DOI: https://doi.org/10.1186/s12984-025-01723-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40859358
تاريخ النشر: 2025-08-26
المؤلف: Juan He وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخطيط الدماغ وواجهات الدماغ-الكمبيوتر
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في فعالية نظام إعادة تأهيل واجهة الدماغ-الكمبيوتر (BCI) الذي يستخدم مهام تخيل الحركة (MI) ومحاولة الحركة (MA) لتعزيز استعادة الوظيفة الحركية لدى مرضى السكتة الدماغية. تم إجراء البحث كدراسة عشوائية مزدوجة التعمية محكومة، وشملت 48 مريضًا بالسكتة الدماغية الإقفارية، حيث تلقى 25 منهم في مجموعة BCI تغذية راجعة في الوقت الحقيقي من خلال نظام تخطيط كهربائية الدماغ (EEG) المكون من 8 أقطاب كهربائية، وتدريب واقع افتراضي، وروبوت إعادة تأهيل، بينما تلقى 23 مشاركًا في مجموعة التحكم أجهزة مماثلة بدون تغذية راجعة. تضمنت التدخلات جلسات تدريبية مدتها 20 دقيقة على مدى أسبوعين، مع تقييمات للوظيفة الحركية باستخدام مقياس فوجل-ماير للأطراف، وتخطيط كهربائية العضلات (EMG)، وطيف الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS) التي أجريت قبل وبعد التدخل.
أشارت النتائج إلى أن مجموعة BCI أظهرت تحسنًا كبيرًا في وظيفة الأطراف العليا الحركية (ΔFMA-UE: 4.0 مقابل 2.0، p = 0.046) مقارنة بمجموعة التحكم. كشفت تحليلات EEG عن انخفاض كبير في كل من نسبة دلتا ألفا (DAR، p = 0.031) ونسبة دلتا ألفا بيتا (DABR، p < 0.001) من خط الأساس. أظهرت نتائج EMG زيادة في النشاط في عضلات الدالية والعضلة ذات الرأسين أثناء ثني الكتف والمرفق (p < 0.01)، بينما أشارت بيانات fNIRS إلى تحسين الاتصال الوظيفي في مناطق الدماغ المرتبطة بالحركة، بما في ذلك القشرة الجبهية، والمنطقة الحركية التكميلية، والقشرة الحركية الأولية. تشير النتائج إلى أن نظام إعادة تأهيل BCI يعزز بشكل فعال الاستعادة الحركية من خلال الاستفادة من المرونة العصبية، مما يعزز كل من الشبكات الحركية والمعرفية لدى مرضى السكتة الدماغية.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية التأثير الكبير للسكتة الدماغية، وهو اضطراب عصبي يؤثر على الوظائف الحركية في حوالي 60% من المرضى، مما يؤدي إلى إعاقات مستمرة في 40% من الناجين على الرغم من جهود إعادة التأهيل متعددة الأبعاد. إن عدم القدرة على استعادة وظيفة الطرف العلوي لا يؤثر فقط على استقلالية المريض ولكن أيضًا يفرض عبئًا اقتصاديًا كبيرًا. لتعزيز نتائج إعادة التأهيل، ظهرت تقنية واجهة الدماغ-الكمبيوتر (BCI) التي تستخدم مهام تخيل الحركة (MI) ومحاولة الحركة (MA) كملحق واعد للعلاجات التقليدية. تنشط هذه المهام المناطق الحسية الحركية كما هو الحال في الحركة الفعلية، مما يسهل الاستعادة الحركية من خلال المرونة العصبية المعتمدة على النشاط. تشير التجارب العشوائية المحكومة إلى أن أنظمة MI-BCI يمكن أن تحسن الوظيفة الحركية لأكثر من 60% من مرضى السكتة الدماغية، حيث تكون مهام MA فعالة بشكل خاص بسبب طبيعتها وسهولة اكتشافها في إشارات EEG.
