近日，北京航空航天大学生物与医学工程学院、生物力学与力生物学教育部重点实验室、北京生物医学工程高精尖创新中心樊瑜波教授和王丽珍教授团队在康复领域重要期刊IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering上发表了题为“Brain Activation Pattern Caused by Soft Rehabilitation Glove and Virtual Reality Scenes: A Pilot fNIRS Study”的研究文章。樊瑜波教授和王丽珍教授为该文共同通讯作者，北航博士研究生刘鹏举为该论文的第一作者，北京航空航天大学为论文第一完成单位。
该研究招募了20名健康受试者和20名缺血性中风患者完成三项互为对照实验任务：在机器人手套辅助下进行被动抓握（RA），在虚拟现实中观看抓握运动视频（VR），以及机器人手套和虚拟现实的联合使用（VRA）（图1）。功能性近红外光谱（fNIRS）装置被用来同步记录前额叶皮层、运动皮层和枕叶的神经活动（图2）。随后计算并统计分析了这些大脑区域的激活水平和功能连接状况。
图1 三种互为对照的实验康复范式
图2 实验场景及实验装置
该研究中，任务期与休息期之间的血氧浓度变化值（ΔHbO）被当作大脑激活水平的特征值。实验结果显示，在两组人群中，VR和VRA任务都诱导了更大面积大脑皮层的激活。与健康组相比，中风组在所有三项任务中的平均激活程度均更高，尤其是前额叶皮层（P<0.05）。任务间差异的统计分析结果发现，与RA任务相比，VR和VRA任务在中风患者左侧前额叶皮层和右侧运动皮层中的激活程度均更高（P<0.05）。此外，VRA任务对右侧枕叶的激活作用也比RA任务高（P<0.05）。
图3 大脑激活水平
功能连接反映了两个脑区之间的信息交互水平。在这项研究中，已被广泛使用的皮尔逊相关系数被用来定义功能连接的强度（图4）。结果显示，在大多数脑区之间，中风组的功能连接强度比健康组要弱，但在右半球的一些脑区间显著增强。在中风组中，与RA任务相比，VR任务中的右侧前额叶皮层与左侧枕叶间、右侧前额叶皮层与右侧运动皮层间以及VRA任务中的两侧前额叶皮层间、右侧前额叶皮层与右侧枕叶间、右侧前额叶皮层与右侧运动皮层间具有更高的功能连接强度（P<0.05）。
图4 脑区之间功能连接水平
综上所示，三项康复范式任务的神经激活作用存在显著差异。此外，多感觉刺激可以促进中风患者大脑的区域间信息交流水平。这项研究为康复器械设计和康复策略制定提供了可参考的理论依据，同时显示了通过组合不同感觉刺激方式在康复训练中进行神经调控的潜力。
该项研究得到了得到了国家自然科学基金（U2241273，12425209）、北京市自然科学基金（L222031）、111项目（B13003）和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。
编辑 | 李鸣凯
审核 | 杨贤达
