脑-机交互运动训练的神经反馈方法及康复应用
来源：中国生物医学工程学报
人体日常(自主性肢体)运动是由中枢神经系统发布主观支配指令，肌肉、关节、骨骼等外周组织器官遵命执行的功能活动，涉及一定的体力技巧，且受神经肌骨信息交互规则与个人习惯约束[1]。人体在不断成长过程中，不仅须掌握基本的肢体运动能力，而且还要及时学习掌握新的运动技能，或强化已有运动功能，以提升生活品质。具体技能的更新获得，则涉及人体整个中枢-外周运动神经系统的协调动作，需经历颇为复杂的大脑学习-加工-再学习的认知过程，并要做一定的反复“训练”加以巩固，最终通过相关神经组织结构、功能的可塑性变化，才可实现特定运动能力的增强，或形成新的稳态运动技能。因此，人的运动能力提高或新功能获得，既是较漫长复杂的神经塑变生长过程，也是需持续训练的知识学习验证经历[2,3]。
然而，某些意外事故或特殊疾病伤害，可能导致人体的重要基本运动功能受损或丧失，尤其是神经传导通路的严重伤害，可限制甚至阻断患者“大脑-自身肢体-外界环境”的正常信息沟通交流及指挥控制能力。脑卒中(stroke)又称“中风”、“脑血管意外”(cerebral vascular accident,CVA)，是此类疾患的典型，是我国乃至世界成年人致残的首要根源，具有发病率高、致残率高和死亡率高等特点。有数据表明:我国现有患者约1 242万人(40岁以上)、患病率2.19%，约每12 s即新增一例卒中;高危人群40～74岁，卒中发病率每年上升8.3%，年轻化趋势令人担忧;新发患者80%～90%遗留不同程度的运动残疾，丧失行动能力的重度残疾比例超30%[4,5]。为恢复中风受损的大脑神经功能，患者除需及时手术治疗外，还需长期接受运动功能康复训练，以改善生活状况。这不仅要消耗大量公共医疗资源，而且给个人、家庭和社会带来更为沉重的经济负担，已成为当今全球各地区共同关注的热点与健康医疗事业尚待破解的难题。
伴随脑科学与神经工程技术的创新发展，基于神经层面的脑-机交互运动训练研究为破解卒中等神经功能康复难题带来了全新希望。随着世界各强国纷纷吹响探索大脑神经奥秘的号角，我国亦提出了以解密大脑认知功能(认识脑)、攻克大脑神经疾病(保护脑)为科研导向和以发展类脑人工智能技术为应用目标(创造脑)的“中国脑计划”[6]，不断推动着相关研究朝建立神经功能康复临床理论与方法的方向逐步迈进。面向脑卒中等运动康复的神经理论、方法及应用技术研发，已成为我国乃至世界健康医疗事业发展的战略前沿领域和研究合作攻关热点。
下面从神经反馈训练的角度，对神经层面的脑-机交互运动训练研究进行综述，阐述该技术现有的相关研究及应用，并展望其未来的发展趋势。
目前，运动神经康复技术研究大都以镜像神经元系统、神经可塑性等重要的大脑神经机制作为理论支撑，探索其可行的康复训练程序与方法，但因具体神经康复机制尚存在诸多谜团待挖掘和探明[7]，故基本上是遵循传统运动康复老旧疗法谨慎实施训练。然而，传统的运动康复训练技术缺乏针对性康复机制和神经科学理论的指导，只能固守单一方法，多为被动模式，虽然小心翼翼，但多事倍功半，难得理想疗效，且常出意外。为此，探明运动康复训练技术的具体神经机制很有必要，且有重大的科学意义。
1.1 镜像神经元系统与神经可塑性理论
20世纪末，科学家们在猴脑发现一种特殊的神经元系统[7]，解剖学位置在腹侧前运动皮层(F5区域)。它如镜子一般，辨别所观察对象动作行为的潜在意义，并且做出相应的意图理解、行为模仿和情感反应等(见图1(a))，于是被形象地称为镜像神经元系统(mirror neurons/mirror-neuron system)。该发现一经公布，震惊了整个科学界。