تقترح الدراسة دمجًا مبتكرًا لـ MI و MA ضمن نظام BCI لتحسين استعادة الوظيفة الحركية لدى مرضى السكتة الدماغية. ينتج هذا النظام تحفيزًا ثنائي الاتجاه، مما يوفر تغذية راجعة في الوقت الحقيقي بناءً على إشارات EEG التي تعكس النوايا الحركية. تسلط الدراسة الضوء على التحديات التي تطرحها الاضطرابات المعرفية، التي تؤثر على 25-80% من مرضى السكتة الدماغية ويمكن أن تعيق فعالية علاجات BCI. لمعالجة ذلك، يقدم المؤلفون نموذج مهمة مزدوجة للانتباه والحركة يهدف إلى تعزيز الانخراط المعرفي أثناء تدريب BCI. تستخدم الدراسة نهج تقييم متعدد الأبعاد، يتضمن التصوير العصبي، وطيف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRS)، وتخطيط كهربائية العضلات (EMG) لتوفير فهم شامل لآليات الاستعادة الحركية. تفترض الفرضية أن استخدام إشارات EEG الجبهية الأمامية لتغذية راجعة في الوقت الحقيقي سيحسن الوظيفة الحركية من خلال تعزيز كل من النوايا الحركية والانخراط المعرفي أثناء إعادة التأهيل، كما تم تقييمه من خلال تجربة سريرية عشوائية محكومة بالدواء الوهمي تتضمن نظام تدريب على الدواسات تحت سيطرة BCI.
الطرق
استخدمت الدراسة تصميم تجربة سريرية عشوائية مزدوجة التعمية لتقييم آثار واجهة الدماغ-الكمبيوتر (BCI) على المشاركين. تم إجراء العشوائية باستخدام جدول أرقام عشوائية مغطاة يديره طرف ثالث مستقل، مما أدى إلى تخصيص 1:1 إما لمجموعة BCI التجريبية أو مجموعة التحكم. استخدمت كلا المجموعتين أجهزة BCI متطابقة؛ ومع ذلك، كانت أجهزة مجموعة التحكم تسجل فقط إشارات تخطيط كهربائية الدماغ (EEG) دون تقديم تغذية راجعة في الوقت الحقيقي، حيث اعتمدت على بيانات تمارين مسبقة التدريب. تم الحصول على الموافقة الأخلاقية من لجنة الأخلاقيات في المستشفى الأول التابع لجامعة شيان جياوتونغ (رقم XJTU1AF2022LSK-422)، وتم تأمين الموافقة المستنيرة من جميع المشاركين.
تضمن التصميم التجريبي جلسات تدريب على الدواسات لمدة 20 دقيقة يوميًا لكلا المجموعتين، أجريت خمسة أيام في الأسبوع على مدى فترة أسبوعين، مع الحفاظ على شدة التدريب. شارك المشاركون في مهمة حركية ومهمة راحة في بداية ونهاية الدراسة. تطلبت المهمة الحركية حركات ثني الكتف والمرفق بشكل منظم باستخدام كل من الذراعين المصابة والصحية، بالتناوب بين 30 ثانية من الراحة و30 ثانية من الحركة عبر أربعة كتل. خلال هذه المهام، تم تسجيل إشارات تخطيط كهربائية العضلات (EMG) وإشارات طيف الأشعة تحت الحمراء (NIR) بشكل متزامن، بينما تم جمع إشارات NIR خلال مهمة الراحة عندما جلس المشاركون بهدوء مع أعينهم مفتوحة.
النتائج
تشير نتائج دراسة طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS) إلى تغييرات كبيرة في الاتصال الوظيفي بين مناطق الدماغ الحيوية لدى مرضى السكتة الدماغية بعد إعادة التأهيل المعتمد على BCI. أظهرت مجموعة BCI تغييرات واسعة في عدة مناطق، بما في ذلك القشرة الجبهية الثنائية، والمنطقة الحركية التكميلية، والقشرة الحسية الأولية، والقشرة الجدارية الخلفية الثنائية. في المقابل، أظهرت مجموعة التحكم تغييرات محدودة محصورة أساسًا في المنطقة الحركية التكميلية اليسرى، والقشرة الحركية الأولية اليسرى، والقشرة الجدارية الخلفية اليمنى. من الجدير بالذكر أن تدخل BCI أدى إلى إعادة تنظيم أكثر وضوحًا للشبكات الوظيفية، خاصةً التي تشمل المنطقة الحركية التكميلية اليسرى، والقشرة الحركية الأولية اليسرى، والقشرة الجبهية اليمنى.
كشفت التحليلات الإضافية أن المرضى الذين يعانون من الشلل النصفي الأيسر في مجموعة BCI أظهروا زيادة في النشاط في المناطق الحيوية المرتبطة بالحركة في نصف الكرة الأيسر أثناء الحركات الجانبية اليمنى. على وجه الخصوص، خلال حركة الكتف الأيسر، لوحظ نشاط كبير في القشرة الجدارية الخلفية، والقشرة الجبهية، والمناطق الحركية الأولية. على العكس، خلال حركة الكتف الأيمن، أظهرت مجموعة BCI زيادة في النشاط في القشرة الجبهية والمنطقة الحركية التكميلية، بينما كان النشاط في القشرة الحركية الأولية اليسرى أقل مقارنة بمجموعة التحكم. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة لحركات المرفق الأيسر، لوحظت زيادة في النشاط في القشرة الجدارية الخلفية، والقشرة الجبهية، والقشرة الحسية الأولية، بينما أظهرت حركات المرفق الأيمن أيضًا زيادة أكبر في النشاط في القشرة الجبهية، والقشرة الجدارية الخلفية، والقشرة الحركية الأولية اليمنى ضمن مجموعة BCI.
