1 引言
发展性协调障碍(Developmental coordination disorder,DCD),又称运动技能障碍(Motor skill disorder),是一种特殊的发育障碍,其主要特征为运动协调方面存在明显障碍。发展性协调障碍多发生在5~11岁,发病率为6%左右。然而,不同国家研究发现的患病率存在很大差异,在瑞典,发展性协调障碍儿童中有4.9%重度和8.6%中度,英国有10%为中度,新加坡中度则高达15.6%。从性别看,男孩协调性障碍的比例高于女孩。有研究发现,男孩和女孩的比例约为3:1~5:1不等()。世界卫生组织将发展性协调障称为“动作功能的特殊发展障碍”,具体描述为,儿童在精细和粗大动作任务中动作协调显著落后于他/她的年龄和一般智力所预期的水平,最好以个别施测的标准化的精细和粗大动作协调测验评估,这种在协调上的困难应该在发展早期表现出来(不是获得性障碍),动作笨拙通常与某种程度的时空认知任务成绩损伤有关()。美国精神病学会的DSM-IV 把发展性协调障碍定义为“发展协调失衡”,这种障碍有五个明显特征: 肌肉协调发展有明显障碍； 这种障碍影响了患者的学习和日常生活；协调障碍并非源自“大脑性瘫痪”、 “偏瘫”或者“肌肉性失养症”等一般的医学上的原因所引起； 协调障碍为非扩散性的发展障碍； 如果患者同时有多种发展性迟缓,将会出现更多的运动协调障碍()。《中国精神障碍分类与诊断标准》(第三版)(2001),将发展性协调障碍界定为“特定运动技能发育障碍”(Specific developmental disorder of motor skills)指运动技能发育的明显迟缓,常有视觉空间-运动功能障碍,但不是由于神经系统疾病或运动系统缺陷所致。诊断标准:(1)精细或粗大运动的共济协调能力明显低于其年龄应有的水平,或标准化运动技能测验低于其年龄期望值达2个标准差以上。(2)早期发生的发展性协调障碍持续存在,并严重影响学习成绩或日常生活。(3)不是由于视、听觉缺陷、神经系统疾病或运动系统障碍所致。尽管不同国家诊断标准表述上存在差异,但是其核心思想都是动作协调障碍。
国际疾病和相关健康问题分类标准(1992b)明确提出,发展性协调障碍是儿童一种常见的动作障碍,与一定程度的视觉空间认知能力受损有关。特定的认知和神经机制缺陷在何种程度上影响了发展性协调障碍是当前认知和认知神经科学领域一个非常重要而有兴趣的研究领域()。心理学、神经电生理等多领域研究提示,早期精细运动技能发育可能与脑神经发育进程存在时间重合。研究者们对发展性协调障碍儿童的视空间知觉、动觉功能、跨通道知觉、反应选择和动作计划等方面进行探索性研究,试图探索影响发展性协调障碍的神经基础,并先后提出不同的神经关联假说。
2 发展性协调障碍的神经机制假说 2.1 小脑假说
动物实验(; )和人体研究()均证实,小脑在动作协调性中起着重要作用,这也从侧面证实发展性协调障碍的小脑缺陷。与其他脑区相比,小脑的发育过程尤其脆弱,而且它的发展相对较迟()。然而,小脑在运动协调和姿势控制中扮演着重要角色,发展性协调障碍的神经病理学可能与小脑有关()。