诸多研究表明，镜像神经元是一类将特定感觉信息转化为相应运动形象的神经元，存在于前运动皮层和顶叶皮层区域(如猴子)。之后多年基于神经生理学脑神经信息检测及成像技术，如脑电图(electroencephalography,EEG)、脑磁图(magnetoencephalography,MEG)与经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)等，其相关研究结果表明，人脑也存在相应镜像神经元系统和认知机制，且解剖位置与猴子的类似。如图1(b)所示，镜像系统覆盖区域涉及大脑额叶、后顶叶、颞叶上方沟回等，关键节点位置在下顶叶(inferior parietal lobule,IPL)和腹侧前运动皮层(ventral premotor cortex,PMv)、下额叶回(inferior frontal gyrus,IFG)的尾端等[8]。根据其解剖结构，以及生理、行为学表征等，可证明镜像神经元系统储存了特定行为模式的编码机制，在动作和意图理解、模仿、言语和情感感受中起着重要作用。镜像神经元被普遍认为是大脑理解他人意图的最基本工作单位。在一些无需复杂加工推理的认知活动时，靠近颞上沟和头端内侧的一些皮质区域的镜像神经元也在理解他人意图中起到重要作用，如图1 (c)所示[7]。
图1 镜像神经元系统[7]。(a)在猴子观察自身、观察其他猴子或观察人类抓握食物行为的过程中，其脑内镜像神经元系统皆被激活;(b)人类镜像神经元系统在大脑皮层区域的相应位置;(c)人类大脑在常规抓握杯子动作过程中的皮层信息交互与流向
镜像神经元发现之初，被视为脑认知的“科学富矿”，不同学科、研究领域(涵盖生物学、心理学、遗传学、语言学、教育学等)的学者不断进行相关探索和实验研究，进而衍生出上述镜像神经元系统的基本理论。然而，自其发现至今虽有30年左右的时间，但相关研究工作仍处于初步阶段。镜像神经元系统可使人们凭大脑直觉捕捉到他人的动作意图，也能根据自身的过往经验更好地推测理解他人的行为意图，进而为探索人类社交互动和模仿学习的奥秘提供了可能。例如，婴儿学习、模仿成人的表情、行为，幼儿相关神经功能失调导致自闭症，刺激诱导卒中偏瘫病人恢复行动能力等，都与镜像神经元系统功能密不可分。
因此，镜像神经元系统在卒中等运动功能康复与重建过程中必然发挥着重要作用。例如，经典作业疗法、镜像疗法等康复治疗都是基于该理论设计，通过反复刺激镜像神经元系统以诱导其激活，促进大脑对原有运动神经功能的训练学习。然而，若要最终达到相应神经功能的完整康复，则涉及大脑神经的另一个重要基本属性，即神经可塑性(neural plasticity/neuroplasticity)。
一般外界刺激诱导作用会导致神经系统的双重变化:其一是对传入神经系统的刺激冲动做出反应，即产生神经兴奋性，该变化属性具有实时性、暂态性;其二是对重复性刺激诱导以及在其引起的神经兴奋性共同作用下，会在特定神经元系统中产生相应的短暂性甚至永久性的功能转变，即神经可塑性变化，该过程会使相应神经元产生功能性、稳态性甚至结构性的永久改变。神经可塑性的概念十分宽泛，涵盖了整个神经系统功能和结构的演变过程，其中海扁可塑性和稳态可塑性被认为是中枢神经可塑性的主要形式。海扁可塑性强调反复学习训练过程可增强大脑神经元突触间连接，稳态可塑性则通过调节突触传递过程的兴奋或抑制性来维持神经网络(包括结构与功能)的稳定[9,10,11]。诸多研究证明，面向具体神经功能(记忆、学习、运动等)的改变，二者的可塑性作用缺一不可，其改变过程一般经历从神经兴奋性到神经系统激活状态，再到神经功能网络(突触)的连接特性，甚至到整个神经系统结构的改变过程，最终对外表现为具体神经功能与行为能力的变化[12,13]，如图2所示。
图2 物理刺激神经元系统所引起的神经连接特性变化[7]
1.2 面向运动康复的神经反馈训练技术
基于上述神经科学理论机制，以实现某些特定神经功能的训练增强、重组修复等为目标的运动康复技术应运而生。其中，生物反馈训练(biofeedback training)技术呈现可被人体感知的生理信息，并以此作为信号标识，不断训练人体学习，调控自身固有或特殊神经机能，达到自主调节(self-regulation)训练特定神经功能的目标[14,15]。近年来，患者在医师指导下完成生物反馈训练，重新学会调节自身已丧失的控制或认知能力，已成为主动式康复训练的热点手段。其中，神经反馈训练(neurofeedback training,NFT)作为一种直接训练大脑机能的主动式干预手段，通过传感装置实时获取神经生理信号，并借助先进的信息处理技术完成大脑信息的快速解码，匹配以视觉、触觉等多种刺激方式，构成脑-机交互(brain-computer interaction)运动训练通路，可实现在线反馈大脑工作状态与运行性能的闭环训练(运动神经反馈训练系统模型见图3[14])。
