陳佳麗 董繼革 黃富表

作者單位：1.天津體育學(xué)院運動健康學(xué)院 301617 2.中國中醫(yī)科學(xué)院望京醫(yī)院康復(fù)治療部 100102 3.中國康復(fù)研究中心北京博愛醫(yī)院作業(yè)療法科 100068

腦卒中是全球致殘的主要原因和僅次于心血管疾病的第二大死因[1],在2017年全球疾病負(fù)擔(dān)中居首位[2]。有研究顯示,我國卒中患病率逐年增加,給家庭和社會帶來沉重負(fù)擔(dān)[3]。幸存的腦卒中患者出現(xiàn)長期的運動功能障礙[4],導(dǎo)致日常生活活動能力下降,患者上肢運動功能的受損是致殘的主要原因。在腦卒中后6個月內(nèi),僅有11.6%的患者上肢運動功能完全恢復(fù),嚴(yán)重影響患者的生活自理能力[5]。

腦卒中后恢復(fù)上肢運動功能的干預(yù)措施主要為針對特定損傷如肌力下降或改善抓握釋放等功能性運動,已證實有效的康復(fù)策略有強(qiáng)制運動療法、重復(fù)性任務(wù)性訓(xùn)練、神經(jīng)發(fā)育療法等[6],然而這種行為訓(xùn)練對于慢性的中重度患者具有非常大的局限性[7]。除此之外,一些神經(jīng)調(diào)控技術(shù),如重復(fù)經(jīng)顱磁刺激、經(jīng)顱直流電刺激等能夠促進(jìn)神經(jīng)元修復(fù)和再生,調(diào)節(jié)半球間的皮質(zhì)興奮性,加速中風(fēng)后的運動恢復(fù)[8]。對于不同恢復(fù)時期的腦卒中患者往往需要不同的治療參數(shù),目前的研究僅證明許多治療方案的療效與安慰劑組不同,并不能證明其結(jié)果具有臨床意義[9],也無法對特定中風(fēng)患者提供個性化治療方案[10]。腦機(jī)接口(brain computer interface,BCI)作為一種由神經(jīng)活動控制、能夠進(jìn)行實時反饋輸出的新型康復(fù)治療技術(shù),在改善腦卒中患者上肢運動功能及促進(jìn)大腦可塑性方面展現(xiàn)出廣闊的前景[11]。

1.腦機(jī)接口概述

1.1 概念及工作原理

腦機(jī)接口通過解碼個體心理意圖在大腦與外部環(huán)境之間建立起一種不依賴于外周神經(jīng)和肌肉傳導(dǎo)的交流與控制通道,將神經(jīng)活動轉(zhuǎn)化為內(nèi)部或外部命令信號,實現(xiàn)了大腦與外部環(huán)境的直接交互[12,13]。它利用傳感器檢測并記錄神經(jīng)活動,然后通過解碼器將神經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為命令信號,效應(yīng)器接收到命令后執(zhí)行相關(guān)功能活動[14],并提供給用戶豐富的反饋,包括觸覺、視覺和聽覺反饋。腦機(jī)接口的觸覺反饋,如通過腦電信號誘發(fā)的剛性機(jī)械外骨骼,能夠?qū)崿F(xiàn)集團(tuán)抓握、集團(tuán)伸展及三指對捏等手部康復(fù)運動[15];腦機(jī)接口與軟手套的結(jié)合近年來成為應(yīng)用較為廣泛的康復(fù)設(shè)備,柔性材質(zhì)的順應(yīng)性較好,符合人體工學(xué)設(shè)計,與剛性骨骼手套相比患者的使用舒適度更高[16];功能性電刺激作為腦機(jī)接口的觸覺反饋裝置能夠刺激肌肉產(chǎn)生強(qiáng)直性收縮,能夠有效增強(qiáng)肌力,防止肌萎縮,其豐富的感覺輸入更有利于促進(jìn)神經(jīng)通路的恢復(fù)[17]。腦機(jī)接口系統(tǒng)的視聽覺反饋,常見的是交互游戲和虛擬現(xiàn)實的結(jié)合,基于運動想象的沉浸式體驗往往帶給受試者更多的舒適感。腦機(jī)接口可用于恢復(fù)或替代損傷的功能,促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)重新學(xué)習(xí),從而提高通信控制、環(huán)境互動、輔助轉(zhuǎn)移及用戶其他個人能力[18]。