المناقشة
تحققت الدراسة في آثار نظام إعادة تأهيل واجهة الدماغ-الكمبيوتر (BCI) على استعادة وظيفة الأطراف العليا الحركية لدى مرضى السكتة الدماغية الإقفارية تحت القشرية. تم توزيع 52 مريضًا بشكل عشوائي إلى مجموعات BCI ومجموعة التحكم، حيث تلقى كلاهما علاجات إعادة تأهيل قياسية. شاركت مجموعة BCI في نموذج مهمة مزدوجة تجمع بين تخيل الحركة (MI) والعمل الحركي (MA)، مما أدى إلى تحسينات كبيرة في درجات تقييم فوجل-ماير للأطراف العليا (FMA-UE) مقارنة بمجموعة التحكم. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة BCI تعزيزًا في تنشيط العضلات واستراتيجيات تعويضية أثناء ثني الكتف والمرفق، كما يتضح من تقييمات تخطيط كهربائية العضلات (EMG).
كشفت التحليلات العصبية الفسيولوجية باستخدام تخطيط كهربائية الدماغ (EEG) وطيف الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS) أن مجموعة BCI أظهرت انخفاضًا في نسب طاقة دلتا/ألفا، مما يشير إلى تحسين التنظيم المعرفي والحركي. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت بيانات fNIRS تحسين الاتصال الوظيفي بين مناطق الدماغ الحيوية المرتبطة بالحركة، مثل القشرة الحركية الأولية والمنطقة الحركية التكميلية، مما يشير إلى أن نظام BCI يعزز بشكل فعال المرونة العصبية والاستعادة الحركية. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات تقنيات BCI في بيئات إعادة التأهيل، خاصة من خلال دمج التغذية الراجعة متعددة الأبعاد لتعزيز انخراط المرضى ونتائج الاستعادة. تشمل القيود تركيز الدراسة على السكتات الدماغية تحت القشرية والحاجة إلى مزيد من التحقق في مجموعات سكتة دماغية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12984-025-01723-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40859358
Publication Date: 2025-08-26
Author(s): Juan He et al.
Primary Topic: EEG and Brain-Computer Interfaces
Overview
This study investigates the efficacy of a brain-computer interface (BCI) rehabilitation system utilizing motor imagery (MI) and motor attempt (MA) tasks to enhance motor function recovery in stroke patients. Conducted as a randomized double-blind controlled trial, the research involved 48 ischemic stroke patients, with 25 in the BCI group receiving real-time feedback through an 8-electrode electroencephalogram (EEG) system, virtual reality training, and a rehabilitation robot, while 23 control participants received identical devices without feedback. The intervention consisted of 20-minute training sessions over two weeks, with assessments of motor function using the Fugl-Meyer Extremity scale, electromyography (EMG), and functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) conducted pre- and post-intervention.
Results indicated that the BCI group exhibited a significant improvement in upper extremity motor function (ΔFMA-UE: 4.0 vs. 2.0, p = 0.046) compared to the control group. EEG analysis revealed a significant reduction in both the delta alpha ratio (DAR, p = 0.031) and delta alpha beta ratio (DABR, p < 0.001) from baseline. EMG results showed increased activity in the deltoid and bicipital muscles during shoulder and elbow flexion (p < 0.01), while fNIRS data indicated enhanced functional connectivity in motor-related brain regions, including the prefrontal cortex, supplementary motor area, and primary motor cortex. The findings suggest that the BCI rehabilitation system effectively promotes motor recovery by leveraging neuroplasticity, enhancing both motor and cognitive networks in stroke patients.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the significant impact of stroke, a neurological disorder that affects motor functions in approximately 60% of patients, leading to persistent disabilities in 40% of survivors despite multimodal rehabilitation efforts. The inability to recover upper limb function not only affects patient independence but also imposes a considerable economic burden. To enhance rehabilitation outcomes, Brain-computer interface (BCI) technology utilizing motor imagery (MI) and motor attempt (MA) tasks has emerged as a promising adjunct to traditional therapies. These tasks activate sensorimotor areas akin to actual movement, facilitating motor recovery through activity-dependent brain plasticity. Randomized controlled trials indicate that MI-BCI systems can improve motor function in over 60% of stroke patients, with MA tasks being particularly effective due to their naturalness and ease of detection in EEG signals.