综上所述，在经典神经理论机制基础上，运动神经反馈训练的相关研究工作，尤其面向感觉运动功能的恢复与重建应用，存在两个层面的生理学意义:一方面，可指导探索运动训练相关生理响应机制，挖掘能够反映运动神经功能绩效的特异性神经生理指标;另一方面，可创造提高运动训练、技能学习的新型物理刺激诱导方法，并不断优化反馈调控策略。通过不断探索，最终有望为推进生理、病理机制的深入研究提供科学依据和实用模型，为运动康复、技能学习与扩增医疗、特种、文体等的应用打下关键技术基础。然而，现有大脑可塑性机制及其相关理论仍停留在多年前已有的成果上，尚无重大发现或颠覆性研究，要想获得真正变革与指导众多神经系统类疾病的优化诊疗方法，还有赖于医学神经影像、计算机、自动化及脑科学相关技术研究的重大发展与突破。
图3 脑-机交互的运动神经反馈训练系统模型[14]
1.3 运动相关神经反馈生理指标
目前，运动训练相关评估从临床量表等数据的分析，发展到肌电(electromyography,EMG)、脑电等的生理信号的采集与分析，逐步实现了真正的量化。其中，肌电、脑电等信号中蕴含的电生理指标是较为常用的运动相关衡量指标。
EMG是运动意图的外在代表性信号，它反映的是运动的最终结果。肌电的幅值、波形时长等都是运动研究方面的重要指标，能够有效地反映运动肢体的活动信息[16]。EMG的衰减少，易于检测，与运动相关性更高，因此在运动检测方面是必不可少的一项检测。同时现代研究中，通过经颅磁刺激诱发EMG产生运动诱发电位(motor evoked potential,MEP)，已经成为检测运动神经通路完整性的一个金标准。MEP的幅值反映了通路的兴奋性，幅值越高，通路越完整。已经有研究使用MEP幅值作为反馈信息进行神经反馈，有效提高了运动效果[17]。
EEG-BCI通常通过测量感觉运动区的运动相关电位(event-related potential,ERP)来检测运动意图和脑皮层兴奋性变化[18]。事件相关去同步(event-related desynchronization,ERD)为特定频带的能量衰减，可用于测量脑区兴奋性变化[19,20]。此外，EEG信号计算而得的脑连接特征等同样为大脑皮层兴奋性和神经通路的完整性提供了良好的量化指标，从时、频、空多角度反映运动神经功能绩效。
除电生理信号之外，功能性近红外信号(functional near-infrared spectroscopy,f NIRS)中的血氧信息、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)中的能量信息和脑连接信息，也是衡量运动功能的重要神经生理指标。
在脑-机交互训练之前，传统的卒中等运动康复方法以药物、理疗(physical therapy,PT)、作业疗法(occupational therapy,OT)为主。临床早期针对患者运动康复治疗的项目包括:关节活动度、肌肉力量、辅助肢体动作保持和典型体位训练等，随后根据患者的康复进程，肢体训练活动会进一步增加，尽可能达到最终稳态，甚至接近健康的运动功能水平。随着运动康复训练技术的发展，出现了功能性电刺激(functional electrical stimulation,FES)、机械外骨骼(exoskeleton,Exo)、步行器(walker)等技术与装备，并成功应用于运动辅助与康复训练系统的研究开发中，以实现卒中等脑神经受损后运动功能的替代、修复与重建。
