婴幼儿跑步机训练的神经可塑机制与临床应用(一）

婴儿的粗大运动发育

WHO将婴儿的粗大运动发育概括为获得6个里程碑，最后2个里程碑是独自站立与独立行走。大约86%的儿童可以达到所有里程碑，尽管顺序可能不同，有时甚至跳过某个里程碑直接进入到下一个。

从站立到行走

通常婴儿在站立的情况下逐渐可以支撑越来越多的体重，最终约在12月龄时随着神经、骨骼肌肉系统的逐渐完善，开始促发行走。达到最后这个里程碑的年龄一般在8～18个月，取决于各种环境因素，包括感官与运动刺激等[1]。

前期运动发育对儿童后期发育的影响

肌骨系统、认知与互动
不能独立行走，或行走的时间晚了，不仅会对肌肉与骨骼系统产生影响[2]，还将涉及到诸如社会互动、空间记忆和语言发展等认知和情感表达等方面的能力。
这也侧面表明，婴儿通过独立运动，能够更好地发展空间认知并了解周围的世界；能够独立行走的儿童对环境会表现出积极的探索[3-5]。早期的发展里程碑，特别是独立行走，也与成年后智力的表现有关[8]。

早期的运动更重要
发现前期运动发育的质量可影响后续发育，无效或低效率的运动可限制婴儿在环境探索上的注意力和精力，早期的运动经验对大脑发育的影响可能比后期类似的行为更为重要。（因大脑在出生后的前几年具有最强的可塑性[7]）——Anderson等[6]

运动发育延迟
WHO《国际功能、残疾和健康分类(儿童和青少年版)》将运动发育延迟描述为发育里程碑延迟，而延迟最常见的原因就是中枢神经系统的典型发展和功能改变[9]。
1、目前英国儿童唐氏综合征（DS）的比例为1/1 000，美国是1/800[10]。
2、早产的发生率，欧洲6.2%，澳大利亚6.4%，北美洲11%~12%[11]。
3、婴儿脑瘫（CP）发生率每1 000个活产婴儿中1.5～2例[11]。
4、在婴儿期影响运动发育的障碍包括：中重度的精神发育迟滞儿童、DS、CP、脊柱裂与其他神经肌肉疾病[2]。
5、此外，伴有脑损伤高危因素的新生儿也是发生CP和运动发育落后的高危群体。如：早产儿脑室周白质软化、颅内出血、缺氧缺血性脑病（HIE）、低血糖、胆红素脑病、脑梗死、和许多先天性畸形或遗传代谢性疾病等。但在各类疾病因素下，发展成CP的机制尚未明确[12]。

运动发育的关键

研究认为，早期辅以高质量的物理活动是这些患儿运动发育的关键[13,14]。为了最大限度地影响神经可塑性（神经系统结构和功能的变化），任何训练都必须在发育早期进行，并且要有针对性地让儿童掌握特异性任务[15]。这种任务特异性是存在神经科学原理证据支持的[16]。
大脑的可塑性在早期神经系统中特别明显[17-19]。可塑性经验依赖性或活动依赖性都已在人类神经系统中得到了证明[20,21]。同样，姿势控制性干预研究对可塑性的影响也已在早期得到证实[22,23]。
神经重塑能力是干预有效的关键基本机制之一。虽然在运动领域内的最佳干预窗口期尚不清楚，但如果要将远期的神经发育不良影响降到最低，将独立行走视为一项特异性任务是合理的[24]。

跑步机的有效性研究

跑步机训练是一种用于物理治疗的干预措施，用以增强运动能力[25,26]。

跑步机的有效性研究
最早意识到跑步机可以对神经性疾病患者的干预起作用是源于动物研究，成年猫在脊髓完全损伤后，通过训练能够重新获得步态技能[27,28]。自此，自主运动和跑步干预在人类和动物模型中开始被特别关注，用以观察运动是如何激发中枢神经系统的可塑性和功能改变[29,30]。
越来越多的研究开始重新考虑婴儿的行为发展模式与过程，认为先天和后天之间的相互作用普遍与行为的选择有关[31-34]。

婴儿步态的发展
为了了解步态的发展，需要阐述从围生期到独立步行的腿部协调性在发育上产生的变化。这一过程复杂但至关重要，本综述从以下几个层次分析既往研究结果，来认识到婴儿从踏步反射到步态发育时间上的个体差异以及同一婴儿在重复反应上的变异性。
1新生儿期
新生儿期间主要存在踏步反射，表现为腿的屈伸交替，单纯在行为或更加微观层面上去分析这种交替动作，会发现动作的可重复性较弱。

