通过EMG驱动的机器人手训练揭示慢性中风患者跨半球平衡恢复的神经机制：来自动态因果建模的见解

中风是一种常见的致残原因，其中大部分中风幸存者会患上上肢瘫痪。上肢功能受损的后果可持续六个月以上，只有少数中风幸存者 (少于12%) 能完全康复。为了恢复这些患者的日常生活能力，提高他们的生活质量，研究人员一直致力于开发中风后运动康复方案。

近年来，使用机器人辅助装置进行上肢康复的研究引起了广泛关注。机器人康复提供了一种一致、密集且互动的训练体验，能够吸引患者积极参与。综合分析显示，接受机器人辅助训练的个体在上肢的Fugl-Meyer 评估 (FMA-UE) 分数以及上肢的功能活动方面都有显著改善。然而，针对腕部和手部功能的机器人在运动控制和日常生活活动的改善方面效果有限。随着意图驱动机器人的引入，这些设备在近五年间已经变得流行起来，并对改善腕部和手部功能有所帮助。通过利用脑电图(EEG)或肌电图(EMG)等电生理信号，个体可以通过启动自愿运动意图来触发机器人辅助的运动任务。临床研究发现，与连续被动运动的对照组相比，使用EMG驱动的机器人手训练可以使慢性中风患者的FMA-UE分数更高，手腕和手部功能也有所改善。

然而，这些设备诱导的运动恢复的精确神经生理机制仍然有限。本研究旨在利用动态因果建模(DCM)分析中枢神经系统的有效连接性(EC)，揭示EMG驱动的机器人手训练对慢性中风患者运动恢复的神经机制。

研究来源与作者介绍

这篇研究文章的来源是IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering，发表于2024年第32卷。文章的作者包括Chun-hang Eden Ti，Chengpeng Hu，Kai Yuan，Winnie Chiu-wing Chu以及Raymond Kai-yu Tong，是由香港中文大学的生物医学工程系和影像与介入放射科的研究人员联合撰写的。Raymond Kai-yu Tong是本文的通讯作者。研究得到了香港研究资助局和一般研究基金的部分支持。

研究方法与过程

1. 研究对象与招募

本研究为单中心、随机对照试验，共招募19名慢性中风幸存者。一个受试者由于医疗原因退出了研究，另一个受试者由于异常的fMRI激活模式被排除在分析之外。纳入标准包括首次中风、发病六个月后、单侧脑损伤、动作研究手臂测试(ARAT)评分在6到52之间的中度至重度上肢功能障碍患者。排除标准包括有癫痫家族病史、酒精或药物滥用、其他神经功能障碍如空间忽视、失语症、失用症等。所有受试者签署了知情同意书，确认他们了解研究程序和影响。

2. 训练干预方案

每个受试者在当地社区中心完成20次联合肌电图(EMG)驱动的机器人手训练。训练前每个受试者接受了20分钟的活动或假刺激。训练过程中，受试者佩戴机器人手，坐在电脑屏幕前。他们被要求保持肘部静止，并稍微弯曲约130度。从屈指肌和伸指肌记录肌电信号，训练任务为机器人手握拳和张手。这些任务由肌电信号触发，当信号超过最大志愿收缩(MVC)的10%时，任务被触发。

训练共分为三个模块，每个模块持续15分钟，中间有5分钟休息。在每个模块中，受试者需触发机器人辅助的举握和张开动作，重复试验直到模块结束。

3. MRI数据采集与分析

使用20通道头部线圈进行MRI扫描，获取高分辨率解剖T1图像，休息状态(rs-fMRI)和任务状态的功能磁共振成像（tb-fMRI)数据。每个受试者在20次训练前后各完成一次MRI扫描。在任务fMRI中，受试者根据屏幕上的文字提示依次使用左手或右手单独握住网球。

4. 动态因果建模与功能连接性分析

我们使用动态因果建模(DCM)估计大脑区域之间的有效连接性(EC)。我们特别关注在两次训练前后任务期间，慢性中风患者脑区域之间的EC变化。

此外，我们还使用静息态功能连接性(FC)研究大脑运动网络的相互作用，提供任务独立的大脑重组信息。通过对比训练前后的差异，揭示训练的影响。

研究结果与讨论

1. 训练效果

本研究的训练数据表明，所有受试者的触发次数均随着训练次数的增加而增加。混合效应ANOVA分析显示，时间因素在ARAT评分上有显著正效应，表明EMG-机器人手训练后上肢功能有所改善。

2. 动态因果建模结果

Bayesian模型选择确定了最佳解释慢性中风患者任务调节有效连接性和训练效果的模型。我们发现，在训练期间，自主运动意图能有效减少对侧M1对患侧M1的抑制性影响，同时增加患侧M1的功能连接性。这些结果表明，跨半球间抑制的减少与功能改善间存在正相关关系，表明跨半球相互作用在运动恢复过程中起关键作用。

3. 休息状态功能连接性

功能连接性分析显示，训练后双侧M1间的FC显著增加，表明静息态大脑活动的跨半球平衡得以恢复。虽然没有发现变化的FC与ARAT改善间的显著相关性，但M1间的EC变化与运动功能改善间存在显著关联。

4. 任务状态功能磁共振成像

任务fMRI激活图显示，训练后整体激活水平在对侧半球减少，而在患侧半球增加。这表明患侧半球在运动任务中的作用增加，对侧半球的依赖减少。

研究结论与意义

这项研究表明，EMG驱动的机器人手训练可以通过减少中风患者跨半球抑制，促进患侧半球的激活，从而实现上肢功能的显著改善。这些结果表明，EMG驱动的机器人手训练在恢复慢性中风患者的运动功能和促进神经可塑性中具有重要价值。这项研究为理解EMG驱动的机器人训练诱发的跨半球平衡恢复提供了新的见解，也为中风康复的未来研究提供了有价值的参考。

这篇报道概括了中风康复中一项重要研究的结果，深入探讨了通过EMG驱动的机器人手训练对慢性中风患者的神经机制及其恢复的效果。这项研究表明，EMG驱动的机器人训练可以显著改善上肢功能，并通过减少跨半球抑制促进患侧半球的神经活动恢复，为未来的中风康复研究提供了宝贵的视角。