对于许多慢性卒中患者来说，上肢运动障碍就像一把长期挂在身上的锁，让他们的日常生活充满不便。常规康复训练往往疗效有限，而感觉反馈在唤醒大脑可塑性、重建运动功能中却起着关键作用。本文介绍了一种全新的多模态感觉反馈脑机接口（Multi-FDBK-BCI），它把本体感觉、触觉和视觉刺激巧妙地结合在基于运动想象的训练中。研究结果显示，这一方法不仅显著提升了患者的运动功能，还揭示了背后的机制：信息从受损侧大脑运动皮层出发，经由高级跨模态网络，传递到健侧皮层，最终推动双半球的功能整合。这意味着，对那些运动障碍严重、传统康复手段乏力的患者而言，多感官脑机接口或许能带来新的希望。相关成果发表于《BMC Medicine》。

卒中是全球长期致残的首要原因之一，其后遗症十分常见——超过70%的患者都会留下不同程度的慢性功能障碍，这不仅限制了患者的生活，也给家庭和社会带来沉重压力。其中，偏瘫是最常见的功能损伤。即便接受了高强度康复训练，仍有将近一半的慢性卒中患者长期存在中重度上肢运动障碍，严重限制了他们的日常独立生活能力。在卒中的慢性期，传统康复手段的效果逐渐下降，这是因为大脑可塑性潜力的利用受限。而感觉系统在运动的执行和调控中起着至关重要的作用。如果在卒中后能保留感觉系统的完整性，就有利于运动功能的恢复。越来越多的证据表明，感觉反馈疗法能有效增强神经可塑性，在慢性期康复中具有很大潜力。

感觉系统能够将视觉、触觉、听觉、本体感觉等多种信息传递到大脑不同区域，为运动调节提供关键反馈。相关研究显示，多种感觉反馈方式在促进运动恢复方面效果显著：视觉反馈训练能提升患者的上肢运动功能与空间感知；触觉辨别训练可以引发感觉运动皮层的功能重组，从而改善患手的深感觉和运动表现。

更重要的是，结合多模态感觉反馈（如本体感觉+视觉）的康复方式，已被证明能显著提高 Fugl-Meyer 上肢评分，并改善患者的日常生活能力。然而，目前研究仍存在一个空白：尽管感觉反馈在康复中作用重要，但目前还没有任何研究能把本体感觉、触觉和视觉三种反馈整合进一个运动想象脑机接口系统（MI-BCI），专门用于卒中后的神经康复。

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。

和以往多数研究不同，本研究不仅关注康复效果，还利用功能性磁共振成像（fMRI）深入探究了多模态感觉反馈脑机接口（Multi-FDBK-BCI）对脑网络连接性的影响，从而揭示其神经机制。

图1：研究设计与受试者招募流程

（图片来自原文）

本研究针对慢性脑卒中偏瘫患者，引入了一种多模态感觉反馈脑机接口（Multi-FDBK-BCI）系统，将本体感觉、触觉和视觉刺激融入基于运动想象的训练中。共有39例慢性脑卒中患者参与研究，随机分为Multi-FDBK-BCI组（n=20）和传统运动想象疗法组（n=19）。两组患者在为期4周的干预期间接受相同剂量的上肢康复训练，不同之处在于实验组通过脑机接口获得多重感觉反馈，而对照组仅接受常规的想象训练指导。

为客观评估运动功能恢复，研究采用多种量化指标：Fugl-Meyer运动功能评估（FMA）作为主要结局指标，以及运动状态量表（MSS）、上肢动作研究试验（ARAT）和患肢表面肌电图（sEMG）信号的变化。这些指标分别评估患者肢体运动功能、运动控制程度、上肢功能活动能力和肌肉收缩情况。与此同时，研究在干预前后使用功能性磁共振成像（fMRI）观察患者在执行上肢任务时的大脑激活模式变化，并运用格兰杰因果分析结合机器学习方法，评估大脑不同区域间功能连接的改变及其对运动恢复的预测价值。这一多模态评估设计旨在全面揭示训练的临床效果和潜在神经机制。