The study proposes an innovative integration of MI and MA within a BCI system to optimize motor function recovery in stroke patients. This system generates bidirectional stimulation, providing real-time feedback based on EEG signals that reflect motor intentions. The research highlights the challenges posed by cognitive impairments, which affect 25-80% of stroke patients and can hinder the effectiveness of BCI treatments. To address this, the authors introduce an attention-motor dual-task paradigm aimed at enhancing cognitive engagement during BCI training. The study employs a multimodal assessment approach, incorporating neuroimaging, near-infrared spectroscopy (NIRS), and electromyography (EMG) to provide a comprehensive understanding of motor recovery mechanisms. The hypothesis posits that utilizing prefrontal EEG signals for real-time feedback will improve motor function by fostering both motor intentions and cognitive engagement during rehabilitation, as evaluated through a randomized placebo-controlled clinical trial involving a BCI-controlled pedaling training system.
Methods
The study utilized a randomized double-blind controlled clinical trial design to evaluate the effects of a brain-computer interface (BCI) on participants. Randomization was conducted using a coated random number table managed by an independent third party, resulting in a 1:1 assignment to either the experimental BCI group or a control group. Both groups utilized identical BCI devices; however, the control group’s device only recorded electroencephalogram (EEG) signals without providing real-time feedback, as it relied on pretrained exercise data. Ethical approval was obtained from the Ethics Committee of the First Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University (No. XJTU1AF2022LSK-422), and informed consent was secured from all participants.
The experimental design involved daily 20-minute pedaling training sessions for both groups, conducted five days a week over a two-week period, with consistent training intensity. Participants engaged in a motor task and a rest task at the study’s outset and conclusion. The motor task required structured shoulder and elbow flexion movements using both the affected and healthy arms, alternating between 30 seconds of rest and 30 seconds of movement across four blocks. During these tasks, electromyography (EMG) and near-infrared (NIR) spectroscopy signals were recorded simultaneously, while NIR signals were collected during the rest task when participants sat quietly with their eyes open.
Results
The results of the functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) study indicate significant changes in functional connectivity among critical brain regions in stroke patients following BCI-based rehabilitation. The BCI group exhibited extensive alterations across multiple areas, including the bilateral prefrontal cortex, supplementary motor area, primary somatosensory cortex, and bilateral dorsal parietal cortex. In contrast, the control group showed limited changes primarily confined to the left supplementary motor area, left primary motor cortex, and right dorsal parietal cortex. Notably, the BCI intervention resulted in a more pronounced reorganization of functional networks, particularly involving the left supplementary motor area, left primary motor cortex, and right prefrontal cortex.
Further analysis revealed that patients with left hemiplegia in the BCI group demonstrated increased activation in key motor-related areas of the left hemisphere during right-side movements. Specifically, during left shoulder movement, significant activation was observed in the dorsal parietal cortex, prefrontal cortex, and primary motor areas. Conversely, during right shoulder movement, the BCI group showed heightened activation in the prefrontal cortex and supplementary motor area, while activation in the left primary motor cortex was reduced compared to the control group. Additionally, for left elbow movements, increased activation was noted in the dorsal parietal cortex, prefrontal cortex, and primary somatosensory cortex, while right elbow movements also revealed greater activation in the prefrontal cortex, dorsal parietal cortex, and right primary motor cortex within the BCI group.
Discussion
The study investigated the effects of a brain-computer interface (BCI) rehabilitation system on upper limb motor function recovery in patients with subcortical ischemic stroke. A total of 52 patients were randomized into BCI and control groups, with both receiving standard rehabilitation treatments. The BCI group engaged in a dual-task paradigm combining motor imagery (MI) and motor action (MA), which resulted in significant improvements in the Fugl-Meyer Assessment of Upper Extremity (FMA-UE) scores compared to the control group. Specifically, the BCI group demonstrated enhanced muscle activation and compensatory strategies during shoulder and elbow flexion, as evidenced by electromyography (EMG) assessments.
Neurophysiological analyses using electroencephalography (EEG) and functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) revealed that the BCI group exhibited decreased delta/alpha power ratios, indicating improved cognitive and motor regulation. Additionally, fNIRS data showed enhanced functional connectivity between key motor-related brain regions, such as the primary motor cortex and supplementary motor area, suggesting that the BCI system effectively promotes neuroplasticity and motor recovery. These findings underscore the potential of BCI technologies in rehabilitation settings, particularly through the integration of multimodal feedback to enhance patient engagement and recovery outcomes. Limitations include the study’s focus on subcortical infarcts and the need for further validation in diverse stroke populations.