腦機(jī)接口技術(shù)在慢性腦卒中患者上肢康復(fù)中的研究進(jìn)展

何艷，張通

1.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，北京市 100068；2.中國康復(fù)研究中心北京博愛醫(yī)院，a.運(yùn)動(dòng)療法科；b.神經(jīng)康復(fù)科，北京市100068

腦卒中是全球成年人致殘的主要原因之一[1]，超過85%的患者存在運(yùn)動(dòng)功能障礙，日常生活活動(dòng)難以獨(dú)立完成，導(dǎo)致生活質(zhì)量下降[2]。慢性腦卒中患者的大腦會(huì)發(fā)生重組，有限使用受損半球，過度使用對側(cè)半球，從而導(dǎo)致半球間抑制增加，阻礙損傷周圍殘存區(qū)域的興奮性重組，不利于運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)[3]。

55%～75%慢性腦卒中患者存在上肢運(yùn)動(dòng)障礙[4]，而上肢功能是康復(fù)的主要目標(biāo)[5]，治療師要最大限度恢復(fù)患者上肢功能[6]。強(qiáng)制性運(yùn)動(dòng)療法(constraint-induced movement therapy,CIMT)、作業(yè)治療、虛擬現(xiàn)實(shí)和其他運(yùn)動(dòng)干預(yù)對輕、中度腦卒中患者都有一定效果[7]，但長期療效存在一定爭議[8-9]，且通常不適用于重度腦卒中患者，因?yàn)橹囟然颊邿o法移動(dòng)患肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，治療效果不可預(yù)測[10-12]。這類患者能選擇的治療方法有限，在慢性期仍存在嚴(yán)重活動(dòng)受限[10,13]。

激活患者大腦可塑性機(jī)制，促進(jìn)受損神經(jīng)元修復(fù)和再生，成為腦卒中康復(fù)的新趨勢[14]。在這種情況下，腦機(jī)接口(braincomputer interface,BCI)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 BCI的機(jī)制

BCI 是刺激中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)的有效方法，可幫助患者激活大腦可塑性機(jī)制[4]。BCI 將大腦信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)指令，刺激癱瘓肢體，在大腦和肢體運(yùn)動(dòng)之間建立聯(lián)系，激活神經(jīng)可塑性[4]。對慢性重度腦卒中患者，BCI 可誘導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)任何水平信息通路重新連接或激活[3]，有望成為一種新的康復(fù)治療方法。

2 BCI技術(shù)

BCI 無需外周神經(jīng)和肌肉參與，將大腦活動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，并利用這些信號(hào)控制外部設(shè)備[15]。BCI 記錄、解碼大腦信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為效應(yīng)動(dòng)作。幾項(xiàng)隨機(jī)對照試驗(yàn)顯示[16-17]，基于腦電圖等非侵入性技術(shù)的BCI 有助于完全癱瘓的腦卒中患者功能恢復(fù)。

2.1 信號(hào)采集

記錄大腦活動(dòng)的技術(shù)包括侵入性方法和非侵入性方法[3]。侵入性BCI 系統(tǒng)使用腔內(nèi)微電極陣列(硬膜下電極或硬膜外電極)，用于機(jī)械臂的閉環(huán)控制和電刺激[18]。這些侵入性方法已在實(shí)驗(yàn)室取得部分成功[19]，但終身植入的有效性受到質(zhì)疑[20]，全植入式裝置正在開發(fā)中[19]。

非侵入性BCI 信號(hào)記錄具有安全、便攜和低成本的優(yōu)點(diǎn)，通常采用腦電圖技術(shù)。無線腦電圖系統(tǒng)簡化設(shè)置并減少移動(dòng)產(chǎn)生的偽影，應(yīng)用越來越廣泛[21]。其他非侵入性方法還有腦磁圖、功能磁共振成像(functional magnetic resonance,fMRI)和近紅外光譜(near infrared spectrum instrument,NIRS)等[22]。

