朱 悅，李春光，郭 浩，祝宇飛，孫立寧

蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000

1 引言

在過(guò)去的幾十年中，腦-計(jì)算機(jī)接口（Brain Computer Interface，BCI）技術(shù)在速度和準(zhǔn)確性方面得到了極大的提高，其控制范式已經(jīng)多樣化了[1]。這些年相關(guān)出版物的不斷增加[2-4]，也預(yù)示著這種技術(shù)的研究在不斷深入。以前，病人可以通過(guò)BCI技術(shù)每分鐘輸入0.5個(gè)字符，現(xiàn)在已經(jīng)能達(dá)到每分鐘7.5個(gè)[5]，而且交互方式也變成了直接看著文字輸入面板。

即使現(xiàn)在的BCI技術(shù)已經(jīng)有了很大的突破，依然還有一些很關(guān)鍵的問(wèn)題亟待解決，如BCI系統(tǒng)性能的不穩(wěn)定性，即在不同被試或者同一被試的不同時(shí)間段，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)性能不穩(wěn)定[6]；甚至有報(bào)道稱從一些被試的MI信號(hào)中無(wú)法提取出有用的分類特征[7]。由于特定人群的無(wú)效化和系統(tǒng)的可靠性弱，使BCI還無(wú)法成為人機(jī)交互的組成部分。不過(guò)，作為這種技術(shù)的副產(chǎn)物——運(yùn)動(dòng)想象（Motor Imagery，MI）[8]卻是在各個(gè)領(lǐng)域都有了很好的應(yīng)用。MI 是多模態(tài)結(jié)構(gòu)，理想情況下應(yīng)該與不同想象模式相結(jié)合，包括第一人稱和第三人稱[9]以及動(dòng)覺(jué)想象[10]。第一人稱，這里定義為：以自己為目標(biāo)的想象，即想象的運(yùn)動(dòng)是自身肢體或者某一部分的運(yùn)動(dòng)。這種方法的想象多應(yīng)用于仿生假肢或者大腦康復(fù)領(lǐng)域[11-16]。第三人稱，這里定義為：以自己為觀察者，想象其他與自身無(wú)關(guān)的個(gè)體的運(yùn)動(dòng)。這種方法更多地應(yīng)用于娛樂(lè)家居設(shè)備的控制[17]或者工廠生產(chǎn)。動(dòng)覺(jué)想象則是想象對(duì)于平衡和力量的把握。目前大部分的研究還是針對(duì)第一人稱的想象和動(dòng)覺(jué)想象，而針對(duì)第三人稱的想象則相對(duì)較少。

2 MI機(jī)理分析

2.1 運(yùn)動(dòng)模擬

在了解運(yùn)動(dòng)想象的應(yīng)用之前，首先需要明白什么是運(yùn)動(dòng)想象。想象經(jīng)常被概念化為“頭腦中的圖像”。然而，與普通圖像不同的是，運(yùn)動(dòng)想象涉及到另一個(gè)至關(guān)重要的因素，即個(gè)體的自愿控制，而不僅僅是關(guān)注的對(duì)象。想象動(dòng)作的種類既包括對(duì)想象對(duì)象的自愿操作，即第一人稱，也包括對(duì)現(xiàn)實(shí)對(duì)象的想象操作，即第三人稱。

在各種MI 解釋理論中，與運(yùn)動(dòng)想象相關(guān)性最強(qiáng)的就是運(yùn)動(dòng)模擬理論（Motor Simulation Theory，MST）[18]?！澳M”一詞是用來(lái)指預(yù)期的聯(lián)想機(jī)制，而不是內(nèi)部的模型或表征形式。當(dāng)一個(gè)動(dòng)作被模擬時(shí)，它會(huì)像在實(shí)際動(dòng)作中一樣激活相同的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)，然后激活有助于感官模擬的聯(lián)想機(jī)制[19]。預(yù)期聯(lián)想機(jī)制是模擬過(guò)程的關(guān)鍵，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備階段所產(chǎn)生的預(yù)期感覺(jué)，會(huì)與提示下一步行動(dòng)的行動(dòng)模擬相關(guān)聯(lián)[20]。在此基礎(chǔ)上，預(yù)期和關(guān)聯(lián)過(guò)程才能確保連續(xù)模擬運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。盡管基礎(chǔ)[21]和關(guān)聯(lián)[19-20]模擬理論尚未直接與MI過(guò)程相關(guān)，但每種理論都可以廣泛地解釋MI 的經(jīng)歷。具體來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)和關(guān)聯(lián)模擬理論主張：運(yùn)動(dòng)模擬可以在沒(méi)有外部輸入的情況下進(jìn)行，依賴于以多模態(tài)表示形式（基礎(chǔ)理論）或強(qiáng)化的關(guān)聯(lián)（關(guān)聯(lián)模擬）所存儲(chǔ)的先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)事件的再現(xiàn)。

