脑机接口在脊髓损伤康复中的应用：进展与前景

《Spine Research》：The application of brain–computer interfaces in spinal cord injury rehabilitation: Progress and prospects

　　脊髓损伤是一种严重的神经系统疾病，通常会导致长期的运动和感觉功能障碍，使患者极度依赖外界照料。而目前的康复方法在效果上仍存在局限。近年来，作为一门跨学科的前沿技术，脑机接口在脊髓损伤康复领域展现出独特优势。通过绕过受损的脊髓传导路径，在大脑与外部设备之间建立直接通信通道，脑机接口能够实现运动功能恢复、感觉功能重建以及神经可塑性的促进，同时还具有缓解慢性神经性疼痛和改善心理状况的潜力。越来越多的实验和临床研究已经证实，脑机接口能够恢复部分运动控制和触觉感知能力，从而提升康复效率并改善患者的生活质量。然而，其临床应用仍受到信号稳定性、电极长期安全性、自适应解码算法以及伦理问题等挑战的制约。随着人工智能、新型生物材料以及虚拟现实等沉浸式技术的不断发展，脑机接口有望朝着更加个性化、可在家中使用且具备智能功能的康复方案方向发展，进而加速其临床应用，为脊髓损伤患者带来新的治疗希望。

1. 引言
脊髓损伤通常由交通事故、跌倒或暴力创伤等外部力量引起，是一种严重的神经系统疾病。[1] 患者通常在损伤部位以下出现不同程度的运动、感觉甚至自主神经系统功能障碍。在严重情况下，患者可能会永久性瘫痪并卧床不起，这不仅会极大降低他们的生活质量，还会给家庭和社会带来沉重负担。[1] 统计数据显示，全球脊髓损伤的发病率和致残率依然居高不下，目前尚无能够彻底治愈瘫痪的有效治疗方法。[2] 针灸、按摩、物理治疗、电刺激和运动训练等传统康复方法虽能在一定程度上改善功能，但其效果有限，且存在较大的个体差异，同时缺乏长期维持的效果。[3]

随着神经科学与工程学的快速融合，脑机接口已成为脊髓损伤康复研究的新焦点。脑机接口能够在大脑与外部设备之间建立直接的信息通道，绕过受损的脊髓传导路径，从而让运动意图和感觉反馈得以重新利用。[4] 它们不仅有望帮助患者恢复运动和感觉功能，还显示出缓解慢性疼痛和改善心理状况的潜力。近年来，越来越多的研究和临床试验验证了脑机接口在脊髓损伤康复中的应用价值。本文将通过对现有研究的全面梳理，系统阐述脑机接口在脊髓损伤康复中的应用进展、现存挑战及未来发展方向。

2. 脑机接口的技术基础

2.1 脑机接口的分类
根据信号获取方式的不同，脑机接口主要分为两大类：侵入式和非侵入式（图1）。侵入式脑机接口需要通过手术将电极植入大脑皮层或更深的神经结构中，例如皮层脑电图、局部场电位、单单元活动记录以及多单元活动记录等。[5] 这类方法的优点在于信号质量高、空间分辨率好、时间精度高，能够实现复杂且稳定的控制，但同时也存在手术并发症、感染以及电极退化等风险。[6,7] 非侵入式脑机接口则通过脑电图、功能性近红外光谱、功能性磁共振成像以及脑磁图等方式，在头皮表面记录大脑信号。[8] 其优势在于安全、无创且易于大规模应用，但会受到噪声干扰以及信号分辨率不足的限制。[6,7]

此外，根据交互模式的不同，脑机接口还可分为单向式和双向式：单向式仅能实现从大脑向设备的信号传输，而双向式则通过反馈回路实现大脑与设备之间的双向通信。[9] 近年来，由于双向式脑机接口能够同时实现运动输出和感觉输入，形成更接近自然神经系统功能的闭环调节系统，因此受到了更多关注。[10–12]

2.2 脑机接口的工作原理
脑机接口系统通常由四个部分组成：信号采集、信号处理、特征提取与解码以及外设控制（图1）。[13] 大脑产生的电信号通过电极被采集下来，随后经过过滤、降噪以及特征提取，以去除异常信号和无关信息。[14] 接着，计算机通过算法对这些信号进行分类和解码，识别出患者的运动或感觉意图，进而驱动机器人臂、假肢、外骨骼或功能性电刺激系统等外部设备。[15,16] 随着深度学习与模式识别技术的进步，信号解码的准确性和实时性不断提升，使得脑机接口的临床应用越来越可行。[17,18]

