腦機接口在脊髓損傷康復中的應用展望

姜仲博,郭艷波,呂文學,岳亮,王德恒,蔡余力*

(1.山東中醫藥大學,山東 濟南 250013;2.山東中醫藥大學附屬醫院關節骨科,山東 濟南 250014)

腦機接口(brain-computer interface,BCI)通過獲取大腦神經活動來控制外部設備,實現與外部數據的實時交互,分為侵入式BCI和非侵入式BCI,目前已被廣泛應用于腦卒中后康復、脊髓損傷康復等領域[1-2]。

Vidal[3]在1973年嘗試首次采用腦電圖在人與計算機之間進行通信,并使用“腦機接口”一詞。腦機接口通過分析神經元信號,轉換為相應運動指令輸送至外部設備,并實時獲取與外界交互信息,通過電刺激激活感覺神經元,促使脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)患者運動功能和感覺功能恢復[1]。但BCI的功能并不局限于此,它可以基于多種平臺或系統,增強感覺反饋,促進神經回路重塑和感覺功能進一步恢復[4]。BCI還可以通過構建新型交互模式,緩解SCI患者慢性疼痛,在緩解SCI患者繼發性疼痛、改善心理狀況及心肺功能方面發揮重要作用[5]。此外,BCI通過電刺激來恢復截癱患者肌肉自主控制,如在地面刺激運動(stimulation movement overground,STIMO)臨床試驗中,SCI患者經脊髓硬膜外電刺激后,對髖部肌肉的自主控制明顯改善,這種改善具有長期穩定性[6];將BCI與虛擬現實技術(virtual reality,VR)結合,對患者進行上肢及手部功能鍛煉,也觀測到了類似結果[7]。BCI作為非接觸式交互工具,能夠在骨科手術中通過手勢感應操作影像系統,簡化交互程序,縮短手術時間[8]。值得注意的是,Makin等[9]討論了使用BCI解決截肢術后患肢痛的可能性,有望在未來得到應用。

腦機接口在骨科領域有巨大應用潛力,通過調控大腦與外周神經,針對多種疾病實現神經-運動交互,不僅提升其神經及運動恢復功能,還能賦予其額外功能,包括防止肌肉萎縮、改善心理狀況、保護器官功能等。目前醫療輔助機器人操作以及手術中影像控制成為BCI新興的研究方向,隨著腦機接口設計理念改進以及虛擬現實技術等的不斷整合,未來的BCI將在骨科手術、運動康復領域掀起更加深刻的變革。