近年來已設(shè)計(jì)出混合腦機(jī)接口(hybrid brian computer interface,hBCI)，以克服傳統(tǒng)BCI 的局限，提高解碼精度和自由度[23]。但相關(guān)研究仍處于初級(jí)階段[24]。

2.2 信號(hào)處理與解碼

采集的大腦信號(hào)通過處理后，提取相關(guān)特征，轉(zhuǎn)化為可用信息，用于控制外部設(shè)備。對BCI精度和效果影響最大的因素仍然是神經(jīng)活動(dòng)的記錄[3]。侵入性方法有較高的信噪比，可以解碼同一肢體的不同運(yùn)動(dòng)；非侵入性方法可以區(qū)分單一運(yùn)動(dòng)指令和靜止指令[25]。最近的研究提出解碼同一肢體不同運(yùn)動(dòng)的方法[26-27]，但它們在閉環(huán)場景中的整合尚待證明。

目前臨床實(shí)踐面臨兩個(gè)主要挑戰(zhàn)，特別是在非侵入方法，信號(hào)特征會(huì)隨時(shí)間而變化，以及人工活動(dòng)會(huì)造成信號(hào)污染[27-28]，這些偽影可由BCI控制的設(shè)備產(chǎn)生[29]，也可由生理原因(如吞咽等)[30]產(chǎn)生。

2.3 設(shè)備控制

從腦電活動(dòng)中解碼的命令可以用于控制不同的康復(fù)設(shè)備，以誘導(dǎo)患者的功能恢復(fù)[31]。其中可以用機(jī)器人系統(tǒng)移動(dòng)患者癱瘓的肢體，精確執(zhí)行重復(fù)任務(wù)[32]。目前已出現(xiàn)數(shù)百種具有不同自由度和復(fù)雜度的機(jī)器人裝置。通過腦電圖控制的外骨骼機(jī)器人可用于控制患者的手[33]、上肢[31]，或者執(zhí)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)[34]。

2.4 BCI控制與學(xué)習(xí)

患者訓(xùn)練前需要學(xué)習(xí)如何控制BCI 系統(tǒng)；而學(xué)習(xí)控制BCI會(huì)產(chǎn)生大腦活動(dòng)的變化，如大腦皮質(zhì)慢電位和血氧水平依賴成像等的變化。還需要進(jìn)一步研究，將神經(jīng)生理學(xué)變化與運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)聯(lián)系起來[33]。運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)包含同側(cè)肢體狀態(tài)的重要信息[35]，這對患者至關(guān)重要，因?yàn)閷?cè)半球的活動(dòng)可作為半球嚴(yán)重受損患者學(xué)習(xí)控制BCI的信號(hào)[36]。

3 BCI在慢性腦卒中患者上肢康復(fù)中的應(yīng)用

2008年首次將BCI應(yīng)用于腦卒中康復(fù)；2013年，第一個(gè)隨機(jī)對照試驗(yàn)證明BCI 對完全癱瘓腦卒中患者的康復(fù)療效[33]。之后，其他研究也得到類似結(jié)果[1,37-38]。

由于BCI的主要優(yōu)勢在于它可以為無運(yùn)動(dòng)殘留的患者提供運(yùn)動(dòng)相關(guān)控制信號(hào)，因此大多數(shù)研究只招募處于慢性期的重度腦卒中患者[31,33,39-40]。在不同研究中，用于提供反饋的促動(dòng)器各不相同，有的使用機(jī)器人或矯形裝置[31,33,39]，有的使用電刺激[40]，有的僅使用視覺反饋。

干預(yù)強(qiáng)度每次30～90 min，每周3～5 次，持續(xù)2～8 周不等。Ramos-Murguialday 等[38]對慢性腦卒中患者進(jìn)行每周5 次共4 周訓(xùn)練，上肢運(yùn)動(dòng)功能甚至得到長期改善。

