基于腦機接口的康復(fù)訓(xùn)練在腦卒中上肢康復(fù)中的研究進展

李丹,劉玲玉,靳令經(jīng),王茹

2019年全球疾病負擔(dān)數(shù)據(jù)顯示,腦卒中是我國乃至全球成人致死、致殘的主要原因[1-2]。腦卒中患者常遺留肢體運動功能障礙[3],73%～88%的首次腦卒中患者和55%～75%的慢性腦卒中患者可遺留上肢運動障礙[4-5],盡管物理治療、強制性運動療法等多種康復(fù)治療技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于腦卒中上肢功能康復(fù),仍有約20%～30%的患者不適用這些康復(fù)策略[6]。因此,探索新的、有效的康復(fù)訓(xùn)練方法至關(guān)重要。腦機接口(brain-computer interface,BCI)可以通過獲取大腦神經(jīng)活動進而控制外部設(shè)備,外部設(shè)備也會相應(yīng)地給大腦發(fā)送反饋信息,實現(xiàn)大腦意圖和實際行動之間的雙向聯(lián)系。這個過程由信號采集、信號處理和交互控制三個模塊組成[7]?；谶\動想象(motor imagery,MI)的BCI是最流行的BCI范式[8]。近年來,基于BCI的多種康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)在腦卒中后上肢康復(fù)領(lǐng)域發(fā)展迅速,本文將基于BCI的不同訓(xùn)練系統(tǒng)在腦卒中上肢功能康復(fù)中的應(yīng)用及機制研究進展進行概述。

1 BCI系統(tǒng)

BCI系統(tǒng)利用用戶的大腦活動信號作為人和環(huán)境之間通信的媒介,使受試者能夠通過大腦活動操作外部設(shè)備,不受周圍神經(jīng)或肌肉的控制。按照信號采集的位置,把BCI系統(tǒng)分為侵入式BCI和非侵入式BCI。雖然前者采集的腦信號精確度更高和信噪比均更高,但是鑒于其存在創(chuàng)傷感染、異物反應(yīng)及生成瘢痕等風(fēng)險和倫理問題[9],因此非侵入式BCI仍然是首選。按照信號采集的方式,可分為腦電圖、腦磁圖、近紅外光譜技術(shù)和功能性核磁共振成像等,其中腦電圖是最常見的信號采集方式。MI、事件相關(guān)電位P300、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(steady-state visual evoked potential,SSVEP)是腦電圖常見的信號來源[10],它們構(gòu)成了不同的BCI范式。我們有必要了解基于腦電圖的三種BCI范式的原理和各自的優(yōu)、缺點。①MI-BCI:原理,通過提取想象不同肢體部位運動時運動皮質(zhì)節(jié)律信號的變化特征以控制外部設(shè)備;優(yōu)勢,控制信號屬于自主誘發(fā)腦電,而無需外界特定刺激;劣勢,需要較多訓(xùn)練學(xué)習(xí)控制大腦節(jié)律;指令集有限;分類速率和正確率有待提高;個體差異性較大。②P300-BCI:原理,P300由刺激誘發(fā)的潛伏期約300ms的晚期正波,與注意等認知功能有關(guān);優(yōu)勢,訓(xùn)練難度低;系統(tǒng)穩(wěn)定可靠;信息正確率較高;適合嚴重殘疾患者獨立長期在家庭環(huán)境中使用;劣勢,對于眼部肌肉控制有障礙人群受限;注意力和視覺高度集中易引起疲勞感;幅值低而難以檢測。③SSVEP-BCI:原理,通過快速重復(fù)刺激誘發(fā)腦電地穩(wěn)定振蕩;優(yōu)勢,信息傳輸率較高;輸出指令集豐富;訓(xùn)練難度低;劣勢,快速重復(fù)的視覺刺激易引發(fā)視覺疲勞;對于眼部肌肉控制有障礙人群受限;依賴刺激源。近幾年,隨著BCI技術(shù)的迅速發(fā)展,基于腦電圖的混合BCI范式也成為了研究熱點。Yu等[11]將MI和SSVEP相結(jié)合的混合BCI范式中,SSVEP可以為MI練提供有效的持續(xù)反饋,從而更有效地識別受試者的意圖。Zuo等[12]鑒于SSVEP易引發(fā)視覺疲勞,提出了一種將P300和MI結(jié)合的混合BCI,不僅可以讓被試通過更柔和的刺激來有效地調(diào)節(jié)感覺運動節(jié)律,還可以通過P300提高BCI訓(xùn)練初始階段的反饋準確性。

