脑控重复经颅磁刺激系统关键技术及应用研究

Brain computer interface technology plays an important role in the promotion of neural plasticity and the recovery of motor function in the patients with motor disorders. Due to the high noise and highly dynamic characteristics of the EEG signal, the traditional detection methods of voluntary movement intention have low accuracy and long movement onset latency. This makes the brain-controlled neuromuscular stimulation technology to drive neural plasticity and functional recovery is hard to get the ideal effect. This project will focus on the coordinated movements between the arms essential for most of our daily tasks. Signal processing method based on EEG and electromyography (EMG) signals will be studied to improve the accuracy of voluntary movement intention detection and shorten the movement onset latency. And then, we will using neurophysiology techniques to examine the neurophysiology of pathways contributing to upper-limb coordination for determining the corresponding stimulation hotspot. At the end, the mechanism driven brain-controlled repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) system will be established to explore the stimulation parameters for the bilateral movement pathways activity promotion. These studies together will contribute to promote the recovery on coordination between the arms after cervical SCI. In addition, the brain-controlled rTMS will be applied in a task-dependent manner during a new training protocol that involves distinct coupling of forces and electromyographic activity to differentially engage CNS pathways. This will provide us a way to explore whether the ability of training to promote recovery of inter-limb coordination will be enhanced by activation of bilateral motor pathways by using brain-controlled rTMS.

脑机接口对利用运动意愿触发神经肌肉刺激来促进运动功能障碍患者的神经可塑性与运动功能恢复具有重要作用。由于脑电信号具有高噪声、高度动态变化等特点，传统的运动意愿检测方法具有较低准确率与较长运动起始潜伏期，使得脑控神经肌肉刺激技术难以得到理想康复效果。本项目将针对日常生活中必不可少的双手协调运动任务，结合脑电与肌电信号研究同时提高运动意愿识别率与缩短运动起始潜伏期的数据处理方法；在此基础上，我们将利用电生理手段揭示双手协调运动的神经生理机制，以确定相应的神经通路刺激部位，有望建立以机制为驱动的脑控重复经颅磁刺激系统，进一步探索促进双边运动通路活性的刺激参数，实现促进脊髓损伤患者双手协调运动功能恢复的方法。我们还将设计一种涉及在不同中央神经系统通路上力量与肌肉活动耦合的运动训练范式，探索运动训练促进双手协调运动功能恢复的能力是否能通过利用脑控重复经颅磁刺激系统促进双边运动神经通路的活性进行提高。

在该项目执行期间，本课题组基本按照项目计划来执行，各成员按原分工进行。在项目执行期间，获得了一些成果，具体如下：a）针对脑控TMS技术方面，一个重要方面是提高脑机接口的用户准确率。在这里，我们提出了在运动想象期间以 alpha 频率 (10 Hz) 电刺激对侧手腕的尺神经来增强基于 mu 的 BCI 性能的方法；b) 在针对中风患者的上肢运动功能增强方面，也获得了一些成果。一为物理练习设计了一个类似游戏的交互系统，其中在沉浸式虚拟现实环境中的双手运动任务期间，化身的手可以由自己或主体控制。从而揭示了在受过训练的肢体和相反的未受过训练的肢体之间的双手运动中诱导肢体间协调的性能可以得到提升。而且揭示了，协调功能的提升对应着脑网络的改善。二开发了一种用于上肢康复的新型虚拟现实康复系统（VRRS），该系统可以跟踪双上肢的运动，整合精细的手指运动和整个手臂的运动范围，并将运动映射到化身。从而改善了用户体验，有效提高了中风患者上肢康复的效果。c) 我们揭示了对侧感觉运动皮层的运动相关的运动后β同步（PMBS）与随意运动的速度呈正相关，但运动相关的β去同步（MRBD）不是。这些成果对应用脑控技术对运动功能障碍患者进去干预，增强运动功能的康复提供了重要基础与方法。