DOI: https://doi.org/10.1186/s12984-025-01730-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40883792
تاريخ النشر: 2025-08-29
المؤلف: Chunli Wan وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخطيط الدماغ وواجهات الدماغ-الكمبيوتر
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة فعالية نظام واجهة الدماغ-الكمبيوتر (BCI) ذو المهام المزدوجة، الذي يدمج بين تخيل الحركة (MI) والواقع الافتراضي (VR)، في تحسين التوازن والانتباه لدى مرضى السكتة الدماغية. تشير الأبحاث السابقة إلى أن الأساليب ذات المهام المزدوجة قد تعزز هذه الوظائف الإدراكية والبدنية، ومع ذلك، فإن فعالية واجهات الدماغ-الكمبيوتر الحالية، التي تم تصميمها أساسًا لسيناريوهات المهام الفردية، لا تزال غير مؤكدة. في تجربة تجريبية، مزدوجة التعمية، عشوائية التحكم شملت 38 مشاركًا من مرضى السكتة الدماغية، تم تخصيص المشاركين إما لمجموعة BCI (المشاركة في تدريب الدواسة باستخدام BCI) أو مجموعة التحكم (الخضوع لتدريب الدواسة التقليدي)، حيث شاركت المجموعتان في جلسات مدتها 20 دقيقة، خمسة أيام في الأسبوع لمدة أربعة أسابيع.
أظهرت النتائج تحسينات كبيرة في مجموعة BCI مقارنةً بمجموعة التحكم، خاصة في مقياس توازن بيرغ (BBS)، واختبار النهوض والذهاب (TUGT)، واختبار رموز الأرقام (SDMT) (P < 0.05). ومن الجدير بالذكر أن متوسط مؤشر الانتباه زاد مع جلسات التدريب، وتم ملاحظة فرق كبير من قبل العلاج إلى بعده (P < 0.05). علاوة على ذلك، تم تحديد علاقة خطية بين التغيرات في درجات BBS وSDMT (F = 8.778، $y = 0.59x + 1.90$، P < 0.001). بينما تشير هذه النتائج إلى أن واجهة الدماغ-الكمبيوتر القائمة على MI-VR يمكن أن تؤثر بشكل إيجابي على التوازن والانتباه لدى مرضى السكتة الدماغية، يحذر المؤلفون من أن الطبيعة الاستكشافية للدراسة، إلى جانب القيود المنهجية، تتطلب مزيدًا من البحث مع أحجام عينات أكبر وتحليلات إحصائية أكثر قوة للتحقق من هذه النتائج.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الزيادة في حالات السكتة الدماغية، التي يقودها بشكل أساسي شيخوخة السكان والأمراض القلبية الوعائية الشائعة. تسهم مضاعفات ما بعد السكتة الدماغية مثل خلل التوازن، الذي يؤثر على ما يصل إلى 70% من المرضى خلال السنة الأولى، وعيوب الانتباه، التي تؤثر على 16-30% من المرضى، بشكل كبير في خطر السقوط بين الناجين من السكتة الدماغية المزمنة. تظهر واجهات الدماغ-الكمبيوتر غير الغازية (BCIs) كأدوات إعادة تأهيل واعدة، قادرة على تسهيل التغيرات العصبية وتحسين الوظائف الحركية، خاصة في الأطراف العليا. ومع ذلك، هناك فجوة ملحوظة في الأبحاث بشأن فعالية واجهات الدماغ-الكمبيوتر في تعزيز وظيفة الأطراف السفلية ومعالجة التأثيرات غير الحركية، مثل التوازن والانتباه الإدراكي.
تقدم الدراسة نظام واجهة دماغ-كمبيوتر مزدوج المهام جديد يدمج تدريب الدواسة القائم على تخيل الحركة (MI) مع ألعاب الواقع الافتراضي (VR) للأطراف العليا. يهدف هذا النهج متعدد الوسائط إلى تحسين كل من الوظائف الحركية والإدراكية من خلال إشراك المرضى في حركات متزامنة للأطراف العليا والسفلى. يُفترض أن تدريب المهام المزدوجة، الذي يجمع بين المهام الأساسية والثانوية، يعزز تخصيص الانتباه ويقوي الروابط الوظيفية بين مناطق الدماغ الحركية والإدراكية. تهدف الأبحاث إلى دراسة تأثيرات هذا النظام المزدوج المهام على التوازن والانتباه لدى مرضى السكتة الدماغية، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في منهجيات إعادة تأهيل السكتة الدماغية.