現(xiàn)在，從模擬的意義轉(zhuǎn)移到解釋MI。以前的MI研究者側(cè)重于從“心理實(shí)踐”的行為強(qiáng)化現(xiàn)象來(lái)解釋MI[8，22]。他們假設(shè)MI會(huì)導(dǎo)致參與動(dòng)作執(zhí)行的關(guān)鍵肌肉產(chǎn)生微弱的神經(jīng)支配，從而提高肌肉的力量、速度或控制力[23]，或者通過(guò)運(yùn)動(dòng)元素編碼和綁定的認(rèn)知組織來(lái)加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)表征[24]。相反，現(xiàn)代對(duì)MI工作原理的解釋更加類似于“機(jī)械化”，主要集中在運(yùn)動(dòng)控制理論中的“正向建?！崩碚摳拍钌蟍25-26]。關(guān)于后者，已經(jīng)存在證據(jù)表明在離線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)認(rèn)知狀態(tài)（例如MI）期間，身體是潛意識(shí)的，從而給出了具體的模擬[27-28]。然而，雖然MI有時(shí)被稱為具體的精神狀態(tài)[29]，但是對(duì)于具體是什么有更正式的說(shuō)法[26]。通常，仿真理論認(rèn)為，當(dāng)人們把身體與世界的互動(dòng)以及這種互動(dòng)如何塑造心靈放在他們的核心時(shí)，認(rèn)知并不完全依賴于內(nèi)部表征（或者在極端的情況下，考慮它們是否存在）[30]。因此，這些理論聲稱認(rèn)知、知識(shí)、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)和信息是緊密相連的[31]。但是，MST 將MI 概念化為對(duì)同一執(zhí)行動(dòng)作的隱蔽或表征階段的模擬，在這方面，它似乎與人的具體認(rèn)知不相容。

根據(jù)MST[18]，首先，行動(dòng)計(jì)劃和MI有一個(gè)共同的心理表征。換言之，MI 是基于實(shí)際運(yùn)動(dòng)行為的心理動(dòng)作表示。其次，MST提出運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的一部分，包括其他心理活動(dòng)，如想象動(dòng)作、觀察學(xué)習(xí)和試圖理解他人的行為。再次，Jeannerod 認(rèn)為[32]，行動(dòng)包括一個(gè)隱蔽的階段，在這個(gè)隱蔽的階段，人們是在心理上進(jìn)行即將做的動(dòng)作的準(zhǔn)備或模擬。這個(gè)隱蔽的階段包括“對(duì)未來(lái)的一種表示，包括行動(dòng)的目標(biāo)、達(dá)到它的手段以及它對(duì)有機(jī)體和外部世界的影響，這樣每一個(gè)被執(zhí)行的行為都意味著有一個(gè)隱蔽階段的存在。因此，隱蔽和公開的階段是一個(gè)連續(xù)體”。最后，結(jié)合這些命題，Jeannerod[32]假設(shè)MI 在受試者的腦中，應(yīng)該包括類似于在實(shí)際行動(dòng)中操作的神經(jīng)機(jī)制——所謂的“功能對(duì)等”假設(shè)。根據(jù)這一假設(shè)，想象和執(zhí)行行為在某種程度上共享某些心理表征和潛在機(jī)制[33]。例如，公開的行為和想象的行為都有一種行動(dòng)意圖的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。在公開行動(dòng)的情況下，這種意圖被轉(zhuǎn)化為實(shí)際的身體運(yùn)動(dòng)，而在想象行動(dòng)的情況下，它被抑制了[34]。然而，這種共享的運(yùn)動(dòng)表象促進(jìn)了實(shí)際動(dòng)作和想象動(dòng)作之間某種形式的功能對(duì)等。因此，Hetu等人[35]發(fā)現(xiàn)MI的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括幾個(gè)已知的控制實(shí)際運(yùn)動(dòng)執(zhí)行的皮層區(qū)域，如運(yùn)動(dòng)前皮層、頂葉皮層和額葉頂葉區(qū)域。

2.2 腦功能網(wǎng)絡(luò)

除了MST 以外，腦功能網(wǎng)絡(luò)也從一些方面說(shuō)明了對(duì)MI的影響，分別是腦連接性和相似性。

2.2.1 腦連接性

眾所周知，神經(jīng)元不會(huì)單獨(dú)起作用，分布在大腦皮層的眾多神經(jīng)元會(huì)在處理信息時(shí)聯(lián)合起來(lái)。因此，從生理學(xué)上講，腦連接性是一個(gè)集合內(nèi)眾多神經(jīng)元通過(guò)參與同步活動(dòng)進(jìn)行的交流。大腦連接性分析的最終目的是找到這種連接，無(wú)論是直接的還是間接的，以及它們的強(qiáng)度[36]。腦連接性分析可分為神經(jīng)解剖（結(jié)構(gòu)）、功能和有效連接，其中功能和有效連接可用于BCI。

