陳樹耿，賈杰

腦機(jī)接口在腦卒中手功能康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展①

陳樹耿，賈杰

腦機(jī)接口基于一定的生理基礎(chǔ)，依托輔助性腦機(jī)接口和康復(fù)性腦機(jī)接口兩大作用，通過閉環(huán)反饋通路，對(duì)患者意識(shí)調(diào)節(jié)的功能信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)多感覺反饋，輔助患手功能，起到促進(jìn)大腦可塑性以及神經(jīng)重塑的重要作用，為腦卒中患者手功能康復(fù)的新方法。

腦卒中；手功能；腦機(jī)接口；康復(fù)；綜述

[本文著錄格式] 陳樹耿，賈杰.腦機(jī)接口在腦卒中手功能康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐,2017,23(1):23-26.

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據(jù)美國最新報(bào)道[1]，腦卒中能導(dǎo)致死亡或給患者帶來神經(jīng)系統(tǒng)損害，并遺留嚴(yán)重、難以治愈的后遺癥。這類疾病發(fā)病率逐年上升，給個(gè)人、家庭與社會(huì)帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能障礙是臨床治療中的一大難題。由于神經(jīng)支配的差異，上肢/手與下肢之間的恢復(fù)進(jìn)程、恢復(fù)效果與預(yù)后差異巨大。手在人類大腦皮質(zhì)的精細(xì)分布、手功能的復(fù)雜神經(jīng)支配與腦區(qū)紛繁投射，使得腦卒中后手功能的康復(fù)成為世界性難題。

一個(gè)成功的康復(fù)方法要求能增加大腦在受損害后殘留的神經(jīng)連接，恢復(fù)其功能性活動(dòng)[2]。腦機(jī)接口(brain-computer interface,BCI)提供一種多模式、多反饋的康復(fù)干預(yù)方法。

1 腦機(jī)接口概述

1.1 原理

腦機(jī)接口是指大腦與計(jì)算機(jī)或外界設(shè)備之間的一種聯(lián)系或通路，主要通過采集大腦信號(hào)，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到某一功能活動(dòng)最具有代表性的特征量，通過分類后生成外部設(shè)備指令；計(jì)算機(jī)或外界設(shè)備還能產(chǎn)生相應(yīng)的信息反饋到大腦，從而實(shí)現(xiàn)“腦機(jī)交互”作用[3]。單向腦機(jī)接口是指計(jì)算機(jī)或其他外界設(shè)備單純接受發(fā)自大腦的信號(hào)或者單向向大腦發(fā)送相關(guān)信息，而能實(shí)現(xiàn)大腦與外界之間雙向信息交流、反饋?zhàn)饔玫膭t是雙向腦機(jī)接口。

1.2 分類

根據(jù)腦機(jī)接口采集信號(hào)的方式，可將腦機(jī)接口分為侵入性與非侵入性兩類[4]。侵入性腦機(jī)接口需要通過外科手術(shù)將硬件，如芯片，植入患者大腦，由于侵入損傷，患者通常不易接受。非侵入性腦機(jī)接口雖然在采集信號(hào)的精度上不如侵入性，但由于安全、方便、無創(chuàng)，受到較多受試者歡迎，正應(yīng)用于科研甚至臨床治療中。

1.3 腦機(jī)接口在腦卒中康復(fù)中的兩大基本作用

根據(jù)腦機(jī)接口的研究與應(yīng)用情況，大致總結(jié)出其在臨床康復(fù)中所起到的兩個(gè)主要作用[5]。①通過腦機(jī)接口轉(zhuǎn)換獲取特征信號(hào)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)外骨骼或功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)連續(xù)、多維度的有效精確控制，讓患者能應(yīng)用于日常工作與生活中，提高生活質(zhì)量，稱為輔助性腦機(jī)接口(assistive BCI)；②依托腦機(jī)接口解碼患者腦電波，于訓(xùn)練過程中實(shí)時(shí)反饋給患者，激活其大腦神經(jīng)可塑性，提高患者運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)能力，稱為康復(fù)性腦機(jī)接口(rehabilitative BCI)。