越来越多的动物实验表明,小脑发育与动作协调之间存在密切的联系。例如,营养不足的小白鼠小脑发育不良,这些小白鼠的神经元和神经胶质细胞数量明显减少,小脑中的突触和髓鞘发育迟缓,并长期显示出动作笨拙的迹象(Gramsbergen & Westerga,1992)。在另一项研究中(),他们将地塞米松(妊娠后期影响小脑发育的类固醇药物)注入三个月大的幼鼠体内(小脑发育成熟阶段),结果发现,这种药物引发大范围长期持久的运动技能异常和笨拙。有关儿童小脑发育与动作协调之间的关系研究结果也支持小脑发育不良假说。采用传统小脑功能测试方法,即快速转换手指触摸游戏(如“手指到鼻子”)中发现,小脑功能与动作协调能力存在正相关,发展性协调障碍儿童存在姿势控制缺陷()。上述研究结果提示,尽管目前尚缺乏小脑和不协调行为之间关联的直接证据,但这些研究暗示,发展性协调障碍儿童可能与小脑发育不良有关。
行为研究还发现,发展性协调障碍儿童和小脑病变的病人一样,存在动作协调困难()。发展性协调障碍的小脑机能缺陷还反映在运动适应障碍方面(; )。 运动适应是对已习得运动动作的修正以适应不断变化的环境,运动适应能力与小脑存储长期感觉运动信息的能力密不可分。多项研究报道(；; ; ,),小脑病变患者经常出现感觉偏差现象。同样,发现,与正常发育儿童相比,发展性协调障碍儿童存在动作适应或视觉动作适应缺陷。动作适应是由位于小脑内部的神经表征信号的改变而实现的,运动适应测量常采用视觉动作失真任务,研究中最常使用的是渐变与突变范式。考察了不同类型失真状态下发展协调性障碍儿童的动作适应,研究显示,在绘图任务中,当突然呈现一个视觉失真图形时,发展性协调障碍儿童似乎能够认识到错误,并调整自己的内部图示。也得到了类似的研究结果,他们在一个菱镜测试(突然的视觉失真)中发现,发展协调性障碍儿童可以及时作出动作调整。然而,发展性协调障碍儿童难以在渐变的视觉图形变化条件下及时修正内部运动状态,他们似乎对渐变视觉失真图形的改变不敏感。上述有关运动适应的研究证据表明,发展性协调障碍儿童存在小脑功能缺陷。
上述研究结果尽管在行为上显示出小脑和发展性协调障碍存在关联,但神经影像学的证据仍然不足。的影像学研究结果表明,小脑激活区域代表一个预测信号,该信号具有纠错功能。在最近的一项功能磁共振成像研究中,采用跟踪任务对7个发展性协调障碍儿童和7个年龄匹配的正常儿童在完成相同作业时的大脑活动进行测量。采用跟踪误差、每一次跟踪和跟踪的完成数为指标,结果发现,两组在行为数据上没有显著差异。然而,血氧水平依赖(BOLD)信号表明,与对照组相比,发展性协调障碍儿童在右小脑I、左小脑小叶VI、IX、双侧顶下小叶以及右额中回激活程度较低,二者存在显著差异。该结果尽管受到样本较小的限制,但该研究发现了运动技能与小脑受损之间存在密切关系的直接证据,开创了发展性协调障碍的功能磁共振成像研究的先河。采用该技术,在一项临床病例研究中,发现一个19岁的发展协调障碍病人存在小脑功能受损的证据。
2.2 顶叶假说
顶叶在许多认知功能中起着关键作用,尤其与动作反馈与控制有关()。左侧后顶叶皮层(PPC)病变可导致运动障碍,这种疾病的特点是单侧忽视并伴有注意障碍()。
有关发展性协调障碍的信息加工元分析结果表明,与对照组相比,发展性协调障碍儿童存在普遍的视觉空间加工障碍。鉴于顶叶在视觉空间信息加工方面的特殊性,他们据此推测,发展性协调障碍的顶叶可能存在缺陷。研究发现,与正常儿童相比,发展性协调障碍儿童在动作信息加工过程中移动速度较慢且不稳定,他们认为,发展性协调障碍儿童表现出的视觉空间整合和动作技能准备不足,是由于顶叶和小脑网络区域功能异常造成的。同时还发现,发展协调障碍儿童存在面部表情识别困难,该结果也支持发展性协调障碍的顶叶缺陷假说(;)。
