Dopamin a mozkové počítačové rozhraní (BCI_LDOPA)

Cílem tohoto výzkumného projektu je zhodnotit účinek dopaminergní modulace na výkonnost BCI u zdravých starších subjektů, abychom pochopili základní neurofyziologické mechanismy. Perspektiva spočívá v aplikaci tohoto přístupu ke zlepšení motorické regenerace po cévní mozkové příhodě.

Cévní mozková příhoda je jednou z nejčastějších příčin poškození motorických funkcí a očekává se, že její prevalence poroste v důsledku stárnutí populace. Pacienti, kteří přežili mrtvici, často zažívají určitou úroveň spontánního zotavení motorických funkcí během akutního stadia a dosáhnou funkčního plató, po kterém je zotavení obecně pomalé nebo stagnující. Je zajímavé, že se objevují důkazy, které naznačují, že terapie založené na rozhraní mozku a počítače (BCI) mohou vyvolat zotavení za touto plošinou.

Farmakologická MRI (phMRI) je nová a slibná metoda ke studiu účinků látek na mozkové funkce, kterou lze nakonec využít k odhalení základních neurobiologických mechanismů, které stojí za účinkem léků. Jako většina zobrazovacích metod představuje pokrok ve vyšetřování mozkových poruch a související funkce neurotransmiterových drah neinvazivním způsobem s ohledem na celkovou neuronální konektivitu.

Navíc poskytuje ideální nástroj pro převod do klinických studií. MRI, i když je stále pozadu ve strategiích molekulárního zobrazování ve srovnání s PET a SPECT, má výhodu v tom, že má vysoké prostorové rozlišení a není potřeba vstřikovat kontrastní činidlo nebo radioaktivně značené molekuly, čímž se vyhne opakované expozici ionizujícímu záření. Funkční MRI (fMRI) se široce používá ve výzkumu a klinickém prostředí, kde je obecně kombinována s psychomotorickým úkolem. phMRI je adaptace fMRI umožňující zkoumání specifického neurotransmiterového systému, jako je dopamin, za fyziologických nebo patologických podmínek po aktivaci podáním specifického náročného léku.

Význam neurotransmiteru dopaminu (DA) pro motorické procesy je již dlouho znám. U pacientů trpících Parkinsonovou chorobou je známo, že nedostatek dopaminu v bazálních gangliích způsobuje silné pohybové deficity.

Nedávné studie naznačují, že DA stimuluje neuronální struktury, které zase ovlivňují rozsáhlé oblasti mozku, a tak přispívá k různým procesům kontroly chování: jak motorickým procesům kontroly pohybu, tak kognitivním procesům v kontextu percepční kategorizace, odměny, motivace a exekutivní kontroly. . Z tohoto důvodu se DA také označuje jako „výukový signál“.

Objevují se důkazy, že DA může být efektivní také při vytváření nových strategií rehabilitace po cévní mozkové příhodě. Aby byla rehabilitační strategie účinná, měla by vést k vytvoření nových motorických vzpomínek, které jsou anatomicky zprostředkovány sítěmi spojujícími dorzolaterální prefrontální kortex, primární motorický kortex, striatum a mozeček. Nové motorické paměti jsou tvořeny a ořezávány procesy synaptické plasticity, jako je LTP a LTD, které vyžadují dopaminergní signalizaci mezi substantia nigra pars compacta a striatálními středními trnitými neurony v putamenu. V motorických smyčkách bazálních ganglií dopaminergní vazba na D1R usnadňuje požadované pohyby, zatímco vazba na D2R inhibuje nežádoucí pohyby.

Kromě své role v motorickém pohonu v rámci bazálních ganglií dopaminergní systém také potencuje vizuomotorickou integraci, což je koordinace percepčních a akčních informací. Na úrovni receptoru jsou D1R kritické pro správnou vizuomotorickou integraci. Tento systém je důležitý pro spojení vizualizovaných informací o prostředí s polohou těla a umožňuje tak optimální plánování a korekci pohybu. Zesílení koordinace motorického pohonu a vizuomotorické integrace prostřednictvím dopaminergní terapie proto může zlepšit zotavení po mrtvici.

Bylo prokázáno, že léky, které zvyšují dostupnost neurotransmiterů centrálního nervového systému (dopamin, noradrenalin, serotonin a acetylcholin), mají usnadňující účinek na neuroplasticitu. S ohledem na to vědci studovali účinky amfetaminů, selektivních inhibitorů zpětného vychytávání serotoninu, donepezilu, psychostimulancií, jako je methylfenidát, a dopaminergních látek na motorické zotavení po mrtvici. Z výše uvedených léků bylo prokázáno, že pouze levodopa zvyšuje indukci plasticity podobné LTP, plasticity závislé na praxi a motorické regenerace po mrtvici u lidských subjektů. Kromě toho má levodopa bezpečný profil vedlejších účinků a není kontrolovanou látkou.

