《Brain Sciences》：EEG Features of Cortical Intent for Urination and Defecation in Healthy Aging and Spinal Cord Injury: A Descriptive Feasibility Study for BCI Neurorehabilitation
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背景/目的：系统阐明肠道和膀胱控制的神经机制对于开发面向脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）患者的闭环脑机接口（brain–computer interface，BCI）神经康复至关重要。本研究旨在表征健康衰老与SCI队列中节制运动意图背后
背景/目的：系统阐明肠道和膀胱控制的神经机制对于开发面向脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）患者的闭环脑机接口（brain–computer interface，BCI）神经康复至关重要。本研究旨在表征健康衰老与SCI队列中节制运动意图背后的时空脑电图（electroencephalography，EEG）动态及代偿性皮质重组。方法：研究人员从健康年轻成人、健康老年人及SCI患者的抑制性排尿排便（suppressed urination and defecation，SUD）与主动性排尿排便（urination and defecation，UD）运动意图范式中收集32通道EEG信号。数据分析采用事件相关谱扰动（event-related spectral perturbation，ERSP）和相位锁定值（phase-locking value，PLV）功能连接，覆盖alpha（8–13 Hz）、beta1（13–20 Hz）和beta2（20–30 Hz）频带。结果：所有队列在脏器运动意图期间均于感觉运动皮层（sensorimotor cortex，SMC）表现出基本一致的宽带事件相关去同步化（event-related desynchronization，ERD）。相反，额叶皮层（frontal cortex，FC）表现出显著的频带分化。在SUD任务中，健康老年人SMC的beta2 ERD显著大于年轻成人，SCI患者则表现相似但未达显著的趋势。额叶beta2结果为初步发现，因潜在残余伪影需谨慎解读。网络分析显示，生理性衰老与SCI伴随大规模拓扑重构，突出表现为长程额叶功能连接增强，以代偿感觉或外周缺陷。结论：SCI后节制的高级皮质意图得以保留，额叶高频活动可能反映了感觉运动障碍的代偿过程。这些发现证实脏器意图在皮质层面呈现可辨特征，为基于脑机接口的靶向盆神经调节建立了时空框架。
**健康衰老与脊髓损伤中排尿排便皮质意图的EEG特征：面向BCI神经康复的描述性可行性研究**
**一、研究背景与科学问题**
排尿和排便依赖中枢与外周神经系统的精密协调。脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）、卒中、帕金森病或多发性硬化等疾病损伤相关传导通路后，常导致神经源性下尿路功能障碍（neurogenic lower urinary tract dysfunction，NLUTD）与神经源性肠道功能障碍（neurogenic bowel dysfunction，NBD），粪便失禁与便秘的合并患病率约为70%，严重影响患者生活质量。衰老也会改变中枢和外周调控通路、盆底神经肌肉控制以及膀胱功能，形成不同年龄组间节制调控的基线差异。目前保守治疗如盆底训练、生物反馈、饮食优化与外周神经刺激仍多为开环和被动式，难以有效调动支配肠膀胱功能的关键皮层自上而下控制意图，促进受损中枢通路主动神经重塑的能力有限。脑机接口（brain–computer interface，BCI）技术为评估和重建中枢损伤后功能缺陷提供了主动闭环范式，其中运动意图（motor attempt，MA）较运动想象更自然，通常引起更强皮层激活和更高解码精度。然而，以往康复BCI主要针对肢体运动功能，对排尿和排便这类复杂盆腔内脏任务的中枢电生理表征研究非常有限。因此，研究人员提出“肠膀胱控制意图的皮层可识别性假说”：尽管SCI破坏了中枢至盆腔效应器的神经传导通路，但调控排尿与排便的皮层高级控制意图仍保留具有频带和空间特异性的电生理特征。