1.2 腦機(jī)接口分類

根據(jù)侵入性,可分為侵入式腦機(jī)接口和非侵入式腦機(jī)接口。侵入性腦機(jī)接口通常經(jīng)過外科手術(shù)植入大腦,定位準(zhǔn)確,精確度高,同時具有良好的性噪比[19],但有一定的手術(shù)風(fēng)險且費用昂貴。非侵入式腦機(jī)接口通過顱骨外佩戴的電極帽來測量腦電活動和電位,雖然準(zhǔn)確度不高,但安全無創(chuàng),應(yīng)用更為廣泛。根據(jù)腦電信號采集方式,可分為運動想象、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位及P300腦機(jī)接口。用戶在進(jìn)行運動想象時,感覺運動皮層的μ(8～12Hz)和β(16～18Hz)節(jié)律會出現(xiàn)事件相關(guān)去同步(ERD)和事件相關(guān)同步化(ERS),腦機(jī)接口可通過提取這兩個波段的特征信號進(jìn)行信息采集,然而該方式通常需要時間對用戶進(jìn)行培訓(xùn),在開始時容易出現(xiàn)不成功的情況。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口是通過以固定頻率閃爍的視覺刺激來誘發(fā)大腦枕葉產(chǎn)生具有相同頻率成分的腦電信息,由于其頻域特征明顯,易于識別,因此更加穩(wěn)定、可靠,其缺點是容易產(chǎn)生視覺疲勞。P300腦機(jī)接口經(jīng)典實驗范式要求患者注視屏幕上矩陣中的隨機(jī)高亮刺激來選擇組成單詞的每個字母,當(dāng)包含此字母的行和列高亮?xí)r要求患者做出反應(yīng),此時大腦中會產(chǎn)生P300波形,而這一信號可被分類器檢測到從而分析患者的意圖[20]。

2.腦機(jī)接口對腦卒中患者上肢運動功能的治療

2.1 腦機(jī)接口的適應(yīng)證

目前的研究顯示腦機(jī)接口適用于不同階段的腦卒中患者。有研究人員對亞急性中風(fēng)患者進(jìn)行腦機(jī)接口干預(yù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)上肢的功能改善與皮質(zhì)激活狀態(tài)有關(guān),事件相關(guān)去同步化越強(qiáng),大腦的可塑性越好,患者的運動功能恢復(fù)越明顯[21]。然而目前大部分腦機(jī)接口治療腦卒中的臨床研究都將招募要求限制在慢性中風(fēng)患者當(dāng)中,原因可能是不同疾病階段的患者恢復(fù)差異較大,慢性中風(fēng)患者的病情相對穩(wěn)定[22]。多項研究表明,即使是超過6個月的黃金治療期,腦機(jī)接口干預(yù)仍然能夠改善中重度慢性中風(fēng)患者的上肢運動功能,且誘導(dǎo)與功能改善相關(guān)的大腦皮質(zhì)重組[15,17,23]。Yang W等人對腦機(jī)接口治療腦卒中上肢功能障礙的干預(yù)時間進(jìn)行亞組分析,發(fā)現(xiàn)與慢性組患者相比,亞急性組上肢運動功能改善更為明顯[24],這可能與患者自身恢復(fù)情況有關(guān),其臨床意義還有待研究。大量證據(jù)表明腦機(jī)接口對上肢運動功能有直接影響,顯示出優(yōu)越的即時效果,而其療效是否能產(chǎn)生長期效應(yīng)亦是我們關(guān)注的重點。Biasiucci A等人報道在進(jìn)行腦機(jī)接口干預(yù)后上肢顯示出顯著的運動功能恢復(fù),且在治療后的6～12個月仍然有效[25]。然而Mansour S等人及白忠飛等人的兩項Meta分析結(jié)果均顯示,腦機(jī)接口對于上肢運動功能的長期效應(yīng)與對照組之間無顯著差異[26,27],可能是因為隨訪時間不一致,腦機(jī)接口訓(xùn)練的長期效果還有待研究。

