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为解决脊髓损伤(SCI)患者运动与感觉功能丧失、现有脑机接口(BCI)系统单向且缺乏感觉反馈的问题，研究人员开展了一项关于双向脑机接口(BDBCI)控制机器人步态外骨骼(RGE)的研究。该研究利用半球间皮层脑电图(ECoG)解码行走意图，并通过初级躯体感觉皮层(S1)的直接皮层电刺激(DCES)提供人工腿部感觉反馈。结果表明，受试者实现了高解码性能(ρ = 0.92 ± 0.04)，并在盲法步数计数任务中达到92.8%的准确率。这证明了嵌入式BDBCI系统可同时恢复脑控行走和人工感觉的可行性，为开发完全可植入的神经假体用于治疗严重截瘫奠定了基础。
想象一下，因为一场意外导致脊髓受损，从此双腿失去了知觉和运动能力，生活被禁锢在轮椅之上。这不仅是数千万脊髓损伤(Spinal Cord Injury, SCI)患者面临的残酷现实，也催生了一个迫切的医疗需求：如何恢复行走能力？传统的物理疗法效果有限，而近年来出现的机器人步态外骨骼(Robotic Gait Exoskeleton, RGE)虽然能辅助站立和移动，但通常需要手动控制，且最关键的是——它无法提供任何腿部感觉。失去感觉的行走是不完整且危险的，它会降低步速，显著增加跌倒风险。与此同时，脑机接口(Brain-Computer Interface, BCI)技术为绕过损伤的脊髓、直接用“意念”控制外部设备带来了希望。然而，现有的用于行走的BCI大多是“单向”的，只能输出运动指令，却无法将腿部的感觉信息“输入”回大脑，形成了一个开放的控制环路，这与我们健全人体内实时、同步的感觉运动整合过程相去甚远。那么，能否打造一个既能解读行走意图、又能模拟腿部感觉的“双向”脑机接口(Bidirectional BCI, BDBCI)，真正重塑行走的完整体验呢？这正是发表在《Brain Stimulation》上的这项研究所要攻克的核心难题。
为了验证这一构想，研究团队开展了一项概念验证研究。他们招募了一名因癫痫评估而接受了双侧半球间硬膜下皮层脑电图(Electrocorticography, ECoG) 植入的患者。研究人员首先进行运动映射，在腿部初级运动皮层(Primary Motor Cortex, M1)区域识别用于解码踏步意图的电极；接着进行感觉映射，通过刺激初级躯体感觉皮层(Primary Somatosensory Cortex, S1)来确定能诱发人工腿部知觉的位点。随后，他们利用一个定制的嵌入式BDBCI系统，实时解码ECoG信号以控制一台商用的机器人步态外骨骼(Ekso GT)运动，并利用直接皮层电刺激(Direct Cortical Electro-Stimulation, DCES) 在腿部摆动时向对侧S1提供感觉反馈。研究通过指令状态与解码状态的相关性、盲法感觉可靠性任务以及对照实验来评估系统性能。
研究结果
1. 受试者与植入
一名50岁女性受试者被招募，其左右半球间裂隙的腿部M1/S1区域植入了两个高密度ECoG网格。研究程序在植入后第11至19天进行。
2. 运动解码模型特征
运动映射识别出与腿部周期性运动相关的局部ECoG高频β(30–50 Hz)和γ(80–160 Hz)频带活动，包括明显的高频β去同步化和γ同步化。最终，研究人员选择了15个在相关频带表现出显著调制信号的电极用于BDBCI-RGE任务。
3. 感觉映射与验证
通过感觉映射，最终为右腿知觉选择了电极对L29–30（参数：8.22 mA, 100 Hz，产生小腿后部至足跟的刺痛感），为左腿知觉选择了R13–14（参数：3.80 mA, 300 Hz，产生小腿后部刺痛感）。在盲法步数计数任务中，受试者对右/左腿试验的计数准确率分别达到100%和86%。在盲法感觉辨别任务中，对右腿、左腿和无刺激事件的识别准确率分别为96%、84%和100%。
4. 在线熟悉性能
在不控制RGE且无刺激的情况下，受试者仅跟随行走/空闲指令进行5次在线运行时，平均解码性能ρ达到0.89 ± 0.06，延迟为2.2 ± 0.4秒。
5. 具备感觉反馈的BDBCI–RGE在线控制
在运动解码和人工感觉反馈均建立后，受试者进行了为期2天、每天5次的BDBCI-RGE在线控制运行。平均解码性能为ρ = 0.92 ± 0.04，延迟为3.5 ± 0.5秒。在全部10次运行中，受试者均确认RGE踏步触发了一致的对侧腿部知觉，并报告感觉反馈有助于任务表现。
6. 对照实验
进行了两项对照实验：“BCI-RGE”（开启RGE控制，关闭DCES）和“BCI-Stimulation”（关闭RGE控制，在MOVE状态自动交替刺激左右腿知觉）。两者的解码性能（ρ分别为0.93±0.01和0.94±0.02）与完整的BDBCI-RGE任务无显著差异，表明解码是由M1的预期活动驱动，而非由刺激伪影、诱发活动或观察RGE产生的镜像神经元活动所驱动。
7. 安全性
整个研究过程中未发生不良事件，特别是在皮层映射、感觉任务或BDBCI操作期间均未诱发癫痫发作。
研究结论与讨论
本研究成功演示了一个BDBCI-RGE系统，它能够同时实现实时脑控行走和提供双侧人工腿部感觉反馈。这是首次在双侧半球间腿部感觉运动皮层植入ECoG的受试者中安全实现的高性能BDBCI步行应用。与之前使用大脑外侧凸面M1的研究相比，利用半球间腿部M1区域获得了更优的解码性能（ρ高达0.97），这可能得益于该区域对腿部运动更直接、更强大的神经表征。通过直接皮层电刺激(DCES) 诱发人工感觉是目前最安全、最优化的方法，且本研究首次在单个BDBCI-RGE系统中实现了双侧下肢人工感觉与运动解码的整合。
研究采用交替采集与刺激的策略避免了刺激伪影对解码的干扰，对照实验也证实了系统的稳健性。尽管在本研究中，增加感觉反馈并未显著改变解码性能指标，但理论上，为未来失去感觉的截瘫患者提供这种反馈，有望通过恢复感觉运动环路来改善步态功能性和安全性（如提高步速、降低跌倒风险）。
该系统的另一个重要优势是其嵌入式设计。所有关键功能（神经信号采集、实时解码、刺激、无线通信）均由BDBCI设备上的微控制器执行，使其在配置后能独立于大型外部计算机运行。这种便携性和低功耗特性，为未来转化为完全可植入的、独立的神经假体系统奠定了坚实的基础，有望最终帮助严重脊髓损伤患者恢复自主、具备感知的行走能力。
当然，本研究也存在局限性，例如仅在一名非截瘫的癫痫受试者中完成，且运动任务是坐姿下的模拟踏步而非实际行走。未来的工作需要直接在目标脊髓损伤人群中进行植入验证，并进一步降低系统延迟、提升感觉反馈的丰富性和实时性（解决“全双工”挑战），以及推动设备进一步微型化以实现完全可植入。本研究为治疗感觉运动缺损的创新神经技术发展提供了重要的概念验证和方向指引。
