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Using a functional near-infrared spectroscopy–guided brain-computer interface to facilitate observational imitation after stroke - 30/05/26

Doi : 10.1016/j.rehab.2026.102149 
Jack Jiaqi ZHANG 1, , Ruixuan LIN 1, Roy Rongyue ZENG 1, Michael TANG 2, Sofina SY CHAN 1, Bella Bingbing ZHANG 1, Rui SUN 1, Georg S KRANZ 1, Stephen CL LAU 1, Michael Lührs 3, Kenneth NK FONG 1, 4, # , Klaus MATHIAK 5, David MA MEHLER 5, 6, 7, # , Gary Kui Kai LAU 8
1 Department of Rehabilitation Sciences, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong SAR, China 
2 Division of Neurology, Department of Medicine, Queen Mary Hospital; Division of Rehabilitation, Department of Medicine, Tung Wah Hospital, Hong Kong SAR, China 
3 Faculty of Psychology and Neuroscience, Maastricht University, Maastricht, The Netherlands 
4 Research Center of Assistive Technology, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong SAR, China 
5 Department of Psychiatry, Psychotherapy and Psychosomatics, University Hospital RWTH Aachen, Aachen, Germany 
6 Institute of Translational Psychiatry, Medical Faculty, University of Münster, Münster, Germany 
7 Cardiff University Brain Research Imaging Centre, School of Psychology, Cardiff University, Cardiff, United Kingdom 
8 Division of Neurology, Department of Medicine, School of Clinical Medicine, LKS Faculty of Medicine, The University of Hong Kong, Hong Kong SAR, China 

Corresponding author. Jack Jiaqi Zhang, Department of Rehabilitation Sciences, The Hong Kong Polytechnic University, 11 Yuk Choi Road, 999077, Hong Kong SAR, China. Department of Rehabilitation Sciences The Hong Kong Polytechnic University 11 Yuk Choi Road Hong Kong SAR 999077 China
Sous presse. Manuscrit accepté. Disponible en ligne depuis le Saturday 30 May 2026

Highlights

The motor imagery neural interface upregulates corticomotor activity after stroke.
The neural interface also boosts poststroke brain’s response to visual feedback.
Observational imitation improved upper extremity functions following stroke.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Abstract

Background

: A brain-computer interface (BCI) shows promise for facilitating motor imagery (MI) during observational imitation motor relearning of the upper extremity.

Objective

: To investigate the efficacy and mechanisms of a functional near-infrared spectroscopy (fNIRS)-based BCI in augmenting MI during observational imitation for poststroke upper extremity rehabilitation.

Methods

: A randomized trial was conducted among participants after stroke. In the real fNIRS-BCI group, participants engaged in kinesthetic MI. When the activation level over the corticomotor areas recorded by fNIRS surpassed a predefined threshold, an instructional video showing the target movement was triggered, and participants were instructed to observe and imitate the video. The sham group received feedback at constant intervals without being contingent on individual brain signals. Upper extremity motor tests and mirror visual feedback (MVF)-induced sensorimotor event-related desynchronization (ERD) were assessed before and after intervention. MI-induced oxygenated hemoglobin (HbO) concentrations were extracted from participants receiving fNIRS-BCI.

Results

: Forty-four participants were enrolled. Observational imitation with or without BCI was effective in enhancing upper extremity function. However, there were no between-group differences in upper extremity motor improvement. fNIRS-BCI-driven observational imitation significantly enhanced MVF-induced beta sensorimotor ERD bilaterally more than sham BCI did. In participants receiving fNIRS-BCI, the capacity to upregulate MI-induced YHbO over the ipsilesional sensorimotor cortex and supplementary motor area was significantly enhanced post-intervention.

Conclusion

: fNIRS-BCI shows promise for monitoring real-time brain activity during rehabilitation and enhancing the participants' ability to upregulate corticomotor activity through neurofeedback; however, it did not yield superior benefits in upper extremity measures. fNIRS-BCI may improve brain responsiveness to visual feedback after stroke. Future research should determine how these neurophysiological effects can be translated into better clinical outcomes.

Trial registration

NCT06503484

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Brain-computer interfaces, stroke, observational imitation, motor imagery, visual feedback, supplementary motor area


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