朱 悅，李春光，郭 浩，祝宇飛，孫立寧

蘇州大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000

1 引言

在過去的幾十年中，腦-計算機接口（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BCI技術(shù)每分鐘輸入0.5個字符，現(xiàn)在已經(jīng)能達(dá)到每分鐘7.5個[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間段，系統(tǒng)會出現(xiàn)性能不穩(wěn)定[6]；甚至有報道稱從一些被試的MI信號中無法提取出有用的分類特征[7]。由于特定人群的無效化和系統(tǒng)的可靠性弱，使BCI還無法成為人機交互的組成部分。不過，作為這種技術(shù)的副產(chǎn)物——運動想象（Motor Imagery，MI）[8]卻是在各個領(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]以及動覺想象[10]。第一人稱，這里定義為：以自己為目標(biāo)的想象，即想象的運動是自身肢體或者某一部分的運動。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，想象其他與自身無關(guān)的個體的運動。這種方法更多地應(yīng)用于娛樂家居設(shè)備的控制[17]或者工廠生產(chǎn)。動覺想象則是想象對于平衡和力量的把握。目前大部分的研究還是針對第一人稱的想象和動覺想象，而針對第三人稱的想象則相對較少。

2 MI機理分析

2.1 運動模擬

在了解運動想象的應(yīng)用之前，首先需要明白什么是運動想象。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，運動想象涉及到另一個至關(guān)重要的因素，即個體的自愿控制，而不僅僅是關(guān)注的對象。想象動作的種類既包括對想象對象的自愿操作，即第一人稱，也包括對現(xiàn)實對象的想象操作，即第三人稱。

在各種MI 解釋理論中，與運動想象相關(guān)性最強的就是運動模擬理論（Motor Simulation Theory，MST）[18]。“模擬”一詞是用來指預(yù)期的聯(lián)想機制，而不是內(nèi)部的模型或表征形式。當(dāng)一個動作被模擬時，它會像在實際動作中一樣激活相同的運動神經(jīng)系統(tǒng)，然后激活有助于感官模擬的聯(lián)想機制[19]。預(yù)期聯(lián)想機制是模擬過程的關(guān)鍵，因為在運動準(zhǔn)備階段所產(chǎn)生的預(yù)期感覺，會與提示下一步行動的行動模擬相關(guān)聯(lián)[20]。在此基礎(chǔ)上，預(yù)期和關(guān)聯(lián)過程才能確保連續(xù)模擬運動的發(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。具體來說，基礎(chǔ)和關(guān)聯(lián)模擬理論主張：運動模擬可以在沒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）或強化的關(guān)聯(lián)（關(guān)聯(lián)模擬）所存儲的先驗經(jīng)驗事件的再現(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“心理實踐”的行為強化現(xiàn)象來解釋MI[8，22]。他們假設(shè)MI會導(dǎo)致參與動作執(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]，或者通過運動元素編碼和綁定的認(rèn)知組織來加強運動表征[24]。相反，現(xiàn)代對MI工作原理的解釋更加類似于“機械化”，主要集中在運動控制理論中的“正向建模”理論概念上[25-26]。關(guān)于后者，已經(jīng)存在證據(jù)表明在離線運動的運動認(rèn)知狀態(tài)（例如MI）期間，身體是潛意識的，從而給出了具體的模擬[27-28]。然而，雖然MI有時被稱為具體的精神狀態(tài)[29]，但是對于具體是什么有更正式的說法[26]。通常，仿真理論認(rèn)為，當(dāng)人們把身體與世界的互動以及這種互動如何塑造心靈放在他們的核心時，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、感覺運動經(jīng)驗和信息是緊密相連的[31]。但是，MST 將MI 概念化為對同一執(zhí)行動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，行動計劃和MI有一個共同的心理表征。換言之，MI 是基于實際運動行為的心理動作表示。其次，MST提出運動系統(tǒng)是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的一部分，包括其他心理活動，如想象動作、觀察學(xué)習(xí)和試圖理解他人的行為。再次，Jeannerod 認(rèn)為[32]，行動包括一個隱蔽的階段，在這個隱蔽的階段，人們是在心理上進(jìn)行即將做的動作的準(zhǔn)備或模擬。這個隱蔽的階段包括“對未來的一種表示，包括行動的目標(biāo)、達(dá)到它的手段以及它對有機體和外部世界的影響，這樣每一個被執(zhí)行的行為都意味著有一個隱蔽階段的存在。因此，隱蔽和公開的階段是一個連續(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)該包括類似于在實際行動中操作的神經(jīng)機制——所謂的“功能對等”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制[33]。例如，公開的行為和想象的行為都有一種行動意圖的運動表現(xiàn)。在公開行動的情況下，這種意圖被轉(zhuǎn)化為實際的身體運動，而在想象行動的情況下，它被抑制了[34]。然而，這種共享的運動表象促進(jìn)了實際動作和想象動作之間某種形式的功能對等。因此，Hetu等人[35]發(fā)現(xiàn)MI的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括幾個已知的控制實際運動執(zhí)行的皮層區(qū)域，如運動前皮層、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)也從一些方面說明了對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)元不會單獨起作用，分布在大腦皮層的眾多神經(jīng)元會在處理信息時聯(lián)合起來。因此，從生理學(xué)上講，腦連接性是一個集合內(nèi)眾多神經(jīng)元通過參與同步活動進(jìn)行的交流。大腦連接性分析的最終目的是找到這種連接，無論是直接的還是間接的，以及它們的強度[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 的弱點和局限性的最有可能和不可避免的原因之一是使用來自單個信道的時間、頻譜和空間EEG 特征來區(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)動態(tài)模式行為對于為BCI 提供更多有用的信息特征是必不可少的[37]。大腦執(zhí)行即便是簡單的運動或認(rèn)知任務(wù)都需要多個相互連接的皮層區(qū)域的參與，并通過突觸交換信息[38]。因此，對大腦連接性的認(rèn)識已經(jīng)成為現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的一個重要方面，特別是對于理解大腦如何實現(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，一個很有前途的解決這些局限性的方法是考慮腦電信號的通道間或源之間的關(guān)系，測量MI運動中空間分布區(qū)域的連接性[37]。也正是因為腦區(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或兩個活動具體發(fā)生的區(qū)域[39]。例如，已經(jīng)證明輔助運動區(qū)域，前額葉區(qū)、運動前皮層、小腦和基底神經(jīng)節(jié)在動作執(zhí)行和想象過程中都被激活[40]。此外，初級運動皮層在腦電[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道。

