脑机接口技术治疗脑卒中后运动功能障碍研究进展

2020-05-07朱玉连梁思捷

康复学报 2020年2期

朱玉连，梁思捷

1 复旦大学附属华山医院，上海200040；

2 上海体育学院，上海200438

随着科学技术的进步，脑-计算机接口（braincomputer interface，BCI）、虚拟现实（virtual reality，VR）和增强现实（augmented reality，AR）等人工智能技术迅速发展，并逐渐应用于医学领域。BCI 因其直接作用于大脑，可以诱导大脑的可塑性，并促进大脑的功能重组，在脑卒中后康复治疗，尤其在改善脑卒中患者运动功能方面展现了一定的优越性［1］。脑卒中具有高发病率、高致残率等特点，脑卒中后会造成诸多功能障碍，其中以运动功能障碍最常见［2］，给家庭和社会带来沉重的负担。目前，脑卒中后常规的治疗技术均集中于患者的外周治疗，而忽视对患者大脑的直接干预［3］，有限的神经康复模式已无法满足中枢损伤患者日益增长的康复需求。BCI 在改善脑卒中患者运动功能和提高患者生活水平方面效果显著，本研究对BCI 技术治疗卒中后运动障碍的机制、疗效和存在的问题进行综述。

1 脑机接口简介

1.1 脑机接口的定义

脑-计算机接口（BCI）又称脑-机器接口（Brainmachine interface ，BMI），是一种硬件和软件相结合的通信系统技术，通过使用脑电活动产生的控制信号，使人类能够在不受周围神经和肌肉影响的情况下与周围环境进行交互。若只是简单地记录和分析大脑信号而不以实时交互的方式向用户提供分析结果的系统则不是BCI。BCI 通过控制计算机、语音合成器、辅助器具和神经假肢等外部设备以实现一定的功能［4］。通过这些功能，BCI 能起到改善患者的生活质量，同时降低医疗费用的作用。

1.2 脑机接口的分类

BCI 的信号一定是来源于大脑中枢系统的信号，而非中枢性信号的采集与传输则不能称为BCI。根据BCI 信号采集的位置，BCI 可分为侵入式脑机接口（invasive brain-computer interface，IBCI）与非侵入式脑机接口（noninvasive brain-computer interface，NBCI）2 类［5］。根据信号采集形式的不同，分为脑电图（electroencephalography，EEG）、皮质电图（electrocorticogram，ECoG）、脑磁图（magnetoencephalogram，MEG）、皮质内电信号图（intracortical neuron recording，INR）、近红外光谱（near infrared spectroscopy，NIRS）和功能性核磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）等。而这些神经信号采集方法主要是活动检测、时间和空间分辨率、安全性和可移动性等方面存在不同［4］。见表1。

表1 BCI 中枢神经信号采集方式Table 1 BCI central nervous signal collection methods

2 BCI 临床治疗工作原理与理论基础

2.1 BCI 临床治疗工作原理

BCI 治疗脑卒中的工作流程大致可分为信号采集、预处理或信号增强、特征提取、分类和控制接口5 个步骤。 BCI 可以利用特殊装置提取脑卒中患者的大脑信号，并通过放大器、过滤器等形成可辨别的信号，由输入系统对输入信号进行特征提取，然后将其转化为输出命令，最后通过设备将输出命令传出，通过辅助设备等帮助患者完成相应的动作，从而完成反馈［6］。见图1。

2.2 BCI 临床治疗理论基础

BCI 创造了一个新的非肌肉通道，通过训练脑卒中患者控制大脑信号，使脑卒中运动功能障碍患者能够利用大脑信号来交流和控制运动，从而绕过受损的神经肌肉系统，在此过程中将大脑的神经活动转变为人工输出，以恢复、替代或弥补大脑的神经活动输出，进而促进大脑与环境之间的交互作用，这为有严重运动障碍患者的康复治疗提供了新思路。当正常运动功能的通路失效时，BCI 可以利用大脑信号作为交流或设备控制的替代通道，或者潜在地作为一种影响大脑神经可塑性过程的方式，从而诱导正常运动的恢复［4］。神经可塑性是指神经系统在不同因素影响下，通过学习来调整结构、功能和连接的能力，它为神经功能恢复奠定了理论基础。神经可塑性的类型和程度是以任务为导向的，对时间具有一定的敏感性，在受环境影响的同时，活动的动机等也不容忽略［7］。其机制包括树突发芽、轴突发芽、备用通路利用、突触数量增加等方面［8］。在康复治疗过程中，神经可塑性对于神经损伤后运动功能的恢复至关重要，而利用大脑结构的功能重组和大脑的可塑性促进脑卒中后功能改善是目前的热点与难点问题［9］。

有研究表明，通过对预期的运动提供反馈，恢复动作的感知耦合，BCI 已经被证明可以诱导脑卒中患者大脑的神经可塑性，这与传统康复治疗过程中遵循的原则相似［10］，通过BCI 治疗能够重组脑卒中患者的大脑连接，加强神经元的功能性募集以及促进残存神经通路的重塑，从而调节患者的大脑活动。 fMRI 结果显示，通过BCI 进行治疗，脑卒中患者损伤的脑区皮质激活状态提高，促进了患者运动功能的改善。另外，通过运动再学习等模式促进功能性活动时，能够激发突触的连接，改善脑卒中患者的运动功能。而BCI 在整合其他模式一起治疗时，利用特征性的信号可以将外周性的刺激和大脑的激活相结合，形成正常的运动模式，从而促进患者肌肉的活动，提高其运动功能［11］。