الطرق
توضح قسم “الطرق” التصميم التجريبي والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، حيث تم استخدام التحليلات الإحصائية لتقييم البيانات التي تم جمعها من تجارب مختلفة. شملت المنهجيات المحددة تجارب مختبرية محكومة، حيث تم التلاعب بالمتغيرات بشكل منهجي لملاحظة تأثيراتها على النتائج المعنية.
شمل جمع البيانات استخدام أدوات وبروتوكولات موحدة لضمان الموثوقية والصلاحية. تم إجراء التحليل باستخدام أدوات برمجية تسهل النمذجة الإحصائية المعقدة، مما يسمح بتقييم العلاقات بين المتغيرات. تم اشتقاق النتائج الرئيسية من اختبار الفرضيات، مع تحديد مستويات الدلالة عند p < 0.05، مما يشير إلى دليل قوي على التأثيرات الملحوظة. بشكل عام، قدمت الطرق المستخدمة إطارًا شاملاً لمعالجة الأسئلة البحثية المطروحة في الدراسة.
النتائج
يستعرض قسم النتائج تدفق المشاركين ومعدلات الاحتفاظ في دراسة تقارن تدريب الدواسة باستخدام واجهة الدماغ-الكمبيوتر (BCI) بتدريب الدواسة التقليدي لإعادة تأهيل السكتة الدماغية. تم فحص ما مجموعه 68 مشاركًا من مرضى السكتة الدماغية، حيث تم اعتبار 45 منهم مؤهلين؛ ومع ذلك، رفض 7 المشاركة. في النهاية، تم توزيع 38 مشاركًا بشكل عشوائي إلى مجموعتين، كل منها تتكون من 19 فردًا. من بين هؤلاء، أكمل 30 البرنامج التدريبي وخضعوا لتقييمات ما بعد التدخل، مما أسفر عن معدلات احتفاظ بلغت 73.68% لمجموعة BCI و84.21% لمجموعة التحكم. تم عزو معدل الانسحاب الأعلى في مجموعة BCI إلى عوامل شخصية بدلاً من التدخل نفسه، مع عدم الإبلاغ عن أي أحداث سلبية أو انزعاج.
كانت النتيجة الرئيسية المقاسة هي التوازن، التي تم تقييمها باستخدام مقياس توازن بيرغ (BBS)، بعد تعديل ما بعد التسجيل لتتوافق مع أهداف الدراسة. تم تصنيف النتائج الرئيسية المسجلة في الأصل، تقييم فوجل-ماير للأطراف السفلية (FMA-LE) وتقييم مونتريال الإدراكي (MoCA)، الآن كنتائج ثانوية. سيتم تقديم نتائج مفصلة لكل من النتائج الرئيسية والثانوية في الأقسام التالية.
المناقشة
تحققت الدراسة من تأثيرات تدريب الدواسة باستخدام واجهة الدماغ-الكمبيوتر (BCI) المدمجة مع تخيل الحركة (MI) والواقع الافتراضي (VR) على التوازن والانتباه لدى مرضى السكتة الدماغية، مقارنةً بتدريب الدواسة التقليدي. تم إجراء الدراسة كدراسة تجريبية مزدوجة التعمية، عشوائية التحكم، شملت 38 مريضًا بالسكتة الدماغية الذين استوفوا معايير الإدراج المحددة. تم تخصيص المشاركين عشوائيًا إما لمجموعة BCI، التي شاركت في تدريب المهام المزدوجة، أو مجموعة التحكم، التي قامت بأداء الدواسة التقليدية. كانت النتيجة الرئيسية المقاسة هي مقياس توازن بيرغ (BBS)، مع نتائج ثانوية تشمل اختبار النهوض والذهاب (TUGT)، وتقييم فوجل-ماير للأطراف السفلية (FMA-LE)، واختبار رموز الأرقام (SDMT).
