我们如何帮助中风患者来训练大脑

　　这篇文章转载于g.tec公司的官方网站。g.tec生产侵入性和非侵入性脑机接口 ，在全球范围内以尽可能高的分辨率测量和分析脑电波。

 

 

　　许多中风的人即使在接受了最好的专家和方法的治疗，仍然会有移动困难的情况。使中风治疗更有效的新方法可以帮助人们更有效地康复。一些研究小组开发了脑机接口 (BCI) 系统，该系统可以通过记录脑电波来测量中风患者在什么时候“想象”手部运动。我们开发了一种 BCI，它在治疗期间使用每位患者的大脑活动来控制肌肉刺激器和监视器。当患者正确地想象运动时，能在治疗过程中得到有益的反馈。我们测试了 51 名患者，其中一些患者多年前曾中风。根据标准化测试的结果，49 名患者在治疗后得到改善。因此， BCI 的治疗可以帮助一些中风患者恢复。

 

当一个人中风时会发生什么?

　　中风是一种脑损伤，由于人们的寿命在变得越来越长，中风也越来越普遍。当大脑中的血管被阻塞或开始流血时，就会发生中风。在任何一种情况下，大脑的某些部分都无法获得所需的血液供应，就可能会导致严重的脑损伤。中风后，患者应当立即去医院，因为如果治疗及时，医生有时可以帮助患者在中风后的几天内恢复部分脑损伤。然而，即使接受了住院治疗，许多患者仍有严重、长期的脑损伤，需要进行广泛的治疗。

 

　　大脑由两半组成，称为左半球和右半球。通常，中风只影响一个半球，因此一些中风幸存者难以移动身体的左侧或右侧。在严重的情况下，患者左侧或右侧的手臂和腿可能会完全瘫痪。而许多较轻的情况下，患者只有手臂或腿(不是两者同时)有问题，并且几乎可以正常进行所有动作。

 

　　中风还会导致另一个问题：痉挛。它的含义是，一些肌肉过于紧张。患者会因此出现疼痛、移动困难、意外移动和其他问题。

 

 

　　运动困难会带来许多生活挑战。中风幸存者可能无法工作或享受他们最喜欢的运动或爱好。他们可能需要朋友和家人的帮助，并且可能因失去工作以及治疗和护理费用而陷入财务困境。一些中风幸存者在公共场合感到不舒服，因为他们认为人们会取笑他们的残疾。

 

　　正是因为这些因素，我们需要最好的方法和技术来帮助中风患者恢复活动能力。

 

BCI 技术如何用于治疗中风患者?

　　想象一个手不再能移动的中风患者。为了治疗中风患者，治疗师经常要求患者想象或尝试某些类型的手部动作。经过数十次治疗，大脑可以重新学习如何控制受影响的手。

 

　　多年来，人们一直使用一种称为脑电图 (EEG)的测量方法来测量大脑的电活动。该技术使用本质是电极的、被放在头上的小金属圆盘。EEG 可以告诉我们大脑的哪些区域是活跃的。例如，将电极放置在负责运动和感觉的大脑区域上，我们可以研究一个人移动或感觉到感觉时发生的大脑活动。

 

 

　　可以将脑电图与脑机接口(BCI)相结合 ，创造一种新的中风疗法。BCI 是一种可以向接受治疗的人提供大脑活动实时反馈的系统。BCI 系统可以检测患者何时想象出正确的手部动作，并让患者知道这些动作是否正确。例如，如果患者想象左手运动，那么显示器上的卡通手可能会模仿该运动，而肌肉刺激器则帮助左手运动。这样，患者只有在正确执行想象的运动时才能从系统中获得有益的反馈。看到卡通手在移动的同时也能感觉到自己的手在移动，这有助于激励患者并鼓励他们的大脑重新学习运动功能。

 

　　科学家已经开发了许多其他类型的 BCI 。在中风后的治疗中使用 BCI 可增加大脑可塑性，这意味着大脑可以创建新的连接，学会再次执行某些功能，例如在没有痉挛或其他困难的情况下移动手。

 

测试中风患者的 BCI

　　我们要求51 名患者参与我们的研究。这些患者平均年龄为 61 岁，在研究前平均 37 个月发生l 中风。有些人认为 12 个月前中风的患者可能不会好转，但事情并非如此。

 

　　患者在治疗前参加了两次预评估。在预评估中，我们进行了测试以研究每位患者的运动技能和其他因素。预评估耗时2天且间隔 1 个月，以确保我们在治疗前充分了解患者的能力。然后，患者与执业治疗师一起参加了 25 到 31次的 BCI 治疗课程。每个疗程持续约 1 小时，大多数患者每周进行 2 次疗程(图 1)。之后，我们进行了三项后评估来研究每位患者的变化。第一次后评估在最后一次治疗后立即进行，其他后评估在 1 个月和 6 个月后进行。

 

 

　　图 1 - 在 BCI 治疗中，中风患者戴上电极帽并查看监视器，其中的图像(例如移动的手)帮助他们重新学习如何移动。BCI 读取来自大脑的电信号，包括与运动和触觉(彩色区域)有关的信号，并在正确执行运动时在监视器上向患者提供反馈。患者身上还附有刺激电极，帮助他或她进行每一个动作 BCI 治疗可改善运动功能，因为神经元通过称为大脑可塑性的过程找到新的连接。

 

　　我们测量了什么?