2 生理基礎(chǔ)

在正常人中觀察到腦機(jī)接口驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)[6-7]，可解釋其在腦卒中患者中應(yīng)用的機(jī)制。對(duì)運(yùn)動(dòng)行為的強(qiáng)化是腦機(jī)接口訓(xùn)練與學(xué)習(xí)的關(guān)鍵機(jī)制之一。最原始的巴甫洛夫條件反射，或通過練習(xí)與強(qiáng)化新的習(xí)得行為技能，是常見的初始機(jī)制。巴甫洛夫條件反射使患者能夠與腦機(jī)接口進(jìn)行整合訓(xùn)練，通過輸出大腦激活信號(hào)轉(zhuǎn)化后的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制(如通過FES對(duì)手運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制)。在這一過程中，腦區(qū)的激活對(duì)于患者的運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)非常重要，它加強(qiáng)了神經(jīng)元的功能性募集以及促進(jìn)殘余神經(jīng)通路的重塑。

研究表明[3]，將刺激與強(qiáng)化(正反饋)或懲罰(負(fù)反饋)進(jìn)行匹配，組成人類的學(xué)習(xí)過程；最有效且熟知的機(jī)制為突觸前細(xì)胞與突觸后細(xì)胞之間持續(xù)、重復(fù)的信息傳遞所導(dǎo)致的突觸傳遞效能增加。而“腦機(jī)接口誘導(dǎo)下的赫布神經(jīng)元恢復(fù)理論”就建立在這一機(jī)制之上，強(qiáng)調(diào)強(qiáng)化的量與時(shí)間或頻率對(duì)學(xué)習(xí)有效性和特異性的影響。這一突觸可塑性的基本機(jī)制則被應(yīng)用于腦損傷后康復(fù)治療中[8]。功能性磁共振(functional magnetic resonance imaging,fMRI)結(jié)果顯示[9-10]，通過腦機(jī)接口訓(xùn)練，損傷腦區(qū)皮質(zhì)激活狀態(tài)提高。另外，赫布型學(xué)習(xí)模式能通過再訓(xùn)練或再創(chuàng)造，進(jìn)行功能性皮質(zhì)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)輸出所需的必要突觸連接，從而促進(jìn)腦卒中患者康復(fù)[11]。這一機(jī)制提供對(duì)新習(xí)得行為的保留或失去的預(yù)測性標(biāo)志。

根據(jù)赫布理論中“一起發(fā)射的神經(jīng)元連在一起”[8](即當(dāng)神經(jīng)元A的軸突與神經(jīng)元B很近，并參與對(duì)B的重復(fù)持續(xù)興奮時(shí)，這兩個(gè)神經(jīng)元或其中之一會(huì)發(fā)生某些生長過程或代謝變化，使A興奮B的效能增強(qiáng))的相關(guān)原理，患者運(yùn)動(dòng)意圖與執(zhí)行腦機(jī)接口任務(wù)之間的匹配程度越高，大腦皮質(zhì)越容易出現(xiàn)神經(jīng)重塑。這在腦機(jī)接口整合FES或其他治療模式時(shí)明顯可見：通過從大腦皮質(zhì)采集提取特征性信號(hào)，促進(jìn)遠(yuǎn)端手部肌肉收縮，即將腦區(qū)激活與外周刺激進(jìn)行匹配，形成一個(gè)正常運(yùn)動(dòng)模式的反饋閉環(huán)通路，從而實(shí)現(xiàn)患者功能支配的恢復(fù)。