2.2.2 相似性

正如前面所講的那樣，大量實驗表明運動執(zhí)行和運動想象的腦區(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調(diào)兩者的功能對等。功能對等原則認(rèn)為在被試的運動大腦中，“運動想象”應(yīng)該包括類似于那些在實際行動中運作的神經(jīng)機制[32]。相應(yīng)動作的執(zhí)行和模擬（即MI）在皮層運動區(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動網(wǎng)絡(luò)的方法，它能促進(jìn)技能的獲得和鞏固[8]。相應(yīng)運動的想象和執(zhí)行也有其他相似之處。首先，心理模擬動作的時間歷程與被執(zhí)行動作的時間歷程高度相關(guān)[48]。受多種外部因素的影響，如動作復(fù)雜性和持續(xù)時間，這在時間關(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)的外周活動在MI和實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)和運動限制的影響[51]。綜上所述，實際動作和想象動作之間的這些相似性促進(jìn)了MI作為物理實踐的相關(guān)替代和/或補充方法。

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 運動學(xué)習(xí)

體育心理學(xué)的文獻(xiàn)提供了多年前關(guān)于MI實踐對運動性能的積極影響的相關(guān)信息[52]。運動員和音樂家除了身體練習(xí)外，還廣泛地運用心理實踐來提高他們的靈活性[53]。MI 的心理訓(xùn)練能提高運動能力的幾個方面，如肌肉力量[54]、運動速度、準(zhǔn)確性和變異性[55]。最近，133項研究報告了5個學(xué)科（運動、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、教育和音樂）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)對皮層重組和運動學(xué)習(xí)的貢獻(xiàn)。在MI 結(jié)合身體訓(xùn)練方面，現(xiàn)在越來越多的證據(jù)表明，MI和運動執(zhí)行的結(jié)合會導(dǎo)致比單獨的心理或體育鍛煉更大的變化[57-58]。在MI 結(jié)合運動觀察方面，第一，同時采取MI和動作觀察，觀察者想象該動作，同時觀察執(zhí)行相同類型動作的第三人。這種代表了最實際應(yīng)用的組合，在一些與運動執(zhí)行相關(guān)的腦區(qū)中，似乎誘導(dǎo)出了更強的激活[59]。第二，人們可以想象，對觀察到的行動作出反應(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。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?；映潭?。最后，相互沖突的MI 和行動觀察的結(jié)合可以用來進(jìn)一步理解MI對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，以期在運動、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，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才能發(fā)生[61]。同時，一些作者認(rèn)為[62-63]，MI 訓(xùn)練可以促進(jìn)運動學(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)

