運動學習是一項至關重要的能力，能幫助個體通過練習獲得新技能或從傷病中恢復過來。“泛化”是運動學習的核心，即將已學的技能應用到新情境中。盡管已有研究探討運動學習的泛化，但在人機協作情景下的泛化研究仍然較少。BCI（腦機接口）技術的進展為人機協作提供了新的研究方向。通過BCI技術，患者可以直接控制機器人設備來促進運動能力恢復。

近期，天津大學明東教授團隊通過研究BCI驅動的編外機器手指（一種可穿戴機器人手指，BCI-SRF），來探討人機交互訓練中運動學習的泛化及其神經可塑性機制。研究發現，與對照組相比，BCI-SRF在訓練后運動序列準確度提高了350%，并伴隨感知運動區域和前額葉皮層的功能連接增加。Granger因果分析揭示感知運動皮層、小腦、丘腦和額頂環路間有重要的因果效應傳遞。相關成果于2024年12月30日發表在《Science of Learning》期刊。

研究范式

研究招募了20名健康右利手參與者，并隨機分配至BCI-SRF組與天生手指組（Finger）。BCI-SRF訓練組，參與者需要在左手佩戴SRF，然后想象MI范式，直到系統被觸發。然后，SRF 手指模塊將彎曲四次，按照小指-中指-無名指的順序完成 SRF-手指訓練序列任務。Finger組則要求參與者按照相同的順序彎曲自己左手的四根手指。

所有參與者進行為期4周的訓練。研究人員使用SRF-手指對立序列（訓練或控制序列）任務來測量行為學習，采用多模態MRI測量神經活動的變化。行為數據和MRI數據分別在干預前（Pre）、干預后立即（Post）以及干預后1個月（FU）進行采集。行為評估指標為控制序列準確率（CS）和訓練序列準確率（TS）。

Fig6. BCI-SRF 工作原理和佩戴后的效果圖，以及測試階段的運動想象引導界面和訓練控制順序。a. BCI-SRF可穿戴硬件系統的組成。b. 運動想象范式序列。c. 行為測量范式。

結果

1.行為表現結果

結果發現，控制序列準確率CS得分存在顯著的時間×組別交互效應。事后檢驗分析，BCI-SRF組在訓練之后CS得分顯著提高，而Finger組沒有顯著變化。重要的是，BCI-SRF訓練前后在新序列學習能力上的提升是Finger組的350%。訓練序列準確率TS得分也存在顯著的時間×組別交互效應。兩組在訓練之后TS均有顯著的提升，但只有BCI-SRF組在FU時顯著高于Pre（圖1b）。總體而言，BCI-SRF組在CS和TS表現上均有顯著的改善，特別是在CS表現上，較Finger組改善更大。

Fig1. a. 控制序列準確率（CS）的變化趨勢。b. 訓練序列準確率（TS）的變化趨勢。

2.任務態fMRI分析結果

研究人員通過對任務態數據進行分析，篩選出包括S1M1、SMA、丘腦、基底節和小腦在內的感知運動網絡（圖2）。

Fig2. 感知運動網絡的感興趣區（ROI）描述。

BG: 基底節; THA: 丘腦; Cere: 小腦;

S1M1: 初級感覺運動皮層; SMA: 輔助運動區; L: 左半球，R: 右半球。

3.靜息態fMRI功能連接分析結果

（1）基于種子的全腦分析

將S1M1_L、SMA_L、S1M1_R、SMA_R設定為種子點，探索訓練前后（Pre和Post階段）全腦的功能連接性（FC）。結果發現，S1M1_L與Frontal_Mid_L之間的FC存在顯著的時間×組別的交互效應（圖3a）。事后檢驗分析得出，只有BCI-SRF組在訓練后（Post vs Pre）這兩個腦區的FC顯著增加。

Fig3. S1M1_L 和 Frontal_Mid_L 之間的 FC 顯著增加。a. 基于種子的全腦 FC 發現，當種子為 S1M1_L 時，Frontal_Mid_L 顯著變化。b. 重復測量方差分析發現，與Finger組相比，BCI-SRF組的 S1M1_L 和 Frontal_Mid_L 之間的 FC 顯著增加。

