姿势控制的预测模拟：探索信号噪声和神经延迟在帕金森病中的作用

为什么帕金森患者的平衡问题很重要

许多帕金森病患者最担心的是一件非常现实的事：保持直立。随着疾病进展，即便是静止站立也可能变得不稳定，增加跌倒和受伤的风险。然而，医生只能观察到外在的摇摆，而看不到导致这种摇摆的神经系统内部机制。本研究使用身体与大脑协同工作的计算机模拟，探讨两个潜在的隐性因素——运动信号的噪声和减慢的神经处理速度——以及它们如何可能加重帕金森病患者的平衡问题。

深入平衡系统内部

为了保持平衡，我们的身体不断将质心维持在双脚上方。皮肤、肌肉、内耳和眼睛中的传感器向大脑发送信息，大脑再向腿部和躯干肌肉发出指令以做出微小修正。这个循环每秒运行多次，并始终受到呼吸、心跳和神经信号随机波动等背景“噪声”的影响。在帕金森病中，称为基底节的深部脑区发生的改变已知会拖慢运动并改变节律性脑活动，但这些改变究竟如何影响站立平衡回路，在真实患者身上很难直接测量。

构建虚拟人

研究者在一个现有的数字模型基础上工作，该模型将简化的人体骨骼和腿部肌肉与代表神经系统的控制系统相连接。在这个虚拟人体中，感受信号报告身体位置，控制器将其与理想的直立姿势比较，然后向肌肉发送指令，肌肉产生力并驱动关节运动。模型还包括信号沿神经和脑回路传递时的真实延迟，以及叠加在输出运动指令上的随机内部噪声。通过调节噪声强度或延迟时长，团队可以观察模拟体在75秒静止站立期间前后摆动的情况，然后将这些结果与31名帕金森患者和31名健康对照的运动捕捉数据进行比较。

噪声信号如何改变摆动

在第一组模拟中，团队增加了两类作用于输出肌肉命令的噪声：恒定的背景噪声和随命令强度增长的信号依赖噪声。无论哪种噪声增加，虚拟人体的摆动都会加剧。脚下压力轨迹变得更长更宽，骨盆、髋关节、膝盖和踝关节的转角增大。肌肉活动也上升，反映出控制更不稳定身体所需的额外努力。这些模式与健康志愿者和帕金森患者之间观察到的差异高度一致，尤其是恒定背景噪声的影响，提示运动信号精度下降可能是现实中不稳定性的关键因素之一。

神经变慢对站立的影响

接着，研究者延长了平衡回路中信号传递的总时间，以模拟较慢的神经处理。随着延迟增加，大多数摆动测量值再次上升：模拟的压心（center of pressure）游走得更远，关节运动增大。无论模型初始噪声是高还是低，这些变化都出现，尽管某些摆动特征（例如脚下压力的精确前后位置和平均摆动频率）变化不大——这与实验数据相呼应。结果表明，噪声增大和处理时间延长都可以将神经系统推向一种更不稳定的站立方式，其表现类似于帕金森病。

对帕金森患者的意义

对非专业读者而言，核心信息是：帕金森病的平衡问题可能不仅仅源自肌肉无力或关节僵硬，还可能来自大脑和神经之间通信的精确度和速度发生了隐性改变。通过在虚拟患者中调节这些内部因素并将结果与真实的运动数据匹配，研究表明噪声增加和处理延迟可以共同再现帕金森样的摆动。未来，类似模型或可帮助医生通过简单的平衡测试估计个体的内部控制参数，追踪这些参数随时间或治疗的变化，并最终设计更有针对性的治疗和康复方案，帮助患者更稳地站立行走。

引用: Shanbhag, J., Wechsler, I., Fleischmann, S. et al. Predictive simulations of postural control: exploring the role of signal noise and neural delays in Parkinson’s disease. Sci Rep 16, 9849 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45161-5

关键词: 帕金森病, 姿势控制, 平衡, 神经肌肉骨骼模拟, 跌倒