2.3 脑机接口的发展历程
脑机接口的发展可以追溯到20世纪初。1924年，德国精神病学家汉斯·伯杰首次记录并描述了人类的脑电图，这是人类大脑电活动首次被客观观测到，也为后续的脑机接口研究奠定了基础。在接下来的几十年里，科学家们逐渐认识到脑电图信号能够反映大脑的功能状态。不过，将这类信号与外部设备连接起来的想法直到1973年才正式提出。[20] 那一年，美国学者维达尔在其论文中首次提出了“脑机接口”这一概念，标志着脑机接口作为一个独立研究领域的诞生。[22]

20世纪80年代和90年代是脑机接口的探索阶段。[23] 当时的研究人员主要依靠非侵入式的脑电图，试图利用大脑节律来控制计算机光标或简单的外部设备。这一阶段的实验大多在实验室中进行，受限于信号处理能力和计算能力，因此实际应用较为有限。[24] 不过，这些实验证明了“用思维控制设备”的可能性。与此同时，随着单细胞记录技术和皮层脑电图技术的进步，侵入式脑机接口开始出现，它能够获取更高分辨率的信号，为后续的动物实验和临床研究提供了技术基础。[25]

进入21世纪后，脑机接口研究进入了快速发展期。一方面，计算机处理能力以及信号分析算法的显著提升使得实时信号解码成为可能；[27] 另一方面，康复医学和神经科学领域的需求也推动了脑机接口向临床应用方向发展。21世纪初，基于运动想象的脑机接口开始在中风和脊髓损伤患者的康复中开展试点测试，患者可以通过脑电图控制虚拟环境或简单的机械装置，从而完成抓握和运动任务。这一时期的研究不仅关注“是否可以实现控制”，还注重将其与康复训练相结合，探讨其对神经可塑性的促进作用。[28–30]

2010年之后，脑机接口进入了临床试验和多模态融合的新阶段。其中的显著成果包括：侵入式电极使得四肢瘫痪患者能够通过机器人臂实现精确的抓握和进食动作；[15] 非侵入式脑机接口结合功能性电刺激或外骨骼技术，帮助脊髓损伤患者进行步行训练。[32] 此外，闭环脑机接口的概念也逐渐出现——在这种模式下，大脑发出运动信号控制设备的同时，设备也会向大脑提供实时的感觉反馈，实现类似“人机一体化”的双向交互。例如，弗莱舍等人[33]利用皮层内微刺激技术，将机器人臂的触觉反馈传递给患者，使他们能够感知“手”带来的触觉感受，从而显著提升了操作效率和自然度。

近年来，脑机接口的研究范围进一步拓展，不再局限于单一的运动控制功能，而是延伸到了感觉恢复、语言解码、情绪识别乃至疼痛管理等多个领域。[34] 同时，人工智能和深度学习的引入大大提升了信号解码的效率和准确性，使脑机接口能够更好地应对个体差异和环境噪声带来的影响。[35] 研究人员还提出了“I3模型”（界面—交互—智能），将脑机接口的发展划分为三个阶段：首先是建立大脑与设备之间连接的初始界面阶段；其次是强调人与设备之间双向反馈的交互阶段；最后是脑机接口系统具备自适应学习和高度个性化能力的智能阶段。这一模型不仅反映了技术发展的轨迹，也指明了未来的发展方向。

总体而言，脑机接口的发展已经从概念提出和实验探索逐步走向临床应用，正从实验室里的科学设想逐渐转变为实用的康复工具。[37,38] 尽管在信号质量、稳定性以及伦理问题等方面仍存在诸多挑战，但其发展轨迹显然表明，脑机接口正在不断向更高的精度、双向功能和智能化方向迈进，未来有望成为神经康复医学领域的核心技术之一。[38,39]

3. 脑机接口在脊髓损伤康复中的应用

目前，脑机接口在脊髓损伤康复中的价值主要体现在运动功能恢复、感觉功能重建、神经可塑性促进以及疼痛和心理状态的调节等方面。需要强调的是，脑机接口应被视为一种用于获取和转换神经信号的辅助界面，而非实现这些康复效果的唯一手段。在大多数现有的应用方案中，所观察到的积极效果更可能是由训练、反馈、刺激以及其他在脑机接口框架下实现的康复措施共同作用的结果。在疼痛和心理调节方面，注意力投入、期望值以及沉浸式环境等因素也可能对效果产生贡献。下文将通过具体的研究案例进一步说明这一点。

