清華新聞網(wǎng)11月1日電 腦的不對稱性或偏側(cè)化是神經(jīng)科學(xué)中長期關(guān)注的話題。腦的不對稱性被認(rèn)為有利于腦對不同任務(wù)的并行處理，是在進(jìn)化過程中隨著大腦體積的增大為避免半球之間過度的傳導(dǎo)延遲的自然選擇；而卒中等神經(jīng)或精神疾病引起的腦不對稱性的異常通常與功能損害相關(guān)。人體幾乎所有復(fù)雜的行為都涉及腦的不同區(qū)域動態(tài)協(xié)調(diào)和多層級的交互。然而，目前對于腦多層級交互不對稱性的研究缺乏系統(tǒng)性的分析方法。在臨床上，卒中等腦損傷患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和治療后，可能會誘發(fā)大腦的可塑性變化。腦損傷后異常的不對稱性模式隨著功能康復(fù)如何變化是臨床上關(guān)注的熱點。
近日，清華大學(xué)電子工程系多模態(tài)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究室竇維蓓教授和北京清華長庚醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科潘鈺教授團隊研究提出的多層級腦不對稱性綜合分析（CAMBA）框架（圖1），將三個層級的腦交互整合到統(tǒng)一的腦不對稱性分析管道，捕捉節(jié)點和半球水平的腦不對稱性動態(tài)。該框架被應(yīng)用于健康人，卒中患者基線，卒中患者下肢康復(fù)訓(xùn)練前后等三個靜息態(tài)EEG數(shù)據(jù)集。該框架在三個交互層級分別度量了動態(tài)節(jié)點功率，動態(tài)功能連接和以邊為中心的功能連接，并結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析，研究以下三個臨床上關(guān)心的問題：（1）卒中對各層級腦交互和各頻帶的腦不對稱性帶來了什么影響？（2）不同下肢康復(fù)策略引起的腦不對稱性的改變模式是什么樣的？是否與臨床行為評分相關(guān)？（3）基于基線時的臨床和腦不對稱性特征是否可以預(yù)測特定康復(fù)訓(xùn)練策略下的功能恢復(fù)？
圖1.多層級腦不對稱性分析框架
該團隊揭示了卒中引起腦不對稱性動態(tài)在各層級交互、各頻帶上的廣泛的顯著性改變（圖2）。卒中患者的平均腦不對稱性相對于健康人顯著增強，且左右腦卒中患者表現(xiàn)出大致相反的模式，特別是在高頻帶。單側(cè)卒中同時引起雙側(cè)半球的顯著變化，平均不對稱性的改變是雙側(cè)半球共同作用的結(jié)果。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)卒中引起的腦各層級交互、各頻帶上的不對稱性波動顯著增強，并且在左右側(cè)卒中人群中表現(xiàn)出相當(dāng)一致的模式（由相似的區(qū)域驅(qū)動）。研究結(jié)果充分表明卒中對腦的破壞不是局域性的，而是對多層級交互、多頻帶、半球內(nèi)和半球間連接上的廣泛損害，打破了腦半球間正常的分離、整合平衡和相對穩(wěn)定的不對稱性動態(tài)。
圖2.卒中引起的腦不對稱性改變
研究團隊對比了兩種康復(fù)策略（BCI主動康復(fù) vs.機器人被動康復(fù)）的效果。雖然兩種策略可以顯著提高患者的下肢功能，但BCI組的改善顯著優(yōu)于機器人組。重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)基于BCI的主動康復(fù)引起卒中患者異常的腦不對稱性向健康人的水平靠近，且BCI康復(fù)治療前后不對稱性指標(biāo)的變化與下肢功能評分的變化顯著相關(guān)。然而，機器人組沒有表現(xiàn)出類似模式。神經(jīng)可塑性被認(rèn)為是腦損傷后功能改善的基礎(chǔ)。該團隊的結(jié)果表明不同的康復(fù)策略或可誘導(dǎo)不同的神經(jīng)可塑性和功能重組模式。BCI康復(fù)訓(xùn)練時的主動神經(jīng)參與可能引起大腦神經(jīng)可塑性在個體中更加一致的變化，而在機器人組中則更加隨機和個體化。卒中后大腦異常不對稱模式的存在一定程度上反映了功能代償，BCI閉環(huán)神經(jīng)反饋促進(jìn)受影響半球更大的生理募集，進(jìn)而引起運動功能的改善，功能代償隨之減弱。
圖3.基于BCI和足踝機器人的康復(fù)訓(xùn)練對腦不對稱性的影響
研究團隊進(jìn)一步探索了基線臨床和腦不對稱性特征是否可以有效預(yù)測BCI康復(fù)訓(xùn)練組下肢運動功能的改善。研究人員通過三種機器學(xué)習(xí)模型的結(jié)果表明利用基線特征可以實現(xiàn)對患者預(yù)后較好性能的預(yù)測（MAE約為2），并且表現(xiàn)出良好的泛化能力（圖4）。
圖4.利用基線臨床和腦不對稱性特構(gòu)建BCI康復(fù)訓(xùn)練預(yù)后預(yù)測模型
總之，該研究團隊提出的大腦不對稱性分框架，整合了多層級腦交互，拓展了對腦不對稱性多個層面的理解。該框架可容易的擴展到其他功能模態(tài)、信號空間和臨床問題。對卒中領(lǐng)域的影響可概括為以下三個方面：（1）可用于檢測大腦不對稱性的變化，識別生物標(biāo)志物以跟蹤恢復(fù)過程，并提供特定康復(fù)策略的預(yù)后預(yù)測；（2）可用于指導(dǎo)個體化康復(fù)方案的選擇。構(gòu)建不同干預(yù)措施的預(yù)測模型，預(yù)測使用不同康復(fù)策略下的預(yù)后結(jié)果，為個體化康復(fù)策略的選擇提供證據(jù)支持；（3）有助于新康復(fù)策略或療法的開發(fā)。已有研究表明通過特定的BCI系統(tǒng)，受試者可以通過調(diào)節(jié)一側(cè)的興奮性并維持恒定的對側(cè)興奮性來調(diào)節(jié)半球間抑制。這或許為開發(fā)新療法來調(diào)節(jié)特定大腦不對稱指標(biāo)提供支持。
相關(guān)研究成果以“CAMBA 框架：利用靜息態(tài)腦電圖揭示卒中后大腦不對稱性改變和縱向變化”（CAMBA framework: Unveiling the brain asymmetry alterations and longitudinal changes after stroke using resting-state EEG）為題，在《神經(jīng)成像》（NeuroImage）期刊上發(fā)表。
清華大學(xué)電子系2018級博士生郝澤軒為論文第一作者，潘鈺教授和竇維蓓教授為論文共同通訊作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811923005566?dgcid=rss_sd_all
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：郭玲
