运动皮层闭环反馈微电刺激对中风大鼠动作康复的神经调控研究

Hemi-paresis of the upper extremity (hand and arm) is the most prevalent consequences of stroke, interfering with life quality and productivity. The technology of neuromodulation offers a feasible approach to motor function rehabilitation after stroke, by which the motor neural network can be reorganized. Recent studies have proved that the electrical stimulation of the central nervous system can modulate the plasticity of neural network, thus re-establishing an effective connection between the damaged motor neural circuits. The recent progresses in Brain-Computer interfaces (BCIs) makes it possible for precise, real-time and closed-loop neuromodulation. However, further studies are still needed for the improvements of closed-loop electrical stimulation therapy to regain motor function after stroke. In this project, a rodent stroke model will be created by quantitative primary motor cortex lesion. An invasive BCI-based experimental platform will be established for moving intention driven microelectrical stimulation system with real-time closed-loop feedback. By optimizing the electrical stimulation site, pattern and parameters, this system can be used to explore the therapeutic effect of cortical electrical stimulation in the rehabilitation of the upper limb after primary motor cortex stroke, and provide new technical methods and experimental data for the clinical rehabilitation of motor function after stroke.

中风导致的肢体运动功能障碍严重影响患者的生活质量、给家属和社会造成重大负担。如何利用神经调控技术实现对运动神经环路功能的重塑是增强中风后肢体运动能力康复效果的可行手段之一。近来的研究已经证明中枢神经系统的电刺激可以实现对神经网络可塑性的调整，从而在受损的运动神经环路上重新建立起有效连接。脑机接口技术的进步为实现精确、实时、闭环的神经环路功能调节提供了技术保障，但针对中风后肢体运动康复的闭环神经电刺激治疗方法仍需进一步研究。本项目拟构建初级运动皮层损伤的啮齿类动物中风模型，利用植入式脑机接口技术建立由运动意图驱动的实时、闭环大脑皮层微电刺激神经接口系统和实验平台，通过优化刺激模式、刺激位点和刺激参数，探究皮层闭环电刺激技术在初级运动皮层损伤后上肢精细伸抓动作康复中的治疗效果，为临床治疗中风后运动功能康复提供新的技术方法和实验数据。

缺血性中风引起的上肢运动功能障碍严重影响患者生活质量，目前常用的临床康复手段，包括机械辅助康复、神经调控等手段对中风后的运动康复效果仍不甚理想。运动神经假体技术作为一种新兴的康复手段已经被证明不仅可以有效改善由脊髓损伤或脑损伤引起的上下肢运动功能障碍，而且可以影响神经可塑性，但该技术在中风康复的研究尚处起步阶段。.本项目针对当前神经假体技术在中风康复应用中面临几个主要问题：如何选择合适的刺激反馈位点及刺激模式，对上肢运动功能障碍进行有效神经调控；如何选择合适的神经信号特征解码运动意图，触发反馈电刺激；以及如何构建集信号采集记录、神经特征计算及电刺激反馈于一体的小型神经假体系统并应用于中风康复开展研究。项目取得的主要成果如下：.1.探索了中风损伤状态下损伤区域、周边皮层和运动前区皮层的运动控制能力。通过对慢性中风期损伤及周边皮层和运动前区皮层局部场电位信号频谱特征的变化及运动解码能力分析，找出了最优解码特征，并从运动解码角度指出了中风后运动功能的重塑。.2.构建了基于运动意图解码的神经假体系统。该系统解决了传统神经假体系统中刺激触发信号特征与运动控制关系不明确的问题，实现了基于LFP高频能量的运动意图在板解码和刺激反馈实时输出。本系统具有长期稳定性高、计算速度快的特点，为神经假体技术在中风康复的研究提供了硬件保证。.3.探究了神经假体技术在慢性中风大鼠上肢运动功能康复的效果，初步证明了神经假体技术在中风康复的可行性和有效性，对大批次实验的开展具有参考和指导价值。.综上所述，本研究针对神经假体技术在中风康复中的应用进行了系统全面的基础研究，并构建了基于运动意图解码的中风康复神经假体系统，初步验证了该技术对康复的效果，为运动神经假体技术在中风康复中的研究提供了指导和参考。