在過去的二十年中，許多研究者強調(diào)了運動想象[16，64-65]和觀察[66-67]作為促進(jìn)中風(fēng)后運動恢復(fù)的有效技術(shù)的可能益處。這促使越來越多的研究將想象和觀察作為腦卒中后運動功能恢復(fù)的獨立技術(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。事實上，從一些研究者關(guān)于評估想象作為中風(fēng)后康復(fù)工具的療效的隨機臨床試驗集錦的分析中[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)一步的工作來確定想象是否適合中風(fēng)康復(fù)。這一點尤其重要，因為有證據(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對于輔助技術(shù)同樣具有重要價值。在這部分技術(shù)中，假肢、機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[74]。這些系統(tǒng)不僅在生活質(zhì)量和溝通方面對殘疾用戶產(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交互模式，如音樂生成[75]和計算機游戲控制[76]。越來越多的系統(tǒng)允許控制更復(fù)雜的設(shè)備，包括矯形器、假肢、機械臂和移動機器人[77-80]。

3.4 其他

MI 在環(huán)境控制和娛樂方面也有應(yīng)用，如給殘障人士提供控制周圍電器的作用；娛樂方面則是可以進(jìn)行各種外部娛樂設(shè)備的控制[81]；在工廠和運輸方面，可以用運動想象來進(jìn)行機器人運動控制，一方面能減少對復(fù)雜操控指令的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練時間，另一方面也能檢測操控員的情緒狀態(tài)，必要時遠(yuǎn)程關(guān)閉機器，同時還能使人遠(yuǎn)離一些危險工作環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，保證安全性[82]，這對監(jiān)測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；在藝術(shù)創(chuàng)作方面，已經(jīng)有了很多試驗，如彈鋼琴[83]、繪畫[84]等?？梢灶A(yù)見，BCI將有潛力應(yīng)用于各領(lǐng)域，包括家庭自動化[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[99]、藝術(shù)計算[83-84，100-101]，甚至可能成為進(jìn)行情感計算的虛擬助手。

4 MI相關(guān)問題

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

4.1 MI與運動執(zhí)行、運動觀察的關(guān)系

眾所周知，MI 和動作觀察（Action Observation，AO）以及動作執(zhí)行（Movement Execution，ME）三者之間一直有著千絲萬縷的關(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，也互相存在著一定的不同[105]。但是，以往對 MI、AO 和 ME 的比較依賴于個體神經(jīng)影像學(xué)研究的結(jié)果，或者對各自網(wǎng)絡(luò)的定性比較。最近，有研究[46]集合這三類運動網(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涉及運動前頂葉皮層區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，以及丘腦、殼核和小腦；AO涉及皮質(zhì)運動前頂葉和枕葉網(wǎng)絡(luò)；ME涉及感覺運動前區(qū)、丘腦、殼核和小腦。這些網(wǎng)絡(luò)之間的比較突出了運動皮層和頂葉皮層以及皮層下結(jié)構(gòu)的主要差異。所有三個任務(wù)之間的連接確定了一個一致的運動前頂葉和體感網(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，并回答了長期以來關(guān)于這些運動網(wǎng)絡(luò)是否通過識別一致的運動前、頂葉和體感網(wǎng)絡(luò)來利用相似的大腦區(qū)域的爭論。

4.2 個體差異

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

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

4.3 MI與具體想象內(nèi)容的關(guān)系

一般來說，想象內(nèi)容主要分為場景、物體以及動作三部分。對于場景和物體，有研究[119]通過五個不同的任務(wù)來探究場景和物體對于MI的影響，任務(wù)分別是：想象徒手抓一個日常的物體（水瓶），想象徒手抓一個幾何物體（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)實驗顯示，對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，額頂葉空間認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)會有更大激活。因為對于場景復(fù)雜度更大的情況下，大腦需要對MI時手、物體和目標(biāo)進(jìn)行位置相對計算的時間更長，需要調(diào)用的大腦資源也更多，比如注重對象旁邊的空間，同時引導(dǎo)注意力遠(yuǎn)離非目標(biāo)對象等。

