用于脑机接口的感觉运动成像

背景：对大脑结构和功能的深入了解提高了对癫痫、中风和脊髓损伤 (SCI) 等神经系统疾病的诊断和治疗。 半个多世纪前，Penfield 的开创性研究使用电刺激大脑皮层的运动和感觉区域，并揭示了大脑的独特躯体组织。 今天，这一知识以及关于神经元编码功能的其他知识正被用于开发革命性的设备，这些设备直接与大脑中的运动和感觉神经元连接，以建立与假肢和辅助设备的功能连接。 这些所谓的脑机接口 (BCI) 需要将电极精确放置在负责肢体运动的意志控制和感觉的大脑区域，尤其是手臂和手部区域。 使用功能性磁共振成像 (fMRI) 可以绘制这些大脑区域。 然而，这种映射研究很难在有运动和感觉障碍的人身上进行。 ALS 和 SCI 患者已经破坏了皮层和四肢之间的传出和传入通路，因此有必要依靠隐蔽技术（例如动觉运动想象）来绘制感觉运动大脑活动，以指导 BCI 电极放置或研究由此产生的皮层可塑性受伤或干预。 与受伤后大脑映射相关的挑战可能导致关于 SCI 后大脑中发生的功能重组的程度和流行程度的广泛不同的报告。 fMRI 是一种非侵入性工具，可以测量与运动和感觉相关的大脑活动，而对研究参与者的风险最小。

意义：恢复上肢功能是四肢瘫痪患者的首要任务。 据估计，美国有 236,000-327,000 人患有脊髓损伤。 大约 17% 的 SCI 患者有高度四肢瘫痪（颈椎 C1-C4 损伤），尽管近年来这一比例一直在增加。 高度四肢瘫痪的人是最有可能受益于 BCI 控制的神经修复术的人群，尽管本提案中开发的隐蔽映射策略可用于研究任何患有运动或感觉障碍（包括截肢）的人的感觉运动激活和可塑性。 正在开发精密的机动假肢，使上肢自然运动并具有先进的传感能力。 患有四肢瘫痪的人希望使用 FES 恢复自己四肢的功能，但这项技术需要进一步发展，并且不能取代感觉，这可能仍需要 BCI。 在继续进行 FES 研究和开发的同时，四肢瘫痪患者可以通过将电动假肢安装到轮椅上来利用它们。 电动假肢可以提供与完整肢体相当的功能，但需要高度自由的控制界面，BCI 是一种可能的解决方案。

功能性神经成像可用于指导 BCI 电极放置，以便利用现有的感觉运动电路。 基于图像的大脑映射还可以研究皮质可塑性，这可能有助于理解受伤后发生的适应不良皮质变化或康复干预导致的有益变化。 正如术前脑图可能有助于识别最适合 BCI 的个体一样，运动和感觉障碍患者的隐蔽脑图可能会告知最有可能有益的康复范式类型。 能够在没有运动或感觉的情况下研究皮质可塑性的潜在好处是广泛的，因为它可以应用于脊髓损伤、截肢、中风、肌萎缩性侧索硬化等神经退行性疾病或其他感觉运动障碍的患者。