أشارت النتائج إلى أن مجموعة BCI شهدت تحسنًا كبيرًا في درجات BBS، مع زيادة متوسطة قدرها 5.5 نقاط، متجاوزة الفرق السريري المهم الحد الأدنى. أظهرت كلا المجموعتين تحسينات في TUGT، لكن مجموعة BCI أظهرت تغييرًا أكبر. ومن الجدير بالذكر أن مجموعة BCI أظهرت أيضًا مستويات انتباه محسنة، كما يتضح من درجات SDMT الأفضل ووجود علاقة إيجابية بين التحسينات في التوازن والانتباه. تشير النتائج إلى أن تدريب BCI ذو المهام المزدوجة يعزز بشكل فعال كل من التوازن والانتباه لدى مرضى السكتة الدماغية، ربما بسبب دمج المهام الإدراكية والحركية التي تعزز المشاركة والتركيز الأكبر أثناء إعادة التأهيل.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود قد تؤثر على صلاحية وعمومية نتائجها. أولاً، قامت واجهة الدماغ-الكمبيوتر (BCI) بالتقاط إشارات EEG حصريًا من القشرة الجبهية، مما قد لا يعزل بشكل كافٍ الإشارات المتعلقة بمهام تخيل الحركة. تشير هذه القيود إلى أن دواسات BCI قد تتأثر بعمليات إدراكية أخرى، مما يستدعي استخدام تقنيات فصل الإشارات المتقدمة في الأبحاث المستقبلية لتعزيز خصوصية تفسير الحركة. بالإضافة إلى ذلك، شهدت مجموعة BCI معدل انسحاب قدره 26.3%، مما قد ي skew نتائج التوازن والإحصائيات، على الرغم من أن أسباب الانسحاب كانت غير مرتبطة إلى حد كبير بالتدخل.
علاوة على ذلك، قد ترفع حجم العينة الصغيرة للدراسة وغياب تصحيحات التعددية من معدل الخطأ العائلي، على الرغم من تلبية متطلبات القوة الإحصائية. يثير التحول في قياسات النتائج الرئيسية بعد تسجيل التجربة – من تقييم فوجل-ماير للأطراف السفلية (FMA-LE) وتقييم مونتريال الإدراكي (MoCA) إلى مقياس توازن بيرغ (BBS) – بينما هو مبرر، مخاوف بشأن تحيز الإبلاغ عن النتائج. أخيرًا، يحد عدم القدرة على التحقق موضوعيًا من مشاركة المشاركين مع واجهة BCI خلال الجلسات من تقييم التعديل العصبي، مما يبرز الحاجة إلى دراسات مستقبلية لدمج مقاييس الأداء الموضوعية، مثل تعديل نسبة ألفا/بيتا، لتعزيز موثوقية وتقييم مشاركة المستخدم.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12984-025-01730-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40883792
Publication Date: 2025-08-29
Author(s): Chunli Wan et al.
Primary Topic: EEG and Brain-Computer Interfaces
Overview
This study investigates the efficacy of a dual-task brain-computer interface (BCI) system, integrating motor imagery (MI) and virtual reality (VR), on improving balance and attention in stroke patients. Previous research indicates that dual-task approaches may enhance these cognitive and physical functions, yet the effectiveness of current BCIs, primarily designed for single-task scenarios, remains uncertain. In a pilot, single-blind, randomized controlled trial involving 38 stroke participants, subjects were assigned to either a BCI group (engaging in BCI pedaling training) or a control group (undergoing conventional pedaling), with both groups participating in 20-minute sessions, five days a week for four weeks.
Results demonstrated significant improvements in the BCI group compared to controls, particularly in the Berg Balance Scale (BBS), Timed Up and Go Test (TUGT), and Symbol Digit Modalities Test (SDMT) (P < 0.05). Notably, the average attention index increased with training sessions, and a significant pre-to-post treatment difference was observed (P < 0.05). Furthermore, a linear correlation was identified between changes in BBS and SDMT scores (F = 8.778, $y = 0.59x + 1.90$, P < 0.001). While these findings suggest that a MI-VR-based dual-task BCI can positively impact balance and attention in stroke patients, the authors caution that the exploratory nature of the study, along with methodological limitations, necessitates further research with larger sample sizes and more robust statistical analyses to validate these outcomes.
Introduction
The introduction highlights the increasing incidence of stroke, primarily driven by an aging population and prevalent cardiovascular comorbidities. Post-stroke complications such as balance dysfunction, affecting up to 70% of patients within the first year, and attention deficits, impacting 16-30% of patients, significantly contribute to the risk of falls among chronic stroke survivors. Non-invasive brain-computer interfaces (BCIs) are emerging as promising rehabilitation tools, capable of facilitating neuroplastic changes and improving motor functions, particularly in the upper limbs. However, there is a notable gap in research regarding the efficacy of BCIs in enhancing lower limb function and addressing nonmotor effects, such as balance and cognitive attention.
