脑机接口在脊髓损伤康复中的应用展望

姜仲博,郭艳波,吕文学,岳亮,王德恒,蔡余力*

(1.山东中医药大学,山东 济南 250013;2.山东中医药大学附属医院关节骨科,山东 济南 250014)

脑机接口(brain-computer interface,BCI)通过获取大脑神经活动来控制外部设备,实现与外部数据的实时交互,分为侵入式BCI和非侵入式BCI,目前已被广泛应用于脑卒中后康复、脊髓损伤康复等领域[1-2]。

Vidal[3]在1973年尝试首次采用脑电图在人与计算机之间进行通信,并使用“脑机接口”一词。脑机接口通过分析神经元信号,转换为相应运动指令输送至外部设备,并实时获取与外界交互信息,通过电刺激激活感觉神经元,促使脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)患者运动功能和感觉功能恢复[1]。但BCI的功能并不局限于此,它可以基于多种平台或系统,增强感觉反馈,促进神经回路重塑和感觉功能进一步恢复[4]。BCI还可以通过构建新型交互模式,缓解SCI患者慢性疼痛,在缓解SCI患者继发性疼痛、改善心理状况及心肺功能方面发挥重要作用[5]。此外,BCI通过电刺激来恢复截瘫患者肌肉自主控制,如在地面刺激运动(stimulation movement overground,STIMO)临床试验中,SCI患者经脊髓硬膜外电刺激后,对髋部肌肉的自主控制明显改善,这种改善具有长期稳定性[6];将BCI与虚拟现实技术(virtual reality,VR)结合,对患者进行上肢及手部功能锻炼,也观测到了类似结果[7]。BCI作为非接触式交互工具,能够在骨科手术中通过手势感应操作影像系统,简化交互程序,缩短手术时间[8]。值得注意的是,Makin等[9]讨论了使用BCI解决截肢术后患肢痛的可能性,有望在未来得到应用。

脑机接口在骨科领域有巨大应用潜力,通过调控大脑与外周神经,针对多种疾病实现神经-运动交互,不仅提升其神经及运动恢复功能,还能赋予其额外功能,包括防止肌肉萎缩、改善心理状况、保护器官功能等。目前医疗辅助机器人操作以及手术中影像控制成为BCI新兴的研究方向,随着脑机接口设计理念改进以及虚拟现实技术等的不断整合,未来的BCI将在骨科手术、运动康复领域掀起更加深刻的变革。