在EEG 中，基于MI 的BCI 的弱點(diǎn)和局限性的最有可能和不可避免的原因之一是使用來(lái)自單個(gè)信道的時(shí)間、頻譜和空間EEG 特征來(lái)區(qū)分不同的MI 模式，所以它們不能提供足夠的信息。因此，更好地理解腦神經(jīng)動(dòng)態(tài)模式行為對(duì)于為BCI 提供更多有用的信息特征是必不可少的[37]。大腦執(zhí)行即便是簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)或認(rèn)知任務(wù)都需要多個(gè)相互連接的皮層區(qū)域的參與，并通過(guò)突觸交換信息[38]。因此，對(duì)大腦連接性的認(rèn)識(shí)已經(jīng)成為現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)重要方面，特別是對(duì)于理解大腦如何實(shí)現(xiàn)其基本功能以及不同區(qū)域的作用。于是，人們期望不同的認(rèn)知任務(wù)，如不同肢體的MI，與不同腦區(qū)之間的連接模式有關(guān)。因此，一個(gè)很有前途的解決這些局限性的方法是考慮腦電信號(hào)的通道間或源之間的關(guān)系，測(cè)量MI運(yùn)動(dòng)中空間分布區(qū)域的連接性[37]。也正是因?yàn)槟X區(qū)之間的連接性，許多研究者傾向于表明，在認(rèn)知任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中，大腦的許多不同部分被激活并相互交流，因此很難分離出一個(gè)或兩個(gè)活動(dòng)具體發(fā)生的區(qū)域[39]。例如，已經(jīng)證明輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)域，前額葉區(qū)、運(yùn)動(dòng)前皮層、小腦和基底神經(jīng)節(jié)在動(dòng)作執(zhí)行和想象過(guò)程中都被激活[40]。此外，初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層在腦電[41]、核磁共振[42]、正電子發(fā)射斷層掃描[43]和近紅外光譜[44]等腦成像研究中的作用也被廣泛報(bào)道。

2.2.2 相似性

正如前面所講的那樣，大量實(shí)驗(yàn)表明運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象的腦區(qū)存在大量重疊[35，45-46]，雖然是不完整的，但是一定程度上可以強(qiáng)調(diào)兩者的功能對(duì)等。功能對(duì)等原則認(rèn)為在被試的運(yùn)動(dòng)大腦中，“運(yùn)動(dòng)想象”應(yīng)該包括類似于那些在實(shí)際行動(dòng)中運(yùn)作的神經(jīng)機(jī)制[32]。相應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行和模擬（即MI）在皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)域之間具有相似的連接模式[47]。因此，MI 是一種有效的刺激大腦運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的方法，它能促進(jìn)技能的獲得和鞏固[8]。相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的想象和執(zhí)行也有其他相似之處。首先，心理模擬動(dòng)作的時(shí)間歷程與被執(zhí)行動(dòng)作的時(shí)間歷程高度相關(guān)[48]。受多種外部因素的影響，如動(dòng)作復(fù)雜性和持續(xù)時(shí)間，這在時(shí)間關(guān)系中發(fā)生了某些系統(tǒng)性失真[49]。其次，自主神經(jīng)系統(tǒng)的外周活動(dòng)在MI和實(shí)際操作之前和期間表現(xiàn)出相似的反應(yīng)[50]。最后，MI也被證明受到生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)限制的影響[51]。綜上所述，實(shí)際動(dòng)作和想象動(dòng)作之間的這些相似性促進(jìn)了MI作為物理實(shí)踐的相關(guān)替代和/或補(bǔ)充方法。

3 MI應(yīng)用

在理解MI理論研究以后，基于這些理論研究，也出現(xiàn)了許多與MI相關(guān)的應(yīng)用。

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)

體育心理學(xué)的文獻(xiàn)提供了多年前關(guān)于MI實(shí)踐對(duì)運(yùn)動(dòng)性能的積極影響的相關(guān)信息[52]。運(yùn)動(dòng)員和音樂(lè)家除了身體練習(xí)外，還廣泛地運(yùn)用心理實(shí)踐來(lái)提高他們的靈活性[53]。MI 的心理訓(xùn)練能提高運(yùn)動(dòng)能力的幾個(gè)方面，如肌肉力量[54]、運(yùn)動(dòng)速度、準(zhǔn)確性和變異性[55]。最近，133項(xiàng)研究報(bào)告了5個(gè)學(xué)科（運(yùn)動(dòng)、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、教育和音樂(lè)）成功利用MI進(jìn)行干預(yù)[56]。