3 臨床應(yīng)用

21世紀(jì)初，國外學(xué)者通過視覺反饋、本體感覺反饋、觸覺輸入、FES等各種刺激及反饋形式，探索腦機(jī)接口在腦卒中患者上肢及手功能康復(fù)中的療效。有學(xué)者[12]將腦電圖與其他生物信號(hào)如眼電圖、肌電圖等結(jié)合形成大腦-計(jì)算機(jī)交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助可穿戴式的外骨骼，訓(xùn)練手與手指的開閉動(dòng)作，能使患者功能得到一定程度恢復(fù)，有效提升日常生活活動(dòng)能力。有人[13]對(duì)一例慢性腦卒中手指功能障礙患者進(jìn)行腦機(jī)接口結(jié)合FES治療9個(gè)療程，發(fā)現(xiàn)個(gè)別手指伸展功能得到一定程度提高。而一項(xiàng)研究[14]對(duì)健康受試者大腦初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(M1)進(jìn)行陽極或陰極經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)20 min，然后進(jìn)行基于感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律(Sensorimotor Rhythm,SMR)腦機(jī)接口控制訓(xùn)練1周后，接受陽極tDCS的受試者對(duì)于腦機(jī)接口的控制能力要比接受陰極tDCS者或假刺激者提高，證明陽極tDCS能增強(qiáng)學(xué)習(xí)控制基于SMR的腦機(jī)接口的能力。

以腦電信號(hào)作為信號(hào)控制源，是腦機(jī)接口反饋中一種新技術(shù)[15]。研究者依據(jù)被試的腦電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象分析、判斷與評(píng)測，若符合任務(wù)想象，系統(tǒng)在被試大腦健側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)給予一次經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)，同時(shí)控制外骨骼被動(dòng)移動(dòng)患者手臂；治療后患者運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位(motor evoked potential,MEP)波幅和腦區(qū)激活面積均有很大提高。

劉小燮等[16]研究，通過4周的腦電-腦機(jī)接口-FES訓(xùn)練，腦卒中患者病灶同側(cè)大腦代償功能恢復(fù)，對(duì)側(cè)大腦泛化激活減少，患手功能提高，fMRI顯示大腦皮質(zhì)重塑。李明芬等[17]行腦機(jī)接口干預(yù)，1個(gè)月后發(fā)現(xiàn)腦機(jī)接口識(shí)別率與患者手臂動(dòng)作調(diào)查測試(Action Research Arm Test,ARAT)結(jié)果正相關(guān)，2個(gè)月后腦機(jī)接口識(shí)別率與Fugl-Meyer評(píng)定量表(Fugl-Meyer Assessment,FMA)、ARAT結(jié)果正相關(guān)?？艹痰萚18]讓腦卒中手功能障礙患者分別進(jìn)行腦機(jī)接口-FES治療與FES治療，其中FES主要刺激患者腕伸肌與腕屈肌，發(fā)現(xiàn)腦機(jī)接口-FES組FMA評(píng)分高于FES組。周鵬等[19]將左右手動(dòng)作想象時(shí)的大腦電位作為腦機(jī)接口輸入信號(hào)，配合FES進(jìn)行腦卒中患者上肢手功能康復(fù)，研究表明，該系統(tǒng)能正確分析95%以上運(yùn)動(dòng)意圖，控制FES完成預(yù)定的刺激，產(chǎn)生肢體運(yùn)動(dòng)，最終恢復(fù)手部抓握功能動(dòng)作。還有研究[20]通過對(duì)健康人穿戴腦機(jī)接口與FES結(jié)合的可穿戴式手部設(shè)備，借助腦電信號(hào)對(duì)FES進(jìn)行控制，模仿手功能障礙的腦卒中患者，實(shí)現(xiàn)功能任務(wù)，如抓握一杯水，提示該腦機(jī)接口-FES系統(tǒng)可應(yīng)用于腦卒中患者手功能康復(fù)。

4 應(yīng)用要點(diǎn)

腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練是一個(gè)人機(jī)互動(dòng)過程，對(duì)患者的主動(dòng)參與意識(shí)要求高，患者必須能理解計(jì)算機(jī)設(shè)備所給予的提示以及操作人員所給予的特定任務(wù)。若患者存在認(rèn)知障礙，影響其與腦機(jī)接口訓(xùn)練過程的交互，則不能進(jìn)行有效腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練，甚至完全無法進(jìn)行訓(xùn)練。