2 基于BCI模式的訓(xùn)練在腦卒中后上肢康復(fù)中的應(yīng)用

BCI常與不同外部設(shè)備聯(lián)合進行訓(xùn)練,通過采集腦電信號、計算機處理解碼患者意圖,將信息轉(zhuǎn)換為有效的命令信號輸出至外部設(shè)備,外部設(shè)備執(zhí)行指令并提供本體感覺反饋或視覺反饋,形成主動式閉環(huán)反饋回路幫助患者調(diào)節(jié)神經(jīng)活動,從而促進神經(jīng)可塑性和肢體運動功能恢復(fù)[13]。目前常用的外部設(shè)備有功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)、上肢康復(fù)機器人和視覺反饋設(shè)備。

2.1 基于BCI模式的FES訓(xùn)練 FES應(yīng)用一定強度的低頻脈沖電流,按需編定程序,作用于神經(jīng)肌肉系統(tǒng),以產(chǎn)生運動或模仿正常自主運動,從而補償或替代受損個體已喪失的功能[14]。Jang等[15]對腦卒中患者肩關(guān)節(jié)半脫位處進行BCI-FES或FES治療共30次,每次20min,持續(xù)6周;電刺激時間為15s,頻率35 Hz,強度1～50 mA。結(jié)果表明,BCI-FES訓(xùn)練比單獨FES訓(xùn)練更有助于改善腦卒中后的肩關(guān)節(jié)半脫位,并改善肩部的屈曲和外展活動。Biasiucci等[16]對27例嚴重手部癱瘓的腦卒中患者進行BCI-FES訓(xùn)練(試驗組)對照組采用假刺激干預(yù),每周2次,每次60min,持續(xù)5周;FES電流強度10～25 mA,頻率16～30 Hz。訓(xùn)練后,試驗組上肢Fugl-Meyer評定量表(Fugl-Meyer assessment,FMA)評分明顯高于對照組,并且效果能維持至訓(xùn)練結(jié)束后6～12個月,這表明BCI與FES聯(lián)合訓(xùn)練能更加有效改善慢性腦卒中患者的上肢運動功能。Tabernig等[17]對8例腦卒中患者進行BCI-FES訓(xùn)練,每周4次,每次60 min;FES產(chǎn)生最大強度為40 mA、頻率為2.5pps、持續(xù)0.2ms的雙向矩形脈沖電流。訓(xùn)練后患者上肢FMA評分顯著提高,痙攣、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)主動屈曲活動度和生活質(zhì)量均有所改善。