一些作者還關(guān)注MI 與不同干預(yù)措施的組合，以進(jìn)一步理解這些技術(shù)對(duì)皮層重組和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的貢獻(xiàn)。在MI 結(jié)合身體訓(xùn)練方面，現(xiàn)在越來(lái)越多的證據(jù)表明，MI和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行的結(jié)合會(huì)導(dǎo)致比單獨(dú)的心理或體育鍛煉更大的變化[57-58]。在MI 結(jié)合運(yùn)動(dòng)觀察方面，第一，同時(shí)采取MI和動(dòng)作觀察，觀察者想象該動(dòng)作，同時(shí)觀察執(zhí)行相同類型動(dòng)作的第三人。這種代表了最實(shí)際應(yīng)用的組合，在一些與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行相關(guān)的腦區(qū)中，似乎誘導(dǎo)出了更強(qiáng)的激活[59]。第二，人們可以想象，對(duì)觀察到的行動(dòng)作出反應(yīng)的行為，稱為協(xié)調(diào)MI 和觀察的組合，也稱為聯(lián)合行動(dòng)。這種方法在更大的程度上將體現(xiàn)一種反應(yīng)多于模仿的日?；?dòng)程度。最后，相互沖突的MI 和行動(dòng)觀察的結(jié)合可以用來(lái)進(jìn)一步理解MI對(duì)觀察到的行為的偏差效應(yīng)。這些不同類型的組合可以提供一種新的方法，以期在運(yùn)動(dòng)、職業(yè)治療和神經(jīng)康復(fù)方面找到其他的應(yīng)用[60]。在MI 結(jié)合皮層刺激方面，研究表明在使用經(jīng)顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）結(jié)合MI時(shí)，可以誘發(fā)類似于體育鍛煉的大腦皮層塑性變化，盡管這些變化可能需要更多的試驗(yàn)才能發(fā)生[61]。同時(shí)，一些作者認(rèn)為[62-63]，MI 訓(xùn)練可以促進(jìn)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)，并可用于提高適應(yīng)率。這些發(fā)現(xiàn)也間接地顯示了大腦皮層的可塑性。

3.2 醫(yī)療康復(fù)

在過(guò)去的二十年中，許多研究者強(qiáng)調(diào)了運(yùn)動(dòng)想象[16，64-65]和觀察[66-67]作為促進(jìn)中風(fēng)后運(yùn)動(dòng)恢復(fù)的有效技術(shù)的可能益處。這促使越來(lái)越多的研究將想象和觀察作為腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的獨(dú)立技術(shù)進(jìn)行研究。雖然早期的研究[68-69]表明想象可以提供一種有效的治療，但是最近的研究[70-71]結(jié)果與早期的發(fā)現(xiàn)相矛盾。事實(shí)上，從一些研究者關(guān)于評(píng)估想象作為中風(fēng)后康復(fù)工具的療效的隨機(jī)臨床試驗(yàn)集錦的分析中[72]，可以得出想象可能不是物理治療的有效輔助手段。因此，需要進(jìn)一步的工作來(lái)確定想象是否適合中風(fēng)康復(fù)。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)橛凶C據(jù)表明[73]，中風(fēng)后的想象能力可能受到損害，從而可能限制此類干預(yù)措施的效果。

3.3 輔助技術(shù)

MI對(duì)于輔助技術(shù)同樣具有重要價(jià)值。在這部分技術(shù)中，假肢、機(jī)器人和其他完全由精神意圖控制的設(shè)備的使用已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)[74]。這些系統(tǒng)不僅在生活質(zhì)量和溝通方面對(duì)殘疾用戶產(chǎn)生直接的積極影響，也為殘疾和健康用戶提供了新的人機(jī)交互模式，如音樂(lè)生成[75]和計(jì)算機(jī)游戲控制[76]。越來(lái)越多的系統(tǒng)允許控制更復(fù)雜的設(shè)備，包括矯形器、假肢、機(jī)械臂和移動(dòng)機(jī)器人[77-80]。

3.4 其他

MI 在環(huán)境控制和娛樂(lè)方面也有應(yīng)用，如給殘障人士提供控制周圍電器的作用；娛樂(lè)方面則是可以進(jìn)行各種外部娛樂(lè)設(shè)備的控制[81]；在工廠和運(yùn)輸方面，可以用運(yùn)動(dòng)想象來(lái)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，一方面能減少對(duì)復(fù)雜操控指令的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練時(shí)間，另一方面也能檢測(cè)操控員的情緒狀態(tài)，必要時(shí)遠(yuǎn)程關(guān)閉機(jī)器，同時(shí)還能使人遠(yuǎn)離一些危險(xiǎn)工作環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，保證安全性[82]，這對(duì)監(jiān)測(cè)駕駛員疲勞程度也有很大的幫助，能極大程度減少疲勞駕駛的危險(xiǎn)；在藝術(shù)創(chuàng)作方面，已經(jīng)有了很多試驗(yàn)，如彈鋼琴[83]、繪畫[84]等。可以預(yù)見，BCI將有潛力應(yīng)用于各領(lǐng)域，包括家庭自動(dòng)化[85-86]、假肢[87-89]、康復(fù)[90-92]、游戲[87，93-95]，交通[96-99]、教育[98]、虛擬現(xiàn)實(shí)[99]、藝術(shù)計(jì)算[83-84，100-101]，甚至可能成為進(jìn)行情感計(jì)算的虛擬助手。