 

　　我们通过测量三个不同的因素来探索 BCI 治疗的效果：

　　BCI 准确性

　　大脑活动

　　移动

 

　　BCI 准确性是衡量每位患者参与运动想象任务的一种方式。高 BCI 准确度表明患者正在关注任务并正确想象运动。如果患者没有想象到任何运动，那么 BCI 准确率将在 50% 左右。因此，低准确度可能表明患者没有参与或没有正确想象运动。然后，治疗师可能会指导患者帮助他或她提高 BCI 准确性(图 2A)。

 

 

图 2 – (A)一名患者从第 1 次到第 31 次治疗的 BCI 准确度。 起初，对左右手运动进行分类时的 BCI 准确率为 65%。准确性随着额外的治疗而提高，并在第 25 次治疗中达到 100%。 (B) 在 31 次 BCI 治疗之前和之后的大脑激活。治疗前的白色表示没有产生手和手指运动的大脑激活，而治疗后的红色表示更多的大脑激活。C3 是负责右手运动的大脑区域上电极位置的名称。

 

　　在整个 BCI 治疗过程中测量大脑活动。通常，在早期治疗过程中，大脑的运动区域不能有效地协同工作。在数周的治疗过程中，我们经常看到大脑中的运动区域变得更加活跃(图 2B)。图 2B中的颜色表示在对运动很重要的区域上不同频率的大脑激活。x 轴表示每次试验的时间;更右侧的区域表示试验的后期时间。y 轴反映不同的频率。图表的较低区域是较低的频率(由希腊字母 mu 表示)，图表的较高区域是较高的频率(由希腊字母 beta 表示)。

 

　　BCI 疗法最重要的作用是帮助患者恢复运动。 图 3A 显示了治疗师和科学家用来测试手腕和手部运动的工具，称为九孔钉测试，因为患者必须拿起九个小钉并将它们放入九个小孔中。我们要求患者在整个治疗过程中多次用双手进行此测试，并跟踪他们完成测试所花费的时间。如果 BCI 治疗帮助患者恢复运动，我们发现患者在治疗过程中完成此测试所需的时间逐渐减少(图 3B )。

 

 

图 3 – (A) 九孔钉测试可用于测试手腕和手部的运动。(B) 结果显示在 BCI 治疗期间一名患者的手部运动得到改善。用受影响的(右手)完成任务的时间从治疗开始时的 7 分 26 秒减少到 28 次治疗后的 1 分 14 秒。 (C) 所有研究患者的所有运动功能测试汇总。如果条形图高于零，则治疗后运动得到改善。49 名患者表现出改善，而只有 2 名患者表现出运动减少(一名再次中风，另一名没有注意)。

 

　　除了九孔钉测试外，我们还使用了许多测试来测量疼痛、痉挛、注意力、记忆力，以及患者在有和没有帮助的情况下执行不同动作的能力。有些测试只是询问日常活动的问卷，例如患者是否可以在没有帮助的情况下穿上 T 恤。我们对每位患者进行了 18 次测试，综合测试得分越高表明这些测试的改进越大(图 3C)。研究结果表明，BCI 疗法帮助大多数患者恢复运动或减轻手和手臂的痉挛状态。我们发现该疗法对准确率超过 80% 的患者效果更好。BCI 疗法甚至在患者中风多年后仍然有效。一名患者在中风后 31 年参加，但仍然有所改善!实验结果告诉我们，BCI 疗法帮助患者的大脑学习如何更好地控制他们的运动。

 

 

　　到目前为止，我们的工作重点是手臂和手部的康复。未来，我们将对患腿的中风患者进行BCI治疗，以提高他们的步行速度。中风在许多方面对人们产生强烈影响，因此迫切需要探索新的方法来帮助他们康复。随着我们团队和其他团队的进一步研发，我们希望开发出更好的治疗方法和设备，使患者能够再次进行工作、娱乐、社交活动和日常活动。

 

　　本篇文章来源：

　　https://www.gtec.at/2021/10/12/how-can-we-train-the-brain-to-help-stroke-patients/

　　来源：中国信息通信研究院知识产权中心

 

 

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