2.2 腦機(jī)接口治療腦卒中患者上肢運動功能

腦機(jī)接口由中樞發(fā)出信號,外周執(zhí)行命令進(jìn)行功能性訓(xùn)練,不同的反饋方式對患者上肢運動功能的治療效果不同。肩肘機(jī)器人作為反饋方式在采集到患者運動想象的腦電信號后觸發(fā)肩肘大關(guān)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練,能有效提高Fugly-Meyer上肢運動評分[28]。針對腦卒中患者腕關(guān)節(jié)的訓(xùn)練,腦機(jī)接口通常與功能性電刺激相結(jié)合,相應(yīng)肌肉上的電極片通過低頻電流刺激引起腕背伸、指伸等運動,能夠促進(jìn)癱瘓手臂的持續(xù)恢復(fù)[15,29]。腦機(jī)接口驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實進(jìn)行腕部訓(xùn)練,患者通常接收到的是視聽覺反饋,受試者雖然沒有真正參與運動,但肌電圖結(jié)果顯示加強(qiáng)了腕屈肌的激活,這可能與皮質(zhì)脊髓束的利用率提高有關(guān)[30]。目前市場上機(jī)械外骨骼和軟體機(jī)器人設(shè)備都能幫助患者進(jìn)行手部集團(tuán)屈曲與集團(tuán)伸展訓(xùn)練,軟體手套因柔順性好,輕便舒適,發(fā)展前景更為廣闊[31,32]。另有研究人員開發(fā)了基于雙側(cè)治療的機(jī)器軟手套,通過穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位能夠誘導(dǎo)雙手進(jìn)行屈曲伸展運動,有利于促進(jìn)雙手之間的協(xié)調(diào)合作[33]。關(guān)于腦卒中患者手指精細(xì)運動的訓(xùn)練未來仍有很大的發(fā)展空間,目前已有外骨骼能夠?qū)崿F(xiàn)三指對捏活動[15],而針對對指、捏拿、撿細(xì)小物品等手指精細(xì)功能訓(xùn)練的腦機(jī)接口設(shè)備可能還需進(jìn)一步開發(fā)研究。

腦機(jī)接口能有效改善腦卒中患者的上肢和手的運動功能,豐富且適合的反饋方式使其在上肢康復(fù)中的應(yīng)用非常廣泛。

2.3 腦機(jī)接口治療腦卒中患者上肢感覺功能

以往的研究表明,軀體感覺信號是運動皮層的主要反饋來源,完整的感覺通路即使在皮質(zhì)輸出中斷多年后仍然可能影響初級運動皮層放電率[34]。上肢運動功能根本上依賴于來自上肢的感覺信號[35],而目前關(guān)于腦機(jī)接口對腦卒中患者的感覺恢復(fù)研究較少,僅有少數(shù)研究者在腦機(jī)接口訓(xùn)練后對腦卒中患者的上肢進(jìn)行了感覺評定[29]。為了使腦卒中患者更好地恢復(fù)運動功能,應(yīng)關(guān)注感覺通路的恢復(fù),這可能是未來腦機(jī)接口發(fā)展的方向。

2.4 腦機(jī)接口對腦卒中患者痙攣的影響

中風(fēng)后損傷上運動神經(jīng)元會導(dǎo)致痙攣的出現(xiàn)[36],嚴(yán)重?fù)p害患者的運動表現(xiàn)。Kawakami M等人發(fā)現(xiàn)腦卒中患者進(jìn)行運動想象時能夠促進(jìn)交互抑制[37],以腦機(jī)接口的形式通過視聽覺引導(dǎo)可以更容易誘發(fā)患者的運動想象并保證其質(zhì)量,從而在降低肌張力方面展示出潛力。在一項腦機(jī)接口治療中風(fēng)患者上肢運動功能康復(fù)可行性研究中發(fā)現(xiàn),51例患者經(jīng)過25次腦機(jī)接口治療后,手指和手腕的痙攣經(jīng)Athworth評估顯著降低[11]。

