脑卒中作为一种高发病率、高致残率、高死亡率的脑血管疾病，严重威胁人类健康，约70-80%的脑卒中患者会出现不同程度的后遗症，其中高达80%的幸存者存在上肢功能障碍，极大地影响了日常生活能力。近年来，随着神经工程技术的快速发展，脑机接口控制的功能性电刺激（BCI-FES）系统逐渐成为脑卒中后上肢康复的新型有效手段，该系统通过整合脑机接口（BCI）与功能性电刺激（FES）技术，为患者提供了个性化、精准的康复方案。
脑机接口-功能性电刺激系统（RecoveriX） @g.tec
脑机接口和功能性电刺激技术
脑机接口技术作为一种不依赖传统外周神经和肌肉结构的人机交互方式，能够直接建立大脑与外部设备的连接，其核心组成包括用于捕捉神经信号的传感器、将信号转化为反馈模式的计算机，以及根据用户脑活动提供反馈的设备。根据信号获取方式，脑机接口可分为非侵入性和侵入性两类：非侵入性脑机接口（如脑电图EEG）通过头皮获取信号，具有成本低、无创伤、使用便捷等优势，适合临床实时解码大脑意图；侵入性脑机接口（如皮层脑电图ECoG电极等）则需将设备植入大脑皮层，虽能提供更高的信噪比、更快的通信速度及更优的时空分辨率，但存在手术风险（如出血、感染）和信号随时间退化等问题，限制了其广泛应用。
功能性电刺激技术则通过电极向目标肌肉或神经施加低频脉冲电流，诱导神经纤维去极化并产生动作电位，以改善或恢复神经损伤患者的功能，其参数（如波形、频率、脉冲宽度、电流强度）可根据治疗需求精确调整。根据是否依赖患者反馈，功能性电刺激分为开环和闭环两种：开环功能性电刺激由治疗师手动控制，基于预设模式激活肌肉，如周期性神经肌肉刺激（NMES）常用于增强肌力和关节活动度；闭环功能性电刺激则利用患者的生理信号（如BCI-FES中的脑电信号）调节刺激，能实现更精准的功能恢复。
脑机接口-功能性电刺激系统的感觉运动反馈模型 @Brain Research Bulletin
脑机接口-功能性电刺激（BCI-FES）通过整合二者形成闭环“脑-肢体-脑回路”感觉运动反馈系统：脑机接口捕捉人体电生理信号后，经预处理（滤波、下采样等）降低噪声，再传输给控制命令生成器并通过特定分类识别方法生成功能性电刺激的时空编码参数，最终通过功能性电刺激诱导肌肉收缩，帮助患者完成功能性任务，同时系统会通过视觉、触觉、听觉等多模态反馈强化患者的正确行为，显著提升自愿运动控制能力，弥补了传统康复训练中患者主动参与不足的缺陷。
作用机制
脑机接口机制
脑机接口-功能性电刺激（BCI-FES）促进脑卒中后上肢功能恢复的机制涉及多个层面。在脑机接口机制方面，突触可塑性是核心基础，基于赫布学习规则，当突触前和突触后神经元活动在时间上关联时，突触传递效能会增强，这一过程依赖N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDA）介导的钙离子内流，进而激活一系列信号通路；稳态可塑性则通过调节神经元内在兴奋性或突触强度，维持神经网络在外部扰动下的完整性和功能稳定性，稳定的反馈训练有助于建立更一致的神经活动模式，这些模式在训练结束后仍能持续较长时间，强化了“新的神经活动模式”；神经振荡在信息传递和整合中发挥关键作用，患侧初级或辅助运动区μ和β频段皮层活动的上调可改善上肢运动功能；同时，脑机接口能有效激活感觉运动皮层等相关脑区，通过镜像神经元的“观察-执行匹配机制”促进了神经网络重组。
功能性电刺激机制
功能性电刺激（FES）的作用机制包括增强病灶区域灌注，并提供广泛的本体感觉和躯体感觉反馈，同时增强对感觉运动脑区的灌注，同时通过改善微循环和局部代谢需求，提高感觉运动皮层的血流灌注；增强皮层兴奋性，通过反复神经肌肉刺激影响谷氨酸、γ-氨基丁酸（GABA）等神经递质释放来增强皮层网络兴奋性，促进神经元连接和同步活动，研究显示短时低频（20Hz）电刺激可促进损伤部位轴突生长和内源性生长因子表达，加速神经功能恢复；激活脊髓反射，通过刺激混合神经纤维，影响脊髓反射的短期和长期兴奋性，缓解神经功能缺陷患者的肌肉僵硬。
一项名为“由时间上同步的脑机接口诱导的赫布可塑性促进脑卒中后运动功能恢复”研究发现：运动皮层尝试运动活动与功能性电刺激反馈存在紧密时间关联，且能促进运动康复，增强神经可塑性；该图反映的是BCI-FES组相较于对照组，治疗后对侧（病灶同侧）初级运动皮层从治疗前到治疗后的频谱功率显著降低。 @nature scientific reports
两者协同机制
脑机接口与功能性电刺激的协同作用进一步强化了康复效果，主要体现在增强神经可塑性，如强化皮层脊髓束投射，改善慢性脑卒中患者的皮层脊髓束预测；优化神经网络功能连接，如增强患侧半球内运动前区（PMC）、初级运动区（M1）和辅助运动区（SMA）的连接，以及双侧半球间的功能耦合；重建皮层-肌肉连接，如人工皮层-肌肉连接系统（ACMC）研究表明通过为特定的皮层功能区域提供了新的肌肉控制方式来恢复运动功能，训练个体可利用任何运动皮层神经元来调节肌肉刺激（动物实验）；运动启动效应通过改变突触连接来增强或减弱长时程增强（LTP）或长时程抑制的过程，有可能增强对同时或后续治疗干预的反应性。