3.1 运动功能恢复
运动功能障碍是脊髓损伤患者最明显且最严重的问题。[40] 脑机接口能够解码运动皮层的电活动，将患者的“运动意图”转化为对外部设备的控制指令，从而绕过受损的脊髓传导路径。[1,3,16] 在洛拉赫等人开展的刺激运动地上试验中，[32] 脑机接口与地面刺激训练相结合，使一些脊髓损伤患者重新获得了持续且稳定的行走能力，甚至能够在复杂地形上行走，从而突破了以往康复训练大多仅在平坦地面上进行的限制（图2A、B）。除了运动能力的恢复之外，还有多项研究使得患者能够通过脑机接口直接控制机器人臂来完成抓握动作。例如，霍赫伯格等人在BrainGate试验中报告称，两名四肢瘫痪患者利用植入式的脑机接口控制机器人臂进行三维抓握，甚至能够完成喝咖啡等日常活动（图2C）。布伦纳等人[42]进一步表明，将运动想象与视觉反馈以及功能性电刺激相结合，能够帮助瘫痪患者恢复部分肢体运动功能，且经过长期训练后，这些患者的改善程度优于仅接受传统康复治疗的患者（图2D）。综上所述，这些研究结果充分展示了脑机接口在运动康复和日常生活活动中的有效性及临床潜力。相关综述也指出，这些技术能够让患者通过脑信号控制假肢或机器人臂，从而实现自我护理，这也凸显了在未来康复实践中将脑机接口与机器人技术相结合的重要价值。[44]

图2. 脑机接口在脊髓损伤康复中的应用（3.1–3.3节）。(A、B) 在STIMO试验中，脑机接口与脊髓刺激相结合，使一些脊髓损伤患者能够重新获得持续且稳定的行走能力，甚至能够在复杂地形上行走。[32] (C) 该图展示了患者通过脑机接口控制机器人臂的场景（来自霍赫伯格等人发表在BrainGate试验中的研究[41]）。(D) 运动想象结合功能性电刺激的脑机接口训练对中风后上肢严重瘫痪患者的疗效。[42] (E) 如弗莱舍等人的研究[33]所示，这种手部康复系统中，触觉传感器被集成在机器人臂中，信号会被传回感觉运动皮层，从而使患者能够感知物体接触的感觉。(F) 结合经皮电神经刺激和虚拟现实的脑机接口系统，通过脑电图和皮肤电导率检测疼痛信号并提供实时干预，显著降低了患者的疼痛感知程度[43]。(G) 在弗莱舍等人报道的触觉反馈系统中，人工感觉反馈不仅恢复了物体接触的感知能力，还显著减少了抓取和放置物体所需的时间。BCI = 脑机接口，EEG = 脑电图，SC = 脊髓，TENS = 经皮电神经刺激，VR = 虚拟现实。

3.2 感觉功能重建
如果没有感觉反馈，运动功能的恢复往往效率低下，动作也会显得僵硬。[45] 双向式脑机接口通过在外部设备上安装传感器，向大脑反馈触觉或压力信号，从而实现人工感觉的生成。Flesher等人[33]将触觉传感器集成到机械臂中，并将感官信号传回运动感觉皮层，从而使患者能够通过人工触觉反馈感知物体接触（图2E）。O’Doherty等人[46]在猴子实验中使用了ICMS反馈技术，帮助猴子区分不同质地的物体，证明了人工触觉反馈的可行性。Nicolelis等人[47]进一步将这种方法应用于脊髓损伤患者。与传统康复方法相比，采用人工触觉反馈的组别在触觉评分上显著更高，这体现了脑机接口在感觉功能恢复方面的优势[47]。然而，要实现感觉功能的恢复，需要极高的信号采集精度以及电极的长期稳定性，这依然是技术上的挑战之一。

3.3 疼痛与心理状态的调节
慢性神经性疼痛是脊髓损伤患者常见且难以治疗的并发症，其表现为烧灼感或电击感，通常还伴有心理焦虑和抑郁[48]。脑机接口也在这一领域得到了应用。Aurucci等人[43]将脑机接口与经皮电神经刺激及虚拟现实技术相结合，利用脑电图和皮肤电导率检测疼痛信号并提供实时干预，显著降低了患者的疼痛感知程度（图2F）。此外，一些研究还发现，接受脑机接口植入或使用的患者，在认知、情绪、睡眠和生活质量方面都有所改善，这可能与运动和感觉功能的部分恢复密切相关[49]。这表明脑机接口有潜力成为综合康复中的多功能工具，不仅能恢复身体功能，还能提升患者的整体健康状况。

值得注意的是，除了感觉感知和疼痛调节之外，人工触觉反馈还能提高运动任务和日常活动效率。Flesher等人[33]的研究表明，带有传感器的机械臂所提供的触觉反馈不仅让患者能够感知物体接触，还显著减少了抓取和放置物体所需的时间，从20.9秒降至10.2秒（图2G）。这些发现进一步表明，双向脑机接口可通过将人工感官信号转化为更精确、更有效的运动控制，从而增强感觉运动整合能力。