目前，臨床應(yīng)用于腦卒中后手功能康復(fù)的腦機(jī)接口技術(shù)多為基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口，屬于非侵入性腦機(jī)接口，通過給患者佩戴導(dǎo)電帽，在頭皮涂抹導(dǎo)電膏，采集大腦信號(hào)，進(jìn)行特征處理，對(duì)腦機(jī)接口外部設(shè)備進(jìn)行控制，不會(huì)引起并發(fā)癥。對(duì)于有癲癇病史的患者，由于腦機(jī)接口主要依托腦電信號(hào)進(jìn)行分析，而腦電圖本身就是監(jiān)測癲癇的有效方法，所以并不與腦機(jī)接口康復(fù)沖突；基于腦機(jī)接口的康復(fù)訓(xùn)練本身不直接影響患者的生理變化，血壓不穩(wěn)、心率不穩(wěn)等如對(duì)患者久坐、堅(jiān)持長時(shí)間訓(xùn)練造成影響，也并不歸結(jié)為腦機(jī)接口禁忌癥。當(dāng)然，有嚴(yán)重并發(fā)癥以及心肝腎等嚴(yán)重疾病的腦卒中患者，不適用該訓(xùn)練。在進(jìn)行腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，需要患者較長時(shí)間保持與計(jì)算機(jī)熒屏的任務(wù)互動(dòng)，以及自身的主動(dòng)強(qiáng)制性參與，對(duì)自制性較差、體質(zhì)較差如無法久坐等患者可能無法形成良好的訓(xùn)練氛圍。大量研究雖將患者劃分為“出血性”與“缺血性”、“皮質(zhì)”與“皮質(zhì)下”、“不同腦葉腦區(qū)”等不同程度腦損傷、不同病灶部位的情況[21-22]，但由于大腦康復(fù)機(jī)制過于復(fù)雜，對(duì)于其不同的康復(fù)療效尚無定論，亟待更多研究。

基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口在應(yīng)用中，患者能否有效執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)是技術(shù)難點(diǎn)之一，因此在患者進(jìn)行腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練前應(yīng)嚴(yán)格評(píng)估患者的認(rèn)知能力，并在正式干預(yù)前進(jìn)行科學(xué)合理的腦機(jī)接口學(xué)習(xí)，讓患者能夠在正式進(jìn)行腦機(jī)接口訓(xùn)練時(shí)盡量排除各種主觀問題，充分發(fā)揮該訓(xùn)練的作用與療效。

由于腦機(jī)接口這一康復(fù)訓(xùn)練模式屬于新興技術(shù)，參與該訓(xùn)練的腦卒中患者以后遺癥期居多，手功能障礙多停留在瓶頸期，這也給腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練帶來巨大的挑戰(zhàn)[23]。根據(jù)影像學(xué)、腦電圖以及MEP等證據(jù)，腦機(jī)接口具有一定促進(jìn)大腦可塑性、促進(jìn)神經(jīng)皮質(zhì)重塑的“中樞干預(yù)”作用[22,24]，早期應(yīng)用可能會(huì)對(duì)腦卒中患者起到更好效果。有文獻(xiàn)報(bào)道[25]，將運(yùn)動(dòng)想象應(yīng)用于早期腦卒中患者，能促進(jìn)其皮質(zhì)重塑，奠定患者進(jìn)一步功能康復(fù)的基礎(chǔ)。推測基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口應(yīng)同樣具備該作用[26]，甚至能更好地發(fā)揮運(yùn)動(dòng)想象療法的作用。

5 展望

2012年，匹茲堡大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[27]成功將芯片植入患者大腦，患者可以通過大腦控制與芯片連接的機(jī)械手臂；同年，美國西北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[28]利用植入猴子大腦的芯片，獲取神經(jīng)數(shù)據(jù)，預(yù)測需要刺激的肌肉，猴子胳膊上的電極會(huì)發(fā)出電信號(hào)，刺激相應(yīng)的肌肉收縮。2016年，研究者通過植入式微電極陣列構(gòu)建神經(jīng)旁路系統(tǒng)，并通過該形式的腦機(jī)接口所獲取的大腦信號(hào)，識(shí)別后輸入控制外周的陣列式電極，實(shí)現(xiàn)截癱患者的上肢和手較為精細(xì)的功能控制活動(dòng)[29]。

