Transcranial magnetic stimulation-based brain-computer interface with neurofeedback facilitates motor imagery of different daily life hand actions
这项概念验证研究表明，一种结合了运动想象与神经反馈的新型个性化经颅磁刺激（TMS）脑机接口，能够使健康成年人成功调节脑活动并解码复杂且独特的双手动作，凸显了其在针对严重运动功能障碍个体进行神经康复方面的潜力。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
想象一个即便身体无法移动，大脑也能训练身体的世界。这就是脑机接口所承诺的前景——在这个领域，科学家们正在学习如何读取大脑的电信号低语，并将其转化为指令。几十年来，研究人员一直专注于简单的动作，比如想象手部的握紧或张开。但日常生活需要更复杂的技能：转动钥匙、握住瓶子或抓取杯子。这些动作需要许多肌肉之间精细且协调的舞蹈，而这种控制水平是标准的脑信号读取工具难以捕捉的。挑战在于，思考一个动作并不等同于执行该动作；如果没有实际移动手部，大脑发出的信号往往过于微弱或过于杂乱，难以区分特定的动作。
为了解决这个问题，来自新加坡和瑞士的一个研究小组转向了一种被称为经颅磁刺激的技术。他们不仅仅是在“倾听”大脑，而是利用放置在头皮上的强力磁线圈轻轻敲击运动皮层（大脑的运动中心）。这种敲击会向脊髓发送一个微小的电波涟该，进而引起手部肌肉产生微小的、可测量的抽搐，这种现象被称为运动诱发电位。通过测量这些抽搐，研究人员可以观察到大脑是如何为运动做准备的。他们将这一技术与神经反馈相结合——这是一种能实时向用户展示其大脑活动情况的系统，让用户能够学习如何控制这些信号。其目标是观察健康人群是否能够学会通过心理模拟三种不同的复杂手部动作，以及他们能否达到足以用于未来康复的精准度。
这项研究涉及了十二名接受了为期两周系列训练课程的健康成年人。在第一次实验中，参与者实际执行了三个特定的手部动作：握住瓶子、转动钥匙和张开手掌。研究人员记录了这些真实动作产生的脑电反应，从而为每种动作创建了一个独特的“指纹”。在随后的三次实验中，参与者被要求在不实际移动手部的情况下，想象执行这些相同的动作。在这些想象实验期间，磁线圈会敲击他们的大脑，并测量由此产生的肌肉抽搐。计算机程序会分析这些信号，并立即告知参与者他们是否成功地想象了正确的动作。如果成功，他们会收到一个正向的视觉提示；如果未成功，他们会看到一个显示其大脑活动与目标差异的显示屏，从而允许他们调整自己的心理策略。
结果表明，这种方法是有效的。仅经过三次训练，参与者就能成功调节其大脑活动，以产生针对三种手部动作的截然不同的模式。计算机能够分辨出是在想象握住瓶子、转动钥匙还是张开手掌，其准确率显著高于随机猜测。参与者的表现随时间推移而提高，这表明反馈有助于他们精炼心理专注力。然而，研究也揭示了一个局限性：这种提升的控制力似乎依赖于反馈的存在。当参与者在没有视觉引导的情况下进行想象时，他们的表现并不如预期那样稳健，这表明这种学习尚未完全实现自动化或脱离系统的独立性。
研究的一个关键部分是测试真实运动的大脑信号是否可以用于训练大脑去想象同样的动作。这是一个至关重要的问题，旨在帮助中风幸存者，因为他们往往无法移动受损的手来提供参考信号。研究人员发现，他们可以使用健康一侧手的脑信号来训练系统，并且该系统能成功解码另一只手想象出的动作。此外，他们还发现，使用特定受试者的数据来训练计算机模型，比使用其他人的数据要有效得多。这表明，虽然该系统可以在不同个体间通用，但当它针对用户的独特大脑特征进行定制时，效果最为出色。
研究结论认为，利用这种磁反馈方法，可以训练大脑来区分复杂且具有功能性的手部动作。尽管参与者是健康的，且训练周期较短，但这些发现为神经康复提供了一条充满希望的路径。如果这项技术能够被应用于运动功能严重障碍的人群，它可能允许他们利用较轻微受损一侧手的信号来重新训练大脑，从而有望恢复日常生活中执行复杂手部动作的能力。这项研究并非声称已经解决了瘫痪问题，但它展示了迈向“大脑引导手部康复”这一未来目标的清晰且切实可行的一步。
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