来自运动想像差异研究也支持发展性协调障碍存在顶叶缺陷假说(；),研究发现,与控制组儿童相比,发展协调性障碍儿童在想像动作的执行上更为缓慢,在执行一个视觉指导任务中,他们不能根据动作想象,持续有效地再现或预测真实动作。发展协调性协调障碍儿童在动作想象上存在缺陷,由于该过程并不需要实际动作的参与,他们认为,发展协调性协调障碍儿童存在信息加工、输出和复制缺陷,而这一加工过程发生在顶叶。这一假说在顶叶损伤患者中被观察到,这些证据表明,发展性协调障碍可能存在顶叶缺陷。
采用心理旋转任务,考察发展性协调障碍儿童运动想象的特点,进一步探讨发展性协调障碍顶叶缺陷假说。在实际肢体旋转任务中,发展性协调障碍和对照组之间的差异并不显著,但当采用心理旋转任务转动肢体时,发展性协调障碍和对照组差异显著,发展性协调障碍表现出运动想象缺陷。然而,使用类似的肢体旋转范式,记录不同能力组的脑电图(；),结果却发现,发展性协调障碍组和控制组之间并没有显著差异,该结果暗示,儿童发展性协调障碍中使用运动想象的能力似乎并没有下降。造成上述研究结果差异的原因可能与被试选取的标准不同有关,如实验所选取的被试者的年龄、性别以及障碍的严重程度等因素都会对研究结果造成影响。
在运动技能的学习过程中,顶叶-额叶所连接的皮层参与感觉转换和动作学习的串行加工。认为,发展协调障碍很可能是与视觉空间加工过程相关的包括顶叶区域在内的一个广泛网络受到影响的结果,这种假设被来自的研究数据所支持,他们使用Go/nogo任务,通过路径系数建立的结构方程模型表明,发展性协调障碍儿童中纹状体和下顶叶之间的激活连接减少。该作业任务是一种反馈抑制,通常需要协调额叶皮质、前扣带回和顶叶的联合激活。有趣的是,在该任务中,发展性协调障碍儿童与正常发育儿童有同等的行为能力。然而,不同能力组激活大脑区域的网络存在差异。与正常发育儿童相比,发展性协调障碍儿童有更强的前扣带回激活和较弱的前额叶活动。前扣带回在错误检测中起着关键作用,该区域活动的增加往往是对较弱的前额叶和顶叶皮层活动的一种补偿作用()。然而,随着前扣带回激活的增强,反应抑制能力则随之降低(; )。由于单任务操作中他们已经过度激活大脑网络,因此,发展性协调障碍儿童往往在双任务加工条件下出现较高的失误率。这一假说尚需要更多实验证据的支持。
最近的脑成像研究也支持顶叶假说。在磁共振成像研究中采用摇杆跟踪任务,结果发现,与对照组相比,发展性协调障碍儿童在左侧后顶叶皮层和中央后回脑区激活程度降低。Zwicker采用跟踪任务时发现,完成作业过程中相继激活额叶-顶叶以及额叶-小脑网络区域。这些研究结果提示,动作技能与顶叶有关。发现,发展性协调障碍儿童存在顶叶网络区域的功能连接异常,顶叶功能异常可能是发展性协调障碍儿童运动技能消弱的另一种神经基础。采用功能性磁共振成像考察发展性协调障碍儿童的神经缺陷时发现,与对照组相比,发展性协调障碍儿童的前额叶皮层、右额下回、颞顶交界区域以及左侧后小脑激活降低。然而,这些区域对运动技能学习效果的影响目前尚不十分清楚,这一假说仍然需要更多研究的验证。
2.3 胼胝体假说
只有少数研究推测,发展性协调障碍儿童与胼胝体有关。采用多感官形态匹配模式,考察发展性协调障碍儿童手眼协调功能。参加者须在4种不同条件下完成一个指定的动作,眼看目标(仅有视觉),看到和感受到目标(视觉和手),感觉目标(手),闭眼(视觉记忆),结果发现,发展性协调障碍儿童存在两半球信息转移缺陷,而胼胝体是实现在两半球信息转移的通道。Sigmundsson据此推测,发展性协调障碍儿童与胼胝体发育缺陷有关。有研究发现(),多动症儿童的胼胝体较小。然而,的研究中没有控制发展协调障碍与多动症的潜在共存样本,两者共存可高达50%。因此,该结果不能排除变量混杂的影响。
