Eksoskelet og hjerneaktivitet med fNIRS (ExoNIRS)

Et vigtigt mål for motoriske systemer neurovidenskab er at karakterisere, hvordan neural aktivitet i hjernen medierer bevægelsesparametre som kraft, hastighed, bevægelsesfrekvens eller bevægelsesretning. Den neurale kraftkodning er blevet undersøgt hos dyr og mennesker med TEP , fMRI , funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS), EEG eller magnetisk stimulering.

Elektrofysiologiske undersøgelser i ikke-menneskelige primater viste en sammenhæng mellem neuronale udledningshastigheder i flere områder af den kontralaterale motoriske cortex og udøvet kraftamplitude.

Hos mennesker bekræftede undersøgelser af funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) sammenhængen mellem stigende neuronal aktivering og stigende kraftamplitude i de kontralaterale primære motoriske/somatosensoriske (M1/S1) cortex, supplerende motorområde (SMA) og præmotorisk cortex. Den ipsilaterale motoriske cortex kunne også bidrage til force codage. Der er også tegn på, at den basale ganglia-thalamo-corticale loop deltager i reguleringen af ​​kraftkontrol. Den indre del af globus pallidus (GPi) og subthalamisk nucleus (STN) havde en positiv stigning i procentvis signalændring med stigende kraft, og de ventrale thalamusregioner blev også impliceret på samme måde. For nylig bekræftede undersøgelser med fNIRS forholdet mellem kraftniveau og cerebral aktivering i kontralateral og ipsilateral hemisfære.

De fleste af de menneskelige undersøgelser vedrørte isometriske statiske opgaver. Kun få undersøgelser overvejede dynamiske bevægelser. Som regel kræver behandlingen af ​​gentagne forbigående kraftændringer mere metabolisk aktivitet end generering og kontrol af en statisk kraft. Der er en sammenhæng mellem kraftniveauet og kortikale ændringer i det neuronale netværk i kontralaterale M1 og anterior cerebellum.

De fleste undersøgelser vedrører overekstremiteterne. Så vidt vi ved kun til undersøgt, vedrører underekstremiteterne i et isometrisk kraftniveau. Den ene vedrører de neurale korrelater af quadriceps momentkontrol hos patienter med kronisk obstruktiv lungesygdom, og den anden vedrører isometriske sammentrækninger med ankel dorsiflexor hos raske kontroller.

fMRI og TEP er meget følsomme over for bevægelsesartefakter og ikke egnede til dynamiske proksimale led eller gangstudier. fNIRS er mindre følsom over for bevægelsesartefakter og har tilladt adskillige undersøgelser af at gå under mere naturlige forhold hos kontroller eller patienter. fMRI og fNIRS er baseret på de fysiologiske principper for neurovaskulær kobling, den proces, hvorved aktive hjerneregioner inducerer en lokal stigning i blodgennemstrømningen for at matche deres energibehov via udvidelsen af ​​kapillærer og arterioler. fMRI måler blodets iltniveauafhængige (BOLD) respons svarende til forholdet mellem oxy og deoxyhæmoglobin. De to dele af hæmoglobin er dog ikke individuelt målt med fMRI. Tværtimod måler fNIRS de to hæmoglobinarter hver for sig. Under denne neurovaskulære kobling er mængden af ​​tilført ilt typisk større end den, der forbruges lokalt, hvilket resulterer i en væsentlig stigning i HbO2 og en lille reduktion i HbR i regionen.

Mange af fNIRS-undersøgelserne om gangart registrerede hæmodynamiske variationer i den præfrontale cortex med dobbeltopgavers paradigme. Kun få undersøgelser vedrørte den motoriske cortex.

De seneste år er robotassisteret genoptræning blevet brugt udover konventionel genoptræning. Det giver muligheder for tidlig, intensiv, opgavespecifik ledelse med multisensorisk stimulering, der anses for at være den mest effektive til at fremme neuroplasticitet. Litteratur tyder på, at robotrehabilitering øger patienternes gangevne, ganghastighed, muskelstyrke i underekstremiteterne, skridtlængde og gangsymmetri. De neurofysiologiske grundlag for robotassisteret rehabilitering er dog stadig dårligt kendt. Brugen af ​​et eksoskelet gør det muligt at kontrollere procentdelen af ​​ydet bistand. I denne undersøgelse af raske forsøgspersoner foreslår forskerne at studere hjerneaktivering i motoriske områder, når de går i et eksoskelet. Fire styrkeniveauer studeres: total hjælp (A100%), delvis hjælp (A50%), ingen hjælp (A0%) og modstand på 25% (R25%) mod at gå fra eksoskeletet. Efterforskerne antager, at niveauet af hjerneaktivering målt af fNIRS vil stige med den indsats, som forsøgspersonerne yder.