图1 BCI 工作流程Figure 1 BCI work flow

3 BCI 治疗脑卒中后运动功能障碍进展

脑卒中后运动功能障碍是临床上最为常见的后遗症，具体可分为上肢、手、下肢运动功能障碍等。目前，临床上治疗脑卒中后运动功能障碍主要采取的是NBCI，EEG 是其常用的采取脑电信号方式。通过恢复和替代这2 种方法来促进脑卒中患者大脑的神经可塑性，从而帮助患者运动功能的康复。①恢复是指通过BCI 进行治疗，使脑卒中患者产生正常的大脑活动，对其神经可塑性进行干预，使中枢神经系统功能恢复到正常水平，达到改善运动控制的目的。有研究认为适当的治疗方法可以改变脑信号特征，引起周围完整区域的突触生长、突触发生增加以及轴突发芽增多等神经元功能的改变［12］。通过诱导这些脑活动特征的改变，BCI 可以引导神经可塑性，完善脑卒中患者治疗过程，从而促进其运动功能的恢复。 ②替代是指使用大脑活动来激活辅助运动的设备，通过改善脑卒中患者运动功能，来产生感觉输入，从而诱导中枢神经系统的可塑性，促进其恢复正常的运动控制，实现替代上、下肢的运动等。脑卒中患者通常无法自主进行正常运动，需借助其他方式协助完成，常使用的辅助设备包括功能性电刺激、外骨骼和机器人假体等。

3.1 BCI 治疗脑卒中后上肢运动功能障碍进展

VARKUTI 等［13］利用基于运动想象的BCI 技术对6 名慢性期脑卒中患者进行治疗，发现5 名患者Fugl-Meyer 上肢功能评分明显提高。另有研究比较BCI 联合机器人辅助治疗和机器人单独治疗9 例慢性期中重度脑卒中患者患侧上肢运动功能的康复效果，发现BCI 联合机器人辅助治疗组患侧上肢运动功能改善更显著，患者受损脑部结构和神经可塑性功能也得到改善［14］。国外随机对照试验结果也表明BCI 结合功能性电刺激或经颅直流电刺激技术可以有效改善脑卒中患者上肢运动功能［15］。

3.2 BCI 治疗脑卒中后手运动功能障碍进展

DALY 等［16］观察脑卒中患者患侧手进行抓取任务时的脑电图活动，发现这些脑电图特征信号随着运动的改善而改变。刘小燮等［17］对脑卒中患者进行4 周基于运动想象的脑机交互康复训练治疗，fMRI扫描显示病灶同侧大脑代偿功能逐渐恢复，病灶对侧大脑的泛化激活减少，大脑皮质重塑，激活模式接近正常模式，患侧手运动功能也出现一定提高。ANG 等［18］应用BCI 治疗脑卒中患者，发现可以有效改善患者上肢运动功能，促进后遗症期脑卒中患者患侧手和腕关节的康复。

3.3 BCI 治疗脑卒中后下肢运动功能障碍进展

TAYLOR 等［19］利用BCI 对脑卒中患者进行干预，在受试者踝关节背屈时进行运动想象，使用脑电图采集运动相关电位，研究发现BCI 治疗可改善脑卒中患者下肢的运动皮质兴奋性。方文垚等［20］对20 名脑卒中患者在常规治疗基础上进行下肢BCI治疗，结果显示患者下肢肌力以及下肢Fugl-Meyer评分较治疗前明显提高。

3.4 BCI 治疗脑卒中后步行功能障碍进展

CHUNG 等［21］应用BCI 结合功能性电刺激治疗脑卒中患者，结果显示患者起立行走计时、步幅和步宽均有明显提高，该疗法可以有效改善脑卒中患者步行功能和平衡功能。有研究应用BCI 干预重度脑卒中患者，发现BCI 干预组患者的10 m 步行速度以及运动诱发电位显著提高［22］。

4 BCI 治疗脑卒中后运动功能障碍存在的不足

BCI 作为一种全新的控制与交流方式，被逐渐应用于临床，特别是在脑卒中患者疗效较为显著，但BCI 治疗仍处于起步阶段，尚有许多不足［23］。

4.1 BCI 信号采集质量有待提高

BCI 设备质量问题主要包括脑卒中患者大脑信号采集质量、信号加工的长期效用等，这些因素会影响脑电信号的采集和应用，从而影响治疗效果［24］。

4.2 BCI 治疗运动处方参数设置亟待规范

从现有研究来看，BCI 治疗脑卒中患者的具体恢复机制以及影响BCI 康复治疗有效性的因素尚不明确，具体包括脑卒中患者的损伤类型及恢复阶段以及BCI 治疗脑卒中患者时的强度、类型和治疗时间等。这些不确定因素将影响BCI 治疗运动处方的制定，从而影响治疗效果。这还需要更大规模的临床研究以及fMRI 等影像学检查进一步验证。

4.3 BCI 治疗方式选择存在难点

目前，脑卒中康复治疗的BCI 主要包括IBCI和NBCI。 IBCI 需要通过外科手术将芯片等硬件植入患者大脑，虽在神经信号采集和传输方面有一定的优势，但也会造成继发性损伤或感染，患者通常不易接受，伦理审查也很难通过［25］。而NBCI 虽因安全、方便、无创而受到较多患者青睐，但其采集信号精度却不如IBCI［3］。因此，如何平衡IBCI 和NBCI在脑卒中治疗过程中的有效性和安全性，还需要进一步研究［26］。