最初运动功能辅助系统在上肢瘫痪患者的康复训练领域得到了较多应用，其中神经假体是主要研究方向之一。在针对上肢功能的神经假体应用研究中，多以辅助运动训练的方式实现简单的手部、上肢关节动作为主要康复目标[21]。典型的应用如下:Kilgore等开发Free Hand系统，可辅助偏瘫患者进行手部运动[22];Ijzerman等针对C5级瘫痪和偏瘫患者，开发制作了含完整腕伸动作矫形器的Handmaster系统[23];Prochazka等提出Bionic Glove手部运动辅助系统[24];Hoshimiya团队提出多通道功能性电刺激(FES)系统[25]等。Bionic Glove系统如图4所示，其中(a)展示自粘电极放置在用户目标手臂集群的刺激点位置;(b)展示用户戴上固定手套后，保证手臂上的肌肉可以紧贴刺激电极;(c)展示用户在电刺激作用目标肌肉收缩后，手腕弯曲到一个预设的角度，可以帮助其完成腕伸动作;(d)展示了用户手臂在电刺激作用下，手腕伸展到一个预设的角度，刺激相应肌群收缩，可以帮助其完成手抓握物体的简单动作。该研究在实验过程中通过施加电刺激辅助手段，帮助9名脊髓损伤受试者的抓握力峰值从平均2.6 N增加到11.3 N，表明了该系统可显著改善C6～C7水平脊髓损伤患者的手部功能，其早期使用也被视为上肢运动辅助与康复训练的有效手段。
图4 Bionic Glove系统及功能[24]。(a)电极;(b)手套;(c)将手腕随意弯曲到预先设定的触发角度，就会触发开启手掌肌肉的刺激;(d)将手腕延伸到另一个触发角度刺激肌肉产生抓握力
下肢运动功能康复、辅助设备在早期主要针对矫正、补偿足下垂症状，或辅助人体完成支撑行走等运动功能，如Vodovnik等提出的Fepa系统[26]、Wieler等提出的Walk Aid系统[27]，都是早期较为典型的下肢运动康复、辅助系统工具。近几十年来，FES技术的提出与临床应用，有力地推动了运动辅助与神经康复训练相关研究的跨越式发展，尤其是应用FES恢复截瘫患者站立行走功能的研究取得了较大进步。许多体外刺激装置得以研发并应用于下肢运动功能的康复与辅助治疗，其中以欧美国家的相关技术产品的应用效果较好，技术成熟度较高，国产运动辅助与康复训练设备也呈现出蓬勃发展的态势[28]。这类设备的典型应用如截瘫迈步器(parastep)、交互步态矫形器(reciprocating gait orthosis,RGO)、混合型辅助系统(hybrid assistive system,HAS)等。
如前所述，近年来的诸多研究发现，神经反馈技术可有效调制大脑皮层的激活状态，进而诱导高级认知功能和/或行为能力的改变，故在临床上被越来越多地被应用于治疗卒中等脑中枢神经受损和行为失常疾病[29,30]。患者可通过实时神经反馈训练，在运动康复层面不断调节与优化自我运动意图信息，以诱导辅助运动(supplementary motor area,SMA)等皮层区域神经元的有效激活，进而增强自身对躯体感觉、运动皮层的控制能力(其程度可达到真实运动造成的皮层激活水平)，这为卒中患者的运动功能康复训练提供了可能;在认知康复层面，该技术也在脑卒中后焦虑、抑郁等认知疾病的康复治疗中起到日益凸显的作用。例如，常用基于EEG信号调控的神经反馈，治疗卒中后的运动功能损伤或抑郁，其方法是提高脑半球内α波的非对称性，降低左前额叶θ/β波幅值，采取增强感觉运动节律(sensorimotor rhythm,SMR)的训练等;而改善卒中后焦虑症状的神经反馈治疗及则常采用增强α/θ波、抑制β波等的训练方式。
在前期神经反馈技术有较好研发与应用的基础上，引入新兴脑-机接口(brain-computer interface,BCI)技术，这样运动功能康复训练无需肢体神经肌肉直接信息传递，便可实现人脑与外界机器设备的信息交互，使“思想”变成“行动，从而为卒中等运动神经康复训练提供了全新思路[15]。诸多研究表明，利用BCI控制FES的运动康复训练模式(BCI-FES)，可实现皮层-肌肉的同步性激活效应。BCI-FES相比传统单纯FES，可强化激活大脑感觉运动皮层活动，促进受损神经功能的修复与重组[28,31,32]。Reynolds等[33]和Biasiucci等[34]均开展了运动想象(motor imagery,MI)型BCI驱动控制FES用于运动功能训练的实验研究，结果表明:MI主动驱动FES，能在患者主观运动意念诱发作用下，产生更准确、更强烈的运动皮层神经功能激活效应。2014年，由天津大学联合天津市人民医院研发的“神工一号”问世，它是适用于全肢体中风运动康复训练的“纯意念控制”人工神经机器人系统。与在巴西世界杯赛场上亮相的脑控机械外骨骼相比[35]，“神工一号”通过BCI结合FES，能够真正实现大脑皮层与肌肉活动的同步耦合，目前仍在不断改进优化，故“神工”系列康复机器人有望对老残病人的临床康复治疗做出新贡献[36,37]。
