作者：申亚峰，薛德友，天津市人民医院/ 南开大学第一附属医院神经外科；焦德让，天津市康汇医院神经外科

脑卒中不仅是全球范围内仅次于缺血性心脏病的第二大死亡原因，更是导致成年人永久性残疾的首要病因，对人类健康与社会医疗体系构成双重沉重负担。根据世界卫生组织统计，全球每年约有1 500 万新发脑卒中，其中约1/3 的患者遗留永久性运动功能障碍（肢体瘫痪或步态异常），这类功能障碍不仅导致患者失去自理能力，还引发抑郁、压力性损伤等并发症，显著降低患者的生活质量。

脑卒中后神经功能恢复的“黄金窗口期”通常在发病后3~6 个月，现有康复方法如物理治疗、机器人辅助训练和强制性运动疗法，依赖患者主动参与和重复训练，在慢性期（病程超过6 个月）的疗效有限，亟需创新性干预策略。

近年来，脑机接口（brain computer interface，BCI）联合功能性电刺激（functional electrical stimulation，FES）技术的突破为神经康复提供了新范式。BCI 通过解码运动想象或运动意图相关的脑电信号，将神经活动转化为控制指令，其核心优势在于绕过受损神经通路，直接利用大脑信号驱动外部设备。FES通过电脉冲刺激瘫痪肌肉，诱导功能性收缩，早期FES 因缺乏与中枢神经系统的闭环反馈，仅能实现被动肌肉激活。

BCI 通过解码患者运动意图，驱动FES 精准刺激目标肌群，二者联合构建了“脑- 机- 肌”闭环通路，不仅替代受损神经通路，还能通过调控神经可塑性促进功能重建。本文探讨BCI联合FES技术在脑卒中康复中的临床价值和技术瓶颈。

1.　技术原理与系统架构

1.1　BCI技术　

BCI是一种直接连接大脑与外部设备的技术，通过采集和解码大脑产生的电生理信号（如脑电信号）解析大脑运动意图，将神经活动转化为控制指令，实现人机交互，其核心目标是替代或增强受损的神经传导功能，在运动康复领域具有重要意义。BCI的关键技术环节包括：

（1）信号预处理，进行独立成分分析，以去除眼电伪迹，采用带通滤波，以实现降噪，共空间模式增强运动想象相关信号特征；

（2）特征提取与分类，小波变换提取事件相关去同步化（event-related desynchronization，ERD）/事件相关同步化（event-related synchronization，ERS）能量变化，支持向量机、线性判别分析或深度学习解码运动意图；

（3）反馈设计，包括视觉反馈（如虚拟手臂运动）、触觉反馈（振动刺激）或听觉反馈，增强用户训练参与度。

BCI根据信号采集方式可分为：

（1）非侵入式BCI，以脑电图为主，通过头皮电极捕捉感觉运动节律（如μ波、β 波）和ERD，捕捉宏观神经振荡（如8~12 Hz的μ波、13~30 Hz的β波），具有无创、易操作的优势，但信号信噪比较低、空间分辨率差，可用于脑卒中康复的粗大运动意图检测；

（2）侵入式BCI，通过手术植入电极（如皮层脑电图、微电极阵列）直接记录神经元放电或局部场电位，信号质量高且时空分辨率优，可捕捉高频γ 波段（>60 Hz）信号，解码精度在95%以上，适合复杂动作控制，但存在手术风险及长期信号衰减，可用于重度瘫痪患者（如脊髓损伤）的精细运动控制。

1.2　FES 技术　

FES 通过低频电流刺激周围神经或肌肉，诱导瘫痪肌肉产生功能性收缩，恢复运动功能。其核心目标是替代或增强中枢神经系统对肌肉的控制。FES 参数包括：（1）刺激部位，针对上肢（桡侧腕屈肌、指伸肌）或下肢（胫骨前肌、股四头肌）肌群，直接刺激运动点引发肌肉收缩，激活传入纤维触发脊髓反射，增强运动输出；（2）波形与频率，常用对称双相波减少组织损伤，载波频率降低皮肤阻抗，脉宽200~500 μs，电流强度10~30 mA，以平衡肌肉收缩强度与患者舒适度。

1.3　BCI联合FES技术　

BCI与FES的协同形成“意图检测- 电刺激- 感觉反馈”闭环，通过整合大脑意图解码与外周肌肉激活，构建“脑- 机- 肌”双向交互通路，实现神经重塑与功能代偿的协同。BCI 联合FES技术的工作流程：BCI 实时检测运动想象相关的脑电图（如ERD），分类器输出“运动意图”信号；BCI 指令触发FES刺激目标肌肉，刺激强度可根据肌电信号或力学传感器反馈自适应调整；视觉（虚拟肢体运动）、触觉（振动提示）或本体感觉（关节运动）反馈强化运动学习。

例如，患者想象手腕伸展时，BCI 检测ERD信号触发FES 刺激桡侧腕伸肌，同时通过视觉或触觉反馈强化正确运动模式，促进神经重塑。BCI 联合FES技术的优势在于BCI解码的“运动意图”与FES诱导的“肌肉收缩”在时间上精确同步，空间上靶向特定肌群，模拟生理性运动控制，通过Hebbian 学习机制，促进受损运动通路的突触重塑，深度学习算法可动态优化BCI解码模型与FES参数。

2.　BCI联合FES技术的作用机制

2.1　调控神经可塑性

2.1.1　突触可塑性： 基于赫布学习规则，当患者想象运动时（突触前神经元激活），BCI 解码该意图并触发FES刺激肌肉（突触后神经元激活），两者时间上的同步性通过N-甲基-D- 天冬氨酸受体介导的钙离子内流增强突触连接效率。