2.2 基于BCI模式的上肢康復(fù)機器人訓(xùn)練 上肢康復(fù)機器人是交互式電動設(shè)備,分為外骨骼和末端執(zhí)行器兩種構(gòu)型,前者通過控制每個節(jié)段的外骨骼位移來輔助肢體運動的,后者從遠端應(yīng)用點移動肢體[18-20]。上肢康復(fù)機器人可提供重復(fù)、高強度和特定任務(wù)訓(xùn)練,刺激、重新激活和整合參與運動回路的體感系統(tǒng)輸入,促進感覺運動重組,對精細動作的康復(fù)有較好的效果[21-22]。BCI先將患者的大腦神經(jīng)活動轉(zhuǎn)化為上肢機器人的動作輸出,驅(qū)動或輔助患者執(zhí)行規(guī)范的動作,同時上肢機器人也受到患者的直接控制[23-24]。2014年Ang等[25]報道了136次基于BCI的外骨骼反饋訓(xùn)練可以獲得與傳統(tǒng)機器人訓(xùn)練1040次相似的恢復(fù)效果,表明了BCI機器人訓(xùn)練的價值。在Frolov等[26]的一項多中心隨機對照研究中,試驗組55例腦卒中患者接受BCI控制的手部外骨骼主動訓(xùn)練,對照組19例患者僅接受手部外骨骼被動訓(xùn)練,兩組都接受常規(guī)物理治療,共訓(xùn)練10次,每次30min。結(jié)果顯示,2組的上肢FMA結(jié)果和上肢動作研究量表(action research arm test,ARAT)結(jié)果均有改善,但對照組中的抓、捏和粗大動作得分無顯著改善,且試驗組FMA和ARAT結(jié)果改善達到最小臨床重要差異患者的比例分別比對照組高4.3倍和2.3倍。Bhagat等[27]對10名腦卒中患者肘關(guān)節(jié)處進行BCI控制的動力外骨骼訓(xùn)練,每周3次,持續(xù)4周。訓(xùn)練后上肢FMA和ARAT評分顯著提高,患者動作的速度和流暢性改善。Chen等[28]把14例腦卒中患者隨機分為BCI組和對照組,發(fā)現(xiàn)BCI組干預(yù)前后的改善率(12.77%)高于對照組(7.14%),BCI組運動恢復(fù)良好的患者(57.1%)也多于對照組(28.6%)。Ramos等[29]和Cheng等[30]都認為對具有上肢功能障礙的腦卒中患者進行BCI控制機器人干預(yù),可使患者獲得持久的上肢功能改善。Guo等[31]探究了基于SSVEP的BCI控制機器人對腦卒中后上肢康復(fù)的療效,將30例腦卒中后患者隨機平均分為3組,分別接受常規(guī)治療、機器人治療和BCI機器人治療,發(fā)現(xiàn)BCI機器人組的患者FMA評分在訓(xùn)練后顯著改善,認為SSVEP-BCI控制機器人比僅機器人康復(fù)效果更好。

2.3 基于BCI模式的視覺反饋訓(xùn)練 視覺器官在接收外界刺激后,視覺中樞參與和形成視覺感知反應(yīng)和認知反饋。視覺反饋訓(xùn)練能給予患者豐富的視覺和日常生活情景模擬,對防治廢用綜合征及加速上肢運動功能恢復(fù)具有重要意義[32]。提供視覺反饋的形式從二維的圖片、文字發(fā)展到三維的虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR),反饋內(nèi)容也變得更加多樣化和具有激勵性。Pichiorri等[33]將28例腦卒中患者隨機分為BCI組和無BCI對照組,在MI任務(wù)過程中,通過計算機屏幕向患者提供癱瘓手閉合和打開的視覺表征形式反饋,BCI組患者上肢FMA評分和肌力增加更顯著。Foong等[34]采用一種MI-BCI模式下的視覺反饋系統(tǒng),對13名腦卒中患者進行6周的上肢訓(xùn)練。訓(xùn)練后患者上肢FMA評分在第12和24周時明顯提高,表明MI-BCI系統(tǒng)結(jié)合視覺反饋訓(xùn)練能幫助腦卒中患者維持短期上肢運動功能改善。Halme等[35]發(fā)現(xiàn),MI過程會導(dǎo)致運動皮層功能變化,但這種效果不是通過視覺反饋來實現(xiàn)的,認為純粹的視覺反饋對神經(jīng)康復(fù)的影響還有待證實。

2.4 基于BCI模式的多模態(tài)反饋訓(xùn)練 如前所述,基于BCI模式的FES、上肢康復(fù)機器人可提供本體感覺反饋以及基于BCI模式的視覺反饋訓(xùn)練可有效促進腦卒中后上肢運動功能改善。不同的反饋信息產(chǎn)生不同的作用效果,基于BCI的多模態(tài)反饋可能使療效更顯著[36]。Miao等[37]對腦卒中后遺癥期患者進行BCI-FES訓(xùn)練,虛擬肢體和FES都被用作反饋,幫助患者通過視覺和感官途徑改善上肢運動功能。Hu等[38]也發(fā)現(xiàn)結(jié)合感覺和視覺反饋的BCI訓(xùn)練可以增強MI能力,有效改善慢性腦卒中患者的上肢和手部功能障礙。