**二、研究内容与主要发现**
研究人员共纳入90名受试者：30名健康年轻成人、31名健康老年人和29名伴有膀胱或肠道功能障碍的SCI患者（AIS A–D级），构建了标准化的双内脏运动意图脑电实验范式，包括抑制性排尿排便（suppressed urination and defecation，SUD）和主动性排尿排便（urination and defecation，UD）两类任务。通过比较三组队列的EEG地形图、事件相关谱扰动（event-related spectral perturbation，ERSP）及全脑相位锁定值（phase-locking value，PLV）功能连接网络，研究发现：所有队列在运动意图期间均于感觉运动皮层（sensorimotor cortex，SMC）出现一致的宽带事件相关去同步化（event-related desynchronization，ERD），而额叶皮层（frontal cortex，FC）表现出显著频带分化；SUD任务中健康老年人的SMC beta2 ERD显著大于年轻人，SCI患者呈相似但未达显著的趋势；生理性衰老和SCI均伴随大规模拓扑重构，尤其表现为长程额叶功能连接增强。上述结果为“肠膀胱控制意图在SCI后仍可保留”的假说提供了支持，并为BCI解码确定了SMC和FC作为核心空间特征选区。
**三、关键技术方法**
该研究于2024年6月至2025年4月在复旦大学附属华山医院、山东省立第三医院和宁海县第二医院招募受试者。采用32通道无线高精度EEG/ERP采集系统（iRecorderW32，上海念通智能科技有限公司），按国际10-20系统布置电极，FCz为参考，AFz为接地，采样率500 Hz。SUD任务要求受试者做最大程度盆底等长收缩，UD任务要求尝试排尿或排便动作并尽可能避免瓦氏动作，每任务40次试验、每次5 s。离线预处理包括0.5–30 Hz带通滤波、50 Hz陷波、坏导插补、全脑平均参考（common average reference，CAR）及扩展独立成分分析（independent component analysis，ICA）去除眼电和生理伪影。采用ERSP时频分析（alpha 8–13 Hz、beta1 13–20 Hz、beta2 20–30 Hz）和PLV全脑功能连接分析；统计采用单因素ANOVA、Holm–Bonferroni校正的计划比较及Benjamini–Hochberg错误发现率（BH-FDR）多重比较校正。
**四、研究结果**
**3.1 健康受试者与脊髓损伤患者的SUD和UD运动意图脑电地形图及时频图**
研究发现，当受试者接收视觉线索进入任务状态后，alpha和beta1频带在SMC出现显著且持续的ERD，能量高度集中于中线及双侧中央-顶区，提示运动意图范式有效募集高级运动皮层的自上而下资源。频带进入beta2后，额叶出现显著的频带特异性激活，表现为额极和前额区能量扰动增强，提示双相控制并非单一的“启动–执行”运动序列，而可能涉及认知网络的参与。
**3.2 组间EEG时频特征比较**
单因素ANOVA显示，在SUD任务中，三组仅在SMC beta2频带存在显著组间差异（F=3.452，p=0.035）；事后比较表明，健康老年人（?0.153±0.169）的ERD显著大于健康年轻人（?0.060±0.125）（p=0.022，Holm–Bonferroni q=0.044），SCI组呈类似趋势（?0.154±0.213）但未达统计显著。在UD任务中，三组在所有频带均无显著差异。
**3.3 健康受试者与SCI患者脑区内频带特异性统计分析**
在SMC区，三组在SUD和UD任务中的alpha、beta1、beta2频带ERD幅度均无显著组间差异，提示SMC以宽带去同步化持续发出运动意图。在FC区，低-中频带（alpha、beta1）出现轻度事件相关同步化（ERS），beta2频带转为显著ERD，这种额叶内“频带分裂”在UD任务中于健康老年人（p=0.0002）和SCI患者（p=0.0009）中达到显著，而健康年轻人未见显著频带分化。
**3.4 相位锁定值功能连接网络特征**
健康年轻人在SUD和UD任务的所有频带均表现出显著的全脑PLV连接变化，网络以连接增强与减弱的拓扑重构为特征。健康老年人呈现与年轻人相似的总体统计模式。SCI患者在UD任务的alpha频带（8–13 Hz）未出现显著全脑PLV组内差异（p=0.13），其余频带（beta1、beta2）及SUD任务各频带均出现显著变化；FDR校正后，显著改变集中在老年组和SCI组的beta频带，且主要表现为PLV下降。
**五、讨论总结与结论**
讨论部分指出，本实验范式将排尿和排便合并为单一任务，无法区分尿意、便意或盆底收缩与放松等成分；SCI队列存在AIS分级、损伤节段、病因及病程异质性；额叶感兴趣区（Fp1、Fp2、AF3、AF4）邻近眼部和面部肌肉，残余肌电污染难以完全排除，因此额叶beta2结果应视为探索性和假说生成的发现。面对衰老相关的盆底功能下降或SCI导致的传导阻断，皮层可能通过抬升高频高阶认知资源进行功能代偿；SCI患者在缺乏外周运动输出的条件下仍保留大规模皮层功能协同网络，为皮层高级“顶层控制意图”未因传导中断而消失提供了电生理层面的网络证据。研究结论表明，感觉运动皮层为内脏运动启动提供基础宽带ERD，额叶可能通过高频beta2活动发挥代偿作用，但该阐释受限于SCI组与年轻组差异未达显著及潜在伪影；SCI患者中节制意图相关的大规模皮层网络保留，为未来非侵入性BCI解码模型的开发提供了SMC和额叶作为核心空间特征选择靶点，并为闭环神经康复策略重建自主节制控制奠定了基础。