（2）感知運動網絡內的 FC變化

半球內的 FC分析：左半球的FC未顯示出顯著的交互效應（圖4a）。而右半球 FC 表現出顯著的時間×組別交互效應。事后檢驗表明，僅在BCI-SRF組中，Post比Pre階段FC顯著增加。此外，兩組間的比較結果發現，兩組在Post階段FC存在顯著的差異（圖4b）。

半球間 FC分析：研究人員采用雙因素重復測量方差，對感知運動網絡中每對 FC 在訓練前后（Pre vs Post）進行分析。結果發現，以下4個連接對之間存在顯著的時間×組別的交互效應：S1M1_R與Cere_R；THA_R with Cere_R；Cere_R與SMA_L；S1M1_R與THA_L（圖5a, b）。事后檢驗分析表明，在這四對連接中，BCI-SRF組和Finger組在Post階段存在顯著差異。此外，僅在BCI-SRF組中，S1M1_R到Cere_R、THA_R到Cere_R、Cere_R到SMA_L在Post階段相較Pre階段FC表現出顯著增加。

Fig4. a. BCI-SRF組與Finger組干預前后左半球內的FC比較；b. BCI-SRF組與Finger組干預前后右半球內的FC比較。c. BCI-SRF 組和 Finger 組干預前后大腦半球內 FC 的比較。d. 大腦右半球內 FC 的變化與控制序列準確率（CS）的變化之間存在顯著相關性。e.大腦半球間 FC 的變化與CS的變化之間存在顯著相關性。

（3）半球內/半球間的FC變化與行為結果評估的相關性

結果發現，右半球內FC與訓練前后（Post vs Pre）的控制序列精確性評分變化存在顯著的相關性（圖4d）。此外，半球間FC也與控制序列精確性評分變化存在顯著的相關性（圖4e）。

4.GCA分析結果

為研究皮層與皮下環路的因果效應，研究人員根據功能連接分析結果選定了感興趣的區域（ROIs），包括S1M1_R、SMA_L、THA_L、THA_R、Cere_R和Frontal_Mid_L，其中S1M1_R和SMA_L被整合為SM皮層（SM_cortex）。

通過GCA分析發現，與Finger組相比，BCI-SRF組的SM皮層與THA和Frontal之間的雙向因果效應顯著增加。同時，從 SM 皮層到 Cere，從 Cere 到 THA發現了明顯的單向增加因果效應。此外，從 Cere 到 SM 大腦皮層的因果效應顯著降低。這些結果表明，腦間的信息流主要沿SM皮層-小腦-丘腦皮層-皮下環路進行傳播。此外，額葉-頂葉環路的交互作用也顯著增強（圖5c）。

Fig5. a. BCI-SRF 組與 Finger 組在Pre和Post階段每對 FC的 比較。b. BrainNet Viewer 可視化有效連接性。c. 模型顯示了兩組別在額葉-頂葉（SM_皮層）環路和 SM皮層-小腦-丘腦皮層-皮層下環路存在不同的因果聯系。

此研究討論了BCI-SRF訓練對運動序列學習的影響，特別是它如何通過調節感知運動網絡的功能連接和局部環路來增強學習能力。研究表明，經過4周的訓練，BCI-SRF組運動序列學習能力顯著提高，BCI-SRF組的訓練顯著增強了大腦半球內和半球間的功能連接，且這些變化與行為學習能力的提升顯著相關。GCA分析顯示，SM皮層-小腦-丘腦皮層-皮層下與額葉-頂葉回路之間存在顯著的因果效應，這表明BCI-SRF組訓練改善了這些環路的互動和功能重組。

研究還指出，BCI-SRF系統可能對運動泛化和中風患者的康復存在潛在的益處。此研究的局限性包括樣本量較小，尚需進一步驗證序列難度、持續性及臨床應用效果。未來應探索強化訓練的最佳頻率和持續時間。總結來說，BCI-SRF訓練可能通過神經環路的功能重組顯著增強了運動序列學習能力，展示了其潛在的臨床康復應用前景。

Reference:

https://www.nature.com/articles/s41539-024-00294-y

翻譯整理：BrainGeek

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