在非侵入性腦機(jī)接口方面也有新的應(yīng)用。韓國的研究者[30]將動(dòng)作觀察訓(xùn)練(Action Observational Training,AOT)與腦機(jī)接口-FES結(jié)合，發(fā)現(xiàn)患者手運(yùn)動(dòng)功能、腕屈曲活動(dòng)度以及日常生活活動(dòng)評(píng)分有所提高。加拿大的研究者[31]將FES、外骨骼與腦機(jī)接口結(jié)合，并借助任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練對(duì)腦卒中患者進(jìn)行康復(fù)，以腦機(jī)接口-外骨骼控制肘關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度的屈伸，以腦機(jī)接口-FES控制手指兩個(gè)自由度開閉動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)患者抓握轉(zhuǎn)移杯子的功能性活動(dòng)。這種形式提供了腦機(jī)接口在手功能康復(fù)中的應(yīng)用新形式，大大降低腦機(jī)接口的應(yīng)用門檻，更加貼近患者生活，增加患者康復(fù)興趣。

大腦具有一定的可塑性，能通過反饋信息如懲罰或獎(jiǎng)賞等得到加強(qiáng)；而腦機(jī)接口利用患者直接神經(jīng)信息輸出操控外周成分，如肌肉，形成的反饋成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)與外周神經(jīng)系統(tǒng)之間的“閉環(huán)通路”[23]，從而達(dá)到促進(jìn)患者大腦功能重塑、恢復(fù)功能的作用。依托腦機(jī)接口對(duì)大腦進(jìn)行直接中樞干預(yù)，可進(jìn)一步激活大腦神經(jīng)可塑性[32-33]，促進(jìn)皮質(zhì)重塑[34]；有研究表明[35]，63%偏癱患者在大腦受損傷后存在腦功能非對(duì)稱性，這種非對(duì)稱性對(duì)于患者的功能恢復(fù)具有重要影響，不對(duì)稱性越大，康復(fù)效果越差；而Meta分析顯示[36]，通過腦機(jī)接口干預(yù)，腦卒中患者的大腦非對(duì)稱性能得到一定程度改善，即向大腦半球間的互相平衡推進(jìn)。借助腦機(jī)接口，通過腦卒中后腦重塑及恢復(fù)的半球間競爭模型及代償模型等經(jīng)典理論，依托腦區(qū)激活狀態(tài)，對(duì)腦卒中患者治療效果及相關(guān)康復(fù)預(yù)后進(jìn)行預(yù)測與預(yù)判，能給臨床治療提供指導(dǎo)，提高治療的靶向性；利用腦機(jī)接口結(jié)合外骨骼或FES所形成的閉環(huán)干預(yù)模式，能促進(jìn)患者手功能更好地康復(fù)。

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Application of Brain-computer Interface in Rehabilitation of Hand Function after Stroke(review)

CHEN Shu-geng,JIA Jie
Department of Rehabilitation,Huashan Hospital,Fudan University,Shanghai 200040,China

JIA Jie.E-mail:shannonjj@126.com

Based on some physiological events and two kinds of function,assistive and rehabilitative,brain-computer interface gives real-time,multi-sensor feedbacks to assist hand function,modulating patients'brain signals by the closed loop proprioceptive feedback.It can improve cerebral plasticity and remodeling,that comes a novel approach to hand rehabilitaion after stroke.

stroke;hand function;brain-computer interface;rehabilitation;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.01.006

R743.3

A

1006-9771(2017)01-0023-04

2016-09-06

2016-10-26)

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(No.2015AA020501)。

復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，上海市200040。作者簡介：陳樹耿(1992-)，男，漢族，廣東揭陽市人，碩士研究生，主要研究方向：腦損傷后上肢及手功能障礙康復(fù)治療及其機(jī)制研究。通訊作者：賈杰(1966-)，女，漢族，河南新鄉(xiāng)市人，博士、博士后，教授，博士研究生導(dǎo)師。E-mail:shannonjj@126.com。