基于运动想象的脑机接口康复方案可提高中风患者的上肢表现和大脑皮层激活

近日，上海中医药大学研究团队开展了一项研究，探索了使用基于运动想象脑机接口系统对卒中患者上肢运动功能康复和大脑任务态和静息态激活模式的研究，为卒中患者运动功能康复提供积极的启示。相关研究成果已发表在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》。

研究背景

基于运动想象的脑机接口训练是一种闭环神经回路干预方法，是机器人辅助康复研究的热点。先前研究已表明运动想象期间大脑的激活特征类似于运动任务执行期间大脑的激活模式，因此目前BCI多与康复机器人联合（电刺激，柔性手套等）帮助患者康复。然而，基于脑接口的脑卒中康复治疗机制在很大程度上仍不清楚。而且现有fMRI研究多关注静息状态功能磁共振成像(fMRI)对脑机接口训练和重塑模式的临床结果，而很少关注MI-BCI任务中患者生物标志物的探索。

研究概述

基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。

该项研究入组了40名中风患者，随机分为脑机接口组（BCI）和对照组。两组均接受了同等强度的常规康复治疗，而BCI组额外接受为期两周，共10次，每次40分钟的MI-BCI治疗。采用Fugl-Meyer上肢评估(FMA-UE)评分作为评估上肢运动功能的主要指标。此外，在治疗前后，对所有患者进行静息状态和任务状态的功能磁共振成像扫描。其中任务状态分为4个任务：左手抓取、右手抓取、想象左手抓取和想象右手抓取（如图1所示）。静息状态下采用低频波动幅度(ALFF)、局部一致性(ReHo)、ALFF的z转换(zALFF)和ReHo的z转换(zReHo)进行观测。

图1：任务态fMRI提示范式（图片来自原文）

结果主要分为以下三个方面：1）任务态大脑激活模式。训练后患侧手执行抓取任务时，BCI组在同侧扣带中回、楔前叶、顶叶下回、中央后回、额中回、颞上回和对侧扣带中回中表现出相较于常规组显著的激活（如图2所示）。

图2：训练后期BCI组相较于传统组在患侧手执行运动任务时大脑的激活

（图片来自原文）

当进行患侧手想象抓握任务时，训练后BCl组在同侧额上回(内侧)和额中回处相较于常规组表现出更大的激活。然而，与常规组相比，BCI组在对侧额上回的激活减少（如图3所示）。

图3：训练后期BCI组相较于传统组在患侧手运动想象时大脑的激活

（图片来自原文）

2）静息态激活。BCI组相较于传统组在对侧中央前回、对侧距状皮层、同侧枕中回和楔叶等多个脑区zALFF指显著增加，同侧颞上回的zALFF值降低，反映了局部脑区活动一致性增强（如图4所示）。

图4：训练后期BCI组相较于传统组在静息态zALFF分析中大脑的激活

（图片来自原文）

同时，BCI组相较于传统组在干预后同侧楔叶和对侧距状皮层的zReHo升高，对侧颞中回、颞极和颞上回的zReHo降低（如图5所示）。

图5：训练后期BCI组相较于传统组在静息态zReHo分析中大脑的激活

（图片来自原文）

3）大脑激活与行为学的关系。在相关分析中，FMA-UE评分升高与对侧中央前回平均zALFF呈正相关(r = 0.425, P < 0.05)(图6左)，并且与右楔形平均的zReHo值也呈正相关（r = 0.399, P < 0.05）（图6右）。

图6：FMA-UE评分的提升与静息态指标的相关性

（图片来自原文）

研究意义

这项研究表明，MI-BCI治疗显著改善了中度至重度中风患者的运动功能。fMRI结果表明BCI组训练后患侧大脑半球的运动相关区域和处理视觉空间感觉任务的区域被显著激活，并与运动功能的改善呈正相关。这些结果表明BCI与常规治疗和个性化干预相结合，会对运动相关区域和视觉空间感觉任务相关脑区进行重组，从而进一步康复上肢运动功能，为临床康复治疗提供新的见解。

参考文献：

Ma, Z. Z. et al. Motor imagery-based brain-computer interface rehabilitation programs enhance upper extremity performance and cortical activation in stroke patients. J. NeuroEng. Rehabil. 21, doi:10.1186/s12984-024-01387-w (2024).

来源：BME康复工程分会

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