3.4 促进神经重塑
最新研究表明，脑机接口能够显著激活神经可塑性机制。在动物模型中，对大脑和脊髓的同步刺激可以重塑运动皮层下的中枢神经回路，进而提升运动表现[50]。在临床层面，“DiSCIoser”项目利用脑机接口辅助的运动想象训练，帮助脊髓损伤患者在亚急性期恢复上肢功能[51]；Athanasiou等人[52]提出了一种融合运动想象、动作观察、增强现实以及可穿戴设备的多模式训练方案。长期随访结果表明，这种训练方式能够增强大脑皮层活性，促进感觉运动回路的重塑，为脊髓损伤康复提供了重要的临床依据[52]。与此同时，用于自然步态恢复的脑-脊髓接口也展示了这类“数字桥梁”如何助力残余神经通路的机能重组（图3）[32]。还有研究采用非侵入式的脑-脊髓接口与经皮脊髓刺激闭环反馈系统，实现实时运动意图驱动并提升大脑皮层的可塑性[53]。此外，接受脑机接口干预的中风患者也表现出更为明显的结构和功能侧化重组，为神经可塑性提供了直接证据[54]。

图3. 脑机接口在脊髓损伤康复中的应用（3.4节）[32]
(A) 时间序列照片，展示了受试者在参加STIMO临床试验之前、之后以及完成STIMO-BSI临床试验之后的行走能力。（B）两项临床试验的时间线，其中包含饼图，显示了不同类型的神经康复训练以及脑机接口家庭使用的时间占比。（C）照片显示了神经康复前后髋关节最大屈曲度及其相关屈肌的活动情况。（D）两项临床试验期间下肢运动评分的变化情况。（E）图表展示了两项临床试验期间WISCI II评分的改善情况。借助脑机接口支持的神经康复，患者能够在无需任何辅助或刺激的情况下，使用拐杖行走超过10米。（F–H）图表分别展示了6分钟步行测试结果（F）、负重能力、起身时间、伯格平衡量表评分（G）以及步态分析结果（H）（每个点代表一位物理治疗师的评分，n=6，配对单尾t检验；**p=0.002）。BCI=脑-计算机接口，BSI=脑-脊髓接口，N/A=无数据，SCI=脊髓损伤，STIMO=地面刺激运动，WISCI II=脊髓损伤II型行走指数。

4. 临床应用的挑战与未来前景
尽管脑机接口在脊髓损伤康复领域的应用不断取得突破，但其向临床转化仍面临诸多挑战。首先，存在技术限制：非侵入式脑机接口容易受到噪声干扰导致信号质量下降，从而影响解码精度[6]；而侵入式方法虽然能够提供高精度的信号，但存在感染、免疫反应以及植入电极长期退化等风险[25,55]。其次，患者之间存在显著个体差异。不同损伤位置、严重程度和病程的患者对脑机接口的反应各不相同。此外，目前缺乏大规模、长期的临床试验，这也限制了有效性的证据积累以及该技术的临床应用[29]。再者，由于脑机接口能够解码甚至部分“读取”大脑信号，与患者隐私和思想自由相关的伦理问题日益突出[38,56]。如果没有完善的法律法规和监管机制，这可能会引发社会担忧和抵制。更实际的问题是，目前的脑机接口设备通常价格昂贵，缺乏便携性和稳定性，距离在日常临床实践和家庭康复中得到广泛应用还有很大差距。总而言之，脑机接口要实现广泛临床应用，必须解决的关键问题包括提升信号稳定性、降低植入风险、实现个性化应用以及积累高质量的临床证据，同时还要确保安全和隐私保护。

未来，脑机接口在脊髓损伤康复领域的开发将越来越注重个性化、智能化以及临床易用性。随着人工智能和大数据的深度整合，脑机接口的信号解码能力和适应性将持续提升，从而能够根据每位患者的具体情况制定个性化的康复计划，并实时优化训练过程[57,58]。此外，新材料的运用以及微创植入技术的发展将提升电极的柔韧性和生物相容性，降低免疫排斥和长期退化的风险，进而提高系统的安全性和稳定性[22,55]。脑机接口还将与虚拟现实、增强现实以及可穿戴设备等新兴技术相结合，打造沉浸式、互动性强的康复平台，提高患者的参与度和依从性[59]。随着跨学科合作的深入以及临床证据的不断积累，脑机接口有望逐步走出实验室，走进医院和家庭，成为神经康复领域变革的重要推动力。

致谢：无。
伦理声明：无。
利益冲突：作者不存在需要披露的利益冲突。
资金来源：本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：82472492、82572816和82272531）。
数据可用性声明：由于本研究中未生成或分析任何数据集，因此不涉及数据共享。
作者贡献：HC、BH参与了研究设计及文章的最终修订；XZ、KC、JM、BW参与了文章的撰写；CX、HC负责对稿件进行审阅。