作者：秦汉，田千慧，许世维，朱咏梅，安徽省第二人民医院；孛学平，中国科学技术大学附属第一医院
脑卒中、脊髓损伤是临床康复中常见的中枢神经系统疾病，也是导致成人残疾的主要原因。恢复自主运动功能可以有效改善脑卒中、脊髓损伤后的独立性和生活质量。传统的康复方法虽然在一定程度上能够帮助患者恢复运动功能，但效果有限。随着神经工程技术的飞速发展，脑机接口（brain-computer interface，BCI）及其控制的外部设备包括机器人、功能性电刺激（functional electricalstimulation，FES）、视觉反馈等为中枢神经系统疾病的康复提供了新的希望。
研究发现，与BCI 控制的机器人、视觉反馈相比，BCI-FES 可以更大程度地改善脑卒中患者的肢体功能。在对脊髓损伤患者的相关研究也发现了使用BCI-FES 干预后运动功能得到改善的证据。此外，由于BCI-FES 治疗并不涉及瘫痪肢体的主动运动，即使针对严重运动功能不足的患者，BCI-FES 也不会受到限制。因此本文就BCI-FES 在脑卒中、脊髓损伤后肢体康复中的应用进展予以综述，以期为中枢神经系统疾病的临床康复提供策略和理论依据。
1. BCI-FES技术简介
BCI 是一种人机交互技术，指采集受试者执行运动想象任务时的大脑信号，再解码翻译将其转换成计算机命令以控制外部设备。BCI 系统由4 个顺序单元组成：①信号采集；②特征提取；③特征转换；④设备输出。根据信号采集方式的不同，BCI分为侵入性（经大脑皮质植入电极采集）和非侵入性（经头皮表面采集，包括
侵入性BCI 采集到的神经信号信噪比和空间分辨率较高，但手术操作存在风险，且异物反应可能导致神经胶质瘢痕形成，影响BCI 解码的稳定性和可靠性。与侵入性BCI 相比，非侵入性BCI 具有成本低、无创性、易使用等优势，其中基于脑电图的BCI 得到了广泛的临床应用。FES是利用低频脉冲电流刺激失去神经控制的肌肉，诱发肌肉产生功能性运动，以达到改善或恢复肢体功能的目的。
有学者将两者结合形成BCI-FES，该技术主要通过BCI 监测患者大脑发出的运动意图并将其转化为控制信号，然后驱动FES设备对患者进行相应的电刺激，从而帮助患者实现预期的运动。通过这种方式，BCI-FES 不仅能够提供实时的反馈，帮助患者了解自己的运动意图是否被执行，还能通过反复的训练和刺激，促进中枢神经系统的重塑和恢复。
目前关于BCI-FES 的个体化治疗方案尚未达成共识。由于针对不同疾病的类型以及患者肢体功能康复的不同需求，导致BCI-FES的治疗方案有所不同。但不同治疗方案均涉及相关参数，包括：
①BCI 信号采集方式：BCI 信号采集是BCI-FES 治疗方案的基础，不同的信号采集方式可能会影响BCI-FES 的准确性和稳定性。临床多以脑电图为信号源采集受试者的大脑信号。常见的脑电图采集方式包括非侵入式头皮电极采集和侵入式脑内电极采集，非侵入式方式因其安全性高、操作简便而被广泛应用于临床和研究中。
②FES刺激的肌群：BCI-FES 通常针对特定的肌群进行刺激，以恢复或改善患者的运动功能。这些肌群包括改善上肢及手功能的前臂屈肌群和伸肌群、手指的屈肌群和伸肌群等；改善步态及平衡的股四头肌、腘绳肌、胫骨前肌等。
③BCI-FES 的治疗时间及频率：治疗时间和频率是BCI-FES 治疗方案中的关键参数，通常需要根据患者的具体情况和康复进展来制定。相关研究发现，BCI-FES 的治疗时间一般为20 min～1 h 不等，治疗频率多为3～5次/周。
2. BCI-FES的作用机制
BCI-FES 的作用机制可能涉及①促进神经通路可塑性，修复神经环路：BCI-FES 可能是基于赫布理论诱导神经可塑性以促使中枢神经损伤患者肢体功能康复。赫布理论认为“突触前输入到突触后神经元，由于突触前和突触后末端的同时激活而导致突触传递效能增加”，因而有利于增强神经元之间的连接。事件相关去同步化（event-related desynchronization）主要被用作基于脑电图的BCI-FES 的触发器，它被证明可以反映初级运动皮质和脊髓运动神经元的兴奋性。
FES 也被证明可以在刺激过程中激活大脑皮质和脊髓运动网络。因此在BCI-FES 治疗中，BCI 系统检测到事件相关去同步化形式的突触前输入，可以通过FES 激活类似的突触后激活而产生增强的突触连接，从而促使受损神经元之间的连接增强，促进神经通路可塑性，恢复受损肢体的功能。