而當(dāng)對比抓取不同物體時，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。這說明了對日常物體想象時，需要進(jìn)行自動運動指令的抑制和運動選擇過程。同時上述發(fā)現(xiàn)也說明了在進(jìn)行想象訓(xùn)練時，加入對于場景環(huán)境的想象將更有利于激活各個區(qū)域，對于一些運動或者神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域會有一定的作用。

而動作對于MI的影響，主要是兩類，一類是動作的復(fù)雜度，第二類是動作的熟悉程度。對于動作的復(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)。具體來說，對復(fù)雜運動任務(wù)的觀察和想象導(dǎo)致皮質(zhì)脊髓興奮性增加[120]。因此對于運動康復(fù)，特別是涉及精細(xì)運動技能的任務(wù)，兩者都有一定的用處，這也與另一項研究不謀而合[121]。對于動作的熟悉程度方面，有研究通過對不同舞蹈動作的想象對比[122]，發(fā)現(xiàn)不同熟悉程度的動作所激活的MI 模式也不同，想象動作完成的時間也不同。這是因為在進(jìn)行不熟悉復(fù)雜動作的想象時，需要先進(jìn)行視覺運動表象，也就是先看熟動作才能想象出來。

4.4 MI自由度

目前MI 遇到的另一個問題就是，如果一些動作涉及的腦區(qū)過于接近或者面積相比起來過于小，這些動作將無法很好地區(qū)分。腳部運動想象中，因為雙腳相應(yīng)的皮質(zhì)區(qū)域太近，所以左腳和右腳運動之間的區(qū)別是不可能的[123]。同樣，不能辨別單個手指的與事件相關(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)生可檢測的模式，所涉及的皮質(zhì)區(qū)必須是大到與其余動作的腦電圖相比，所產(chǎn)生的活動更加突出。手區(qū)、腳區(qū)和舌頭區(qū)相對較大，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動：左手、右手、腳和舌頭[124]。在實際應(yīng)用中設(shè)計復(fù)雜高效的BCI系統(tǒng)仍然具有挑戰(zhàn)性。因為在BCI系統(tǒng)中，控制命令的數(shù)量受到嚴(yán)格限制，特別是對于并發(fā)命令[125]。因此，需要對腦區(qū)進(jìn)一步細(xì)化來得到更多的控制指令，以此來提供具有更多自由度的BCI。

4.5 運動抑制的實質(zhì)

盡管MI 激活了大腦中的各種運動區(qū)域，但并沒有導(dǎo)致明顯的運動[126]，這就涉及到MI 期間的大腦抑制運動機制。有人提出，只有閾下運動命令被發(fā)送到效應(yīng)器才能防止運動執(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，個體化的輔助皮質(zhì)運動區(qū)（Supplementary Motor Area，SMA）連接是MI 期間的關(guān)鍵運動抑制機制[128]。在MI期間，當(dāng)明顯的運動必須被抑制時，SMA對初級運動皮層（Primary Motor Cortex，M1）有抑制作用[128]。另一個關(guān)于運動抑制的假設(shè)是下游區(qū)域，包括腦干和脊髓的影響，相對于其他可能性，更有助于后期運動抑制[126]。最近，關(guān)于手指MI的TMS研究[34]也證實了前面所述的關(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，肌電活動沒有顯著增加，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動行為的一個證據(jù)。根據(jù)Avanzino及其同事提出的方法[129]，Valentina等人的研究[34]意味著這個通常被忽略的運動信號可能包含重要的運動信息。這也為以后利用該肌肉收縮微弱信號來解釋運動抑制機制奠定了基礎(chǔ)。

