Senzoromotorické zobrazování pro rozhraní Brain-Computer

POZADÍ: Pokročilé pochopení struktury a funkce mozku zlepšilo diagnostiku a léčbu neurologických poruch, jako je epilepsie, mrtvice a poranění míchy (SCI). Před více než půl stoletím použily průkopnické studie Penfielda elektrickou stimulaci motorických a senzorických oblastí mozkové kůry a odhalily zřetelnou somatotopickou organizaci mozku. Dnes se tyto a další znalosti o funkcích neuronového kódování využívají k vývoji revolučních zařízení, která se přímo propojují s motorickými a senzorickými neurony v mozku a vytvářejí funkční spojení s protetickými a pomocnými zařízeními. Tato takzvaná rozhraní mozku a počítače (BCI) vyžadují, aby byly elektrody umístěny přesně do oblastí mozku odpovědných za dobrovolnou kontrolu a vnímání pohybů končetin, zejména do oblastí paží a rukou. Mapování těchto oblastí mozku je možné pomocí funkční magnetické rezonance (fMRI). Takové mapovací studie je však obtížné provádět u osob s motorickým a smyslovým postižením. Lidé s ALS a SCI mají narušené eferentní a aferentní cesty mezi kůrou a končetinami, takže je nutné spoléhat se na skryté techniky, jako jsou kinestetické motorické snímky, k mapování senzomotorické mozkové aktivity za účelem vedení umístění elektrod BCI nebo ke studiu kortikální plasticity. od zranění nebo zásahu. Výzvy spojené s mapováním mozku po zranění pravděpodobně přispívají k velmi rozdílným zprávám o rozsahu a prevalenci funkční reorganizace, ke které dochází v mozku po SCI. fMRI je neinvazivní nástroj, který umožňuje měření motorické a senzorické mozkové aktivity s minimálním rizikem pro účastníky studie.

VÝZNAM: Obnovení funkce horní končetiny je nejvyšší prioritou pro jedince s tetraplegií. Odhaduje se, že 236 000-327 000 lidí ve Spojených státech má poranění míchy. Přibližně 17 % lidí s SCI má vysokou tetraplegii (poranění na cervikálních úrovních C1-C4), ačkoli toto procento v posledních letech narůstá. Lidé s vysokou tetraplegií jsou nejpravděpodobnější skupinou, která bude mít prospěch z neuroprotetiky řízené BCI, ačkoli strategie skrytého mapování vyvinuté v tomto návrhu by mohly být použity ke studiu senzomotorické aktivace a plasticity u kohokoli s motorickým nebo smyslovým postižením včetně amputace. Vyvíjejí se sofistikované motorizované protézy, které umožňují přirozený pohyb horních končetin a mají pokročilé snímací schopnosti. Lidé s tetraplegií by rádi obnovili funkci svých vlastních končetin pomocí FES, ale tato technologie potřebuje další pokrok a nenahrazuje pocit, který může stále vyžadovat BCI. Zatímco výzkum a vývoj FES pokračuje, lidé s tetraplegií by mohli využívat motorizované protézy tím, že je namontují na svůj invalidní vozík. Motorizované protézy mohou poskytovat funkci srovnatelnou s funkcí intaktní končetiny, ale je zapotřebí ovládací rozhraní s vysokým stupněm volnosti a BCI je jedním z možných řešení.

Funkční neurozobrazení lze použít k vedení umístění elektrod BCI, aby bylo možné napojit se na stávající senzomotorické okruhy. Mapování mozku založené na obrazech také umožňuje studium kortikální plasticity, což by mohlo být užitečné pro pochopení maladaptivních kortikálních změn, ke kterým dochází po zranění nebo prospěšných změn vyplývajících z rehabilitačních intervencí. Stejně jako předchirurgické mapování mozku může pomoci identifikovat jednotlivce, kteří jsou pro BCI nejvhodnější, skryté mapování mozku u někoho s motorickým a smyslovým postižením může informovat o typu rehabilitačního paradigmatu, který bude s největší pravděpodobností přínosem. Potenciální přínos schopnosti studovat kortikální plasticitu v nepřítomnosti pohybu nebo pocitu je široký, protože by mohl být aplikován na pacienty s SCI, amputací, mrtvicí, neurodegenerativními onemocněními, jako je amyotrofická laterální skleróza, nebo jiným senzomotorickým poškozením.