Transcutaneous Spinal Cord Stimulation Disrupts Conscious Ankle Proprioception and Produces a More Constrained Locomotor Pattern in Unimpaired Adults
作者: Christopher A. Johnson, Andria J. Farrens, Parastoo Ali Pour, Arjan Gillan, Hui Zhong, David J. Reinkensmeyer, Alexandra S. Voloshina
分类: q-bio.NC, cs.RO
发布日期: 2026-08-06
💡 一句话要点
研究表明经皮脊髓刺激影响意识踝关节本体感觉与步态模式
🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: 经皮脊髓刺激 本体感觉 步态分析 神经适应 运动康复 传入网络 脊髓传感运动回路
📋 核心要点
- 现有研究主要集中在步态表现和脊髓兴奋性，缺乏对tSCS对意识本体感觉影响的深入探讨。
- 本研究通过对健康成年人进行tSCS干预，评估其对踝关节本体感觉和步态的影响，探索神经系统的适应机制。
- 实验结果表明，急性tSCS导致踝关节本体感觉误差增加，同时步态模式变得更加受限，训练后效果持续改善。
📝 摘要（中文）
经皮脊髓刺激（tSCS）通过激活传入网络调节脊髓传感运动回路。尽管先前研究关注步态表现和脊髓兴奋性，但tSCS如何影响意识本体感觉及其与步态控制的关系尚不明确。本研究探讨了tSCS对健康成年人踝关节本体感觉和步态的急性及训练相关影响。结果显示，急性tSCS增加了踝关节本体感觉误差，而步态模式变得更加受限。经过持续训练，tSCS组的本体感觉误差减少，步态测量恢复至基线或更好，表明神经系统能够通过训练适应改变的传入输入。
🔬 方法详解
问题定义：本研究旨在探讨经皮脊髓刺激（tSCS）对意识踝关节本体感觉的影响及其与步态控制的关系。现有方法未能充分揭示tSCS对本体感觉的影响及其适应机制。
核心思路：通过对健康成年人进行tSCS干预，结合机器人评估和步态分析，系统评估tSCS对踝关节本体感觉和步态的影响，探索其潜在的神经适应机制。
技术框架：研究包括两个主要阶段：急性干预阶段和训练阶段。在急性阶段，参与者接受tSCS并进行本体感觉和步态评估；在训练阶段，参与者在tSCS下进行训练，评估其长期效果。
关键创新：本研究首次系统评估tSCS对意识本体感觉的影响，揭示了其对步态模式的重塑作用，展示了神经系统在改变的传入输入下的适应能力。
关键设计：使用双侧机器人评估动态踝关节定位能力，最大背屈力量评估粗大运动输出，步态分析采用时空、躯干摆动和重心偏移等测量指标。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，急性tSCS显著增加了踝关节本体感觉误差（p < 0.001），而最大背屈力量未见显著变化（p = 0.30）。步态模式变得更加受限，表现为步幅减小和重心偏移减少（p < 0.05）。经过持续训练，tSCS组的本体感觉误差逐渐减少，步态测量恢复至基线或更好，显示出神经系统的适应能力。
🎯 应用场景
该研究为经皮脊髓刺激在运动康复和神经调节领域的应用提供了理论基础，可能对改善运动功能和本体感觉障碍患者的康复策略具有重要意义。未来，tSCS的应用可能扩展到更多神经系统疾病的治疗中。
📄 摘要（原文）
Transcutaneous spinal cord stimulation (tSCS) modulates spinal sensorimotor circuits primarily through activation of afferent networks. While prior work has emphasized locomotor performance and spinal excitability, how tSCS affects conscious proprioceptive perception and the extent to which such effects parallel changes in locomotor control remain unclear. We investigated the acute and training-related effects of tSCS on ankle proprioception and gait in unimpaired adults (n = 14), with an independent control group (n = 14) completing identical proprioceptive training without stimulation. Proprioception was quantified using a bilateral robotic assessment of dynamic ankle localization ability (Crisscross), gross motor output using maximum dorsiflexion strength, and gait during normal and tandem treadmill walking using spatiotemporal, trunk-sway, and mediolateral center-of-mass (CoM) excursion measures. Acute tSCS increased ankle proprioceptive error (p < 0.001) while dorsiflexion strength was unchanged (p = 0.30). Gait shifted toward a modestly more constrained locomotor pattern, characterized by reduced step width and ML CoM excursion (p < 0.05). With continued training under stimulation, proprioceptive error decreased and, unlike the control group, the tSCS group showed progressive improvement that persisted after stimulation ended. Sagittal-plane gait measures recovered toward or beyond baseline, whereas mediolateral measures remained constrained, revealing a direction-dependent reorganization of locomotor control. Together, these findings show that tSCS influences multiple aspects of the sensorimotor control loop, disrupting conscious proprioception while reshaping locomotor behavior, and that the nervous system can adapt to altered afferent input through training.