯示了不同動作學習模式的神經機制，並為為患者制定個人化治療策略提供了重要依據。特別是對於無法執行實際動作的患者，如中風或帕金森氏症患者，或許可以通過動作心像與鏡像回饋來促進腦部活化及神經塑性，進而提高復健效果。

以上的成果展示了使用 fNIRS 探討動作控制與學習的神經機制的可行性。fNIRS 還可以應用於探討其他神經復健方式的神經機制，未來我們期望能有機會與大家分享更多其他方向的研究成果。

延伸閱讀: Tsou MH, Chen PY, Hung YT, Lim YW, Huang SL, Liu YC*. Comparison of Brain Activation Between Different Modes of Motor Acquisition: A Functional Near-Infrared Study. Brain and Behavior. 2025 Jan;15(1):e70238

 

圖一、實驗過程中受試者需執行 (A) 動作執行、(B) 動作心像、(C) 動作觀察及 (D) 鏡像回饋任務，皆涉及功能性前伸與抓握動作。受試者佩戴的黑色帽套內含 fNIRS 探頭，背部配戴的儀器為 fNIRS 主機。

圖二、本研究採用近紅外光頻譜儀（fNIRS），其發射探頭（source/emitter probes）與接收探頭（detector probes）依據國際 10-5 系統進行擺放，共形成 16 個偵測通道（channels），以監測大腦前動作皮質區（premotor cortex）、聯合動作皮質區（supplementary motor area）及主要動作皮質區（primary motor cortex）。

圖三、四種不同動作獲得策略下的腦部活化情形。圖中呈現 16 個偵測通道（channels）之腦部活化數據。紅色線表示含氧血紅素（HbO）、藍色線表示去氧血紅素（HbR）的濃度變化。每個偵測通道下方的柱狀圖（bar）中，紅色代表達統計顯著活化。