3 基于BCI模式的訓(xùn)練聯(lián)合其他訓(xùn)練方法在腦卒中后上肢康復(fù)中的應(yīng)用

Johnson等[39]發(fā)現(xiàn)將BCI訓(xùn)練與重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(repeated transcranial magnetic stimulation,rTMS)結(jié)合,通過下調(diào)來自對側(cè)半球的過度抑制并增加同側(cè)病變皮質(zhì)的激來促進腦卒中后運動活動和行為功能改善。Lee等[40]將BCI-FES系統(tǒng)與動作觀察訓(xùn)練(action observation training,AOT)與結(jié)合,發(fā)現(xiàn)干預(yù)后腦卒中患者上肢FMA評分、腕屈曲活動度以及日常生活活動評分均提高。Li等[41]將多感官反饋(本體感覺、視覺、聽覺)的BCI訓(xùn)練與音頻提示、運動觀察訓(xùn)練以及常規(guī)療法結(jié)合,結(jié)果表明可以促進腦卒中患者持久的上肢運動改善。Chen等[42]將SSVEP-BCI系統(tǒng)與增強現(xiàn)實(augmented reality,AR)以及計算機視覺相結(jié)合,構(gòu)建了一種新型的機器人控制系統(tǒng),AR允許機械手臂和視覺刺激都在用戶的視野內(nèi),可緩解用戶注意力轉(zhuǎn)移的問題,使用戶與機械手臂之間的交互變得更加自然和直觀。

4 基于BCI的康復(fù)訓(xùn)練影響腦卒中上肢運動功能康復(fù)的神經(jīng)機制

目前普遍認為BCI訓(xùn)練影響腦卒中后上肢運動功能康復(fù)的機制與神經(jīng)可塑性密切相關(guān),但仍不十分明確,可能主要包括以下三個方面[43-44]。

4.1 皮質(zhì)激活狀態(tài)改變 皮質(zhì)激活狀態(tài)可由事件相關(guān)去同步化(event-related desynchronization,ERD)來反映,更強的ERD代表更好的大腦功能和大腦可塑性[45]。Chen等[28]發(fā)現(xiàn)對側(cè)感覺運動皮層的ERD隨著BCI干預(yù)時間的持續(xù)增強,而患者的上肢運動功能也得到更大的改善。Bhagat等[27]認為BCI訓(xùn)練后患側(cè)半球的激活程度更高,對側(cè)半球的抑制程度更高。Ang等[44]發(fā)現(xiàn)經(jīng)BCI訓(xùn)練后的患者大腦對稱性指數(shù)與上肢運動功能改善程度呈負相關(guān),即腦電不對稱程度越高的患者運動功能改善越少,提示雙側(cè)皮層半球的激活更有利于上肢運動功能恢復(fù)。這表明改變皮質(zhì)激活狀態(tài)是BCI訓(xùn)練促進腦卒中上肢康復(fù)的重要機制,但具體哪側(cè)大腦半球被激活尚存在爭議。

