运动学习是一项至关重要的能力，能帮助个体通过练习获得新技能或从伤病中恢复过来。“泛化”是运动学习的核心，即将已学的技能应用到新情境中。尽管已有研究探讨运动学习的泛化，但在人机协作情景下的泛化研究仍然较少。BCI（脑机接口）技术的进展为人机协作提供了新的研究方向。通过BCI技术，患者可以直接控制机器人设备来促进运动能力恢复。
近期，天津大学明东教授团队通过研究BCI驱动的编外机器手指（一种可穿戴机器人手指，BCI-SRF），来探讨人机交互训练中运动学习的泛化及其神经可塑性机制。研究发现，与对照组相比，BCI-SRF在训练后运动序列准确度提高了350%，并伴随感知运动区域和前额叶皮层的功能连接增加。Granger因果分析揭示感知运动皮层、小脑、丘脑和额顶环路间有重要的因果效应传递。相关成果于2024年12月30日发表在《Science of Learning》期刊。
研究范式
研究招募了20名健康右利手参与者，并随机分配至BCI-SRF组与天生手指组（Finger）。BCI-SRF训练组，参与者需要在左手佩戴SRF，然后想象MI范式，直到系统被触发。然后，SRF 手指模块将弯曲四次，按照小指-中指-无名指的顺序完成 SRF-手指训练序列任务。Finger组则要求参与者按照相同的顺序弯曲自己左手的四根手指。
所有参与者进行为期4周的训练。研究人员使用SRF-手指对立序列（训练或控制序列）任务来测量行为学习，采用多模态MRI测量神经活动的变化。行为数据和MRI数据分别在干预前（Pre）、干预后立即（Post）以及干预后1个月（FU）进行采集。行为评估指标为控制序列准确率（CS）和训练序列准确率（TS）。
Fig6. BCI-SRF 工作原理和佩戴后的效果图，以及测试阶段的运动想象引导界面和训练控制顺序。a. BCI-SRF可穿戴硬件系统的组成。b. 运动想象范式序列。c. 行为测量范式。
结果
1. 行为表现结果
结果发现，控制序列准确率CS得分存在显著的时间×组别交互效应。事后检验分析，BCI-SRF组在训练之后CS得分显著提高，而Finger组没有显著变化。重要的是，BCI-SRF训练前后在新序列学习能力上的提升是Finger组的350%。训练序列准确率TS得分也存在显著的时间×组别交互效应。两组在训练之后TS均有显著的提升，但只有BCI-SRF组在FU时显著高于Pre（图1b）。总体而言，BCI-SRF组在CS和TS表现上均有显著的改善，特别是在CS表现上，较Finger组改善更大。
2. 任务态fMRI分析结果
研究人员通过对任务态数据进行分析，筛选出包括S1M1、SMA、丘脑、基底节和小脑在内的感知运动网络（图2）。
3. 静息态fMRI功能连接分析结果
（1）基于种子的全脑分析
将S1M1_L、SMA_L、S1M1_R、SMA_R设定为种子点，探索训练前后（Pre和Post阶段）全脑的功能连接性（FC）。结果发现，S1M1_L与Frontal_Mid_L之间的FC存在显著的时间×组别的交互效应（图3a）。事后检验分析得出，只有BCI-SRF组在训练后（Post vs Pre）这两个脑区的FC显著增加。
Fig3. S1M1_L 和 Frontal_Mid_L 之间的 FC 显著增加。a. 基于种子的全脑 FC 发现，当种子为 S1M1_L 时，Frontal_Mid_L 显著变化。b. 重复测量方差分析发现，与Finger组相比，BCI-SRF组的 S1M1_L 和 Frontal_Mid_L 之间的 FC 显著增加。
（2）感知运动网络内的 FC 变化
半球内的 FC分析：左半球的FC未显示出显著的交互效应（图4a）。而右半球 FC 表现出显著的时间×组别交互效应。事后检验表明，仅在BCI-SRF组中，Post比Pre阶段FC显著增加。此外，两组间的比较结果发现，两组在Post阶段FC存在显著的差异（图4b）。
半球间 FC分析：研究人员采用双因素重复测量方差，对感知运动网络中每对 FC 在训练前后（Pre vs Post）进行分析。结果发现，以下4个连接对之间存在显著的时间×组别的交互效应：S1M1_R与Cere_R；THA_R with Cere_R；Cere_R与SMA_L；S1M1_R与THA_L（图5a, b）。事后检验分析表明，在这四对连接中，BCI-SRF组和Finger组在Post阶段存在显著差异。此外，仅在BCI-SRF组中，S1M1_R到Cere_R、THA_R到Cere_R、Cere_R到SMA_L在Post阶段相较Pre阶段FC表现出显著增加。
Fig4. a. BCI-SRF组与Finger组干预前后左半球内的FC比较；b. BCI-SRF组与Finger组干预前后右半球内的FC比较。c. BCI-SRF 组和 Finger 组干预前后大脑半球内 FC 的比较。d. 大脑右半球内 FC 的变化与控制序列准确率（CS）的变化之间存在显著相关性。e.大脑半球间 FC 的变化与CS的变化之间存在显著相关性。
（3）半球内/半球间的FC变化与行为结果评估的相关性
结果发现，右半球内FC与训练前后（Post vs Pre）的控制序列精确性评分变化存在显著的相关性（图4d）。此外，半球间FC也与控制序列精确性评分变化存在显著的相关性（图4e）。
4. GCA分析结果
为研究皮层与皮下环路的因果效应，研究人员根据功能连接分析结果选定了感兴趣的区域（ROIs），包括S1M1_R、SMA_L、THA_L、THA_R、Cere_R和Frontal_Mid_L，其中S1M1_R和SMA_L被整合为SM皮层（SM_cortex）。
通过GCA分析发现，与Finger组相比，BCI-SRF组的SM皮层与THA和Frontal之间的双向因果效应显著增加。同时，从 SM 皮层到 Cere，从 Cere 到 THA发现了明显的单向增加因果效应。此外，从 Cere 到 SM 大脑皮层的因果效应显著降低。这些结果表明，脑间的信息流主要沿SM皮层-小脑-丘脑皮层-皮下环路进行传播。此外，额叶-顶叶环路的交互作用也显著增强（图5c）。
Fig5. a. BCI-SRF 组与 Finger 组在Pre和Post阶段每对 FC的 比较。b. BrainNet Viewer 可视化有效连接性。c. 模型显示了两组别在额叶-顶叶（SM_皮层）环路和 SM皮层-小脑-丘脑皮层-皮层下环路存在不同的因果联系。
讨论
此研究讨论了BCI-SRF训练对运动序列学习的影响，特别是它如何通过调节感知运动网络的功能连接和局部环路来增强学习能力。研究表明，经过4周的训练，BCI-SRF组运动序列学习能力显著提高，BCI-SRF组的训练显著增强了大脑半球内和半球间的功能连接，且这些变化与行为学习能力的提升显著相关。GCA分析显示，SM皮层-小脑-丘脑皮层-皮层下与额叶-顶叶回路之间存在显著的因果效应，这表明BCI-SRF组训练改善了这些环路的互动和功能重组。
研究还指出，BCI-SRF系统可能对运动泛化和中风患者的康复存在潜在的益处。此研究的局限性包括样本量较小，尚需进一步验证序列难度、持续性及临床应用效果。未来应探索强化训练的最佳频率和持续时间。总结来说，BCI-SRF训练可能通过神经环路的功能重组显著增强了运动序列学习能力，展示了其潜在的临床康复应用前景。
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