Exoskeleton a mozková aktivita s fNIRS (ExoNIRS)

Důležitým cílem neurovědy motorických systémů je charakterizovat, jak nervová aktivita v mozku zprostředkovává pohybové parametry, jako je síla, rychlost, frekvence pohybu nebo směr pohybu. Nervové kódování síly bylo studováno u zvířat a lidí pomocí TEP, fMRI, funkční blízké infračervené spektroskopie (fNIRS), EEG nebo magnetické stimulace.

Elektrofyziologické studie u primátů kromě člověka prokázaly korelaci mezi rychlostí výboje neuronů v mnoha oblastech kontralaterálního motorického kortexu a amplitudou vynaložené síly.

U lidí studie funkční magnetické rezonance (fMRI) potvrdily vztah mezi zvyšující se neuronální aktivací a zvyšující se amplitudou síly v kontralaterálním primárním motorickém/somatosenzorickém (M1/S1) kortexu, doplňkové motorické oblasti (SMA) a premotorickém kortexu. Ipsilaterální motorická kůra by také mohla přispět k kódování síly. Existují také důkazy, že bazální ganglia-thalamo-kortikální smyčka se podílí na regulaci kontroly síly. Vnitřní část globus pallidus (GPi) a subthalamické jádro (STN) vykazovalo pozitivní nárůst procentuální změny signálu s rostoucí silou a stejným způsobem byly implikovány také oblasti ventrálního thalamu. Novější studie s fNIRS potvrdily vztah mezi úrovní síly a mozkovou aktivací v kontralaterální a ipsilaterální hemisféře.

Většina studií na lidech se týkala izometrických statických úloh. Jen málo studií se zabývalo dynamickými pohyby. Zpracování opakujících se přechodných změn síly zpravidla vyžaduje větší metabolickou aktivitu než vytváření a řízení statické síly. Existuje korelace mezi úrovní síly a kortikálními změnami v neuronální síti v kontralaterálním M1 a předním mozečku.

Většina studií se týká horní končetiny. Pokud je nám známo, pouze studovaná oblast dolní končetiny v izometrické úrovni síly. Jedna se týká nervových korelátů kontroly točivého momentu kvadricepsu u pacientů s chronickou obstrukční plicní nemocí a druhá se týká izometrických kontrakcí s dorziflexorem kotníku u zdravých kontrol.

fMRI a TEP jsou vysoce citlivé na pohybové artefakty a nejsou vhodné pro dynamické proximální klouby nebo studie chůze. fNIRS je méně citlivý na pohybové artefakty a umožnil četné studie chůze za přirozenějších podmínek u kontrol nebo pacientů. fMRI a fNIRS jsou založeny na fyziologických principech neurovaskulárního spojení, což je proces, kterým aktivní oblasti mozku indukují lokální zvýšení průtoku krve, aby odpovídaly jejich energetickým nárokům prostřednictvím dilatace kapilár a arteriol. fMRI měří reakci závislou na hladině kyslíku v krvi (BOLD) odpovídající poměru oxy a deoxy-hemoglobinu. Tyto dvě části hemoglobinu však nejsou jednotlivě měřeny pomocí fMRI. Naopak, fNIRS měří dva druhy hemoglobinu odděleně. Během této neurovaskulární vazby je množství dodávaného kyslíku typicky větší než množství spotřebované lokálně, což má za následek podstatné zvýšení HbO2 a mírné snížení HbR v oblasti.

Mnoho studií fNIRS o chůzi zaznamenalo hemodynamické variace v prefrontálním kortexu s paradigmatem duálních úloh. Jen málo studií se týkalo motorické kůry.

V posledních letech se vedle klasické rehabilitace využívá i roboticky asistovaná rehabilitace. Nabízí příležitosti pro včasné, intenzivní, úkolově specifické řízení s multismyslovou stimulací, která je považována za nejúčinnější pro podporu neuroplasticity. Literatura uvádí, že robotická rehabilitace zvyšuje schopnost chůze pacientů, rychlost chůze, svalovou sílu dolních končetin, délku kroku a symetrii chůze. Neurofyziologické základy roboticky asistované rehabilitace však zůstávají málo známé. Použití exoskeletu umožňuje řídit procento poskytované pomoci. V této studii u zdravých jedinců navrhují výzkumníci studovat aktivaci mozku v motorických oblastech při chůzi v exoskeletu. Studují se čtyři úrovně síly: celková pomoc (A100 %), částečná pomoc (A50 %), žádná pomoc (A0 %) a odolnost 25 % (R25 %) vůči chůzi z exoskeletu. Vyšetřovatelé předpokládají, že úroveň aktivace mozku měřená pomocí fNIRS se bude zvyšovat s úsilím vyvíjeným subjekty.