大多數(shù)研究將Fugl-Meyer評定量表上肢部分作為主要療效評定指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)BCI訓(xùn)練后運(yùn)動(dòng)功能改善[31,33,39]。BCI訓(xùn)練不僅可以改善上肢運(yùn)動(dòng)功能，包括手和手臂，還能在運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)誘導(dǎo)神經(jīng)組織變化[41-42]。

3.1 BCI訓(xùn)練

目前，基于運(yùn)動(dòng)想象(motor imagery,MI)的BCI 訓(xùn)練(MIBCI)非常流行。Carvalho等[43]認(rèn)為，利用腦電圖的MI-BCI有望成為腦卒中患者新的康復(fù)方法。雖然很多隨機(jī)對照試驗(yàn)證明慢性腦卒中患者接受MI-BCI 干預(yù)后運(yùn)動(dòng)功能改善，但仍不足以表明BCI 訓(xùn)練優(yōu)于傳統(tǒng)康復(fù)療法。Ang 等[44]發(fā)現(xiàn)，利用腦電圖的MI-BCI對腦卒中患者手腕和手部康復(fù)有效，但MI的積極作用不明顯。這可能是由于MI-BCI 對患者的認(rèn)知能力和注意力有嚴(yán)格要求。Cervera 等[45]的Meta 分析也提到，大多數(shù)研究的結(jié)果是積極的，少數(shù)研究有負(fù)面結(jié)果，BCI 訓(xùn)練對腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能有中等或較大影響，但需要更大樣本研究提高結(jié)果的可靠性。

Ramos-Murguialday 等[38]對重度慢性腦卒中患者(卒中6 個(gè)月后)進(jìn)行BCI訓(xùn)練(試驗(yàn)組)和運(yùn)動(dòng)療法訓(xùn)練(對照組)，訓(xùn)練后，試驗(yàn)組成功控制了同側(cè)肢體的感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律(sensorimotor rhythm,SMR)去同步化，同時(shí)轉(zhuǎn)化為固定在肢體上的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，而對照組機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)隨機(jī)發(fā)生，與患者SMR 去同步化無關(guān)。訓(xùn)練結(jié)束6 個(gè)月后，試驗(yàn)組Fugl-Meyer 評定量表評分持續(xù)改善，主要保留為手臂功能的評分；對照組評分無明顯變化。家庭訓(xùn)練的頻率/強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)功能間沒有顯著相關(guān)性。該研究表明，重度慢性腦卒中患者進(jìn)行BCI訓(xùn)練后，成功促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)和與功能恢復(fù)相關(guān)的皮質(zhì)重組，并引起運(yùn)動(dòng)功能的持久改善。但該研究樣本量較少，雖然進(jìn)行了功能恢復(fù)與病變部位的相關(guān)性分析，顯示病變部位可能不是影響因素。進(jìn)一步選擇具有特定病變部位的患者，可以研究患者病變部位對BCI訓(xùn)練效果的影響。

Marin-Pardo 等[37]采用REINⅤENT 虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)系統(tǒng)，利用基于腦電圖的BCI 訓(xùn)練4 例腕部活動(dòng)嚴(yán)重受限的慢性腦卒中患者(卒中6 個(gè)月后)，結(jié)果顯示，所有患者都表示喜歡虛擬環(huán)境，肌肉得到充分激活，產(chǎn)生可檢測的運(yùn)動(dòng)，臨床評分也有提高，與先前報(bào)道的BCI 訓(xùn)練相當(dāng)[46-47]。此外，訓(xùn)練誘發(fā)了大腦皮質(zhì)變化。但由于樣本量較小，不足以推廣到較大人群中。

3.2 BCI訓(xùn)練與其他方法聯(lián)合使用

當(dāng)BCI 與機(jī)器人和電刺激相結(jié)合[31]時(shí)，治療效果與傳統(tǒng)物理療法相似，尤其是在中重度患者[48]。重度慢性腦卒中患者可通過BCI檢測運(yùn)動(dòng)意圖，聯(lián)合電刺激驅(qū)動(dòng)手部肌肉收縮，改善患者手指伸展功能[49]。