此外，虚拟现实(virtual reality,VR)、机械外骨骼(Exo)、经颅电磁刺激(transcranial electric/magnetic stimulation,TE/DS)等外设技术的产生与发展，也为BCI康复应用提供了更多可能[38,39,40,41]。基于BCI技术的运动训练方法，可充分发挥患者的主观能动性，帮助他们建立大脑运动意图信息与外界运动辅助训练设备的紧密交互联系;BCI与上述外设技术结合，克服了传统康复疗法的单一、被动式缺陷，并涉及大脑神经信息的检测与分析技术，使康复训练过程可观察、可量化、可自我调节，有望为镜像神经元系统和神经可塑性康复理论研究开启全新窗口，因而获得了研究者及临床医师的广泛关注[42]。
如前所述，运动神经反馈训练的相关研究目前主要聚焦在探索新型反馈训练模式和基于不同神经信息揭示关键响应机制的两个核心层面，这也是具体临床运动康复应用所关注的焦点。具体的运动神经反馈训练模式一般可分为运动相关视觉(visual)、听觉(auditory)、触觉(haptic/tactile)和多模态反馈(multimodal feedback)等类别。然而，由于任何形式的反馈训练都会涉及复杂的大脑加工-学习过程，关于探索最有效的运动反馈训练模式至今仍争议不断[43]。
3.1 基于视觉、听觉、触觉反馈的运动训练方法
3.1.1 基于视觉反馈的运动训练
早期相关研究中，曾认为基于视觉信息的运动反馈训练是有效强化运动功能的一种方式，并得到广泛应用。视觉信息是日常生活中人体感知外界环境并与之交流互动的最重要形式，许多与运动相关的任务(如骑车、滑雪、打网球等)皆需通过观察学习、模仿练习、视频演示等一系列视觉信息加工过程才能熟练掌握与完成。以打网球为例，其具体的大脑视觉、感觉运动等加工过程如图5所示[7]。有人研究了视觉反馈对运动任务训练学习的影响，结果表明:一定时间内的运动反馈训练效果取决于任务的复杂性和个体技能水平[44]。
图5 打网球运动中大脑视觉、感觉运动等加工过程[7]
目前，运动神经反馈训练模式及其康复应用相关研究基本都涉及视觉信息反馈的内容，与镜像神经元系统理论相契合，即视觉引导下的运动训练学习过程可有效激活感觉运动及联合皮层区域，这也是运动观察(motor/action observation,M/AO)康复疗法的基本理论依据。在一般视觉诱导下，运动观察训练会营造一个简单易懂的视觉场景。受试者通过观察目标运动(光标、色条、球体运动等)或简单动作(腕伸、抓握、踝背屈等)对其模仿学习，在大脑中不断进行加工学习，进而反复演练、激活特定感觉运动皮层区域，诱导受损神经重组或增强特定神经功能等[45,46]。更高级视觉诱导下的运动反馈训练会同步引入受试者的神经信息(即引入BCI等关键技术)，建立其与视觉反馈信息的联带关系，通过激活/抑制特定神经信号(与感觉运动功能直接相关)控制视觉反馈，从而强化诱导受损神经的同步性、反复性激活，促进感觉运动功能重建。这便是基于视觉诱导的运动神经反馈训练的基本形态。诸多研究表明，视觉引导下的运动训练可有效增强或改善人体特定的感觉运动神经功能及行为学表现[47,48,49]。此外，如前所述的虚拟现实(VR)、增强现实(augmented reality,AR)等新兴技术的产生与发展，也为视觉引导下的运动训练相关研究提供了更多可能[50,51,52]。
3.1.2 基于听觉反馈的运动训练
