近日,复旦大学附属华山医院与上海交通大学医学院等机构的研究团队在《BMC Medicine》发表重要研究,引入一种新型多模态感觉反馈脑机接口(Multi-FDBK-BCI)系统,将本体感觉、触觉和视觉刺激整合到基于运动想象的训练中,旨在探索其潜在治疗效果并阐明运动恢复的神经机制。该技术通过激活大脑高阶网络重塑神经连接,为传统康复手段难以奏效的患者开辟了新路径。

多模态感觉反馈脑机接口疗法 @BMC Med
脑卒中是成年人长期残疾的主要原因之一,超过70%的患者会遗留慢性功能障碍,其中上肢瘫痪严重影响日常生活能力。尽管现有康复疗法不断发展,但约50%的慢性脑卒中患者仍存在中重度上肢运动障碍。传统运动想象疗法因缺乏多感官整合,难以有效激发大脑可塑性,而单一感觉反馈的脑机接口(BCI)对严重运动障碍患者效果有限。Multi-FDBK-BCI的核心创新在于将运动想象与实时多模态反馈结合,让患者在“大脑练习”时获得更真实的感官体验,从而强化神经重塑。
研究筛选了594例脑卒中患者,最终纳入39例符合标准的慢性脑卒中患者,这些患者均存在严重上肢运动功能障碍,病程至少6个月,且Fugl-Meyer运动评分(FMA-UE)低于31分。患者被随机分配至Multi-FDBK-BCI组(20例)和传统运动想象疗法组(19例),两组患者在年龄、性别、病程及基线运动功能等方面无显著差异,具有可比性。
干预措施为期4周,Multi-FDBK-BCI组患者接受的训练通过脑电图(EEG)检测其手腕屈伸的运动想象意图,当检测到意图时,系统同步激活三种反馈机制:外骨骼装置产生相应运动以提供本体感觉反馈,定位刷刺激手部以传递触觉反馈,虚拟现实(VR)设备则呈现预期运动的视觉表征,每次训练30分钟,每天1次,每周5次,共20次。传统运动想象疗法组患者在治疗师引导下进行运动想象训练,包括放松、关节运动想象及日常活动想象等步骤,训练时间和频率与Multi-FDBK-BCI组一致。

与运动想象相比,多反馈脑机接口疗法在改善慢性脑卒中患者的运动功能方面效果更佳。@BMC Med
研究采用多种评估手段,包括Fugl-Meyer评估(FMA,主要结局指标)、运动状态量表(MSS)、动作研究臂测试(ARAT)和表面肌电图(sEMG)来评估运动恢复情况,同时利用功能磁共振成像(fMRI)检查上肢任务期间的大脑激活模式,并通过格兰杰因果分析和机器学习评估区域间连接变化及其对恢复的预测价值。
结果显示,Multi-FDBK-BCI训练较传统疗法显著促进了运动功能恢复。干预后,Multi-FDBK-BCI组患者的FMA评分达到18.30±6.91,显著高于传统疗法组的15.89±6.33(p=0.015),效应量为0.80,表现出较大的临床意义;MSS评分方面,Multi-FDBK-BCI组为21.69±10.24,传统疗法组为21.94±9.94(p=0.046);腕伸肌的sEMG平均振幅在Multi-FDBK-BCI组为6.11±4.01μV,高于传统疗法组的5.53±3.83μV(p=0.037)。
在主动运动恢复方面,干预前所有患者均无法主动伸展患侧手腕,干预后Multi-FDBK-BCI组有7例患者出现主动腕伸,传统疗法组仅2例;运动诱发电位(MEP)检测显示,Multi-FDBK-BCI组有7例患者在患侧引出MEP,传统疗法组同样为2例,这些结果表明Multi-FDBK-BCI训练在促进神经生理恢复方面更具优势。
fMRI研究发现,Multi-FDBK-BCI训练后,患者在进行瘫痪肢体运动时,背侧注意网络、腹侧注意网络、额顶网络和默认模式网络等高阶跨模态网络的激活增强,且激活强度与运动改善呈正相关。格兰杰因果分析确定了一种独特的信息流动模式:来自受损运动皮层的信号通过跨模态网络传递至完整运动皮层,促进了半球间通信。这些功能连接的变化不仅支持了运动恢复,还可作为治疗结果的可靠预测因子,通过“留一法”验证发现,Δ格兰杰因果性能够有效预测个体患者的运动功能恢复情况,为个性化康复提供了潜在的生物标志物。

多反馈脑机接口疗法对慢性脑卒中患者手部运动功能障碍改善后引起的人类跨模态区域显著激活。@BMC Med
该研究成果具有重要的临床应用价值。Multi-FDBK-BCI系统为慢性脑卒中康复提供了一种有前景的策略,其通过利用高阶跨模态网络内的活动依赖性神经可塑性,为恢复选择有限的患者带来了新希望。与现有多数针对运动功能较好患者的非侵入性脑机接口不同,本研究中的患者基线FMA评分仅为13.90±6.97,属于严重运动障碍人群,研究证实该系统对这一人群有效,填补了严重运动障碍患者康复的空白。多模态方法不仅增强了感觉-运动整合,还通过实时反馈提高了患者的参与度和训练动机,减少了认知疲劳。
然而,研究也存在一定局限性,如样本量较小,可能影响结果的普适性;仅评估了干预前后的短期效果,缺乏长期随访数据,无法确定疗效的持久性;干预时间相对较短,功能改善的幅度有待进一步提升;此外,研究未评估结构连接,未来可结合扩散张量成像(DTI)等技术深入探索纤维连接的变化。
基于此,未来研究可从多个方向拓展。一方面,扩大样本量并进行长期随访,以严格评估治疗效果的可持续性和普遍适用性;另一方面,开展针对不同脑卒中人群(如不同病变位置、类型、严重程度和慢性期)的比较有效性研究,明确最能从该干预中获益的患者群体。此外,将Multi-FDBK-BCI系统与认知增强药物或神经调控技术(如重复经颅磁刺激)结合,可能进一步提高康复效果。适应远程康复需求,开发基于该系统的远程监控和反馈技术,可突破地理和移动障碍,扩大专业神经康复服务的覆盖范围,为更多慢性脑卒中患者提供有效的康复手段。
*本文主要基于7月1日华山医院等团队发表的《多感官脑机接口通过高阶网络介导的慢性卒中患者半球间整合促进运动功能恢复》(Multisensory BCI promotes motor recovery via high-order network-mediated interhemispheric integration in chronic stroke)一文,相关临床研究为《基于脑计算机接口的腕关节机器人训练对脑卒中患者脑功能重塑的机制研究》。图片来自网络侵删。如需了解原文详情,可通过下方链接或扫描底部二维码加入“脑机接口”知识星球获取相关资料。
参考:
https://doi.org/10.1186/s12916-025-04214-8
https://www.chictr.org.cn/showproj.html?proj=18261
