基于fNIRS揭示脑机接口促进卒中患者上肢功能恢复的神经机制研究

《Scientific Reports》：Unveiling the upper-limb functional recovery mechanisms in stroke patients using brain-machine interfaces: a near-infrared functional imaging-based study

本研究针对脑卒中后上肢功能障碍的康复难题，创新性地将脑机接口（BCI）技术与常规康复相结合，通过功能性近红外光谱（fNIRS）动态监测皮层激活模式。结果显示，4周BCI训练可显著提升患者Fugl-Meyer上肢功能评分（FM）和改良Barthel指数（MBI）（P<0.05），并增强患侧初级运动皮层（PMC）和辅助运动区（SMA）的氧合血红蛋白（HbO）浓度（P<0.001）及脑网络效率。该研究为BCI疗法的神经可塑性机制提供了影像学证据。

　　

在全球范围内，脑卒中已成为致残和死亡的主要原因之一，其中缺血性卒中占比极高。幸存者常面临上肢功能障碍的严峻挑战，这不仅影响日常生活自理能力，还显著降低生活质量。传统康复方法虽有一定效果，但存在监测手段有限、神经机制不清等瓶颈。近年来，脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）技术为卒中康复带来了新希望。它通过建立大脑电信号与外部设备的直接连接，使患者能够通过意念控制设备，形成闭环反馈，从而促进神经功能重塑。然而，传统BCI应用在实时监测患者脑功能变化方面仍存在不足，且其促进功能恢复的具体神经机制尚未完全阐明。

为解决上述问题，张娟等研究人员在《Scientific Reports》上发表了题为“Unveiling the upper-limb functional recovery mechanisms in stroke patients using brain-machine interfaces: a near-infrared functional imaging-based study”的研究论文。该研究创新性地将BCI治疗与常规康复相结合，并利用功能性近红外光谱（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）技术，动态观察缺血性卒中患者上肢功能障碍在BCI治疗前后大脑皮层激活模式的变化，旨在从脑功能层面揭示BCI促进运动功能恢复的机制。

研究团队招募了34例符合标准的缺血性卒中后上肢功能障碍患者，随机分为治疗组和对照组。最终30例患者完成研究（每组15例）。两组均接受常规上肢康复训练，治疗组额外接受每日30分钟、每周5天、持续4周的BCI训练。BCI训练采用基于运动想象的闭环系统：患者想象患侧上肢动作，系统检测到相应的脑电信号后，驱动外骨骼机械手辅助患者完成实际动作，同时提供视觉和听觉反馈。主要评估指标包括上肢运动功能（Fugl-Meyer Assessment for Upper Extremity, FM）、日常生活活动能力（Modified Barthel Index, MBI）以及通过fNIRS检测的六个感兴趣区（Regions of Interest, ROIs）的氧合血红蛋白（Oxygenated Hemoglobin, HbO）浓度变化，这三个脑区分别是患侧和健侧的初级运动皮层（Primary Motor Cortex, PMC）、辅助运动区（Supplementary Motor Area, SMA）和体感运动皮层（Somatosensory Motor Cortex, SMC）。评估时间点为基线（治疗前）、治疗2周和治疗4周。

主要技术方法

研究采用随机对照试验设计，纳入首发缺血性卒中后1个月内、Brunnstrom分期II-IV期的患者。治疗组在常规康复基础上使用RHB-III-Plus上肢BCI治疗仪进行运动想象触发的外骨骼辅助训练。采用H01B型近红外脑功能成像仪（23通道）在患者执行手指-鼻子测试时采集大脑皮层HbO信号，并通过形态学滤波、IIR带通滤波和熵权法处理数据。统计学分析使用SPSS软件，包括 Shapiro-Wilk检验、t检验、Mann-Whitney U检验等，并计算Cohen's d效应量。