古人云“眼观六路、耳听八方”和“只闻其声、不见其人”，均形象逼真地描述了人体视听接收外界信息的广泛性。除视觉外，听觉也是人体感知外部世界的重要途径。自出生起，人体听觉系统就基本领先发育成熟了，其发育时间远早于视觉。听觉神经系统涉及延髓、脑桥、中脑及听觉皮层等解剖学结构，信息传导过程十分复杂。而听觉信息的形成则相对简单，均由声源物体机械振动所产生并经传播媒介发出，被听觉系统接收而还原为源声音。具体到运动训练方面，听觉信息往往涉及更高级、复杂的运动过程，如乒乓球运动员需要关注球在桌上和球拍上弹跳的声音信息，不断改善、提升击球技巧，而前述的网球运动亦是如此。
尽管如此，作为视觉感知的有效补充(视觉的局限性在于当信息量过大时会造成信息丢失)，在运动训练过程中引入听觉信息反馈，可以重新优化分配大脑感知与认知资源负荷，且听觉感知无需特定的方向和过高的注意力集中程度。比较典型的运动训练学习应用模式包括:听觉报警(auditory alarms)、运动变量或误差的声音化(sonification of movement variables/error)[52]。
近年来，听觉报警在运动神经康复训练中得到广泛应用，如步态康复训练过程中需要在发生危险动作(身体过度倾斜、摔倒等)或肢体力量训练未达到预定标准的情况下进行报警，以保证运动训练系统的安全性与稳定性。诸多研究表明，应用听觉报警的运动训练在步态矫正与康复过程中效果明显[53,54]。而运动变量或误差的声音化与基于视觉诱导的运动训练模式类似，即将运动训练过程中的行为表现或反馈信息转化为声音特征，进而诱导运动训练学习过程，强化神经功能重组或运动行为技能。研究表明，经过较长时程的声音诱导运动训练及系统性评估，可以有效改善健康人或神经损伤患者的上下肢运动行为学表现[55,56,57]。
3.1.3 基于触觉反馈的运动训练
触觉属于感知觉的一种，一般指皮肤触觉感受器受到机械刺激所产生的感觉，。其感知信息与感觉运动功能密切相关。而人体感觉中枢涉及的具体解剖结构位于大脑腹后外侧核的体感皮层区域，主要负责传递并处理初级体感皮层信息(Brodmann分区的3b区)。具体关联的神经元对皮肤表面的触觉刺激非常敏感。与躯体感觉运动系统的皮质下突触结构类似，不同人体部位的触觉信息最终传递到大脑特定躯体感觉皮层的区域也有所不同，具体解剖学的对应关系如图6所示。
图6 身体各个部位感觉运动功能与大脑皮层区域的对应关系[7]
具体到人体的运动功能，实际上触觉信息往往伴随着另外一个重要概念，即本体感觉(proprioception)，也就是指肌、腱、关节等运动器官本身在不同状态(运动或静止)时产生的感觉(如闭眼状态下能感知到身体各部位所处的位置)。在本体感觉传导通路中，还传导皮肤的精细触觉(如辨别肢体位置、距离以及物体纹理粗细等)。二者都是运动训练过程中必须考虑的重要因素，并很早就应用于诸多临床康复或运动技能的提升训练，包括空间位置、距离、机械力等物理量产生的触觉或本体感觉引导下的运动神经反馈训练[58,59,60,61]。然而，触觉概念太过宽泛，产生方式也多种多样，如电刺激、磁刺激、机械振动刺激等[43,62,63]。
3.2 基于多感官融合反馈的运动训练方法
如前所述，运动训练与学习涉及诸多感知觉信息，是一个极其复杂的神经感知过程，关于最有效的运动训练模式至今未有定论。基于视、听、触觉反馈的运动训练模式虽各具特色，但皆存在一定局限。这些模式的康复机制理论依据均为重复性训练激活特定皮层，使之功能重组或增强神经网络连接，诱导相关运动功能再获得，即神经可塑性康复机制[64]。因此，为克服单一感官通路的局限，目前运动神经反馈训练一般配合多种感知觉信息。除视、听、触觉信息的反馈(由视频演示、电磁刺激、机械力牵引等方式产生)外，近年还引入了运动想象(MI)/运动执行(motor execution,ME)，即MI/ME等运动训练模式。根据镜像神经元系统、神经可塑性理论，尽可能强化诱导神经激活特性，经多感官通路诱导运动功能的重建与增强[65,66,67]。