4 MI相關(guān)問(wèn)題

雖然MI 已經(jīng)有了一部分的應(yīng)用，但是無(wú)論對(duì)于它的原理還是應(yīng)用方面都存在著一定的問(wèn)題。

4.1 MI與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行、運(yùn)動(dòng)觀察的關(guān)系

眾所周知，MI 和動(dòng)作觀察（Action Observation，AO）以及動(dòng)作執(zhí)行（Movement Execution，ME）三者之間一直有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。一些研究指出[102-104]，這三種方式或多或少共享著相似的大腦區(qū)域，同時(shí)，也互相存在著一定的不同[105]。但是，以往對(duì) MI、AO 和 ME 的比較依賴于個(gè)體神經(jīng)影像學(xué)研究的結(jié)果，或者對(duì)各自網(wǎng)絡(luò)的定性比較。最近，有研究[46]集合這三類運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，第一次提供了這些類似任務(wù)所涉及的大腦網(wǎng)絡(luò)的定量比較。其中，MI涉及運(yùn)動(dòng)前頂葉皮層區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，以及丘腦、殼核和小腦；AO涉及皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)前頂葉和枕葉網(wǎng)絡(luò)；ME涉及感覺(jué)運(yùn)動(dòng)前區(qū)、丘腦、殼核和小腦。這些網(wǎng)絡(luò)之間的比較突出了運(yùn)動(dòng)皮層和頂葉皮層以及皮層下結(jié)構(gòu)的主要差異。所有三個(gè)任務(wù)之間的連接確定了一個(gè)一致的運(yùn)動(dòng)前頂葉和體感網(wǎng)絡(luò)。這些數(shù)據(jù)修正了MI、AO和ME之間關(guān)系的先前模型，并量化了它們各自網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系，并回答了長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于這些運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是否通過(guò)識(shí)別一致的運(yùn)動(dòng)前、頂葉和體感網(wǎng)絡(luò)來(lái)利用相似的大腦區(qū)域的爭(zhēng)論。

4.2 個(gè)體差異

有些人無(wú)法控制BCI系統(tǒng)，甚至大腦信號(hào)中無(wú)法提取出有效的特征，在排除了生理缺陷這個(gè)問(wèn)題后，這群人就被稱為BCI 文盲[106]。這種情況的出現(xiàn)可能來(lái)源于個(gè)體差異[6]，即BCI系統(tǒng)的普適性不是很好。當(dāng)然，個(gè)體差異又分為個(gè)體間和個(gè)體內(nèi)兩種。從一部分研究[7，107-108]中可知：每個(gè)人用于MI的腦網(wǎng)絡(luò)可能不盡相同，而BCI文盲則可能擁有一個(gè)相對(duì)較弱的腦網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，關(guān)于奧林匹克運(yùn)動(dòng)員和普通運(yùn)動(dòng)員之間的研究表明[109-113]，前者在MI過(guò)程中腦區(qū)激活更為集中，而后者則相對(duì)分散，體現(xiàn)出專業(yè)性的訓(xùn)練知識(shí)對(duì)大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)的針對(duì)性作用。同時(shí)，也為BCI文盲提供了一種可以通過(guò)對(duì)應(yīng)訓(xùn)練來(lái)改善這種問(wèn)題的途徑。和個(gè)體間差異不同的是，個(gè)體內(nèi)的差異研究得相對(duì)較少。有研究表明許多變量會(huì)降低BCI 性能，其中一些變量會(huì)影響其他變量[112]。例如，反饋方法會(huì)影響用戶的心理和生理狀態(tài)。這也許就是引起個(gè)體內(nèi)差異的一個(gè)原因。

但是，不論是哪種差異，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的MI評(píng)判方法也是引起這些差異的原因之一。直至目前來(lái)說(shuō)，MI可以用主觀或客觀的方法來(lái)評(píng)估。前者包括心理測(cè)量工具，要求被調(diào)查者對(duì)其想象體驗(yàn)的某些方面（例如生動(dòng)性或清晰度）進(jìn)行評(píng)分，后者則通過(guò)被調(diào)查者解決問(wèn)題，或完成已知需要想象能力的任務(wù)的準(zhǔn)確性或速度來(lái)評(píng)估對(duì)想象技能的熟練程度。最近對(duì)MI的主觀測(cè)量是運(yùn)動(dòng)想象問(wèn)卷-3（Motor Imagery Questionnaire，MIQ）[113]，這是運(yùn)動(dòng)想象問(wèn)卷的更新版本[114]。MIQ-3是一份12項(xiàng)問(wèn)卷，從不同的圖像角度評(píng)估執(zhí)行四種不同運(yùn)動(dòng)（即提膝、跳躍、手臂運(yùn)動(dòng)和腰部彎曲）想象的難易程度。對(duì)于每一個(gè)項(xiàng)目，參與者都需要閱讀運(yùn)動(dòng)的描述，進(jìn)行身體上的運(yùn)動(dòng)，然后從指定的角度想象運(yùn)動(dòng)。然后要求被調(diào)查者對(duì)想象結(jié)果進(jìn)行7分制評(píng)分，范圍從1（非常難看到/感覺(jué)）到7（非常容易看到/感覺(jué)）。分量表得分在4到28分之間，較高的得分反映出較強(qiáng)的表象能力。當(dāng)然，除了比較大眾化的運(yùn)動(dòng)想象問(wèn)卷以外，針對(duì)不同人群和不同國(guó)別也有特殊的問(wèn)卷。例如，針對(duì)法國(guó)人，法語(yǔ)版的運(yùn)動(dòng)想象問(wèn)卷（Movement Imagery Questionnaire-Revised Second version，MIQ-RS）是法語(yǔ)人群中一種有效和可靠的工具，因此可以作為運(yùn)動(dòng)表象能力的一種測(cè)量手段[115]。當(dāng)然，也有針對(duì)兒童的問(wèn)卷[116]。除此之外，對(duì)MI的客觀測(cè)量方面，目前還有兩個(gè)主要的選擇。一方面，Madan 和Singhal[117-118]開發(fā)了運(yùn)動(dòng)想象能力測(cè)試（Test of Ability in Movement Imagery，TAMI），要求受訪者想象一系列身體運(yùn)動(dòng)，然后從一組可能的身體定位圖像中選擇正確的選項(xiàng)。另一方面，可以通過(guò)比較執(zhí)行和想象特定動(dòng)作所需的時(shí)間來(lái)客觀地測(cè)量MI。不過(guò)，雖然已經(jīng)有了上述幾種辦法，但是還沒(méi)有一種特別權(quán)威、全世界公認(rèn)的有效辦法。當(dāng)然，可以預(yù)想的是，未來(lái)關(guān)于MI 能力如何評(píng)判，將主觀和客觀方法進(jìn)行結(jié)合會(huì)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