Nejčastějším vedlejším účinkem levodopy je dyskineze, následovaná nevolností, pak halucinacemi a závratěmi. Existuje také určité riziko dyskineze vyvolané levodopou u pacientů s Parkinsonovou chorobou. Tyto závažné vedlejší účinky se však obecně projevují po dlouhodobém (tj. po letech) užívání léku. Kromě toho se odhaduje, že riziko u pacientů s jinými onemocněními, jako je mrtvice, je mnohem nižší. Ve skutečnosti byla levodopa použita v mnoha studiích, které se zaměřují na motorické zotavení u pacientů, kteří přežili mrtvici, bez jakýchkoli zpráv o dyskinezi nebo jiných menších nebo větších vedlejších účincích. "Literatura" dochází k závěru, že léčba levodopou, která přežila mrtvici, pravděpodobně nezpůsobí dyskinezi vyvolanou levodopou, pokud nedojde k komorbidnímu poškození bazálních ganglií nebo Parkinsonově chorobě.

Základem fungování BCI je převod neurální aktivity přímo zaznamenané subjektem do zpětné vazby v reálném čase, aby se trénovaly konzistentní vzorce aktivace mozku spojené se specifickými duševními stavy. Nervovou aktivitu lze detekovat pomocí invazivních (ECoG/iEEG) nebo neinvazivních (EEG, MEG, fMRI v reálném čase nebo NIRS) metod. Většina studií využívá neinvazivní BCI založené na EEG, protože jsou relativně snadno a rychle ovladatelné a mají dobré časové a prostorové charakteristiky, takže je lze bezpečně a efektivně použít k vyvolání funkčních zisků u pacientů po cévní mozkové příhodě s přetrvávajícími motorickými deficity a mohou zvýšit účinnost souběžných nebo souvisejících terapií, a to i poté, co jednotlivci dosáhnou funkčního plató pomocí tradičních terapií.

V současné době je většina BCI, které se zaměřují na obnovu motorických funkcí, založena na motorických zobrazeních (MI). Takové systémy nejsou závislé na skutečných pohybech, ale spíše využívají mentální proces představivosti pohybu. Hlavním důvodem je, že MI vede k aktivaci stejných oblastí mozku jako skutečný pohyb. Problémy, které vznikají s motorickým zobrazením bez jakékoli zpětné vazby, jsou nedostatečná kontrola činnosti a také nedostatek motivace. Pomocí BCI lze motorické snímky měřit v reálném čase, což umožňuje poskytovat subjektu zpětnou vazbu v reálném čase. Kromě toho spojení BCI zařízení s funkční elektrickou stimulací spouštěnou MI (FES) umožňuje resynchronizaci kortikální aktivace, periferní aktivace a senzorické zpětné vazby. Kromě toho některé studie argumentovaly pro zahrnutí virtuální reality pro okamžitou vizuální zpětnou vazbu. Kombinace pozorování akcí založeného na virtuální realitě a zpětné vazby FES může zesílit zlepšení motorických funkcí, protože subjekty interagují s avatarem na obrazovce v reálném čase. Je tedy možné uzavřít okruh: motorické snímky jsou detekovány systémem a FES je aplikován na cílový sval, aby pomohl účastníkovi provést pohyb. Současně avatar provádí přesně stejný pohyb (synchronně s FES), který se zobrazuje na obrazovce účastníka v reálném čase. Kromě provádění fyzického pohybu, který přispívá k úspěchu terapie, jsou tedy oblasti senzorického kortexu aktivovány také synchronně s motorickým zobrazením prostřednictvím aferentních nervových impulsů. To vede ke stimulaci hebbovské plasticity, která říká, že neurony, které jsou opakovaně stimulovány společně, vytvářejí společná spojení. Předpokládá se, že to vyvolává plasticitu závislou na použití a usnadňuje funkční zotavení. Takové posílení centrálních periferních spojení prostřednictvím doplňkových technologií má potenciál zlepšit obnovu motorických funkcí prostřednictvím indukované plasticity závislé na použití a usnadnit funkční obnovu po mrtvici.

Existují důkazy o změnách v aktivaci mozku a funkční konektivitě (FC) u pacientů s mrtvicí, kteří dostávají rehabilitační terapie založené na BCI. Mohou potenciálně vést ke zvýšení FC mezi dolním parietálním lalokem a suplementární motorickou oblastí (SMA), jakož i mezi přední cingulární kůrou a SMA, což pozitivně koreluje se zisky ve Fugl-Meyerově skóre. Navíc bylo pozorováno zvýšení FC mezi ipsilezionálním thalamem a kontralezionálním cingulem, kontralaterálním paracentrálním lalůčkem a bilaterálním precuneem.