脑接口在康复医学中的应用进展
居芬1，赵晨光1，袁华1，牟翔1，王冰水2
【关键词】 脑接口；运动功能；康复
国家自然科学基金重大研究计划(91420301) 家 高技 术 研究发展计划(863计划)(SS2015A041002)
作者1.第四军医大学西京医院康复理疗科 安７１００３２；２．南 方医科大学深圳医院康复医学科，深圳５１８０００
脑接口是一种不依赖常规脑信息输出通道的技术，在大脑与计算机或其他电子设备之间建立新的通信和控制。
在康复领域，脑机接口技术可以通过收集人脑电信号，直接控制输出设备，实现功能障碍者与外界的沟通，为提高功能障碍者的生存质量提供可能的途径。
脑控机器人接口（Brain－ControlledRobotInterface，BCRI）是一种新型的人机接口技术，是脑机接口/脑计算机接口（Brain－MachineInterface，BMI／Brain－ComputerInterface，BCI）在机器人控制领域的重要应用和研究方向。
脑－计算机接口（Brain－ComputerInterface，BCI）是BCRI系统的核心模块。脑机接口技术是一种交叉技术，涉及认知科学、神经科学、生物技术、生物医学工程、纳米技术、信息技术、计算机科学和应用数学。脑机接口包括植入性和非侵入性。
本文主要阐述了非侵入性脑接口的康复应用进展。
由于中枢神经系统结构和功能的复杂性，人类对疾病的认识不完全，缺乏有效的治疗方法。大脑可塑性的发现为神经功能的恢复奠定了理论基础。
大脑可塑性是指在内外环境因素的作用下，神经元之间的相互关系可以改变，神经功能可以重组。其机制包括轴突及树突发芽、神经细胞再生、备用通道启用、突触数量增加等。神经可塑性贯穿于神经损伤后功能康复的全过程，在整个康复过程中发挥着重要作用。如何促进大脑和脊髓神经的可塑性和功能重组是中枢神经损伤后功能康复研究的热点。
BCI重塑中枢神经系统有两种方法：
一是通过正确的调整改变大脑信号的特征。
第二种方法是通过BCI的反馈利用其外接设备进行反复练，可产生正常的运动模式，间接促进正常的大脑信号产生，促进大脑重塑，是BCI与外部设备一起参与重塑 及康复［6］。
2.1运动功能
脑接口可以在大脑和外部设备之间建立信息通道，以取代上肢和下肢。它不依赖于外周神经和肌肉，通过反馈调整控制外部设备，如支架、假肢和机器臂。
1999年 Chapin等［8］用 人工神经网络算法将大鼠运动皮层神经集群电信号转换为水泵控制指令，首次实现了大脑对外部设备的直接控制。202年，神经界面理论的应用首次发表，使脊髓损伤患者产生上肢运动9。
Varkuti等10对于慢性期脑卒中患者，经过4周的运动想象BCI训练结束后，6名受试者中有5人 Fugl－Meyer上肢功能评价得分显著提高。
Pfurtscheller［11］将基于μ波的BCI－FES（Brain－ComputerInterface－FunctionalElectricalStimulation）该系统用于1例四肢瘫痪患者BCI实现对上肢电刺激的启动控制，使其掌握水杯-饮水的动作，显著改善患者的上肢功能。
Kubler等11证实肌萎缩侧索硬化症（AmyotrophicLateralScle－rosis，ALS）在闭锁综合征患者中，通过训练他们控制显示屏上光标的运动，从而达到与外界沟通的目的。
Dandan等［13］指出大脑运动皮层的 P波是最容易监测和准确的。
ChriStian如14报告一例颈5完全损伤患者可通过使用脑接口系统控制P波，实现虚拟情况下行走训练。
因此，该技术可以修复或重建功能障碍患者丧失的运动能力；可以为中风患者提供新的积极参与控制康复训练模式，使用脑接口进行直接康复训练，训练患者恢复正常的运动想象模式，更快地恢复肢体运动功能；脊髓损伤患者可以使用脑接口系统，使用基于脑电信号的辅助设备控制平台进行轮椅控制和环境控制，提高自理能力。
2.2语言交流能力
脑接口已被开发和测试以控制交流设备。脑接口是最合适和最需要的技术，对于严重的交流障碍患者。这包括晚期多发性硬化患者、无认知障碍但缺乏沟通能力的患者（如高脊髓损伤患者、闭锁综合征等），以及其他不能操作物体或不能使用视觉辅助系统的患者。
