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前庭功能与身体的平衡和稳定

 运动机能形态学 2023-08-04 发布于北京
头部的位置和移动是通过前庭器官进行感知和传导的,这里提到的“前庭器官”包括内耳中的3个半规管、及椭圆囊和球囊,共5个感受器。感知到的前庭信号,会通过位听神经上传至脑,且其呈现通常是非意识性的;人体借此参与维持躯体的姿势和平衡的自主行为。
除前庭感受器外,内耳的感觉上皮还包括负责感知听觉的耳蜗。

位听器官-耳

一、前庭感受器的工作原理

头部的位移或转动,可以引起前庭器官内淋巴液的流动,激活膜迷路内的毛细胞(一种长有纤毛的感受器细胞),从而产生信号。

1. 具体来说,椭圆囊和球囊传导直线加速或减速信号。头部直立时,① 椭圆囊(扁椭圆球体)接近于水平面存在,传递水平运动信号;② 球囊则接近于垂直位,对垂直运动反应更大(如失重感)。不管是哪种方向的线性运动,有效刺激都是“加速”或“减速”,而匀速无法提供(如我们在近似匀速行进的火车上感受到的那样)

2. 至于为什么其可以感受转动,则主要和3个“C”形半规管所构成“平面”的相互垂直结构有关(3个平面刚好形成三维立体的空间结构),其内部的前庭感受器,通过判断管内淋巴液流向,及其与重力的相互关系,感知任何角度变化的“旋转运动”(旋转速度的变化,和角度的加/减速)

内耳前庭装置总计存在的5个感受器具体位置:3个膜半规管内的壶腹嵴、椭圆囊斑和球囊斑。以相互垂直的方式排列3个半规管-“平衡囊”,在几乎所有脊椎动物中都是如此。

内耳的结构

二、前庭功能的实现-“安静感觉”

感知并及时上传的前庭信号,对人体姿势维持、高效率运动和稳定地凝视等功能的实现,均是必需的。且除非有主动或被动的“错误”动作出现(如人体自转带来眩晕感),通常保持潜意识状态

前庭-眼反射的存在,可在头部运动时,保持眼球和身体的稳定;即,让人的视线在头部运动时,锁定在同一个目标上。这对于体育运动至关重要,没有这个反射,几乎所有的竞速运动均无法实现,这是因为,凝视对于人体在运动过程中即时地识别标识,或在紧急情况下及时避开障碍等功能实现,均是必需的。

从运动科学视角看,该反射高度可塑的,即具有较高的可训练性(可以靠大量的训练稳定和加强这一点);并且人体对不断变化着的前庭信号输入,也可以产生较好的平稳性适应。

仅有一侧前庭信号的输入,该反射也能够正常进行;如果完全丧失前庭功能,则会严重限制运动能力,并进而影响生活活动。

前庭-眼反射传导途径

三、高级前庭功能

前庭功能的实现,驱动或调节人体姿势调整和运动功能,通常不引发意识感觉。但异常输入或机能失调,则会打破这种安静状态,引起眩晕或恶心。通常情况下,个体可以适应这一变化,进而缓解眩晕;但个体差异较大。

随着传入神经的上传,人体神经中枢会将前庭觉、视觉、本体感觉和触觉等信号进行整合;进入许多皮层联合区域,甚至上升到意识层面。具体来说,其传导通路具体为:

1. 头部运动相关前庭感觉信息,会通过前庭神经上传至脑桥的前庭神经核
2. 脑干网状结构把前庭功能和动眼功能相关的神经核团联络在一起(前庭神经核--动眼神经核、滑车神经核、展神经核)。
3. 视网膜上成像的运动相关视觉信息,通过视神经上传至视神经核,进而部分纤维也会投射到前庭神经核,进而影响动眼神经。
4. 前庭小脑也参与调节前庭-眼反射,参与维持身体平衡和协调眼球运动。前庭小脑的功能实现则可能是通过和脊髓小脑、大脑小脑相联系(前者控制肌张力,协调肌肉运动以维持身体平衡;后者调控肌肉的随意和精细运动),最终实现动作的精细化,达到专项技能动作要求,及失衡后维稳过程中“动作到位”的目的。

平衡觉传导通路

四、前庭功能如何测试?

安静状态下,受试者保持不动,可直接观察有无出现平衡障碍、头晕、站立不稳等现象。进一步测评包括静态、动态和综合测评法;① 静态平衡能力测评包括闭眼单脚站立测试、闭眼单脚站立成鹰姿、踏木测试等,维持某动作的时间越长,静态平衡能力越好。② 动态平衡能力测评包括功能性前伸试验、平衡木测试、闭眼原地踏步测试、8点星形偏移平衡测试、稳定极限测试、垂直X书写测试等。③ 综合测评又分为两类:静态测试(睁眼双脚或单脚站立测试、闭眼双脚或单脚站立测试等);动态测试(步态测试、动态平衡能力测评方法等)

适用于运动员平衡能力测评方法主要有:闭眼单脚站立成鹰姿测试、踏木测试、平衡木测试、闭眼原地踏步测试、8点星形偏移平衡测试、Wolfson姿势性应力试验、视觉反馈姿势描记、动态平衡测试系统等。举例说明如下:

1. 静态平衡测试-闭眼单脚站立测试(stork stand test)

受试者闭眼站立,听到“开始”口令后,抬非优势侧的脚,使脚底固定于优势脚内踝部位。记录保持此姿势的时间,时间越长,静态平衡能力越好。一般认为≥60s为良好,30-60s为一般,≤30s为差。

平衡能力较好的人群,如太极拳运动员,单脚站立测试易产生天花板效应,可以加大动作难度,采用闭眼单脚站立成鹰姿测试:受试者闭眼单脚站立,两臂侧平举,躯干前屈,同时非支撑腿后伸,躯干与非支撑腿与地面平行时开始计时,平衡被打破时测试结束。保持平衡的时间越长,平衡能力越好。

2. 动态平衡能力测试-闭眼原地踏步测试(closed cycles test,CCT)

受试者闭眼并脚站立(40cm直径的圆圈内),以120步/分的频率踏步,要求踏步高度与支撑脚踝关节等高,记录其中一只脚踏出圆圈的时间,时间越长,动态平衡能力越好。

或受试者闭眼并脚站立,记录两脚跟中点的位置,然后以120步/分的频率踏步1min,要求踏步高度与支撑脚踝关节等高,踏步停止后再次记录两脚跟中点位置,把两次记录脚跟中点位置偏移的角度和距离,作为评价动态平衡能力的指标。

参考文献

1. 埃里克R.坎德尔, 神经科学原理,机械工业出版社2021.10.
2. John G. Nicholls. 神经生物学-从神经元到脑,科学出版社,2021.11.
3. 运动解剖学编写组,运动解剖学,北京体育大学出版社,2020.

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