Mobilní platforma pro zobrazování mozku a těla k hodnocení a optimalizaci rehabilitačních robotických chůzových terapií po cévní mozkové příhodě (COBI)

Pro dosažení efektivní mobility náš mozek dynamicky rekrutuje různé svalové podskupiny, aby vytvořil pohybové strategie, které nám umožňují pohybovat se a interagovat s prostředím. Naše schopnost pohybu je výsledkem interakcí zahrnujících procesy jako motivace, adaptace na změny v prostředí (např. zvládání změn terénu), rozptýlení (např. chůze při telefonování) stejně jako motorické plánování a provádění. Tyto interakce se projevují prostřednictvím komplexní kontroly parametrů chůze včetně rychlosti, rytmičnosti a sekvencování svalových koaktivací, stejně jako posturálních úprav potřebných k vyrovnání se s výzvami vnějších událostí. Pro aktivní chování a posturální kontrolu je synergicky zapotřebí správná informace ze všech zapojených senzorických systémů.

Široká škála příčin, jako neurologické poškození, dopravní nehody a stárnutí, je zodpovědná za lokomoční deficity, které výrazně snižují kvalitu života tím, že značně omezují každodenní nezávislost. Cévní mozková příhoda je celosvětově druhou nejčastější příčinou úmrtí, přičemž v roce 2012 bylo zaznamenáno 6,7 milionu případů a odhaduje se, že 50 % přeživších trpí trvalými motorickými nebo kognitivními poruchami. Hemiparéza, jeden z nejčastějších následků cévní mozkové příhody, je hlavní příčinou dlouhodobého postižení a často vede k poruchám rovnováhy a "poklesu nohy" (foot drop), který se vyznačuje neschopností úplně zvednout prsty ze země během fáze kmitu chůze u více než 80 % přeživších po cévní mozkové příhodě. Cévní mozková příhoda snižuje schopnost rekrutovat svaly a správně vnímat tělo, což často vede k naučenému nevyužívání postižené části těla. Snížená kapacita zpracování informací po cévní mozkové příhodě narušuje schopnost efektivně rozdělovat pozornost na dva nebo více úkolů (duální úkol), s větší obtížností při každodenních činnostech vyžadujících současné provádění více úkolů (např. chůze a mluvení).

Protože jsou senzomotorické zpracovací schopnosti narušeny, pacienti nejsou schopni volně interagovat s prostředím, protože veškerá jejich mentální energie je "zabrána" prostým aktem pokládání jedné nohy za druhou. Nemají "mentální kapacitu", kterou běžně považujeme za samozřejmost a která nám například umožňuje vést příjemný rozhovor s ostatními lidmi, kteří s námi jdou. Ve skutečnosti kvůli ztrátě fyzické a mentální kapacity za podmínek duálního úkolu přeživší po cévní mozkové příhodě často zažívají pády, což vede k nedostatku sebedůvěry, úzkosti a v některých případech až k agorafobii. Také pravděpodobně zažívají sníženou motivaci a zapojení do léčby, což často spirálovitě směřuje k začarovanému kruhu škodlivému pro úspěch jakékoli pokusné rehabilitační terapie.

Porucha chůze je považována za jeden z nejzávažnějších invalidizujících následků cévní mozkové příhody, protože jedním z primárních cílů pacientů je schopnost chodit a zvládat každodenní činnosti nezávisle. Cévní mozková příhoda vyvolává změny v lokomoci, což je primární prostředek každodenního zvládání mobility. Rehabilitace chůze je tedy primárním cílem rehabilitace po cévní mozkové příhodě, zejména vzhledem k její úzké souvislosti s kognitivní poruchou. Vzhledem k neustálému nárůstu lidí vyžadujících každoročně rehabilitační nebo pomocnou léčbu a stále rostoucímu výběru dostupných léčebných postupů je hodnocení a vývoj vhodných personalizovaných strategií pro řešení poruch chůze nyní naléhavou prioritou.

Bohužel, výsledky rehabilitace jsou často nejisté, protože jsou spojeny s motivací, zapojením a pozorností. Zapojení pacientů totiž určí účinnost terapie pro zapojení motorického učení (tj. rozpoznání rozdílu mezi skutečnými a očekávanými výsledky během učení řízeného chybou), což je nezbytný předpoklad pro adaptaci (tj. úpravu pohybu, pokus po pokusu, na základě zpětné vazby o chybě).

Stručně řečeno, rehabilitace musí být prováděna způsobem uzavřené smyčky, kde jsou pacienti aktivně zapojeni do rehabilitační terapie nebo dokonce mají určitou míru kontroly nad ní, zatímco dostávají zpětnou vazbu a "odměny", které mohou podporovat senzomotorickou integraci a multisenzorické zpracování v centrálním nervovém systému (CNS). Rehabilitace působí na mechanismy mozkové plasticity, tedy vnitřní schopnosti mozku reagovat jako vysoce dynamický systém, který může měnit vlastnosti svých neuronových okruhů. Reorganizace přežívajících prvků CNS podporuje behaviorální zotavení, například prostřednictvím změn v interhemisférické lateralizaci, aktivitě asociačních kortexů spojených s poškozenými zónami a organizaci kortikálních reprezentačních map. Rehabilitace s lidským článkem v smyčce, působením na mechanismy učení založeného na chybě a odměně, může směrovat reorganizaci mnohem efektivněji směrem ke zvýšení reprezentace senzomotorických map, částečně (pokud ne úplně) ztracených po cévní mozkové příhodě.