Kübler等待15讨论了家庭脑接口的适用人群、治疗策略和环境影响因素。目前，脑接口已从实验室研究发展到临床对照研究。除完全闭锁的患者外，瘫痪患者可以基于每个阶段 P300、SMR或SCP简单简单的语言交流16-18。
2004 年Hinterberge等待19首次将听觉反馈范式引入脑机接口研究。研究发现，视觉反馈和视觉反馈对脑接口的控制更加灵活，但简单的听觉反馈比简单的视觉反馈对脑接口的控制效果更差。
Peters等［20］在研究中描述了作为一个通信设备，脑机接口与传统的辅助技术相比，它的优点和不足。通过研究发现，利用脑机接口来完成指定的任务是更容易实现的，但对于提高日常生活能力而言，并没有明确的效果。
2.3评价意识
对于意识障碍患者，脑接口可以提供机会证明他们有意识。脑接口不仅是评估意识的一种方法，也是重建沟通渠道的一种方法。识别意识障碍的脑接口是一个极其重要的发现。Coyle等待21在脑机接口应用于极低意识状态患者的研究中证实，在缺乏其他沟通方法的情况下，脑机接口可以学习应用于沟通。
2.４ 作业能力
研究表明，脑-机接口技术在智能交通中的应用很多22。随着脑-机接口技术的不断发展，更智能、更有趣的康复治疗方法可以广泛应用于功能障碍患者23。有研究 基于显示24BCI系统理论，运动想象控制轮椅在四个方向运动，显著提高患者的转移能力和日常生活能力。既能丰富娱乐康复方式，又能促进日常生活能力康复的前景。
2.５ 结合辅助技术
越来越多的脑接口与其他辅助技术相结合，应用于实验。基于脑电信号，可与外骨骼辅助技术相结合。Schettini等18开发了一种适合多发性硬化患者的混合性脑接口，并证实多发性硬化患者最适合这种非侵入性脑接口。脑机接口对脊髓损伤和脑干梗死患者极其重要和有用。脊髓损伤患者的脑接口包括计算机导向 控制向性任务和外骨骼。Hug－gins等25讨论了脑接口的设计应该实现脊髓损伤 伤患者的目标为优先，并评估了如何能更多为患者带来益处。
2.６ 综合应用
目前，直接作用于大脑的治疗方法很多，结果有限。因此，我们需要找到一种干预措施来促进运动功能的恢复，使其更直接地作用于靶点，更快地促进大脑损伤区域的恢复。
生物反馈治疗是干预不同类型功能障碍的有效手段。目前BCI它已应用于无创生物反馈系统，依赖于大脑信号的快速处理，可直接从认知、情绪管理和运动学习训练中获得。处理无时间延迟的离线信号fMRI－BCI在许多用于许多运动学习训练 测试学习机制和效果。实时fMRI－BCI在疼痛治疗中26已被用来调整右侧扣带回前皮质的节律。EEG－BCI该系统还用于减少癫痫发作，改善患者的注意力缺陷。
目前，物理治疗与物理治疗联合进行了随机对比研究EEG－BCI根据治疗的临床效果27，结果显示Fugl－Meyer对上肢协调能力评分的比较，联合物理治疗EEG－BCI组治疗明显有效，其差异具有统计意义。
脑神经反馈训练的直接刺激治疗和应用取决于我们对运动恢复机制、神经区域相关功能、干预机制、运动控制神经修复机制的理解。这些理解的发现将为未来脑接口的应用提供一个良好的平台28。
同时，脑接口的未来发展应在于对运动学习的神经机制的理解，以及如何利用脑接口来增加这些神经机制的特异性。恢复运动能力的机制，即脑接口的基础，是将神经递质释放到大脑的特殊部位或特殊底物，以促进疾病后神经损伤或运动功能的恢复。虽然表面上看起来不可行，但是Janis等29已经设计和测试了一种 EEG－BCI，使用小鼠模型的脑电信号 细胞移植控制无线电设备。
综上所述，实验室脑接口和家庭交流脑接口的应用已经成功。临床医生和临床科学研究人员应进一步研究，使脑接口在康复医学中充分发挥潜力。
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论文信息：《脑机接口在康复医学中的应用进展》
http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-ZLKF201706034.htm
仅用于学术交流，部分图片来源于网络
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