文献表明
70%-84%的健康新生儿通过触觉刺激可产生类似踩踏台阶的反射活动[35,36]。而出现单侧连续空中踏步反射的新生儿，这一比率将降至25%[36]。

实际上，新生儿对这种外界刺激的反应，其实是中枢模式发生器控制下肢体的几种动作协调模式：选择只移动一条腿；选择同时移动两条腿；或者交替。

De Vries等人在1983年就提出胎儿在宫内时期，就存在对刺激的踏步反射[37]。当新生儿受外界刺激后，踏步反应的频率较低，认为该新生儿处于低水平觉醒状态[38,39]。然而，即使新生儿在最佳觉醒状态时，这种踏步反射频率在个体间的变异性也是很高的[40]。

新生儿时期的踏步反射是步态发育最初始的阶段，研究表明：踏步反射并不像其他原始反应是自动激发的（如拥抱反射），说明反射可受觉醒水平及其他环境变化的影响，如声光、疼痛，神经元兴奋性的变化，都可直接影响反射的频率与强度[41]。

2一岁内步态的可塑性
新生儿的踏步反射在典型的诱发环境下只能观察到2～3个月。想要详细描述新生儿步态的发展轨迹，需要使用特定的情境来实现。20世纪80年代，Esther Thelen是第一个发明儿童跑步机的人[42]，跑步机可提供比桌面环境更多的肢体感受信息(主要通过腿部伸展、肌肉和关节感受器)。

影响交替步态的因素有

1有节奏地交替双腿的神经运动能力
2足够对抗重力的腿部力量
3双臂对支架的支撑力
4跑步机皮带传动对足底的感觉输入
5足相对位置的重心改变以及关节和压力感受器的作用等[43]
Thelen和Ulrich基于动态系统理论设计了一项纵向研究，假设婴幼儿行为发育中的新行为是由任务环境中多个条件的协作交互而产生的。

理论研究

9例正常婴儿从校正胎龄1个月后开始，每个月进行2次跑步机测试，跑步机的速度会逐渐提高，每条腿都由跑步机以不同的速度驱动。录像记录结合运动分析得到运动变量，并收集了人体测量指标。
发育中首选的行为模式被另一种新的行为模式所取代，这种转变的发生从时间上来看是非线性的。但对转变出现时间的具体预测有助于揭示发育的过程

Bayley运动评分（及每个月的行为情绪量表）

发现新生儿至出生后1~2月龄时步频较低，肢体间协调方式也不同。在所有踏步动作中，至少有40%的踏步是单侧完成或双侧平行完成。因此，该阶段肢体与神经之间的信号传输上并不协调[44]。

3~6个月婴儿的步态反应上出现了一个快速上升的坡度。婴儿在调整速度和腿部的相对协调性方面也有了相应的改善，交替踏步变得越来越稳定，腿部的屈肌支配力逐渐减弱，使得腿部能够在跑步机上向后伸展，引发两侧交替反应。婴儿跑步机提供了一个尽可能类似于直立运动的环境，使婴儿的多个感觉系统与运动系统结合起来，增强肌肉和骨骼的力量以及神经控制。

3～4月龄时，随着婴儿体格及神经系统的发育，婴儿在跑台上与支撑面发生最佳接触的次数逐渐增多，步频和交替的步数百分比开始稳步增加。当婴儿个体的体重增加时腿部更容易跟随跑步机的传动带。

6～7个月婴儿在大部分时间里都可产生交替步态，并可在跑步机辅助下直立支撑。在环境的刺激下（给予跑步机训练），婴儿发育往往会有出人意料的结果，这一事实更加支持神经系统的复杂性和自适应下的可塑性。研究人员将跑步机的传送带速度设置从快到慢，婴儿会逐渐适应并继续前进[45]。当传送皮带方向逆转时，婴儿还可能因刺激方向的改变而出现“后退”，甚至当跑台出现左右水平上的倾斜时，婴儿会表现出相应的侧身趋势，尽管表现得并不太理想，但还是会做出自适应的行为转变。这种步态特征表明，行为是由主动神经输入和生物力学（受重力影响，腿部旋转）共同作用的结果[46]。Thelen认为独立行走前的婴儿获得支撑后，在机动跑步机上可以较好的完成交替踏步动作，在运动学上类似于直立的两足行走。这种行为是独立行走的一个组成部分，不在跑步机辅助下是较难识别的。研究证明了7月龄婴儿容易对跑步机的环境做出反应，产生交替步态（在跑步刺激总时间中占高比例）[42]。

摘自：《中国循证儿科杂志》，2018（1）
作者：陆春梅1黄正华2 邵肖梅1* 严恺1 周文浩1
1复旦大学附属儿科医院新生儿科，上海，201102；
2上海六爱抚家早产儿早期优化发展中心，上海，201102；* 通讯作者