我們如何訓練大腦來幫助中風患者?

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許多中風的人即使在接受了最好的專家和方法的治療後也有移動困難。使中風治療更有效的新方法可以幫助人們更有效地康復。一些研究小組開發了腦機接口 (BCI) 系統,該系統可以通過記錄腦電波來測量中風患者何時想像手部運動。我們開發了一種 BCI,在治療期間使用每位患者的大腦活動來控制肌肉刺激器和監視器。當患者正確地想像運動時,他們在治療過程中得到了有益的反饋。我們測試了 51 名患者,其中一些患者多年前曾中風。根據標準化測試的結果,42 名患者在治療後有所改善。因此,基於 BCI 的治療可以幫助一些中風患者。我們認為未來幾年將會有進一步的進展,這將導致使用 BCI 進行更有效的治療。

當一個人中風時,大腦會發生什麼?

中風是一種腦損傷,由於人們的壽命更長,它變得越來越普遍。當大腦中的血管被阻塞或開始流血時,就會發生中風。在任何一種情況下,大腦的某些部分都無法獲得所需的血液供應,這可能會導致嚴重的腦損傷。中風後,患者立即去醫院是很重要的。醫生有時可以幫助患者在中風後的幾天內從部分腦損傷中恢復。然而,即使接受了住院治療,許多患者仍有嚴重、長期的腦損傷,需要進行廣泛的治療。

大腦由兩半組成,分別稱為左半球和右半球。通常,中風只影響一個半球,因此一些中風倖存者難以移動身體的左側或右側。在嚴重的情況下,患者左側或右側的手臂和腿可能會完全癱瘓。在許多較輕的情況下,患者只有手臂或腿(不是兩者)有問題,並且幾乎可以正常進行所有動作。中風會導致另一個稱為痙攣的問題。這意味著一些肌肉過於緊張。患者可能會出現疼痛、移動困難、意外移動和其他問題。

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運動困難會帶來許多挑戰。中風倖存者可能無法工作或享受他們最喜歡的運動或愛好。他們可能需要朋友和家人的幫助,並且可能因失去工作以及治療和護理費用而陷入財務困境。一些中風倖存者在公共場合感到不舒服,因為他們認為人們會取笑他們的殘疾。這些只是我們需要最好的方法和技術來幫助中風患者恢復活動能力的一些原因。

腦機接口如何用於中風治療?

想像一個不再能夠移動一隻手的中風患者。為了治療中風患者,治療師經常要求患者想像或嘗試某些類型的手部動作。經過數十次治療,這有助於大腦重新學習如何控制受影響的手。多年來,人們一直使用一種稱為腦電圖 (EEG) 的測量方法來測量大腦的電活動 [1]。該技術使用稱為電極的小金屬圓盤,將其放置在頭部。 EEG 可以告訴我們大腦的哪些區域是活躍的。例如,通過將電極放置在負責運動和感覺的大腦區域上,我們可以研究當一個人移動或感覺到感覺時發生的大腦活動。

recoverix rehabilitation of stroke patients setup

EEG 可以與腦機接口 (BCI) 相結合,創造出一種新的中風療法。 BCI 是一種可以向接受治療的人提供有關大腦活動的實時反饋的系統。 BCI 系統可以檢測患者何時想像出正確的手部動作,並讓患者知道這些動作是否正確。例如,如果患者想像左手運動,那麼顯示器上的卡通手可能會模仿該運動,而肌肉刺激器則幫助左手運動。這樣,患者只有在正確執行想像的運動時才能從系統中獲得有益的反饋。看到卡通手在移動的同時也能感覺到自己的手在移動,這有助於激勵患者並鼓勵他們的大腦重新學習運動功能。已經開發了許多其他類型的 BCI。在中風後治療中使用 BCI 可以提高大腦的可塑性,這意味著大腦可以創建新的連接,幫助它學會再次執行某些功能,例如在沒有痙攣或其他困難的情況下移動手。

我們是如何進行recoveriX 科學研究的?

我們要求 51 名患者參與我們的研究。這些患者平均年齡為 61 歲,在研究前平均 37 個月發生中風。有些人認為 12 個月前中風的患者可能不會好轉,但我們假設並非如此。

患者在治療前參加了兩次預評估。在預評估中,我們進行了測試以研究每位患者的運動技能和其他因素。預評估在 2 個不同的日子進行,相隔 1 個月,以確保我們在治療前對患者的能力有一個很好的了解。然後,患者與有執照的治療師一起參加了 25 到 31 次 BCI 治療課程。每個療程持續約 1 小時,大多數患者每週進行 2 次療程(圖 1)。之後,我們進行了三項後評估來研究每位患者的變化。第一次後評估在最後一次治療後立即進行,其他後評估在 1 個月和 6 個月後進行。

Figure 1 - In BCI therapy, stroke patients wear an electrode cap and view a monitor where an image, such as moving hands, helps them relearn how to move.
圖 1 – 在 BCI 治療中,中風患者戴上電極帽並查看監視器,其中的圖像(例如移動的手)幫助他們重新學習如何移動。 BCI 讀取來自大腦的電信號,包括與運動和触覺(彩色區域)有關的信號,並在正確執行運動時在監視器上向患者提供反饋。患者身上還附有刺激電極,可幫助他或她進行每一個動作 BCI 療法可改善運動功能,因為神經元通過稱為大腦可塑性的過程找到新的連接。

recoveriX 從大腦中檢測到什麼?