4.3 MI與具體想象內(nèi)容的關(guān)系

一般來(lái)說(shuō)，想象內(nèi)容主要分為場(chǎng)景、物體以及動(dòng)作三部分。對(duì)于場(chǎng)景和物體，有研究[119]通過(guò)五個(gè)不同的任務(wù)來(lái)探究場(chǎng)景和物體對(duì)于MI的影響，任務(wù)分別是：想象徒手抓一個(gè)日常的物體（水瓶），想象徒手抓一個(gè)幾何物體（圓錐體），想象徒手抓水瓶旁邊的空間，想象徒手抓圓錐體旁邊的空間以及想象徒手抓空。根據(jù)實(shí)驗(yàn)顯示，對(duì)比想象直接抓物體和直接抓物體旁邊空間的腦部激活程度，發(fā)現(xiàn)想象直接抓物體旁邊的空間時(shí)，額頂葉空間認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)會(huì)有更大激活。因?yàn)閷?duì)于場(chǎng)景復(fù)雜度更大的情況下，大腦需要對(duì)MI時(shí)手、物體和目標(biāo)進(jìn)行位置相對(duì)計(jì)算的時(shí)間更長(zhǎng)，需要調(diào)用的大腦資源也更多，比如注重對(duì)象旁邊的空間，同時(shí)引導(dǎo)注意力遠(yuǎn)離非目標(biāo)對(duì)象等。

而當(dāng)對(duì)比抓取不同物體時(shí)，貼近日常生活的物品反而相較于一般的物體更容易產(chǎn)生大腦激活，特別是熟悉的日常物品。這說(shuō)明了對(duì)日常物體想象時(shí)，需要進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)動(dòng)指令的抑制和運(yùn)動(dòng)選擇過(guò)程。同時(shí)上述發(fā)現(xiàn)也說(shuō)明了在進(jìn)行想象訓(xùn)練時(shí)，加入對(duì)于場(chǎng)景環(huán)境的想象將更有利于激活各個(gè)區(qū)域，對(duì)于一些運(yùn)動(dòng)或者神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域會(huì)有一定的作用。

而動(dòng)作對(duì)于MI的影響，主要是兩類，一類是動(dòng)作的復(fù)雜度，第二類是動(dòng)作的熟悉程度。對(duì)于動(dòng)作的復(fù)雜度，皮質(zhì)脊髓興奮性與任務(wù)指令（觀察期間）和任務(wù)復(fù)雜性有關(guān)。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)任務(wù)的觀察和想象導(dǎo)致皮質(zhì)脊髓興奮性增加[120]。因此對(duì)于運(yùn)動(dòng)康復(fù)，特別是涉及精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能的任務(wù)，兩者都有一定的用處，這也與另一項(xiàng)研究不謀而合[121]。對(duì)于動(dòng)作的熟悉程度方面，有研究通過(guò)對(duì)不同舞蹈動(dòng)作的想象對(duì)比[122]，發(fā)現(xiàn)不同熟悉程度的動(dòng)作所激活的MI 模式也不同，想象動(dòng)作完成的時(shí)間也不同。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行不熟悉復(fù)雜動(dòng)作的想象時(shí)，需要先進(jìn)行視覺(jué)運(yùn)動(dòng)表象，也就是先看熟動(dòng)作才能想象出來(lái)。