The study introduces a novel dual-task BCI system that integrates pedaling training based on motor imagery (MI) with upper extremity virtual reality (VR) games. This multimodal approach aims to improve both motor and cognitive functions by engaging patients in synchronized upper and lower extremity movements. Dual-task training, which combines primary and secondary tasks, is posited to enhance attention allocation and strengthen functional connections between motor and cognitive brain areas. The research aims to investigate the effects of this dual-task BCI system on balance and attention in stroke patients, marking a significant advancement in stroke rehabilitation methodologies.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, employing statistical analyses to evaluate the data collected from various experiments. Specific methodologies included controlled laboratory experiments, where variables were systematically manipulated to observe their effects on the outcomes of interest.
Data collection involved the use of standardized instruments and protocols to ensure reliability and validity. The analysis was conducted using software tools that facilitated complex statistical modeling, allowing for the assessment of relationships between variables. Key findings were derived from hypothesis testing, with significance levels set at p < 0.05, indicating robust evidence for the observed effects. Overall, the methods employed provided a comprehensive framework for addressing the research questions posed in the study.
Results
The results section outlines the participant flow and retention rates in a study comparing brain-computer interface (BCI) pedaling training to conventional pedaling training for stroke rehabilitation. A total of 68 stroke participants were screened, with 45 deemed eligible; however, 7 declined participation. Ultimately, 38 participants were randomized into two groups, each consisting of 19 individuals. Of these, 30 completed the training program and underwent post-intervention assessments, yielding retention rates of 73.68% for the BCI group and 84.21% for the control group. The higher dropout rate in the BCI group was attributed to personal factors rather than the intervention itself, with no adverse events or discomfort reported.
The primary outcome measured was balance, assessed using the Berg Balance Scale (BBS), following a post-registration adjustment to align with the study’s objectives. The originally registered primary outcomes, the Fugl-Meyer Assessment for Lower Extremity (FMA-LE) and the Montreal Cognitive Assessment (MoCA), are now categorized as secondary outcomes. Detailed results for both primary and secondary outcomes will be presented in subsequent sections.
Discussion
The study investigated the effects of a brain-computer interface (BCI) pedaling training combined with motor imagery (MI) and virtual reality (VR) on balance and attention in stroke patients, comparing it to conventional pedaling training. Conducted as a single-blind, randomized controlled pilot study, it involved 38 stroke patients who met specific inclusion criteria. Participants were randomly assigned to either the BCI group, which engaged in dual-task training, or the control group, which performed conventional pedaling. The primary outcome measured was the Berg Balance Scale (BBS), with secondary outcomes including the Timed Up and Go Test (TUGT), Fugl-Meyer Lower Extremity Assessment (FMA-LE), and the Symbol Digit Modalities Test (SDMT).
Results indicated that the BCI group experienced a significant improvement in BBS scores, with a mean increase of 5.5 points, surpassing the minimum clinically important difference. Both groups showed improvements in TUGT, but the BCI group demonstrated a greater change. Notably, the BCI group also exhibited enhanced attention levels, as indicated by better SDMT scores and a positive correlation between improvements in balance and attention. The findings suggest that the dual-task BCI training effectively enhances both balance and attention in stroke patients, potentially due to the integration of cognitive and motor tasks that promote greater engagement and focus during rehabilitation.
Limitations
The study presents several limitations that may affect the validity and generalizability of its findings. Firstly, the brain-computer interface (BCI) system captured EEG signals exclusively from the prefrontal cortex, which may not adequately isolate signals related to motor imagery tasks. This limitation suggests that the BCI pedals could be influenced by other cognitive processes, necessitating the use of advanced signal separation techniques in future research to enhance the specificity of motion interpretation. Additionally, the BCI group experienced a dropout rate of 26.3%, potentially skewing group balance and statistical outcomes, although dropout reasons were largely unrelated to the intervention.
Moreover, the study’s small sample size and the absence of multiplicity corrections may elevate the family-wise error rate, despite meeting statistical power requirements. The shift in primary outcome measures post-trial registration—from the Fugl-Meyer Assessment for Lower Extremities (FMA-LE) and the Montreal Cognitive Assessment (MoCA) to the Berg Balance Scale (BBS)—while justified, raises concerns about outcome reporting bias. Lastly, the inability to objectively verify participants’ engagement with the BCI during sessions limits the assessment of neural modulation, highlighting the need for future studies to incorporate objective performance metrics, such as alpha/beta ratio modulation, to enhance reliability and user engagement assessment.