將BCI 與其他訓(xùn)練方法聯(lián)合使用，如基于腦電圖的MIBCI 結(jié)合功能性電刺激(functional electric stimulation,FES)和作業(yè)療法[40]，物理療法和針灸療法[43]，傳統(tǒng)作業(yè)療法[40-50]或機(jī)器人康復(fù)[31,33]，其中BCI 與物理療法結(jié)合更具優(yōu)勢，不僅可促進(jìn)功能恢復(fù)，對大腦激活模式正常化也有良好作用[50]。

4 小結(jié)

BCI 訓(xùn)練能成功應(yīng)用于慢性腦卒中患者，使患者上肢運(yùn)動(dòng)功能產(chǎn)生有臨床意義的改善[1]，并誘導(dǎo)神經(jīng)組織重塑[41-42]，并使我們對大腦工作機(jī)制和神經(jīng)可塑性機(jī)制的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深[3]。

但BCI訓(xùn)練仍存在一些局限性。

首先，準(zhǔn)確解碼上肢各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，以提供更高的靈巧度和控制能力仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)[3]。盡管可植入電極可以準(zhǔn)確解碼運(yùn)動(dòng)意圖，但侵入性BCI的接受度仍然較低，這主要與手術(shù)及術(shù)后并發(fā)癥有關(guān)[51]。hBCI 能更好地將大腦和肌肉活動(dòng)聯(lián)系，已取得一定成果，但仍處于初步發(fā)展階段，需要進(jìn)一步試驗(yàn)評估其有效性[3]。

其次，并不是所有患者都能學(xué)會(huì)如何控制大腦活動(dòng)，即使沒有臨床疾病，也需要進(jìn)行大量研究預(yù)測誰可以控制BCI[37]。大多數(shù)腦卒中患者存在皮質(zhì)下?lián)p傷，皮質(zhì)回路保持完整，產(chǎn)生MI 的能力更好，但也可能干擾BCI 的控制能力[31,50]。皮質(zhì)卒中患者進(jìn)行BCI訓(xùn)練是否有同樣效果也值得研究。

再次，BCI 技術(shù)是在對患者“讀腦”和“控腦”，要注意規(guī)范相關(guān)倫理問題[52]。在家中自行管理BCI 也是一個(gè)重大挑戰(zhàn)[37]。

BCI 在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用研究有限，多數(shù)研究樣本量小[5]。同時(shí)，缺乏對潛在機(jī)制的了解，有些訓(xùn)練任務(wù)遠(yuǎn)離日常生活活動(dòng)[5]。異質(zhì)性是腦卒中不可忽略的特征，很多研究沒有對患者進(jìn)行分層。對患者和治療師施盲不太可能，設(shè)立只有一個(gè)關(guān)鍵變量被隔離的對照組幾乎不可能。為了測試單一治療的效果，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該協(xié)調(diào)起來，招募更多患者[53]，這意味著成本高昂的多中心和國際合作。

BCI 在慢性腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)中有良好的應(yīng)用前景。未來需要設(shè)計(jì)良好、大樣本、國際多中心合作的臨床研究，進(jìn)一步研究BCI對慢性腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能的療效和機(jī)制。采用新的神經(jīng)成像方法，開發(fā)家用便攜式系統(tǒng)，增加個(gè)性化治療[5]。

隨著BCI應(yīng)用的增加，還需要更多臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持其在康復(fù)中的利弊，包括運(yùn)動(dòng)意圖解碼的準(zhǔn)確性，確定BCI管理和有效性訓(xùn)練的指導(dǎo)方針，研究BCI技術(shù)的作用時(shí)間、頻率、強(qiáng)度等。鼓勵(lì)針對患者分層和量身定制治療。BCI 訓(xùn)練影響神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)制也有待進(jìn)一步研究。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。