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Brain-computer interfaces for communication and rehabilitation. ​

文献信息 ​

DOI10.1038/nrneurol.2016.113
PMID27539560
期刊Nature reviews. Neurology
影响因子33.1
JCR 分区Q1
发表年份2016
被引次数205
关键词脑机接口, 沟通, 康复, 神经功能, 脑电图
文献类型Journal Article, Review
ISSN1759-4758
页码513-25
期号12(9)
作者Ujwal Chaudhary, Niels Birbaumer, Ander Ramos-Murguialday

一句话小结 ​

本综述探讨了脑-计算机接口（BCIs）在帮助严重残疾患者与环境互动方面的发展，重点关注其在瘫痪患者沟通及运动康复中的应用，尤其是对锁定综合征和重度中风患者的影响。研究指出，BCIs不仅能促进交流，还可能通过特定的神经生理和学习机制促进神经功能的恢复，具有重要的临床意义。

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脑机接口 · 沟通 · 康复 · 神经功能 · 脑电图

摘要 ​

脑-计算机接口（BCIs）利用脑活动来控制外部设备，从而使严重残疾的患者能够与环境进行互动。已经探索了多种用于控制BCIs的侵入性和非侵入性技术，其中最为人知的是脑电图（EEG），最近还引入了近红外光谱技术。辅助性BCIs旨在使瘫痪患者能够进行交流或控制外部机器人设备，例如假肢；而康复性BCIs则旨在促进神经功能的恢复。在本综述中，我们提供了BCIs的发展概述以及当前可用的技术，并讨论BCIs的实验和临床研究。我们首先考虑BCIs在瘫痪患者中的交流应用，特别是那些因肌萎缩侧索硬化症而出现完全锁定综合征或锁定综合征的患者。接着，我们讨论BCIs在重度中风和脊髓损伤后的运动康复中的应用。我们还描述了可能的神经生理机制和学习机制，这些机制支撑了BCIs的临床疗效。

英文摘要 ​

Brain-computer interfaces (BCIs) use brain activity to control external devices, thereby enabling severely disabled patients to interact with the environment. A variety of invasive and noninvasive techniques for controlling BCIs have been explored, most notably EEG, and more recently, near-infrared spectroscopy. Assistive BCIs are designed to enable paralyzed patients to communicate or control external robotic devices, such as prosthetics; rehabilitative BCIs are designed to facilitate recovery of neural function. In this Review, we provide an overview of the development of BCIs and the current technology available before discussing experimental and clinical studies of BCIs. We first consider the use of BCIs for communication in patients who are paralyzed, particularly those with locked-in syndrome or complete locked-in syndrome as a result of amyotrophic lateral sclerosis. We then discuss the use of BCIs for motor rehabilitation after severe stroke and spinal cord injury. We also describe the possible neurophysiological and learning mechanisms that underlie the clinical efficacy of BCIs.

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主要研究问题 ​

  1. 目前在脑机接口技术中，哪些新兴的非侵入性技术正在被研究以改善沟通能力？
  2. 在脑机接口的康复应用中，如何评估其对不同类型神经损伤患者的有效性？
  3. 脑机接口在促进运动功能恢复方面，存在哪些挑战和未来发展方向？
  4. 针对不同程度的瘫痪患者，脑机接口的设计和应用策略有何不同？
  5. 在临床试验中，脑机接口对改善患者生活质量的具体影响有哪些研究结果？

核心洞察 ​

研究背景和目的 ​

脑-计算机接口（BCIs）是利用脑活动控制外部设备的技术，旨在帮助严重残疾患者与环境互动。本文回顾了BCI的发展历程、当前技术及其在临床和实验研究中的应用，特别关注于为瘫痪患者提供沟通和运动康复的BCI。

主要方法/材料/实验设计 ​

BCI可以分为侵入性和非侵入性两类，主要通过以下步骤实现功能：

  1. 信号获取：通过EEG、功能性磁共振成像（fMRI）、近红外光谱（NIRS）等技术获取脑信号。
  2. 信号处理：对获取的信号进行放大、滤波和解码，使用在线分类算法进行特征提取。
  3. 控制信号生成：将处理后的信号转化为控制信号，驱动外部设备或提供反馈。
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关键结果和发现 ​

  • 沟通功能：BCI已在ALS患者中应用，部分患者能够通过控制脑信号实现基本的沟通。非侵入性BCI（如EEG）在某些情况下能够帮助完全锁定状态（CLIS）患者进行交流，但成功率有限。
  • 运动康复：BCI在中风患者的运动康复中表现出良好的效果，尤其是结合行为治疗和BCI的训练，能够促进神经可塑性和功能恢复。
  • 学习机制：研究指出，BCI的临床有效性可能与神经生理学机制和学习过程相关，尤其是在塑造运动意图和反馈之间的关系方面。

主要结论/意义/创新性 ​

BCI技术在帮助严重运动障碍患者沟通和康复方面展现出巨大的潜力。通过结合多种脑信号，BCI能够提供更有效的沟通方式和运动控制手段。特别是对于CLIS患者，利用经典条件反射的学习策略可能为沟通提供新的可能性。

研究局限性和未来方向 ​

  • 局限性：目前BCI的临床应用数据有限，尤其是在完全瘫痪患者中的有效性尚需进一步验证。
  • 未来方向：需要更多的大规模随机对照试验，以评估BCI在不同类型患者中的效果。同时，探索新型学习范式和神经成像技术，以提升BCI的功能和可靠性，特别是在CLIS患者中的应用。

研究局限性与未来方向 ​

局限性未来方向
临床数据有限进行大规模随机对照试验
对不同患者群体的适应性差探索新型学习范式和神经成像技术
对完全瘫痪患者的有效性待验证提升BCI的功能和可靠性，尤其是CLIS患者的应用

以上总结概述了BCI在生物医学领域的研究进展及其在临床应用中的潜力和挑战。

参考文献 ​

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引用本文的文献 ​

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  5. Tuning Up the Old Brain with New Tricks: Attention Training via Neurofeedback. - Yang Jiang;Reza Abiri;Xiaopeng Zhao - Frontiers in aging neuroscience (2017)
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  7. Unimodal Versus Bimodal EEG-fMRI Neurofeedback of a Motor Imagery Task. - Lorraine Perronnet;Anatole Lécuyer;Marsel Mano;Elise Bannier;Fabien Lotte;Maureen Clerc;Christian Barillot - Frontiers in human neuroscience (2017)
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  9. Estimated Prevalence of the Target Population for Brain-Computer Interface Neurotechnology in the Netherlands. - Elmar G M Pels;Erik J Aarnoutse;Nick F Ramsey;Mariska J Vansteensel - Neurorehabilitation and neural repair (2017)
  10. Wearable and modular functional near-infrared spectroscopy instrument with multidistance measurements at four wavelengths. - Dominik Wyser;Olivier Lambercy;Felix Scholkmann;Martin Wolf;Roger Gassert - Neurophotonics (2017)

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