图2：多模态BCI对运动功能的促进作用。

（图片来自原文）

 经过4周干预，Multi-FDBK-BCI组的运动功能恢复显著优于传统疗法组。干预后实验组上肢 FMA 评分提升至 18.30 ± 6.91 分，显著高于对照组的 15.89 ± 6.33 分（p = 0.015），差异具有统计学意义。按提高的幅度计算，实验组 FMA 分数平均增加了约4.40分，对照组增加约2.26分，效应量 (Hedges’ g) 达到 0.80，提示为具有临床意义的较大改善。同样地，MSS 运动状态量表评分在实验组提高至 21.69 ± 10.24，对照组为 21.94 ± 9.94，两组差异也达到显著水平（p = 0.046）。上肢肌电活动也出现明显变化：以患侧腕伸肌群的表面肌电平均振幅为例，实验组从基线增加 2.41 ± 1.92 µV 至干预后的 6.11 ± 4.01 µV，对照组仅从基线增加 1.25 ± 1.36 µV 至 5.53 ± 3.83 µV，组间差异有统计学意义（p = 0.037）。

值得注意的是，两组患者在干预后 ARAT 上肢功能活动能力评分差异并不显著（p > 0.30），这暗示尽管基础运动能力有所改善，但在更复杂的上肢功能任务上短期内尚未体现出显著差别。总体而言，多模态反馈脑机接口训练显著促进了偏瘫上肢的运动功能恢复，尤其体现在基本运动控制和肌肉激活方面。

图3：fMRI揭示多模态BCI诱发的跨模态脑区激活

（图片来自原文）

图3A示意了fMRI任务范式，患者在扫描中按区块设计依次进行左手、右手运动想象与休息任务（每种条件20秒，循环交替）。在多感觉反馈BCI干预前后，对健侧（非瘫痪侧）手运动想象诱发的BOLD全脑激活强度无显著变化（图3B），而干预后瘫痪手运动想象诱发的脑激活较基线显著增强（图3C）。这些激活不仅出现在双侧初级运动相关区域，还包括双侧多个高阶跨模态脑区，如背侧注意网络、腹侧注意网络、前额顶网络以及默认模式网络等。图3D标示了上述功能网络的脑区分布，图3E则对各网络的BOLD信号变化进行了定量比较，结果证实干预后瘫痪手运动所激活的双侧皮层网络BOLD信号均较基线显著升高（FDR校正p<0.05）。由此可见，经过多感觉反馈BCI训练，患者瘫痪手运动能够招募更广泛的高阶脑网络参与，这种跨网络的大脑可塑性变化为运动功能的改善提供了重要神经基础。

图4：功能激活与行为恢复的相关性信号

（图片来自原文）

图4探讨了大脑BOLD信号变化与临床运动功能恢复之间的关系。图4A以示意图呈现瘫痪手运动诱发的BOLD信号改变与多种行为学改善指标之间的相关性，其中红色连线长度根据Pearson相关系数刻画，标示出经过校正后达到显著水平（p<0.05）的脑区-行为相关关系。图4B–G进一步通过散点图展示了BOLD信号改变与客观运动功能指标（如患侧肌电活动sEMG改善幅度）之间的线性相关，每个点代表一名患者，红色直线为最佳线性拟合。结果表明，不同患者训练后某些脑区BOLD信号增强幅度与其sEMG提升有显著正相关关系，而与FMA和MSS临床评分改变的相关性相对较弱，ARAT评分改变则与BOLD变化无显著相关。这说明高阶脑网络BOLD反应的增强程度密切反映了功能恢复的客观改善，提示多感觉反馈BCI诱导的神经重塑在运动功能恢复中发挥了重要作用。