4.4 MI自由度

目前MI 遇到的另一個(gè)問(wèn)題就是，如果一些動(dòng)作涉及的腦區(qū)過(guò)于接近或者面積相比起來(lái)過(guò)于小，這些動(dòng)作將無(wú)法很好地區(qū)分。腳部運(yùn)動(dòng)想象中，因?yàn)殡p腳相應(yīng)的皮質(zhì)區(qū)域太近，所以左腳和右腳運(yùn)動(dòng)之間的區(qū)別是不可能的[123]。同樣，不能辨別單個(gè)手指的與事件相關(guān)非同步（Event-Related Desynchronization，ERD）/與事件相關(guān)同步（Event-Related Synchronization，ERS）模式[123]。研究者認(rèn)為，為了產(chǎn)生可檢測(cè)的模式，所涉及的皮質(zhì)區(qū)必須是大到與其余動(dòng)作的腦電圖相比，所產(chǎn)生的活動(dòng)更加突出。手區(qū)、腳區(qū)和舌頭區(qū)相對(duì)較大，且分布得較為分散。因此，目前基于MI 的BCI 在想象力上僅限于四種運(yùn)動(dòng)：左手、右手、腳和舌頭[124]。在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)復(fù)雜高效的BCI系統(tǒng)仍然具有挑戰(zhàn)性。因?yàn)樵贐CI系統(tǒng)中，控制命令的數(shù)量受到嚴(yán)格限制，特別是對(duì)于并發(fā)命令[125]。因此，需要對(duì)腦區(qū)進(jìn)一步細(xì)化來(lái)得到更多的控制指令，以此來(lái)提供具有更多自由度的BCI。

4.5 運(yùn)動(dòng)抑制的實(shí)質(zhì)

盡管MI 激活了大腦中的各種運(yùn)動(dòng)區(qū)域，但并沒(méi)有導(dǎo)致明顯的運(yùn)動(dòng)[126]，這就涉及到MI 期間的大腦抑制運(yùn)動(dòng)機(jī)制。有人提出，只有閾下運(yùn)動(dòng)命令被發(fā)送到效應(yīng)器才能防止運(yùn)動(dòng)執(zhí)行[127]。而其他關(guān)于皮質(zhì)區(qū)之間的有效連接性研究則認(rèn)為，個(gè)體化的輔助皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)（Supplementary Motor Area，SMA）連接是MI 期間的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)抑制機(jī)制[128]。在MI期間，當(dāng)明顯的運(yùn)動(dòng)必須被抑制時(shí)，SMA對(duì)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（Primary Motor Cortex，M1）有抑制作用[128]。另一個(gè)關(guān)于運(yùn)動(dòng)抑制的假設(shè)是下游區(qū)域，包括腦干和脊髓的影響，相對(duì)于其他可能性，更有助于后期運(yùn)動(dòng)抑制[126]。最近，關(guān)于手指MI的TMS研究[34]也證實(shí)了前面所述的關(guān)于MI 期間SMA 功能連接的抑制以及M1活性降低[128]。

當(dāng)然，由于在MI 期間存在眾所周知的微小的肌肉收縮，一些研究人員將肌電活動(dòng)的不同界限作為MI 任務(wù)的先決條件[129-130]。在TMS 前階段，肌電活動(dòng)沒(méi)有顯著增加，這被認(rèn)為是在MI 期間觀察到的大腦激活模式不是由于公開的運(yùn)動(dòng)行為的一個(gè)證據(jù)。根據(jù)Avanzino及其同事提出的方法[129]，Valentina等人的研究[34]意味著這個(gè)通常被忽略的運(yùn)動(dòng)信號(hào)可能包含重要的運(yùn)動(dòng)信息。這也為以后利用該肌肉收縮微弱信號(hào)來(lái)解釋運(yùn)動(dòng)抑制機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

4.6 年齡段影響

最后，雖然MI 在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)和康復(fù)方面可能有潛在的好處，但它們?cè)诓煌挲g段中可能有不同的表現(xiàn)。例如，老年人的MI能力下降，特別是對(duì)于更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。盡管這種下降的速度對(duì)于時(shí)間和空間的想象能力是不同的[131]，不過(guò)通過(guò)增加相應(yīng)動(dòng)作的圖片，給老人具象化的刺激，就可以引導(dǎo)老人進(jìn)行MI。在兒童中，MI能力在5歲后開始出現(xiàn)[132]，并繼續(xù)發(fā)展到青春期和成年早期[133]。然而，在發(fā)育協(xié)調(diào)障礙兒童中，MI不符合在健康兒童和成人中觀察到的時(shí)間一致性原則[134]。這些兒童在產(chǎn)生想象運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部表征方面有特定的缺陷，但是這可以通過(guò)MI訓(xùn)練[135]和虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用[136]得到改善。同時(shí)，也有研究證實(shí)，運(yùn)動(dòng)觀察結(jié)合MI可以更好地針對(duì)性治療兒童的發(fā)育協(xié)調(diào)障礙[137]。

5 展望

未來(lái)對(duì)于MI 的研究突破，主要應(yīng)該從三大方面入手。首先，對(duì)于理論方面，現(xiàn)在對(duì)于MI的機(jī)制還沒(méi)有完全理清，主要還是從運(yùn)動(dòng)模擬加上腦功能網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，分別從運(yùn)動(dòng)學(xué)和神經(jīng)科學(xué)進(jìn)行分析。目前認(rèn)為MI和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行共享大部分的神經(jīng)機(jī)制，但是對(duì)于兩者更加細(xì)微的區(qū)別以及MI實(shí)際的機(jī)制還沒(méi)有定論。很少或根本沒(méi)有研究在認(rèn)知水平上檢驗(yàn)MST 或MI，因此目前尚不清楚模擬是否完全解釋了MI是如何工作的。也沒(méi)有研究評(píng)估MST 在理解MI 基礎(chǔ)上的功能認(rèn)知機(jī)制方面的有效性，而且到目前為止，這種心理過(guò)程仍然鮮為人知。