研究结果

1. 两组患者一般资料比较

治疗组和对照组在性别、平均年龄、平均病程和患侧方面均无统计学差异（P>0.05），基线具有可比性。

2. 两组治疗前后Fugl-Meyer上肢功能评分比较

治疗前，两组FM评分无显著差异。治疗后，两组患者FM评分均较治疗前显著提高（P<0.001）。但治疗组的改善幅度显著大于对照组。治疗2周时，治疗组的改善值（T1T0）为5.867±3.482，对照组为3.200±2.077，组间差异显著（P<0.01, d=0.93）。治疗4周时，治疗组的改善值（T2T0）为13.533±5.705，对照组为7.133±2.503，组间差异显著（P<0.05, d=1.45）。治疗4周与2周相比的改善值（T2T1），治疗组（7.667±3.288）也显著高于对照组（3.933±1.981）（P<0.05, d=1.38）。

3. 两组治疗前后MBI评分比较

与FM评分结果类似，治疗前两组MBI评分无显著差异。治疗后，两组MBI评分均显著提高（P<0.001）。治疗组的改善幅度同样优于对照组。治疗2周时，治疗组改善值（13.400±7.129）显著高于对照组（8.133±4.357）（P<0.05, d=0.89）。治疗4周时，治疗组改善值（27.867±10.106）显著高于对照组（16.467±7.010）（P<0.05, d=1.31）。治疗4周与2周相比的改善值，治疗组（14.467±5.718）也显著高于对照组（8.333±4.821）（P<0.05, d=1.16）。

4. 近红外检测数据

fNIRS结果显示，治疗4周后，治疗组患侧PMC区的HbO浓度（0.019±0.017）较基线（0.011±0.009）显著增加（P<0.01, d=0.62）。患侧SMA区的HbO浓度（0.015±0.012）也较基线（0.007±0.005）显著增加（P<0.001, d=0.89）。组间比较发现，治疗4周后，治疗组患侧PMC区的HbO浓度显著高于对照组（0.007±0.005）（P<0.01, d=1.01）。其他ROI区域未见显著组间差异。

5. 两组患者脑网络参数比较

治疗组治疗4周后的脑网络效率较基线显著提高（P<0.01）。组间比较显示，治疗组脑网络效率的提高幅度显著大于对照组（P<0.05）。进一步相关性分析表明，在整个队列中，脑网络效率的改善与FM评分（r值显著，P<0.05）和MBI评分（r值显著，P<0.05）的改善呈正相关。

结论与讨论

本研究结果表明，BCI治疗结合常规康复能有效改善缺血性卒中患者的上肢运动功能和日常生活活动能力，其效果显著优于单纯常规康复。fNIRS监测数据从神经机制层面提供了有力证据：BCI治疗能特异性增强患侧PMC和SMA等关键运动皮层的激活，并提高脑网络效率。PMC主要负责运动意图形成、计划制定和指令组织，SMA则参与运动序列的组织整合、计划选择和参数设定。卒中后，这些区域常出现激活抑制。BCI疗法通过运动想象-反馈的闭环训练，可能促进了神经可塑性，减轻了这种抑制，从而有助于运动功能的重组和恢复。脑网络效率的提升则反映了大脑各区域间信息传输和协同工作的优化，这与功能改善密切相关。

该研究的创新之处在于利用fNIRS这一无创、可动态监测的脑功能成像技术，直观揭示了BCI疗法引起的大脑皮层激活模式变化，为理解其作用机制提供了新的视角。然而，研究也存在一些局限性，如样本量较小、未根据不同卒中病灶部位进行深入分析、缺乏更长随访期的数据等。未来研究可进一步探讨BCI对全脑网络连接和协同功能的影响，并优化BCI训练参数以适应不同患者特征。

总之，该研究证实了BCI联合常规康复在卒中上肢功能康复中的临床价值及其背后的神经可塑性机制，为推广该疗法、实现个体化精准康复提供了重要的理论和实践依据。