2.5 腦機(jī)接口與其他技術(shù)的聯(lián)合

有研究表明經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)可以通過頭皮施加微弱電流來調(diào)節(jié)大腦皮層的興奮性[38],鑒于腦機(jī)接口與tDCS均可對大腦可塑性產(chǎn)生影響,其聯(lián)合使用的功效值得進(jìn)一步探究。Kasashima-Shindo Y等人將18例慢性中風(fēng)患者隨機(jī)分為兩組,試驗組進(jìn)行為期10天的tDCS與腦機(jī)接口的聯(lián)合治療,對照組進(jìn)行同等時間的腦機(jī)接口訓(xùn)練,結(jié)果兩組患者的上肢運動評分均有改善,但聯(lián)合治療組上肢改善效應(yīng)可持續(xù)3個月,且事件相關(guān)電位不同步相比對照組增加更為顯著[39]。胡夢矯等人的研究得出相反的結(jié)論,19例皮質(zhì)下病變的慢性卒中患者分別接受了10次20分鐘的tDCS真假刺激聯(lián)合腦機(jī)接口訓(xùn)練,結(jié)果顯示僅在假刺假腦機(jī)接口組存在腦功能正?；湍X網(wǎng)絡(luò)特異性代償,tDCS聯(lián)合腦機(jī)接口對腦功能重組并未產(chǎn)生積極效應(yīng)[40]。此外,楊啟慶等人的研究表明tDCS能夠促進(jìn)運動想象從而提高腦機(jī)接口的準(zhǔn)確性[41],這兩種策略的整合仍需進(jìn)一步細(xì)化,以發(fā)揮出最大的治療效應(yīng)。

3.腦機(jī)接口對大腦可塑性的影響

中風(fēng)患者癱瘓肢體的運動恢復(fù)很大程度上取決于大腦的神經(jīng)可塑性機(jī)制,存活的神經(jīng)元軸突及新突觸的形成有助于功能重建[42]。由基于神經(jīng)可塑性的Hebbian理論可知,突觸前神經(jīng)元向突觸后神經(jīng)元的持續(xù)重復(fù)刺激,可以導(dǎo)致突觸傳遞效能的增加[43,44]。腦機(jī)接口訓(xùn)練過程中,由于對神經(jīng)元的重復(fù)刺激,使得神經(jīng)元之間的突觸強(qiáng)度增加,從而增強(qiáng)患者的運動學(xué)習(xí)和運動恢復(fù)[45]。此外,已有多項研究表明腦機(jī)接口訓(xùn)練可促進(jìn)皮質(zhì)重組。Nierhaus T等人發(fā)現(xiàn)僅在1小時訓(xùn)練后,運動想象和視覺目標(biāo)閃爍字母誘發(fā)的腦機(jī)接口在其各自靶腦區(qū)域的灰質(zhì)中MR信號均顯示T1加權(quán)強(qiáng)度增加[46],腦機(jī)接口能在短期內(nèi)迅速影響大腦結(jié)構(gòu),這可能與小膠質(zhì)細(xì)胞的局部積累和腦機(jī)接口任務(wù)誘導(dǎo)的新陳代謝增加有關(guān)。賈杰等人的研究發(fā)現(xiàn)腦機(jī)接口訓(xùn)練能夠激活受影響的感覺運動皮層和頂葉,從而顯著改善運動功能,同樣證實了腦機(jī)接口訓(xùn)練能對大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。有研究人員發(fā)現(xiàn)運動想象誘發(fā)的腦機(jī)接口左側(cè)中央?yún)^(qū)的μ節(jié)律增加,并改善了腦機(jī)接口表現(xiàn)[46,47],且腦機(jī)接口訓(xùn)練后半球間的靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)功能連接也顯著增加[48],說明腦機(jī)接口訓(xùn)練同樣能影響大腦功能。