4.6 年齡段影響

最后，雖然MI 在運動學(xué)習(xí)和康復(fù)方面可能有潛在的好處，但它們在不同年齡段中可能有不同的表現(xiàn)。例如，老年人的MI能力下降，特別是對于更復(fù)雜的運動任務(wù)。盡管這種下降的速度對于時間和空間的想象能力是不同的[131]，不過通過增加相應(yīng)動作的圖片，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間一致性原則[134]。這些兒童在產(chǎn)生想象運動的內(nèi)部表征方面有特定的缺陷，但是這可以通過MI訓(xùn)練[135]和虛擬現(xiàn)實應(yīng)用[136]得到改善。同時，也有研究證實，運動觀察結(jié)合MI可以更好地針對性治療兒童的發(fā)育協(xié)調(diào)障礙[137]。

5 展望

未來對于MI 的研究突破，主要應(yīng)該從三大方面入手。首先，對于理論方面，現(xiàn)在對于MI的機制還沒有完全理清，主要還是從運動模擬加上腦功能網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，分別從運動學(xué)和神經(jīng)科學(xué)進(jìn)行分析。目前認(rèn)為MI和運動執(zhí)行共享大部分的神經(jīng)機制，但是對于兩者更加細(xì)微的區(qū)別以及MI實際的機制還沒有定論。很少或根本沒有研究在認(rèn)知水平上檢驗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。也沒有研究評估MST 在理解MI 基礎(chǔ)上的功能認(rèn)知機制方面的有效性，而且到目前為止，這種心理過程仍然鮮為人知。

因此，未來隨著對于人腦研究的深入，神經(jīng)科學(xué)有望對MI的實際運作機制做出進(jìn)一步的解釋。

在對理論有了進(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。因為目前對于MI 的理解大部分來自于和ME、AO 進(jìn)行類比，然后再提出一些相關(guān)的理論。未來希望可以在這方面互相促進(jìn)，早日完成雙方的機制探索。第二，關(guān)于個體差異，有一部分正常人在目前的MI 研究水平下無法測出有效的信號。這個問題的解釋可能是目前對于MI機制的研究或者說對于大腦運作機制的研究還未達(dá)到可以完全匹配所有人類的水平，因此一部分人無法取得有效信號。也可能是對于MI 的問卷沒有得到統(tǒng)一的認(rèn)可，因此對于每個人的分析并不全面。這也從一定程度上需要人們在人腦運作機制方面進(jìn)行研究，以及針對相關(guān)MI設(shè)備的開發(fā)做出進(jìn)一步的努力。第三，對于MI和想象內(nèi)容的問題，雖然目前對于場景、物體以及動作有了一定的發(fā)現(xiàn)，但是當(dāng)涉及到更加復(fù)雜的場景和動作時，例如放到復(fù)雜的現(xiàn)實場景中，目前的發(fā)現(xiàn)就不能完全適用了。因此也需要在場景復(fù)雜度和動作復(fù)雜度上進(jìn)行更深入的研究。第四，關(guān)于MI 自由度問題，未來對于MI 的使用目標(biāo)是希望可以同時并發(fā)很多信號，同時操控多個任務(wù)，但是目前的MI 研究并不支持這樣做。因此未來可以就信號并發(fā)的解析和使用進(jìn)行研究。第五，關(guān)于MI 中的運動抑制機制，目前雖然有很多關(guān)于抑制機制的假設(shè)，也有部分研究對抑制機制進(jìn)行了探索，但是也只能解釋一些很表面的原理。對于準(zhǔn)確地研究何時以及如何在MI 中參與和控制抑制過程，這也許是未來的一個熱門方向。最后，關(guān)于MI和不同年齡段人群，適用性也并不是很強，這也需要進(jìn)一步完善對于MI 機制的探索。當(dāng)然，還有一個最重要的目標(biāo)，就是目前大部分MI 的研究都是第三人稱的，對于第一人稱的研究相對較少，后期需要加大這方面的研究。

在理論進(jìn)步和一些問題有所解決的基礎(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。如運動學(xué)習(xí)方面，運動模擬可以幫助防止受傷，或者讓運動員最大限度地發(fā)揮他們的運動潛力，或者通過消除錯誤的運動模式來避免他們離開比賽。因此，可以開發(fā)相關(guān)的設(shè)備，滿足運動學(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，滿足人們對于周邊設(shè)備的控制和對環(huán)境的需求。當(dāng)然，未來的虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）、增強現(xiàn)實（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，如運動學(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，因此未來需要在腦科學(xué)以及MI 應(yīng)用上花費更多的精力，早日完成生活中隨處可見的MI 應(yīng)用這個目標(biāo)。