腦的不對(duì)稱性或偏側(cè)化是神經(jīng)科學(xué)中長(zhǎng)期關(guān)注的話題。腦的不對(duì)稱性被認(rèn)為有利于腦對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)和多層級(jí)的交互。然而，目前對(duì)于腦多層級(jí)交互不對(duì)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(huì)誘發(fā)大腦的可塑性變化。腦損傷后異常的不對(duì)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(diǎn)。

日前，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(zhǎng)庚醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科潘鈺教授團(tuán)隊(duì)研究提出的多層級(jí)腦不對(duì)稱性綜合分析(CAMBA)框架(圖1)，將三個(gè)層級(jí)的腦交互整合到統(tǒng)一的腦不對(duì)稱性分析管道，捕捉節(jié)點(diǎn)和半球水平的腦不對(duì)稱性動(dòng)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(gè)靜息態(tài)EEG數(shù)據(jù)集。該框架在三個(gè)交互層級(jí)分別度量了動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)功率，動(dòng)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(gè)臨床上關(guān)心的問題：(1)卒中對(duì)各層級(jí)腦交互和各頻帶的腦不對(duì)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(duì)稱性的改變模式是什么樣的?是否與臨床行為評(píng)分相關(guān)?(3)基于基線時(shí)的臨床和腦不對(duì)稱性特征是否可以預(yù)測(cè)特定康復(fù)訓(xùn)練策略下的功能恢復(fù)?

該研究團(tuán)隊(duì)揭示了卒中引起腦不對(duì)稱性動(dòng)態(tài)在各層級(jí)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(duì)稱性相對(duì)于健康人顯著增強(qiáng)，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(shí)引起雙側(cè)半球的顯著變化，平均不對(duì)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(jí)交互、各頻帶上的不對(duì)稱性波動(dòng)顯著增強(qiáng)，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(dòng))。研究結(jié)果充分表明卒中對(duì)腦的破壞不是局域性的，而是對(duì)多層級(jí)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(duì)穩(wěn)定的不對(duì)稱性動(dòng)態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比了兩種康復(fù)策略(BCI主動(dòng)康復(fù) vs.機(jī)器人被動(dòng)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(jī)器人組。重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)基于BCI的主動(dòng)康復(fù)引起卒中患者異常的腦不對(duì)稱性向健康人的水平靠近，且BCI康復(fù)治療前后不對(duì)稱性指標(biāo)的變化與下肢功能評(píng)分的變化顯著相關(guān)。然而，機(jī)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(tuán)隊(duì)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(shí)的主動(dòng)神經(jīng)參與可能引起大腦神經(jīng)可塑性在個(gè)體中更加一致的變化，而在機(jī)器人組中則更加隨機(jī)和個(gè)體化。卒中后大腦異常不對(duì)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(yùn)動(dòng)功能的改善，功能代償隨之減弱。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了基線臨床和腦不對(duì)稱性特征是否可以有效預(yù)測(cè)BCI康復(fù)訓(xùn)練組下肢運(yùn)動(dòng)功能的改善。研究人員通過三種機(jī)器學(xué)習(xí)模型的結(jié)果表明利用基線特征可以實(shí)現(xiàn)對(duì)患者預(yù)后較好性能的預(yù)測(cè)(MAE約為2)，且表現(xiàn)出良好的泛化能力。

該研究團(tuán)隊(duì)提出的大腦不對(duì)稱性分框架，整合了多層級(jí)腦交互，拓展了對(duì)腦不對(duì)稱性多個(gè)層面的理解。該框架可容易的擴(kuò)展到其他功能模態(tài)、信號(hào)空間和臨床問題。對(duì)卒中領(lǐng)域的影響可概括為以下三個(gè)方面：(1)可用于檢測(cè)大腦不對(duì)稱性的變化，識(shí)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(cè);(2)可用于指導(dǎo)個(gè)體化康復(fù)方案的選擇。構(gòu)建不同干預(yù)措施的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)使用不同康復(fù)策略下的預(yù)后結(jié)果，為個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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》(Neuro Image)期刊上發(fā)表。

清華大學(xué)電子系2018級(jí)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。