我們通過測量三個不同的因素來探索 BCI 治療的效果:

    • BCI 準確性
    • 大腦活動
    • 移動

BCI 準確性是衡量每位患者參與運動想像任務的一種方式。高 BCI 準確度表明患者正在關注任務並正確想像運動。如果患者沒有想像到任何運動,那麼 BCI 準確率將在 50% 左右。因此,低準確度可能表明患者沒有參與或沒有正確想像運動。然後,治療師可能會指導患者幫助他或她提高 BCI 準確性(圖 2A)

Figure 2 - (A) BCI accuracy from therapy sessions 1 through 31 for one patient.

圖 2 – (A) 一名患者從第 1 次到第 31 次治療的 BCI 準確度。起初,對左右手運動進行分類時的 BCI 準確率為 65%。準確性隨著額外的治療而提高,並在第 25 次治療中達到 100%。(B)在 31 次 BCI 治療之前和之後的大腦激活。治療前的白色表示沒有產生手和手指運動的大腦激活,而治療後的紅色表示更多的大腦激活。 C3 是負責右手運動的大腦區域上電極位置的名稱。

在整個 BCI 治療過程中測量大腦活動。通常,在早期治療過程中,大腦的運動區域不能有效地協同工作。在數週的治療中,我們經常看到大腦中的運動區域變得更加活躍(圖 2B)圖 2B 中的顏色表示在對運動很重要的區域上不同頻率的大腦激活。 x 軸表示每次試驗的時間;更右側的區域表示試驗的後期時間。 y 軸反映不同的頻率。圖表的較低區域是較低的頻率(由希臘字母 mu 表示),圖表的較高區域是較高的頻率(由希臘字母 beta 表示)。

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BCI 治療最重要的作用是幫助患者恢復運動。圖 3A 顯示了治療師和科學家用來測試手腕和手部運動的工具,稱為九孔釘測試,因為患者必須拿起九個小釘並將它們放入九個小孔中。我們要求患者在整個治療過程中多次用雙手進行此測試,並跟踪他們完成測試所花費的時間。如果 BCI 治療幫助患者恢復運動,我們發現患者在治療過程中完成此測試所需的時間減少(圖 3B)

Figure 3 - (A) The Nine-Hole Peg Test can be used to test wrist and hand movement.

 

 

 

 

圖 3 – (A) 九孔釘測試可用於測試手腕和手部運動。(B) 結果顯示一名患者在 BCI 治療期間手部運動得到改善。用受影響的(右手)完成任務的時間從治療開始時的 7 分 26 秒減少到 28 次治療後的 1 分 14 秒。 (C) 所有研究患者的所有運動功能測試匯總。如果條形圖高於零,則治療後運動得到改善。 49 名患者表現出改善,而只有 2 名患者表現出運動減少(一名再次中風,另一名沒有註意)。

除了九孔釘測試外,我們還使用了許多測試來測量疼痛、痙攣、注意力、記憶力,以及患者在有和沒有幫助的情況下執行不同動作的能力。有些測試只是詢問日常活動的問卷,例如患者是否可以在沒有幫助的情況下穿上 T 卹。我們對每位患者進行了 18 次測試,更高的綜合測試分數表明這些測試的改進更大(圖 3C)。我們的研究結果表明,BCI 療法幫助大多數患者恢復運動和/或減輕手和手臂的痙攣狀態。我們發現該療法對準確率超過 80% 的患者效果更好。 BCI 療法甚至在患者中風多年後仍然有效。一名患者在中風後 31 年參加,但仍然有所改善!我們的結果告訴我們,BCI 療法幫助患者的大腦學習如何更好地控制他們的運動。

recoverix neurological rehabilitation
到目前為止,我們的工作重點是手臂和手部的康復。未來,我們將對患腿的中風患者進行BCI治療,以提高他們的步行速度。中風可以在許多方面對人們產生強烈影響,因此迫切需要探索新的方法來幫助他們康復。隨著我們團隊和其他團隊的進一步研發,我們希望開發出更好的治療方法和設備,使患者能夠再次進行工作、娛樂、社交活動和日常生活活動的運動。

這篇文章已經發表在 青年思想前沿, 2021 年 10 月 1 日。

詞彙表

半球:大腦的左右兩半。左半球控制身體右側的運動,反之亦然。
痙攣:這種疾病可能包括痙攣(不自主運動)、肌肉僵硬或緊繃、疼痛和過度活躍的反射。人們可能在姿勢、行走、典型的日常活動和其他動作方面遇到問題。
Electroence-Phalogram (EEG):大腦產生的自然電活動的測量值,使用放置在頭部的電極獲得。
電極:檢測大腦活動的小型傳感器。 EEG 電極通常是安裝在帽中的小型金屬圓盤,不會穿透皮膚也不會引起疼痛。
腦機接口 (BCI):使用直接測量大腦活動來提供實時通信和控制的系統。大多數 BCI 使用 EEG 來測量大腦活動。
運動功能:運動身體部位的能力。
大腦可塑性:大腦具有非凡的自我改變能力以適應新的信息和情況,例如治療。這種能力可以幫助人們從中風和其他傷害中恢復過來。