Konvenční pohybová rehabilitace je založena hlavně na přímém pozorování a mobilizaci dolních končetin terapeuty, následované asistovanou chůzí po zemi, buď pasivní nebo aktivní, s použitím kontextově specifických motorických úkolů a související zpětné vazby. V "neurofyziologických" technikách fyzioterapeut, na základě neurofyziologických znalostí principů chůze, působí jako "řešitel problémů" a "rozhodovatel", přičemž pacient je pasivním příjemcem. Naproti tomu v technikách "motorického učení" je vyžadováno aktivní zapojení pacienta spolu s neuropsychologickým hodnocením. Pro zvýšení zapojení pacientů, standardizace a účinnosti terapie mohou být použity obohacené neurofyziologické léčby motorického učení, které zahrnují robotické asistenční pomůcky (exoskeletony).

Během posledních 20 let byl navržen ohromný počet kombinací obohacených a konvenčních léčebných postupů, aby se zvýšila motivace pacientů interaktivní biologickou zpětnou vazbou nebo poskytnutím pacientům určité míry kontroly nad asistenčními robotickými zařízeními. Přestože probíhá intenzivní debata o zásluhách každého řešení, stále však není dostatek důkazů, které by jasně ukázaly, který přístup je nejúčinnější (a co je nejdůležitější, proč) při podpoře zotavení chůze po cévní mozkové příhodě. Ve skutečnosti nám stále chybí znalosti potřebné k nejlepšímu možnému využití takové technologie ve vztahu k individuálnímu stavu pacienta, zejména v případě rehabilitace chůze.

V posledních letech získala metoda Mobile Brain/Body Imaging (MoBI) na popularitě ve vědecké komunitě jako vznikající paradigma pro společné studium mozku a chování, a zejména lokomoce, také mimo laboratorní podmínky. MoBI může být použita k poskytnutí klinikovi užitečných informací pro hodnocení rehabilitačního pokroku "zakódováním" neuronálních korelátů chůze prostřednictvím hodnocení konektivity mozek-sval během pohybu, nikoli před/po úkolu jako v současné praxi. MoBI v reálném čase může být také použita k dekódování pacientova úmyslu pohybu, na základě kterého se provádí podání stimulu (např. prostřednictvím FES, exoskeletonů atd.), čímž se zvyšuje zapojení a podporuje plastická reorganizace. Úspěšný vývoj MoBI uspořádání je však stále technologickou výzvou. Neurozobrazovací techniky buď nejsou přenosné (např. magnetická rezonance, magnetoencefalografie), nebo postrádají časové rozlišení nezbytné pro zachycení téměř okamžitých modulací neuronální aktivity během lokomoce (např. funkční spektroskopie v blízké infračervené oblasti - fNIRS) kvůli rychlosti změny fyziologického markeru, který používají (např. hladina kyslíku v krvi pro fNIRS). Elektroencefalografie (EEG) je jedinou technikou, která je dostatečně přenosná, neinvazivní a s časovým rozlišením nezbytným pro detekci i takových modulací mozkové aktivity během chůze. EEG je však vysoce citlivé na pohybové artefakty a vyžaduje řešení klíčových technologických výzev a vývoj komplexních a často odrazujících analytických postupů. V každém případě, MoBI s EEG, ačkoli náročné, není nemožné: dosud několik autorů ukázalo intra-krokové vzorce aktivace a deaktivace související s fází chůze, např. také demonstrujících směrovou vazbu mezi senzomotorickými kortikálními oblastmi a svaly nohou během stereotypní chůze, ale studie rehabilitace chůze s neuromuskulárním hodnocením MoBI v přirozených ekologických podmínkách stále kriticky chybí. Také zůstává následující technická/vědecká otázka: "jak můžeme odlišit pohybem související neuronální aktivitu od pohybových a mechanických artefaktů? Atalante X: disruptivní nositelný poháněný kobot. Je to kolaborativní exoskelet, který umožňuje pacientům s těžkou poruchou chůze, včetně těch s dysfunkcí horních končetin nebo kognitivními výzvami, postavit se a chodit bez použití rukou; je to jediný kobot vybavený 12 motory na úrovni kyčle, kolena a kotníku, který umožňuje člověku přeměnit úmysl pohybu na skutečný pohyb.

Projekt si klade za cíl optimalizovat špičková hi-tech řešení ATALANTE X personalizací rehabilitační léčby chůze pacientů po cévní mozkové příhodě pomocí:

1. Charakterizace kognitivní flexibility pacienta pomocí systému Dessintey. Dessintey je unikátní technologie věnovaná motorickému plánování a centrální kontrole pohybu založená na tréninku vizuomotorické simulace, který kombinuje přístupy Pozorování akce-Motorická imaginace-Zrcadlová terapie. Ve skutečnosti pokaždé, když je pohyb pozorován, mozek okamžitě a bez námahy simuluje tento stejný pohyb; tímto způsobem je možné zvýšit představivost a vnímání těla.
2. Sledování a hodnocení interakce člověk-kobot pomocí disruptivních dynamických neuronových biomarkerů EEG-EMG s využitím Mobile Brain/Body Imaging (MoBI)