脑-机交互康复训练过程中的大脑功能网络研究

Brain-computer interface (BCI) which provides a direct communication pathway between the brain and an external device is realized by determining the intent of the users from the brain signals. Meanwhile, a better performance could be achieved with the aid of feedback. In recent years, neruo-rehabilitation has become a new researching topic. However, there are still some key problems need to be resolved. 1) Whether there are differences between the rehabilitation technology based on BCI and the classical one and if yes, how the different effects are represented in the brain? 2) Previous studies mainly uses the "functional localization" way to compare the differences locally in the motor area after rehabilitation training. However, from the "functional integration" view, what has changed in terms of the inter-connectivity across different brain regions? 3) What does the BCI-based rehabilitation technology play in the brain plasticity? Besides, if this new rehabilitation method has widely and depth effects in cortical reorganization? In this study, a electroencephalogram (EEG)-based BCI combined with functional electrical stimulation (FES) system will be used in rehabilitation of stroke patients with upper limb disorder. Method of functional connectivity analysis will be applied to study the changes of brain plasticity during rehabilitation training. By comparison with the classical rehabilitation method, this study try to answer the questions metioned above. This study will provides certain theoretical guidance for the application of BCI in neuro-rehabilitation.

脑-机接口（Brain-Computer Interface，BCI）通过分析载有意愿的脑电信号，在脑和外部设备间建立直接连接通道，同时通过反馈引导使用者与外界交互。近年来，神经康复成为BCI一个新的研究热点。然而，一些关键问题有待解决：1）基于BCI技术的交互康复训练技术与传统康复方法的效果差异在大脑中是如何体现的？2）以往的研究多采用"功能定位"的研究思路，集中比较相应运动区训练前后的差异，然而从"功能整合"角度，大脑整体各个区域之间的协同作用是怎样变化的？3）交互康复训练技术在大脑可塑性方面起着怎样的作用，能否对大脑皮层功能重组产生更加广泛的作用？本课题拟基于脑电（EEG），构建针对上肢功能障碍中风患者的交互康复训练系统，利用脑功能网络分析方法从"功能整合"角度研究训练过程中的大脑可塑性变化。通过与传统康复方法的比较，本研究尝试回答上述问题，为BCI在神经康复中的应用提供理论指导。

近年来，神经康复成为脑-机接口（Brain-Computer Interface，BCI）一个研究热点。然而，一些关键问题有待解决：1）基于BCI技术的交互康复训练技术与传统康复方法的效果差异在大脑中是如何体现的？2）以往的研究多采用“功能定位”研究思路集中比较相应运动区训练前后的差异，然而从“功能整合”角度，大脑整体各个区域之间的协同作用是怎样变化的？3）交互康复训练技术在大脑可塑性方面起着怎样的作用，能否对大脑皮层功能重组产生更加广泛的作用？本课题拟基于脑电图构建针对上肢功能障碍中风患者的交互康复训练系统，利用脑功能网络分析方法从“功能整合”角度研究训练过程中的大脑可塑性变化。从而尝试回答上述问题。.系统搭建在前期基础上得以改进。主要表现在结果反馈原为6秒后判断对错从而决定是否实施电刺激。现改为1秒判断进行反馈，缩短反馈时间；视觉反馈界面改为“能量球”的形式，想象特征越强烈，球的面积膨胀越大，反之越小。当球面积充满整个圆形区域则驱动外界设备；第三我们使用乐高搭建了一个可编程的“机械臂”，整个康复训练过程的任务为控制“机械臂”抓小木块，移动“机械臂”和放下小木块三个子任务。.处理方法上在以往功能网络估计的基础上加入了信息流增益地形图的计算和绘制并讨论了其物理含义便于对结果进行解释。.通过与正常人的网络模式进行比较发现，随着训练天数的增加，脑信息交互枢纽位置发生明显迁移，逐渐趋近于正常人的模式，具体表现在从训练前的强偏侧性变为了顶叶集中的模式。该结果提示，基于网络计算得到的信息流增益参数或可作为康复效果客观评价的一种新手段。共计5名受试参与了实验。其结果具有一致性。