2.4 基底神经节假说
尽管基底节参与运动控制和动作学习,然而,它们在发展性协调障碍中的作用仍不清晰。报道,在Bruininks-Oseretsky测验中,得分低于40的儿童存在“软”神经系统体征,这些儿童存在基底神经节障碍(如舞蹈病样),其主要表现是动作协调困难。然而,并未发现支持这一假设的证据,他们发现,发展协调障碍儿童在完成简单的动作时与对照组没有显著差异。造成上述结果差异的原因可能与基底神经节的测量方法等因素有关。
2.5 大脑白质假说
早期研究发现,发展性协调障碍是由于大脑右半球损伤或功能失调造成的,发展性协调障碍的功能缺陷主要表现在视觉空间加工、触觉和动作等领域,这些相关功能区域是由大脑右半球控制的。随着研究的不断深入和临床儿科神经疾病的新发现,提出“白质”模型理论试图解释发展性协调性障碍儿童的神经机制。该理论假设,发展性协调性障碍是大脑白质不发达、受损或功能紊乱造成的。由于白质纤维受阻或髓鞘脱落致使动作电位传导变慢或受阻,从而导致个体的行为控制能力受损。研究发现,发展性协调性障碍和头部损伤、脑积水、先天胼胝体缺乏、脑瘤等其他一些神经疾病有相似的行为表现,这些神经疾病的神经生理机制不是大脑右半球受损,而是白质破坏或功能失调造成的。按照该理论假设,由于大脑右半球白质所占比例比灰质更大,因此,发展性协调障碍受右脑影响更为严重。
2.6 非典型大脑发育假说
近年来,由于脑成像技术并没有强有力的证据支持发展性协调障碍特定大脑区域损伤。据此认为,发展性协调障碍可能是一种弥漫性的大脑机能反射缺陷,而不是局部的脑区病变。因此,人们无法从特定脑区的神经信息来区分不同类型的发展性协调障碍。发展性协调障碍、阅读障碍以及ADHD都可以归类为非典型大脑发育障碍。然而,由于该假说的核心思想是不同的发展性障碍都是由非典型大脑发育障碍引起的。因此,该假说尚需更多发育性障碍研究结果的支持。
近些年,发现,发展协调障碍儿童存在视觉映射困难,这可能与右脑岛、前扣带回和背外侧前额叶皮层共同作用有关。采用静息态功能磁共振成像技术考察发展性协调障碍与多动症的神经机制,结果发现,与对照组相比,发展性协调障碍儿童和多动症表现出类似的神经连接功能削减,其功能缺陷主要表现在初级运动皮层和双侧额上回、右缘上回、角回、杏仁核以及苍白球等多个脑区之间,他们据此认为,发展性协调障碍儿童存在神经功能连接缺陷。由于这些区域与动作学习功能存在密不可分的联系,因此,这些功能区域是否影响发展性协调障碍的动作发展,需要今后研究给予更广泛的关注。
3 讨论与展望
尽管上述研究从不同侧面证实了发展性协调障碍的神经关联,揭示了发展性协调障碍的部分神经机制缺陷,然而不同研究得出的结论和假说还存在相当多的分歧。梳理以往研究不难发现,由于发展性协调障碍具有异质性,影响动作发育的神经因素极其复杂,因此,上述假说并不是最终定论。今后该领域研究尤其要注意以下几个方面：
首先,发展性协调障碍存在视觉空间加工和运动想象缺陷,这种障碍尽管可以作为顶叶缺陷的证据,然而,同样的证据也可以支持小脑假说。神经影像学研究表明,在心理意象和视觉感知加工过程中顶叶和小脑均被激活(；)。认为,发展性协调障碍儿童的运动想象缺陷可能是基于反馈障碍,相对于顶叶,这种功能更多地依赖于小脑。因此,有关发展性协调障碍的小脑与顶叶假说尚需更多研究的支持。
