脊髓损伤（SCI）后截瘫患者的移动常通过轮椅实现。但过度依赖轮椅的坐位生活方式可出现一系列并发症，如骨质疏松、心脏和呼吸系统疾病、压疮等，增加医疗费用。因此 SCI 后重新恢复步行能力仍是首要的临床需求。
目前 SCI 获得步行能力的方法包括使用机器人外骨骼和功能电刺激。但这些设备依赖徒手控制的开关，缺乏高于脊髓的人体直觉的控制，也无法开发脑和脊髓之间残留或后备的神经重塑的通路。因此，需要新方法实现 SCI 后大脑控制的步行。
侵入性的脑-机接口（BCIs）通过直接将大脑和下肢假体相连接，从而提供永久解决该问题的方案。为证实这种侵入性系统的作用，首先需证实非侵入性方式的可行性。
为实现这一目的，来自美国加利福尼亚大学的 Christine E. King 等设计了一种以脑电图为基础的 BCI 用于控制功能电刺激（FES）系统以实现平地步行，并评估其在 SCI 截瘫患者中的应用。该研究发表在 Journal of neuroengineering and rehabilitation 2015 年 12 月的期刊上。
一例 T6，B 级的 26 岁男性 SCI 患者接受了试验。患者接受 BCI 培训学习如何在虚拟现实环境（VRE）下通过控制策略尝试步行和休息（图 1）。在每个指定停留点停留 2 秒以上可获得满分 10 分。停留 0.5 至 2 秒给予相应分数，短于 0.5 秒不得分。超过 2 秒没有额外奖励，但会增加整个过程的完成时间。
作为基准，使用手控操作杆完成整个过程必须在 205 秒以内。该过程同时产生 EEG 解码模型，随后用于 BCI-FES 试验。
图 1 虚拟现实环境的屏幕截图，交通椎代表指定的停留点
FES 训练过程通过 Parastep 系统实现，即通过刺激股四头肌和胫前肌实现步行。顺序如下：（1）做前方至侧方的体重转移动作（2）当目标股四头肌不收缩时，发出电刺激至单侧腓深神经，引出腿部三重屈曲反射（即足背屈、屈膝及屈髋）（3）下肢由于重心改变向前摆动（4）股四头肌再次激活以维持站立姿势。
FES 训练持续至在没有治疗师帮助下患者可平地步行 3.66 米。为预防摔倒及减重，试验过程中采用减重装置。
患者完成 FES 训练后即开始 BCI-FES 步行试验。通过专用微控制器将 BCI 及 FES 两个系统整合。首先进行悬吊步行测试以明确患者能否熟练操控 BCI-FES 系统。
患者在电脑屏幕前 1m 处用减重装置悬吊，双脚离地约 5 cm（图 2）。随后根据 30s 交替的「休息」和「步行」指令，控制 BCI-FES 系统的站立及步行功能，共持续 180s。试验过程进行录像以评估 BCI 状况和运动数据。
悬吊步行测试：根据电脑屏幕上显示的「休息」或「步行」指令，患者休息或尝试步行，相应的脑电图通过蓝牙传送至电脑，数据处理后将「休息」或「步行」的命令传送至位于背带上的微控制器。微控制器驱动大腿及腓深神经的功能电刺激以完成站立或步行（原地）。
平地步行测试：患者根据口头指令完成 BCI-FES 介导的步行及站立。沿直线步行时在相隔 1.83m 的三个圆锥旁停留。基本组成设备包括：BCI-FES 系统，运动感受系统（2 个回旋器及 1 个激光距离测量仪），ZeroG 减重系统。
图 2 试验方案，左侧为悬吊步行测试，右侧为平地步行测试
平地步行测试时，患者完成长约 3.66m 的直道步行，直道上放置三个圆锥，每个相隔 1.83m。试验人员口头指令患者步行至每个圆锥并停留 10-20s。随后尝试使用 BCI-FES 系统步行至下一个圆锥。在每个锥旁停留的时间随机化以避免受试者提前预知。平地步行测试中仍然使用减重装置减重及预防摔倒。
根据录像、BCI 状态及回旋器数据评估步行表现。上述数据通过计算设定标准及 BCI-FES 引导的反应之间的相关性及信息传输速度（ITR）进行定量。
19 周内患者共完成了 30 次 BCI-FES 控制的平地步行测试。结果显示，通过口头指令可实现熟练操作 BCI-FES 系统。通过比较设定标准及 BCI 解码发现，ITR 大于 3bit/s，相关度大于 0.9。研究过程中未发现不良反应。
该项概念验证的研究第一次证实了 SCI 后重新获得由大脑控制的平地步行是可行的。需行进一步研究以将其推广至其他 SCI 截瘫患者。如果非侵入系统能在大样本试验中得到证实，可以考虑进行侵入性 BCI 以永久解决步行问题。此外，现有系统的简化版可开发用于不完全性 SCI 患者的非侵入性神经康复治疗。
