Nature子刊 | 基于p300的脑机接口在遗传性肌肉萎缩病患者中的应用

脑-机接口（BCI）技术是一种通过捕获大脑电信号实现的技术，使人们可以在不需要肌肉运动的情况下控制计算机和其他设备。BCI可以通过侵入性或非侵入性方式获取大脑电信号，其中侵入性BCI直接从神经元中获取电信号，而非侵入性BCI则通过外部头皮电极获取脑电图（EEG）。

P300是一种与注意力相关的事件电位，在BCI中被广泛应用。它可以通过呈现不同类型的刺激来触发，当受试者关注特定刺激并作出反应时，P300会在刺激后发生，产生高级认知反应。这一特性被用于开发BCI拼写器，用户通过关注特定图标来输入文字。BCI拼写器已成功应用于运动功能障碍患者，如脊髓损伤和ALS。

最近的研究显示，基于P300的BCI对杜氏肌肉营养不良症(遗传性肌肉萎缩病) (Duchenne Muscular Dystrophy，DMD)患者也具有潜在疗效。DMD是一种神经肌肉疾病，患者表现出肌肉无力和疲劳，使得口头交流变得困难。研究展示了基于P300的BCI在DMD患者中的有效操作，为这些患者提供了一种不依赖肌肉活动的沟通途径。

研究人员使用了基于区域的两步P300-BCI拼写器（图1），比较了DMD患者组和年龄、性别匹配的健康参与者组在输入平假名字符方面的准确性。招募了8名DMD患者（年龄：23-38岁，平均：30.3），通过基因测试和dystrophin缺陷的证明确诊（表1）。这些患者在5岁之前就经历了行走障碍，目前的日常生活活动水平是完全协助。

图1. 展示了基于区域的两步P300平假名拼写器。受试者需要数绿/蓝色圆圈中包含的目标字符的强化次数。每个圆圈闪烁八次，两次闪烁之间的间隔为175ms，其中包括100ms的强化（绿色）和75ms的休息（蓝色）。研究人员将6×9的矩阵分成包含每个九个字符的六个圆形区域。首先，每个区域都被单独强化。当选择包含目标字符的区域时，拼写器矩阵移动到第二步。第二步使用3×3的区域，每个区域包含一个字符，并且再次进行强化。

表1. DMD患者的人口统计学和临床特征

BCI操作性能

在基于区域的两步P300-BCI操作中，即总体上两个步骤的准确性，DMD患者的平均在线准确性为79.8%，对照组为83.4%。

图 2. BCI 操作中的在线和离线准确性。(a) 在基于区域的两步 P300-BCI 操作中的在线准确性，表示两个步骤的总体准确性，对于患有DMD的患者为79.8%，对于对照组为83.4%；它们之间没有显著差异（t检验，p=0.69）。每个三角形（DMD）和圆圈（对照组）表示每个数据点。(b) 每个闪烁序列中两组的离线准确性被绘制出来（三角形：DMD，圆圈：对照组）。

字符输入性能

DMD患者在两步程序中输入字符的平均在线准确性为71.6%(9.34bit/min)，对照组为80.6%(11.24bit/min)（图3(a)）。值得注意的是，只有在第一步和第二步的反应都正确时才完成了两步程序。第一步的准确性为DMD患者为85.1%，对照组为83.9%，第二步为DMD患者为74.6%，对照组为82.8%。

图 3. 字符输入性能。(a) 在DMD患者中，字符输入的在线准确性（两步骤过程的准确性）为71.6%，而对照组为80.6%，它们之间没有显著差异（t检验，p=0.32）。每个三角形（DMD）和圆圈（对照组）表示一个数据点。(b) 每个闪烁序列中两组的离线准确性被绘制出来（三角形：DMD，圆圈：对照组）。

EEG 波形

从P4电极获取的脑电波形被平均为DMD患者和对照组，如图4所示，其中虚线表示非目标ERP，实线表示目标ERP。选择P4电极是因为在先前的研究中，研究人员显示了在使用绿/蓝色闪烁刺激的视觉P300 BCI操作中电极位置的重要性25,26。目标ERP的平均波形在两组之间有差异。在对照组中，在刺激开始后约243ms和535ms处看到两个正峰，分别对应P300的早期和晚期成分，而在DMD组中，看不到与早期成分相对应的清晰峰，但在450-550ms处看到可能对应于晚期成分的模糊峰。

图 4. DMD患者和对照组的EEG波形。从P4电极获取的EEG波形，对患有DMD的患者和对照组进行了平均显示。从强化开始的700毫秒波形被提取并平均。实线表示目标ERP，虚线表示非目标ERP。在对照组中，刺激开始后约243毫秒和535毫秒处显示两个正峰，而在DMD组中，没有清晰的与早期成分相对应的峰值，但在大约450-550毫秒处可见模糊的峰值。

结论

这项研究涉及8名肌肉萎缩症（DMD）患者和8名身体健康的对照参与者。患者年龄为23-38岁，都经过基因测试确诊为DMD。患者在5岁前已经出现行走障碍，目前在日常生活活动方面需要全面援助。其中5名患者接受了气管切开手术，通过气管切开正压通气（TPPV）进行呼吸支持。沟通方式包括唇读、面部表情和视觉扫描板。实验还包括8名年龄和性别匹配的健康对照组。

总的来说，研究结果表明，基于区域的两步P300拼写器对于卧床的DMD患者具有潜在的成功应用，为改善这些患者的交流能力提供了有益的信息。

参考内容

Operation of a P300-based braincomputer interface in patients with Duchenne muscular dystrophy

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