本研究發(fā)現(xiàn)通過有針對性的神經(jīng)反饋訓(xùn)練能夠迅速影響大腦結(jié)構(gòu)和功能,且腦機(jī)接口誘導(dǎo)的大腦可塑性具有空間特異性,有望針對個體功能缺陷的患者進(jìn)行個性化治療干預(yù)。

4.腦機(jī)接口的副作用與對策

雖然目前所有研究都表明腦機(jī)接口訓(xùn)練是安全有效的,但仍有一些受試者報告在訓(xùn)練后出現(xiàn)短暫的惡心和頭痛,以及在經(jīng)過20～30分鐘的腦機(jī)接口訓(xùn)練后出現(xiàn)手臂酸痛、注意力長時間集中導(dǎo)致的相關(guān)疲勞狀況等[49,50],所以為避免過度疲勞應(yīng)注意調(diào)整訓(xùn)練強(qiáng)度,并盡量結(jié)合各類虛擬現(xiàn)實游戲體驗等防止患者進(jìn)行單一重復(fù)訓(xùn)練出現(xiàn)厭煩心理。

情緒、心理及認(rèn)知相關(guān)的神經(jīng)生理因素在腦機(jī)接口訓(xùn)練中起著重要作用,導(dǎo)致顯著的個體內(nèi)和個體間差異,從而影響大腦動力學(xué)[51]。并非所有患者都能很好地進(jìn)行運動想象,皮質(zhì)病變的大多數(shù)患者由于大腦中動脈的梗死損傷頂葉,由此影響運動想象能力[37]。

通常進(jìn)行腦機(jī)接口訓(xùn)練需要一個安靜的環(huán)境,不允許其他人的走動及打擾,而在醫(yī)院、康復(fù)中心等場所存在一定的限制,保持靜止坐位也使得患者在應(yīng)用環(huán)境中極為受限,不能更好地與日常生活相融合,亦無法保證患者的舒適度。

腦機(jī)接口中的倫理問題同樣應(yīng)該受到重視,包括保證用戶的身體和精神安全。腦機(jī)接口能夠改變個人行為,其對情緒、記憶、思想上帶來的潛在威脅不容忽視[52],要避免腦機(jī)接口干預(yù)人類自主性,必須保證人類在人機(jī)交互過程中仍享有自主權(quán)[53];另外,侵入性腦機(jī)接口帶來的手術(shù)風(fēng)險及術(shù)后產(chǎn)生的心理和神經(jīng)副作用也應(yīng)著重考慮。

5.小結(jié)

腦機(jī)接口訓(xùn)練能夠促進(jìn)亞急性和慢性中風(fēng)患者的上肢運動功能改善[24],并通過誘導(dǎo)大腦功能重塑,激活同源性運動前區(qū)和感覺運動皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)[25],對相關(guān)運動功能產(chǎn)生積極影響。

腦機(jī)接口對于改善腦卒中患者上肢功能有著很大的潛力,目前大多數(shù)研究聚焦于患者上肢的運動功能恢復(fù),且更關(guān)注粗大運動的改善,針對手指精細(xì)運動的設(shè)備目前較少。此外,感覺通路的恢復(fù)對于改善功能尤為重要,應(yīng)該受到重視?，F(xiàn)有的腦機(jī)接口系統(tǒng)中存在的技術(shù)限制如檢測大腦活動、處理信號以及提供豐富的反饋等是迫切需要解決的問題,此外還應(yīng)進(jìn)一步提高腦機(jī)接口的效率及準(zhǔn)確性。未來需要更多大樣本多中心的臨床試驗來論證引起上肢運動功能改善的神經(jīng)機(jī)制,以此證明腦機(jī)接口應(yīng)用的合理性,并將腦機(jī)接口效應(yīng)推廣到認(rèn)知領(lǐng)域,必將發(fā)揮出更大的治療作用。