图5：跨网络因果信息流的增强及代偿机制

（图片来自原文）

图5展示了基于Granger因果分析的脑网络相互作用变化，以阐明多感觉反馈训练促进运动恢复的网络机制。图5A示意分析流程：提取瘫痪手运动任务下的全脑BOLD时间序列，对信号进行HRF去卷积以获得推测的神经活动，并聚焦于双侧运动皮层以及默认模式、前额顶、背侧注意、腹侧注意等高级脑网络。随后对这些神经活动应用多变量Granger因果分析，评估各网络节点之间在训练前后的方向性影响强度差异。结果显示（图5B），多感觉反馈BCI训练后，患侧（损伤半球）运动皮层向多模态跨模态高级网络的信息输出显著增强，进而经由这些网络投射到对侧（健侧）运动皮层的因果影响也明显提高（与训练前相比，p<0.05）。换言之，该训练强化了经由高阶跨模态网络实现的健侧运动皮层功能代偿作用（图5C）。图5揭示，多感觉反馈BCI通过增强损伤侧运动皮层与高阶网络以及健侧运动皮层之间的信息交互，促进了双半球运动网络的整合，从而支撑了瘫痪肢体运动功能的恢复。

图6：脑网络因果变化可预测个体康复水平

（图片来自原文）

图6评估了训练引起的脑网络因果关系变化在个体层面预测运动功能恢复的效力。图6A展示了“留一法”交叉验证的预测流程：每次以其中19名患者（n-1）的ΔGranger因果变化和行为学改善数据拟合线性模型，然后用该模型预测被留出的第20名患者的功能改善值，如此循环验证模型泛化能力。图6B将模型预测的运动功能变化与实际观测值进行比较，结果显示二者之间无显著差异（N=20，配对t检验p>0.05），说明该模型具有良好的预测准确性。也就是说，根据多感觉反馈训练前后的脑网络因果影响差值，可以较为准确地预测出每位患者上肢运动功能的改善幅度。这一发现表明，ΔGranger因果指标有望作为一种有用的无创神经影像学生物标志，用于预示个体康复疗效并指导个性化的康复干预。

本研究创新性地将视觉、触觉与本体感觉反馈整合进基于运动想象的BCI系统，证实其在严重上肢功能障碍的慢性卒中患者中可显著改善运动功能。功能磁共振结果表明，训练促进了跨模态高阶网络的激活与重组，格兰杰因果分析揭示了损伤侧运动皮层经跨模态网络至健侧皮层的信息流增强，明确了运动恢复的网络补偿机制。进一步，ΔGranger因果指标在个体康复效果预测中表现出良好效能，提示其潜在的生物标志物价值。本研究不仅拓展了BCI的临床适用范围，也为卒中康复提供了机制层面的新证据与个体化干预的参考。

上海交通大学医学院松江研究院“神经调控与脑功能重塑”实验室由高郑润研究员领衔，专注于探索脑功能重建的神经重塑机制。在此基础上，开展“临床-基础”反向转化研究，深入解析基于超声、电等物理场刺激的神经调控技术在促进脑功能重建中的多维机制，为临床治疗提供创新的脑机交互神经调控策略。

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我们致力于桥接基础研究与临床应用，推动神经科学领域的突破与创新。目前，实验室正处于快速发展阶段，热忱欢迎对神经环路重塑、脑机接口技术、运动与认知康复等方向感兴趣的博士后与研究生加入。我们期待具备神经影像学、神经电生理、运动康复或工程背景的优秀人才，共同探索神经可塑性的奥秘。

联系方式：zrgao@shsmu.edu.cn

参考文献：

R. Lu et al., “Multisensory BCI promotes motor recovery via high-order network-mediated interhemispheric integration in chronic stroke,” BMC Medicine, vol. 23, no. 1, p. 380, July 2025, doi: 10.1186/s12916-025-04214-8.

来源：BME康复工程分会

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