BCI-FES 还可以通过激活大脑皮质促进神经可塑性。Wang 等基于脑电图和功能性近红外光谱观察受试者大脑皮质的事件相关去同步化、血氧反应，结果发现使用BCI-FES的闭环运动想象训练可以增加运动皮质区域的皮质激活。对脑卒中、脊髓损伤患者利用BCI 系统使用相同的感觉运动区域来控制FES 进行训练后，均观察到更多的局灶性皮质激活。
此外，有学者将BCI-FES用于灵长类动物研究，研究人员通过快速调整BCI系统中大脑皮质活动的定位，发现不同的皮质部位（包括初级运动皮质、前运动皮质和体感皮质）都可以调控FES 以促使肌肉收缩。该研究表明BCI-FES还可以在不同感觉运动皮质部位诱导适应性皮质变化以促进肢体功能恢复。
②替代受损的神经通路，改善患者肢体功能：脑卒中和脊髓损伤往往导致大脑与肢体之间的神经通路受损，使得患者不能正常控制肢体运动。BCI-FES 旨在大脑和FES设备之间创建一个新的通信通道，该通道在不依赖周围神经和肌肉通路的情况下，实现大脑与FES 设备的直接交互。
在BCI-FES治疗中，BCI 通过采集患者大脑信号，将其转化为控制命令，进而驱动外部的FES 设备。FES 设备能够直接刺激肌肉或神经，替代受损的神经通路，使肌肉产生收缩，从而恢复或改善患者的肢体功能。
即使针对完全性脊髓损伤的患者，BCI-FES 依然可以通过解码患者大脑信号绕过病变脊髓直接控制FES 设备，从而实现肢体运动功能的改善。基于上述机制，BCI-FES 技术能有效地促进中枢神经损伤患者的肢体功能恢复，并且其在临床治疗方面可能比单独使用BCI或FES更有效。
3. BCI-FES在临床康复中的应用现状
3.1 在脑卒中肢体康复中的应用现状
脑卒中是一种高致残率、高死亡率的疾病，我国每年新增脑卒中病例超过200 万例，脑卒中后遗留的上肢功能障碍一直是康复的难点。文献表明，60%～80%的脑卒中幸存者存在上肢和手部的运动功能障碍，导致日常生活受限和生活质量下降。传统的康复技术，如任务导向性训练、双侧训练、强制性运动疗法等，并不能满足患者的需求；且当上肢损伤严重时患者也无法主动参与这些训练，从而需要不断探索新技术、新疗法。
Jovanovic 等报告了1 例重度左上肢功能障碍的慢性期脑卒中患者经FES 治疗无效后，接受了长达80 个小时的BCI-FES 治疗，结果发现患者的功能独立性量表、Fugl-Meyer 量表上肢部分（Fugl-Meyer assessment-upper extremity，FMA-UE）、手臂动作调查测试以及手功能测试的评分均较治疗前提高。该研究虽为个案报道，但结果表明BCI-FES 用于治疗脑卒中后上肢功能障碍是可行的。
Sieghartsleitner 等对19 例慢性期脑卒中患者进行持续长达3 个月，每周2～3 次，共25 次的BCI-FES 治疗后，发现BCI-FES 可以明显改善患者的上肢运动功能、日常生活活动能力以及手部的痉挛。但Ramirez-Nava 等的一项非随机试点研究发现，与常规康复训练相比，BCI-FES并未能显著改善脑卒中患者手部的痉挛（P=0.485）。Ramirez-Nava 等认为是由于该研究纳入的患者病程长达7 年，在短时间内实现显著改善较为困难。
Brunner 等将35 例重度上肢功能障碍的亚急性脑卒中患者随机分为实验组（n=15）和对照组（n=20），实验组进行基于运动想象的BCI 与针对手指/腕伸肌的FES相结合的训练，对照组进行常规康复训练。3 个月后的随访发现，BCI-FES在改善上肢运动功能方面优于常规康复训练。国内学者唐千乇等研究发现，与FES相比，BCI-FES可以显著提高亚急性期脑卒中患者的FMA-UE评分及日常生活活动能力。
脑卒中导致的下肢功能障碍主要影响患者的步行及平衡。康复训练中加强脑卒中患者踝关节背屈功能，不仅能有效预防踝关节挛缩，而且对恢复下肢运动功能、改善步态、预防跌倒具有重要作用。McCrimmon等对3 例患有足下垂的慢性期脑卒中患者进行为期1周，共3次，1 h/次的BCI-FES治疗。治疗过程中，通过调节BCI-FES的参数使患者患侧踝关节由中立位运动至15º背屈位。
治疗后发现患者踝背屈的主动活动范围分别增加了3º、4º和8º。虽然该研究的样本量有限，但结果为BCI-FES改善卒中后的足下垂提供了初步证据。随后，McCrimmon等另一项针对慢性期脑卒中患者的BCI-FES 治疗，发现BCI-FES 不仅可以增加患者踝背屈的主动活动范围，还能够增加其步行速度、6 分钟步行距离以及Fugl-Meyer 量表下肢部分的评分。