2.1.2　稳态可塑性： 持续训练促使大脑调整兴奋性以维持网络稳定性，形成持久的功能性重组。例如，通过重复训练强化运动皮层的β 频段振荡活动，形成持久的功能性重组。

2.1.3　神经振荡与脑区激活： 运动想象任务中，BCI检测到μ/β 频段的ERD，并驱动FES刺激目标肌群，这一过程激活受损半球的初级运动皮层、辅助运动区及前运动皮层，同时通过镜像神经元系统整合运动意图与执行。

2.2　FES 的生理效应　

FES 通过电刺激直接作用于神经肌肉系统，增强中枢与外周的双向反馈：（1）增强脑血流灌注，FES诱导的肌肉收缩可增加感觉运动皮层的血氧水平，改善局部代谢，延缓萎缩；（2）激活脊髓反射，FES刺激混合神经束时，通过Ⅰa 类传入纤维激活脊髓中枢模式发生器，通过刺激混合神经束募集Renshaw细胞，抑制痉挛并增强脊髓运动网络兴奋性，改善步态协调性。FES局限在于频繁刺激可促使三磷酸腺苷快速耗竭，收缩力随时间下降，导致肌肉疲劳；不恰当刺激可能诱发异常协同运动，加重痉挛。

3.　BCI联合FES技术在脑卒中康复中的应用

3.1　上肢功能康复　

Jang 等研究表明，BCI 联合FES技术训练可能通过促进运动恢复来有效改善脑卒中患者的肩关节半脱位。陈龙等发现，将基于脑电控制的FES康复系统用于脑卒中患者临床康复训练测试中，对侧占优系数随康复训练进程呈现上升趋势，上肢部分肌肉的肌力增强，张力水平下降。Zulauf-Czaja 等报道，只要使用方便并提供支持，BCI 联合FES技术可用于脑卒中患者手部治疗，操作BCI 的知识可以从研究人员转移到治疗师，再转移到用户和护理人员。

孙文斌研究报道，以FES 作为BCI 环节中的外部控制环节，采用弱电流刺激，可提升脑卒中左右手运动功能，脑电信号能量明显提高。唐千乇等研究表明，BCI控制的FES可显著改善脑卒中患侧肘关节反应时间、肘关节位置觉误差、上肢运动功能。Remsik 等认为，无论损伤程度和慢性程度如何，BCI 联合FES 技术与标准的物理康复方法相结合明显促进脑卒中患者肢体运动功能恢复。

Chen 等研究发现，BCI 联合FES 技术能增加脑卒中患者上肢功能和手活动功能。Sinha 等发现，BCI 与FES 的干预可以促进卒中患者的半球间连接变化和上肢运动恢复。Remsik 等研究报道，BCI联合FES技术可提高脑卒中患者同侧大脑半球和受损手的功能性运动能力。Lee 等表明，动作观察训练联合BCI 联合FES技术干预可以增强脑卒中患者上肢运动功能和皮质激活。孙晓红研究发现，BCI联合FES技术在高原缺血性脑卒中患者上肢运动功能重建中有明显优势，能够显著改善患者手臂动作及运动功能。这表明，BCI联合FES技术在改善脑卒中患者上肢功能方面具有显著优势，其机制可能与半球间连接状态变化有关。

3.2　下肢与步态康复　

Do等报道，BCI 联合FES技术干预的足部背屈时间与自主足部背屈时间高度相关，可为神经损伤导致下肢瘫痪的个体神经康复提供一种新颖有效的治疗方法。McCrimmon 等研究发现，脑卒中患者有目的地实时操作BCI 联合FES技术，可使患者背屈活动范围提高，提示慢性脑卒中幸存者可以操作BCI 联合FES 技术，促进功能恢复。McCrimmon等研究发现，BCI联合FES技术治疗安全性高，可为严重受损的患者提供一种新的步态康复选择。

Chung 等发现，在脑卒中患者中，基于BCI的FES 训练是一种比单独进行FES 训练更有效的平衡和步态功能锻炼。王仲朋研究发现，BCI技术在运动神经反馈训练中能发挥关键耦合调控作用，驱动FES诱发更强脑电生理活动和血液动力学响应。吴林彦研究报道，BCI与下肢FES联合系统对受试者的下肢功能恢复起到积极作用。Chung等研究报道，BCI联合FES技术训练可有效提升慢性轻偏瘫卒中患者步态、步速、步频，在受影响较小的一侧步长显著增加。

Carrere等发现，步态的改善可能是由与感觉运动节律调节相关的功能性脑连接的变化所促进的，BCI联合FES技术可能对步态康复产生积极影响。Biswas 等针对步态障碍慢性（>6个月）阶段的脑卒中患者，BCI联合FES技术可改善步态速度。这表明，BCI联合FES技术在促进下肢功能与步态康复方面发挥积极作用，其机制可能与功能性脑连接状态变化有关。

4.　小结与展望

BCI和FES技术通过闭环神经调控与肌肉激活的协同作用，在促进神经可塑性、上下肢功能与步态恢复方面的潜力已得到广泛验证，其机制可能与功能性脑连接状态变化有关。未来随着智能化、家庭化康复设备的发展，BCI 和FES 技术有望成为脑卒中康复的重要手段，助力患者重获功能独立性。

来源：申亚峰,薛德友,焦德让.脑机接口联合功能性电刺激在脑卒中康复中的研究进展[J].中国临床神经外科杂志,2025,30(12):747-750.DOI:10.13798/j.issn.1009-153X.2025.12.010.