Sensorimotorisk billeddannelse til hjerne-computergrænseflader

BAGGRUND: Avanceret forståelse af hjernens struktur og funktion har forbedret diagnosticering og behandling af neurologiske lidelser såsom epilepsi, slagtilfælde og rygmarvsskade (SCI). For over et halvt århundrede siden brugte de banebrydende undersøgelser af Penfield elektrisk stimulering af motoriske og sensoriske områder i hjernebarken og afslørede en tydelig somatotop organisation af hjernen. I dag bliver denne og yderligere viden om neuronale kodningsfunktioner brugt til at udvikle revolutionerende enheder, der interfacer direkte med motoriske og sensoriske neuroner i hjernen for at etablere funktionelle forbindelser med proteser og hjælpemidler. Disse såkaldte hjerne-computer-grænseflader (BCI'er) kræver, at elektroder placeres præcist i hjerneområder, der er ansvarlige for frivillig kontrol og fornemmelse af lemmerbevægelser, især arm- og håndregionerne. Kortlægning af disse hjerneområder er muligt ved hjælp af funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI). Sådanne kortlægningsundersøgelser er imidlertid vanskelige at udføre hos personer med motoriske og sensoriske funktionsnedsættelser. Mennesker med ALS og SCI har forstyrret efferente og afferente veje mellem cortex og lemmerne, hvilket gør det nødvendigt at stole på skjulte teknikker, såsom kinæstetiske motoriske billeder, for at kortlægge sensorimotorisk hjerneaktivitet for at vejlede BCI-elektrodeplacering eller for at studere kortikal plasticitet, der resulterer i fra skade eller indgreb. Udfordringer forbundet med hjernekortlægning efter skade bidrager sandsynligvis til de vidt forskellige rapporter om omfanget og forekomsten af ​​funktionel reorganisering, der forekommer i hjernen efter SCI. fMRI er et ikke-invasivt værktøj, der giver mulighed for måling af motorisk og sensorisk relateret hjerneaktivitet med minimal risiko for studiedeltagere.

BETYDNING: Genoprettelse af overekstremiteternes funktion er en topprioritet for personer med tetraplegi. Det anslås, at 236.000-327.000 mennesker i USA har en rygmarvsskade. Cirka 17% af personer med SCI har høj tetraplegi (skade på cervikal niveau C1-C4), selvom denne procentdel har været stigende i de senere år. Mennesker med høj tetraplegi er den mest sandsynlige gruppe, der vil drage fordel af BCI-kontrollerede neuroproteser, selvom de skjulte kortlægningsstrategier udviklet i dette forslag kan bruges til at studere sansemotorisk aktivering og plasticitet hos alle med motorisk eller sensorisk svækkelse, herunder amputation. Sofistikerede, motoriserede proteser er ved at blive udviklet, som muliggør naturlig bevægelse af overekstremiteterne og har avancerede sanseevner. Mennesker med tetraplegi vil gerne genoprette funktionen til deres egne lemmer ved hjælp af FES, men denne teknologi har brug for yderligere fremskridt og erstatter ikke fornemmelse, som stadig kan kræve en BCI. Mens FES forskning og udvikling fortsætter, kunne mennesker med tetraplegi drage fordel af motoriserede proteser ved at montere dem på deres kørestol. Motoriserede proteser kan give en funktion, der kan sammenlignes med en intakt lem, men en høj grad af frihedskontrol er nødvendig, og BCI er en mulig løsning.

Funktionel neuroimaging kan bruges til at guide BCI-elektrodeplacering for at udnytte eksisterende sensorimotoriske kredsløb. Billedbaseret hjernekortlægning muliggør også studiet af kortikal plasticitet, hvilket kan være nyttigt til at forstå maladaptive kortikale forandringer, der opstår efter skade eller gavnlige ændringer som følge af rehabiliteringsinterventioner. Ligesom præ-kirurgisk hjernekortlægning kan hjælpe med at identificere personer, der er bedst egnede til en BCI, kan skjult hjernekortlægning hos en person med motoriske og sensoriske svækkelser informere den type rehabiliteringsparadigme, der med størst sandsynlighed vil have en fordel. Den potentielle fordel ved at være i stand til at studere kortikal plasticitet i fravær af bevægelse eller fornemmelse er vidtrækkende, da den kan anvendes på patienter med SCI, amputation, slagtilfælde, neurodegenerative sygdomme som amyotrofisk lateral sklerose eller anden sensorimotorisk svækkelse.