临床应用
在临床应用中，脑机接口-功能性电刺激（BCI-FES）系统基于脑电图（EEG）信号的不同形式（动作观察AO、运动想象MI、运动执行ME）已广泛应用于脑卒中患者的上肢康复。
基于动作观察的BCI-FES通过让患者观察特定动作，激活包含腹侧和背侧运动前区皮质、顶上小叶（SPL）、顶下小叶（IPL）、颞上回（STG）和背外侧前额叶皮质等区域的镜像神经元网络。随机对照试验显示，对慢性期中重度上肢功能障碍患者采用60Hz频率、150µs脉冲宽度的FES刺激腕伸肌，每周5次、每次30分钟、持续4周后，患者的Fugl-Meyer评分、Wolf功能测试及改良Barthel指数均有显著改善（Lee等人，2022）；另一项研究通过连续六周每周五次采用动作观察结合BCI-FES疗法，不仅增强了肩关节周围的肌肉群，还减轻了与肩关节半脱位相关的疼痛，从而更全面地改善了偏瘫患者的后遗症（Jang等人，2016）。
基于运动想象的BCI-FES则让患者在不产生实际动作的情况下进行心理模拟，激活背外侧前额叶皮质（DLPFC）、初级运动皮层（M1）、前运动皮层（PMC）、辅助运动区（SMA）、顶上小叶（SPL）和顶下小叶（IPL）等脑区。这个过程利用大脑反馈机制引导皮层可塑性，且运动想象激活的运动神经元通路与实际运动相同，并刺激类似的大脑运动区域。
一项研究对19名脑卒中患者使用该系统进行了为期3个月的训练方案并提供即时反馈，电刺激采用50Hz频率、脉宽300-400μs，每次15分钟，每周2-3次，结果表明该疗法改善了患者的运动功能障碍并延长了注意力持续时间（Sieghartsleitner等人，2024）；另一项随机对照试验对亚急性期重度上肢障碍患者采用50Hz频率、300µs脉冲宽度的FES刺激腕伸肌和指伸肌，每周3-4次、每次20分钟、持续3-4周，3个月随访显示其上肢运动功能改善优于传统治疗（Brunner等人，2024）。
一项通过运动想象治疗脑卒中后上下肢运动功能障碍的临床研究，该图为脑机接口-功能性电刺激系统实验设置；上肢BCI治疗后，通过FMA-UE评估，患者的运动功能平均提高了 4.2 分（p < 0.001）。此外，还观察到日常生活活动能力的改善、手部和手指痉挛以及下肢的临床相关改善 @Frontiers in Neuroscience
基于运动执行的BCI-FES适用于有部分残余功能的患者，通过患者实际的运动输出，主动尝试运动激活感觉运动区，BCI-FES系统可以放大这种输出。这种一致性有助于功能重建，而不仅仅是补偿失去的能力。一项研究对27名脑卒中患者进行10次BCI-FES训练（频率16-30Hz、脉冲宽度10-500µs，刺激指伸肌），5周后与传统治疗组相比，BCI-FES组的改善在6-12个月后仍能维持（Biasiucci等人）。
运动想象需要大量练习，对于感觉运动区域受损严重或年事已高的脑卒中患者难度较大，运动执行适合仍具备一定运动功能的患者，而动作观察没有门槛；但仍需要进一步研究比较每种治疗方法在不同患者群体中的疗效和适用性，从而为治疗康复提供更准确的指导方针。
在不同脑卒中阶段的应用中，亚急性期患者接受脑机接口-功能性电刺激治疗后，上肢功能显著改善且效果可维持至少6个月；轻中度障碍患者的运动功能评分明显提高，手指痉挛减轻；重度障碍患者经3个月治疗后，动作研究臂测试（ARAT）评分上升。不过，目前针对急性期患者的研究较少，主要因急性期病情不稳定，需优先稳定生命体征，未来需探索该阶段应用的可行性和安全性。
挑战与发展方向
尽管脑机接口-功能性电刺激系统展现出良好的应用前景，但仍面临诸多挑战：在信号获取方面，侵入性脑机接口虽精准但存在伦理和风险问题，非侵入性脑机接口则因信噪比低导致解码困难，且现有信号编码技术存在视觉疲劳、训练时间长、信息传输率低等问题；在功能性电刺激系统方面，患者个体差异大，导致个性化运动任务设计受限，多通道和多肌肉管理难度较高。
未来，随着机器学习和深度学习算法（如卷积神经网络CNN、生成对抗网络GAN）的发展，脑机接口系统的信号解码效率将大幅提升，但需在临床中进一步验证和优化；同时，微纳米制造技术和材料科学的进步将推动脑电信号采集电极和芯片向柔性化、微型化、高通量和集成化发展。此外，新型电极材料（如柔性电极、水凝胶电极）将提升系统的生物相容性和稳定性，结合高效算法和能量技术，脑机接口-功能性电刺激设备有望向更精准、便携、可靠和用户友好的方向发展，为脑卒中后上肢康复提供更有效的支持。
https://doi.org/10.1016/j.brainresbull.2025.111354
https://doi.org/10.3389/fnins.2024.1346607
https://doi.org/10.1186/s12984-024-01304-1
