运动想象脑机接口及其在脑瘫康复中的应用基础研究

Both the movement ability and related motor neural system are severely damaged when cerebral palsy happened, and it needs to consider the two factors together in the rehabilitation of cerebral palsy. However, those current rehabilitation routines mainly focus on recovery of the movement ability without parallel emphasis on the repair of the related neural system. Because the neural basis behind the motor imagery based brain computer interface (MI-BCI) is closely correlated with the movement system, it would be a potential approach for the rehabilitation of cerebral palsy. However, the lack of the detailed mechanism of cerebral palsy rehabilitation greatly limited the development of new methods. In this work, we will introduce MI-BCI into the rehabilitation of cerebral palsy. The studies in the project will cover below aspects: To reveal the neural mechanism behind MI and the cerebral palsy rehabilitation using multi-modal information (MRI, EEG) both in structure and function, which can provide neural basis for BCI and rehabilitation; To develop specific MI-BCI for the rehabilitation of a specific cerebral palsy type, which may effectively assist the related rehabilitation.

脑瘫对儿童的运动能力及相关运动神经中枢造成明显的损害，其有效康复需要对外在的运动能力和运动中枢的恢复进行综合考虑。目前的脑瘫康复技术主要注重于对其运动能力的康复，缺乏对相关运动神经系统损伤康复的关注。同时，由于对相应神经康复机制的认识还不够深入，限制了脑瘫康复技术的发展。基于运动想象的脑机接口技术由于其涉及到的神经机制和运动密切相关，可望在脑瘫运动康复中发挥重要作用。本项目以发展基于运动想象脑机接口技术的脑瘫儿童运动功能康复技术为目标，拟采用多模态影像信息技术（MRI, EEG），从结构、功能、行为等方面对运动想象的神经机制、特定类型脑瘫脑机制及其运动想象康复机制进行系统性的研究，进而发展针对特定类型脑瘫患者的脑机接口运动功能康复技术和系统，促进脑机接口技术在脑瘫康复实践中的应用。

脑瘫对儿童的运动能力及相关运动神经中枢造成明显的损害，其有效康复需要对外在的运动能力和运动中枢的恢复进行综合考虑。目前的脑瘫康复技术主要注重于对其运动能力的康复，缺乏对相关运动神经系统损伤康复的关注。同时，由于对相应神经康复机制的认识还不够深入，限制了脑瘫康复技术的发展。基于运动想象的脑机接口技术由于其涉及到的神经机制和运动密切相关，可望在脑瘫运动康复中发挥重要作用。本项目主要完成的研究内容包括：1. 针对脑电、磁共振信息处理，发展了脑电零参考的理论，建立了功能磁共振的时空一致性分析方法，基于特征空间最大信息系数的典型相关分析算法等；2. 利用多模态信息，从结构、功能连接（包括静态到动态）等多种网络层面对MI-BCI相关脑机制进行了系统研究，发现了运动想象个体差异和大脑额顶注意网络间的关系，揭示了运动想象不同阶段所涉及的特有网络以及运动想象所对应的大尺度脑网络模式；3. 通过磁共振影像，揭示了脑瘫儿童大脑白质发育的异常，并发现脑瘫儿童感觉运动、任务执行等行为异常可能涉及了大脑多网络的功能失连接，以及手术等干预手段能够有效改善两侧半球运动系统在功能上的协同性；4. 从伪迹去除、特征提取以及分类算法等方面进行了一系列的创新发展，成功构建了以运动想象ERD/ERS为核心的，具有多种友好反馈场景的在线训练系统。初步的临床应用结果表明，发展的系统能够有效的对损伤的运动功能网络进行有效的修复，从而促进脑瘫儿童的运动功能恢复。 项目执行期间发表SCI 论文35篇，其中包括本领域著名专业杂志NeuroImage, IEEE TNSRE, Journal of Neural Engineering, Neural Plasticity等；研制MI-BCI脑瘫康复系统一套，在四川省康复医院试用；2014年以来申请发明专利8 项(已授权2)，软件著作权6件。项目负责人获国际脑电图与临床神经科学学会（Electroencephalography and Clinical Neuroscience Society）Roy John Award （2018），获邀在第19届国际生理心理学大会上作大会报告（19th IOP, 2018年意大利卢卡）。