基于fNIRS的触觉反馈在脑卒中患者手部康复中的神经功能研究

学术背景

脑卒中是一种常见的神经系统疾病，其导致的功能性损害对患者的日常生活和生活质量产生深远影响。在众多受损功能中，手部功能障碍尤其显著，其表现为肌肉力量的下降以及手指动作的控制受到严重限制。这些问题不仅限制了患者执行基本生活技能的能力，还显著减少了社会参与并降低了整体生活质量。传统的运动功能康复训练虽然在一定程度上有助于改善运动功能，但仍有超过一半的脑卒中患者在康复后仍存在残余的手部运动障碍。

近年来，有研究表明结合触觉反馈（Tactile Feedback, TF）的运动康复方法有望成为一种有效的康复干预手段。触觉反馈通过提供实时的触觉或视觉信息，帮助患者感知和调整动作，从而提高运动训练的参与度和效果。然而，触觉反馈在脑卒中康复中的神经机制仍未被充分研究，尤其是在手部运动恢复以及神经可塑性方面。进一步研究触觉反馈对脑功能区域激活及网络连接的影响，可以为开发个性化和更为有效的康复干预手段提供重要的科学依据。

论文来源

本文的研究由Lingling Chen、Fanyao Meng、Congcong Huo等研究人员完成，来自河北工业大学人工智能学院、国家康复辅具研究中心以及北京康复技术辅助实验室等多所科研机构。论文发表于2025年2月1日的期刊《Biomedical Optics Express》，为开放获取文章。

研究工作详细描述

研究流程

研究主要探讨了触觉反馈与脑功能反应的关系，具体使用功能近红外光谱（Functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）技术评估脑卒中患者在手部抓握任务中的脑区激活情况和功能连接状态。研究流程包括以下几步：

1. 研究参与者的招募及评估

研究共招募了15名脑卒中患者（亚急性恢复期），所有患者满足以下纳入标准： - 年龄在30至80岁之间； - 单侧皮层下卒中病史，至少在初次卒中发生后30天； - 能够理解并执行指令； - 首发脑卒中病例。

为了对比研究，还招募了15名年龄和性别匹配的健康对照组。患者的手部运动功能通过Action Research Arm Test（ARAT）量表进行评估，基本人口学信息和临床特征（包括卒中类型、病灶部位）被记录在案。

2. 实验设计与任务分组

在实验任务中，研究者设计了两类抓握任务：无触觉反馈（No-TF）和触觉反馈（TF）。实验环节采用区块设计模式，每个区块包含30秒的抓握任务和30秒的休息。一共进行了6个区块循环，累计时长6分钟。任务中，参与者的使用触觉反馈系统实时记录握力变化，并在屏幕上进行可视化。TF任务中，当握力达到预设阈值时，参与者会获得视觉和听觉反馈；而在No-TF任务中，不提供任何反馈。

3. 数据采集与分析

脑功能数据由多通道fNIRS设备采集，信号分布覆盖双侧前额叶皮层（PFC）、运动前区（PMA）、辅助运动区（SMA）、初级运动皮层（M1）和枕叶（Occipital Lobe, OL）等脑区。为减少运动伪影对信号的干扰，研究对数据进行了运动伪影修正、带通滤波等预处理，并利用广义线性模型（General Linear Model, GLM）分析了任务诱发的脑区激活响应。

功能连接（Functional Connectivity, FC）分析基于Pearson相关矩阵生成的脑功能网络。为了提高网络分析统计的鲁棒性，研究采用Fisher’s R-to-Z转换，同时计算了多种网络指标，包括聚类系数（Clustering Coefficient）、全局效率（Global Efficiency）和转递性（Transitivity）。

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研究结果

1. 抓握任务中脑区激活情况

在两项抓握任务中，卒中患者表现出比健康对照组显著较低的脑区激活水平： - 在TF抓握条件下，卒中患者的右侧前额叶皮层（RPFC）、左侧感觉运动皮层（LSMC）及右侧运动前区（RPMA）的激活明显低于健康组； - 健康组在TF任务中表现出显著广泛的脑区激活，尤其是在额叶与运动相关区域。

此外，在TF条件下，卒中患者的右前额叶皮层显示更高的激活水平，表明其可能需要动员更多的认知资源来完成复杂的抓握任务。

2. 功能连接与功能网络特性

• 功能连接：在TF抓握条件下，健康组表现出额叶与运动区域之间显著多的功能连接增量，而卒中患者的功能连接强度较为局限，尤其是在部分运动相关通路中。
• 脑功能网络指标：相比健康组，卒中患者在TF抓握中显示出显著降低的聚类系数和转递性，这表明卒中后的网络信息传递效率和局部网络结构显著受损。

3. 行为指标与脑网络特性的相关性

研究发现，影响手部抓握力的脑结构特征与卒中恢复状态相关联： - 患侧与健侧抓握力度比值与ARAT评分显著正相关（r=0.8447, p=0.0003）。 - 聚类系数（r=0.592, p=0.033）与转递性（r=0.590, p=0.034）分别与抓握力度比呈正相关，表明网络模块化程度及信息整合效率对卒中康复过程具有关键性作用。

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研究意义与价值

1. 科学价值

该研究通过结合功能近红外光谱与触觉反馈，为脑卒中手部康复研究开辟了新的视角。深入剖析网络特性与抓握力之间的关联，有助于理解卒中后的神经重塑机制。

2. 应用价值

通过触觉反馈的方式显著增强脑功能的活动和认知资源的调动，为发展个性化康复策略提供了理论依据。此外，该方法便携、低成本，未来可广泛应用于家庭康复。

3. 研究亮点

• 创新性地结合TF和fNIRS分析；
• 揭示功能连接和网络特性在卒中康复中的核心作用；
• 提供卒中后手部功能障碍的神经机制新见解。

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结论

本研究证明触觉反馈能够调节脑卒中患者在抓握任务中的脑功能反应和网络特性变化，从而有效改善行为表现。研究强调触觉反馈作为康复工具的潜在价值，具有助力卒中患者重塑脑功能并恢复手部运动能力的重要意义。这些发现为未来康复设备的开发与优化提供了重要参考，同时为脑卒中康复领域注入了新的活力。