在早期多模态运动训练与学习的研究中，多以视觉为主，融合听觉、触觉信息反馈，强化诱导运动功能或技能的重建与增强[68,69]。时至今日，伴随着诸多新型技术的发展与进步，多感官通路信息联合反馈的运动训练具备了更多可能(见图7)[70]。Friesen等[71]和Neuper等[72]开展了融合运动观察和运动想象方式训练调节大脑神经活动的相关研究，结果表明，受试者经过特定的神经反馈训练后，感觉运动节律(sensorimotor rhythm,SMR)包括mu和beta节律响应发生了明显改变，Vukelic'等[73]设计了运动想象+本体感觉反馈与运动想象+简单视觉反馈的对比实验，证明了本体感觉反馈的运动神经反馈训练可更强化大脑的感觉运动皮层激活特性。Ono等[74]的研究则进一步验证，结合运动观察、运动想象及本体感觉反馈，在调节大脑感觉运动节律响应方面具有有效性。Ramos‐Murguialday等[75]开展了基于MI-BCI控制机械矫正设备对中风患者康复训练的有效性研究。他们跟踪治疗了16名上肢偏瘫患者，并利用功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,f MRI)技术，结合FuglMeyer医学评定量表，监测了患者康复训练效果。神经功能激活特性及运动学量表的评定结果表明，基于MI-BCI控制机械矫正设备的康复训练，有效改善了中风患者的上肢运动功能，为神经可塑性及康复评价提供了方法学依据。Pichiorri等[76]利用虚拟视觉场景结合运动想象疗法，对中风患者进行了上肢运动功能恢复的相关研究。结果表明，经较长时间训练后，患者的上肢运动功能及神经网络连接特征响应均得到了明显改善。
图7 BCI结合辅助设备，视、触觉反馈等的运动康复训练研究[70]
上述研究均表明，人体接受多感官通路反馈的运动训练过程，特别是结合运动想象等，可优化提升大脑特定皮层区域的激活特性，诱导神经网络连接的重组、修复与增强，对运动功能的重建与增强具有促进作用。基于视、听、触觉反馈的运动训练模式发展至今各具优势，其理论依据都是通过重复性训练激活特定皮层，使相应功能重组或增强神经网络连接，诱导相关运动功能再获得，即神经可塑性康复机制。但均存在一定局限，即模式单一，无法充分发挥各感官通路的协同匹配，弱化了可塑性康复理论的指导作用。尽管多模态运动神经反馈训练研究在一定程度上克服了上述局限性，但各反馈模式间的同步性与协同性仍有待加强。需结合神经信息检测手段及其响应机制研究，强化各反馈环节的耦合效应，尽可能提升人体特定神经功能与外周运动功能(即皮层-肌肉)间的匹配效率，从而获得最优运动康复反馈训练效果。
根据上述内容，脑-机交互运动康复训练展现出良好的研究和应用前景。
在未来的发展中，运动康复训练更加偏向于多感官的协同作用，发挥视、听、触觉反馈的独有优势，将多种感官相结合，通过重复训练进行功能重组，提高特定皮层的激活特性。发挥感官通路的协调作用，调动患者的主动性，获得外周运动功能的高匹配效率。
在运动训练模式上，逐渐建立了更加成熟的循环的模式。一方面，实现“机制-方法-评估”一体化的运动康复训练系统模型，将脑-机接口技术与运动康复训练相结合，发挥患者的主动作用，使整个运动康复过程可视化，运动康复效果的进一步量化和评估;另一方面，实现更为优良的训练闭环系统，使输出信号与输入信号之间的连接性增强，达到自我调控、自我优化的目的，甚至与外界的刺激模式相结合，进一步优化运动康复训练过程[77]。主动与被动协调一致，才能实现更为高效的运动康复训练模式。
综上所述，脑-机交互训练正在实现多感官协调，患者自身能动性与外在辅助功能相结合的闭环式可控、可调训练模式，为运动康复展现了更为高效、舒适的前景。
综上所述，传统运动康复疗法因单一、被动等局限，往往不能调动患者自身的能动性，无法诱导实现自我调节可塑性康复机制下皮层与周围神经肌肉的耦合协同[42]。为此，需面向运动康复应用开展系统性研究，揭示具体运动神经反馈训练过程中的镜像神经元系统和神经可塑性康复机制，制定可指导优化临床运动康复训练的客观评价标准，建立“机制-方法-评估”一体化的运动康复训练系统新模型。BCI技术、神经反馈训练等新型主动式运动康复治疗方法，可通过运动辅助训练设备，同步耦合皮层-肌肉功能，充分发挥患者主神经调节作用;神经信息的可视化，使这训练过程与康复效果变得可观察、可量化、可评估，是发展新一代运动神经康复训练技术的必由之路。
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