4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能連接的改變 Wu等[46]發(fā)現(xiàn)BCI訓(xùn)練后,半球間和半球內(nèi)的功能連接(functional connectivity,FC)增加,并且兩半球間的體感聯(lián)合皮層和殼核之間FC增加與手部控制和功能恢復(fù)顯著相關(guān)。Yuan等[47]利用靜息態(tài)功能磁共振技術(shù)(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)和任務(wù)態(tài)功能性磁共振技術(shù)(task-based functional magnetic resonance imaging,task-based fMRI)以及彌散張量成像技術(shù)(diffusion tensor imaging,DTI)研究BCI干預(yù)后大腦的功能重組及其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),發(fā)現(xiàn)病灶同側(cè)運動區(qū)和某些病灶對側(cè)運動區(qū)之間的FC顯著增加,同側(cè)M1的FC變化與上肢運動功能改善顯著相關(guān);感覺運動區(qū)的兩半球間FC和偏側(cè)性指數(shù)增加共同表明了上肢運動功能恢復(fù)過程中兩半球的重新平衡。近期一項研究在對腦卒中患者實施BCI干預(yù)并使用功能性近紅外光譜技術(shù)(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)檢測神經(jīng)可塑性變化,發(fā)現(xiàn)與患手抓握相關(guān)的大腦激活模式變化以及BCI訓(xùn)練后同側(cè)M1區(qū)與額葉皮層之間的FC增強[48]。

4.3 皮質(zhì)脊髓束完整性改變 除了大腦不同腦區(qū)間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能的變化機制外,BCI訓(xùn)練還可通過提高皮質(zhì)脊髓束的完整性來調(diào)節(jié)神經(jīng)可塑性,從而促進運動功能的改善[49]。皮質(zhì)脊髓束的完整性與腦卒中后上肢的運動表現(xiàn)和預(yù)后相關(guān)[50-51],而運動誘發(fā)電位(motor-evoked potential,MEP)是檢測皮質(zhì)脊髓束功能完整性的常用手段[52]。有研究發(fā)現(xiàn)每次BCI訓(xùn)練后MEP振幅均顯著增加[53],而無BCI控制組在任何刺激強度下都沒有明顯變化。Caria等[54]采用DTI,以分數(shù)各向異性(fractional anisotropy,FA)反映BCI訓(xùn)練前后皮質(zhì)脊髓束的結(jié)構(gòu)完整性,發(fā)現(xiàn)胼胝體和對側(cè)后丘腦放射區(qū)FA越高,即皮質(zhì)脊髓束結(jié)構(gòu)完整性越好,上肢FMA評分增加越多,上肢功能恢復(fù)越好。這一觀點也得到了其他研究的支持[55]。

5 小結(jié)

基于BCI的康復(fù)訓(xùn)練可誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性變化和大腦功能重塑,促進腦卒中患者上肢運動功能的康復(fù)。值得注意的是,基于BCI的康復(fù)訓(xùn)練如何為患者提供更好的康復(fù)體驗,從而真正地得到推廣應(yīng)用,仍有幾個關(guān)鍵問題亟待解決。

首先,腦卒中上肢康復(fù)臨床應(yīng)用中最為常用的是基于MI-BCI的神經(jīng)反饋康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng),患者的MI能力是決定康復(fù)效果的首要因素,需要患者花費較長時間學(xué)習(xí)掌握MI技巧,認知能力欠佳、體質(zhì)較差等主觀問題可能會影響訓(xùn)練的療效。其次,缺乏標(biāo)準的和個體化的臨床實施方案。在不同訓(xùn)練中,FES采用的頻率、強度、時間,上肢機器人支持或輔助的類型、涉及的關(guān)節(jié)數(shù)量及運動任務(wù)的特征等各不相同。在康復(fù)訓(xùn)練過程中,應(yīng)根據(jù)特定肌群、任務(wù)模式和患者自身情況選擇或調(diào)整至最佳的訓(xùn)練方式和參數(shù),為患者提個性化、最優(yōu)化的治療方案。再次,腦卒中患者主要是通過重組正常半球和開發(fā)病灶半球保留的運動回路來實現(xiàn)上肢運動功能康復(fù),但不同外部設(shè)備在閉環(huán)回路中扮演的角色尚無定論。未來仍需要更多高質(zhì)量研究進一步探究BCI訓(xùn)練促進腦卒中上肢康復(fù)的作用機制。綜上所述,基于BCI的訓(xùn)練在腦卒中后上肢功能康復(fù)中有廣闊應(yīng)用前景。明確BCI訓(xùn)練的作用機制和實現(xiàn)更加個性化、智能化的康復(fù)訓(xùn)練過程,是BCI未來的發(fā)展趨勢。