Chung 等将25 例慢性期脑卒中患者随机分为BCI-FES 组（n=13）、FES组（n=12），并分别对患者患侧胫骨前肌进行BCI-FES、FES治疗，30 min/次，3 次/周，持续5 周。治疗后发现，与FES相比，BCI-FES 能显著提高患者的步速、步长及步频，改善患者的步态。Sieghartsleitner 等研究发现BCI-FES 还可以减少慢性期脑卒中患者“起立-行走”计时测试的时间以及改善患者踝关节的痉挛。此外，Sebastián-Romagosa 等招募了25 例步态障碍的脑卒中患者进行了25 次BCI-FES 治疗，结果显示患者的步行速度增加0.19 m/s，患者踝关节的活动范围、踝关节的痉挛、步态模式中主要关节的肌肉力量均得到了改善。并且功能改善在治疗结束后1 个月仍保持不变。该研究表明，BCI-FES 可以促进慢性期脑卒中患者步态的长期改善。
3.2 在脊髓损伤肢体康复中的应用现状
脊髓损伤是一种危及生命的神经系统疾病，常导致严重的运动、感觉和自主神经功能障碍。脊髓损伤最常见于颈椎，其次是胸椎和胸腰椎区域。颈髓损伤导致四肢瘫痪的患者，其上肢功能因颈髓损伤程度不同而受到不同程度的影响。促进上肢功能，特别是手功能的恢复是提高颈髓损伤患者生活质量的关键。
Cajigas 等对1 例C5完全性性脊髓损伤患者进行为期29周的侵入性BCI-FES 干预并辅以机械手矫形器，结果观察到患者上肢任务的速度和准确性均有所提高，包括举起小物体和将物体转移到特定目标。该研究表明BCI-FES可以安全地用于解码脊髓损伤患者运动皮质的运动意图，从而实现对手抓握的控制。Colachis 等研究发现，侵入性BCI-FES 可以帮助1 例C5完全性脊髓损伤患者完成7 个功能性手部运动，并且每个动作的准确率均超过95%。
Jovanovic 等招募了5 例C4-C7不完全性脊髓损伤患者进行40 次1 h 的BCI-FES干预，发现5 例患者的伸手和抓握功能均有所改善，其中3 例患者在功能独立性量表和脊髓独立性量表评分方面表现出显著改善。脊髓损伤患者手部功能的改善又能转化为日常生活活动能力的提高。
Zulauf-Czaja等对7 例亚急性脊髓损伤（包括1 例C2、4 例C3、2 例C4不完全性脊髓损伤）患者进行BCI-FES治疗，结果患者中位穿衣时间从初始训练的40.5 min 减少到最后一次训练期间的27 min。但Kumari 等研究发现，与仅进行手功能训练相比，在手功能训练之前使用BCI-FES干预并未能改善亚急性脊髓损伤患者上肢的肌肉力量、腕关节的活动范围以及手部的握力。
脊髓损伤导致的截瘫往往需要使用轮椅代替步行功能。然而，与过度依赖轮椅相关的久坐生活方式可能导致躯体合并症，如骨质疏松症、心脏病、呼吸系统疾病和压疮。因此，脊髓损伤后恢复行走仍然是临床康复的重中之重。目前将BCI-FES用于改善脊髓损伤患者步行功能的临床研究较少。
King 等招募了1 例T6不完全性脊髓损伤患者，接受30 次实时、BCI-FES控制的地面行走测试。结果患者由悬浮行走逐渐过渡到在60%体重支撑下完成地面行走。这项研究首次证明在脊髓损伤截瘫后使用BCI-FES 恢复地面行走是可行的。Selfslagh 等对2 例慢性期不完全性脊髓损伤（T4、T7）患者进行为期6 个月共25 次的BCI-FES 干预，FES 选择下肢8 块肌肉进行刺激，包括3 块用于髋关节（屈曲、伸展和外展）、2 块用于膝关节（屈曲和伸展）和3块用于踝关节（1 块背屈肌和2 块跖屈肌）活动的肌肉。结果发现2 例患者均能够在65%～70%的体重支撑下安全行走，其中1例患者下肢运动功能评分提高了9 分。此外，一项针对大鼠的研究结果表明，BCI-FES 可以改善完全性脊髓损伤大鼠的后肢运动功能。
4. 总结及展望
中枢神经损伤后遗留的肢体功能障碍一直是临床康复中的重点。BCI-FES 技术是一种创新的康复手段，通过解码大脑运动意图驱动电刺激设备，助力中枢神经损伤患者改善肢体功能。在脑卒中和脊髓损伤康复中，BCI-FES 能有效提升上肢和手部运动功能，改善步态，增强日常生活活动能力。但关于BCI-FES 的临床研究尚存在一些不足，如随机对照实验的样本量较少，FES 系统刺激的肌肉群较为单一等。此外，关于BCI-FES 的作用机制、BCI-FES 长期治疗效果也有待进一步研究。因此，未来的研究需要扩大样本量，增加FES系统刺激的肌肉群，并观察其长期康复效果。
来源：秦汉,孛学平,田千慧,等.脑机接口控制的功能性电刺激在中枢神经损伤康复中的应用进展[J].神经损伤与功能重建,2024,19(10):584-588.
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