因此，未來(lái)隨著對(duì)于人腦研究的深入，神經(jīng)科學(xué)有望對(duì)MI的實(shí)際運(yùn)作機(jī)制做出進(jìn)一步的解釋。

在對(duì)理論有了進(jìn)一步深入研究后，才能進(jìn)一步解釋關(guān)于MI的眾多問(wèn)題。第一，關(guān)于MI、ME、AO三者之間的關(guān)系，這方面需要和理論研究結(jié)合在一起。因?yàn)槟壳皩?duì)于MI 的理解大部分來(lái)自于和ME、AO 進(jìn)行類比，然后再提出一些相關(guān)的理論。未來(lái)希望可以在這方面互相促進(jìn)，早日完成雙方的機(jī)制探索。第二，關(guān)于個(gè)體差異，有一部分正常人在目前的MI 研究水平下無(wú)法測(cè)出有效的信號(hào)。這個(gè)問(wèn)題的解釋可能是目前對(duì)于MI機(jī)制的研究或者說(shuō)對(duì)于大腦運(yùn)作機(jī)制的研究還未達(dá)到可以完全匹配所有人類的水平，因此一部分人無(wú)法取得有效信號(hào)。也可能是對(duì)于MI 的問(wèn)卷沒(méi)有得到統(tǒng)一的認(rèn)可，因此對(duì)于每個(gè)人的分析并不全面。這也從一定程度上需要人們?cè)谌四X運(yùn)作機(jī)制方面進(jìn)行研究，以及針對(duì)相關(guān)MI設(shè)備的開發(fā)做出進(jìn)一步的努力。第三，對(duì)于MI和想象內(nèi)容的問(wèn)題，雖然目前對(duì)于場(chǎng)景、物體以及動(dòng)作有了一定的發(fā)現(xiàn)，但是當(dāng)涉及到更加復(fù)雜的場(chǎng)景和動(dòng)作時(shí)，例如放到復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，目前的發(fā)現(xiàn)就不能完全適用了。因此也需要在場(chǎng)景復(fù)雜度和動(dòng)作復(fù)雜度上進(jìn)行更深入的研究。第四，關(guān)于MI 自由度問(wèn)題，未來(lái)對(duì)于MI 的使用目標(biāo)是希望可以同時(shí)并發(fā)很多信號(hào)，同時(shí)操控多個(gè)任務(wù)，但是目前的MI 研究并不支持這樣做。因此未來(lái)可以就信號(hào)并發(fā)的解析和使用進(jìn)行研究。第五，關(guān)于MI 中的運(yùn)動(dòng)抑制機(jī)制，目前雖然有很多關(guān)于抑制機(jī)制的假設(shè)，也有部分研究對(duì)抑制機(jī)制進(jìn)行了探索，但是也只能解釋一些很表面的原理。對(duì)于準(zhǔn)確地研究何時(shí)以及如何在MI 中參與和控制抑制過(guò)程，這也許是未來(lái)的一個(gè)熱門方向。最后，關(guān)于MI和不同年齡段人群，適用性也并不是很強(qiáng)，這也需要進(jìn)一步完善對(duì)于MI 機(jī)制的探索。當(dāng)然，還有一個(gè)最重要的目標(biāo)，就是目前大部分MI 的研究都是第三人稱的，對(duì)于第一人稱的研究相對(duì)較少，后期需要加大這方面的研究。

在理論進(jìn)步和一些問(wèn)題有所解決的基礎(chǔ)上，可以在目前擁有的應(yīng)用上進(jìn)行改進(jìn)或者開發(fā)出新的應(yīng)用。如運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)方面，運(yùn)動(dòng)模擬可以幫助防止受傷，或者讓運(yùn)動(dòng)員最大限度地發(fā)揮他們的運(yùn)動(dòng)潛力，或者通過(guò)消除錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)模式來(lái)避免他們離開比賽。因此，可以開發(fā)相關(guān)的設(shè)備，滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的需求。又如醫(yī)療康復(fù)方面，開發(fā)出更符合病人針對(duì)性需求的應(yīng)用，如中風(fēng)病人的復(fù)健和殘疾人的肌肉恢復(fù)和假肢控制。再如輔助技術(shù)，這方面涉及較廣，需要和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，滿足人們對(duì)于周邊設(shè)備的控制和對(duì)環(huán)境的需求。當(dāng)然，未來(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）也都離不開MI。

總之，MI 的相關(guān)探索研究為BCI 方向的研究鋪平了道路，涌現(xiàn)出很多新的應(yīng)用方向，如運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)、醫(yī)療康復(fù)以及日常生活的輔助技術(shù)。但是，科技往往是滯后于人類需求的，因此未來(lái)需要在腦科學(xué)以及MI 應(yīng)用上花費(fèi)更多的精力，早日完成生活中隨處可見的MI 應(yīng)用這個(gè)目標(biāo)。