其次,发展性协调障碍和其他障碍的共存问题。发展性协调障碍和多动症常常同时出现(; ；),有高达50％的儿童被诊断为多动症,其显著特点是动作协调困难,这与发展性协调障碍有共同性。反向关系也被发现,大约有50％的发展性协调障碍儿童符合多动症诊断的标准。多动症被公认为小脑异常,与控制组相比,患有多动症儿童的小脑蚓部体积显著较小。扩散张量成像技术显示,ADHD的小脑双侧区域激活减少,并表现出机能减退的同质化趋势。Ashtari等人(2012)发现,多动症儿童的小脑左侧上脚白质束完整性明显降低。多动症与发展性协调障碍存在共同的病因,然而,并不是所有的多动症儿童有发展性协调障碍,反之亦然,发展性协调障碍与多动症是有区别的。除此之外,研究还发现,超过一半的发展性协调障碍儿童在进行语言表达测量时,其表现与特定语言学习困难儿童类似。同时,一些发展性协调障碍儿童可能有一个以上的共同病态(;),不同被试的严重程度存在差异。上述这些问题的存在可能会对研究结果造成显著影响。因此,今后在发展性协调障碍研究中被试的筛选至关重要,如果不能有效排除多动症或其他障碍的存在,就会造成研究变量的混淆,难以发现发展性协调障碍本身的神经机制特点。
第三,发展性协调障碍亚型问题。越来越多的证据表明,发展性协调障碍是一个异质群体,存在不同的亚型,无论是纯的或合并症,有不同的发病原因,不同的病因应采取相应的治疗措施。定义亚型非常重要,因为它会增加人们对具体障碍儿童病因的理解,改善诊断和治疗效果。曾通过动作计划、动作技能执行发现了3个典型的亚类型组群,第一组是在所有动作技能领域均有严重障碍；第二组动作障碍主要表现在平衡、协调和接物姿势上；第三组在动作序列化方面存在缺陷。其他亚型分类如精细动作与粗大动作缺陷等。亚类的存在,促使人们在今后研究中应进一步思考,是什么原因造成了不同的动作障碍？其神经机制有何不同？而对于合并症,他们与单纯的发展性协调障碍有何不同？采取什么方式进行治疗？所有这些问题均需进一步研究。通过亚型和合并症考察,将会更透彻的描述相关症状,发现其真正的神经机制,创造出新的研究思路,对其可能的病因采取更为有效的诊断和治疗措施。
第四,从行为到脑成像技术研究。以往有关发展性协调障碍中大脑功能缺陷的证据多基于行为学研究的推测。这些研究主要通过简单的动作技能任务,考察对照组与发展性协调障碍儿童在完成这些任务时的成绩,确定发展性协调障碍的神经机制。相对于神经影像学技术,这种方法显然已经非常落后。行为学研究仅仅是进一步考察发展性协调障碍神经机制的第一步。采用脑成像技术能够找到发展性协调障碍的直接证据。计算机断层扫描技术可以确定发展性协调障碍的哪些大脑区域受到损害。高分辨率的磁共振图像可确定发展性协调障碍儿童的大脑是否存在形态差异,并进一步确定大脑激活模式差异。ERP技术可以进一步探测发展性协调障碍的脑功能特点,而扩散张量成像技术可以用来检查白质束的完整性,是确定神经网络连接功能是否完整的关键步骤。最近,成功开发出静息状态功能连通性测量技术(fcMRI),这是一种完全非侵入性脑功能探测方法,具有快速采集大脑数据的功能,提供更加清晰的大脑网络综合评估。可以预测,随着探测大脑新技术的不断更新,将为我们今后了解特殊人群的神经机制打开一扇崭新的窗口。
