Visuomotorische Prothese für Lähmungen

Das Ziel der vorgeschlagenen Forschung ist es, wissenschaftliche Erkenntnisse über visuomotorische Transformationen im posterioren parietalen Kortex (PPC) und im primären motorischen Kortex (M1) von Tetraplegikern in einer klinischen Studie zu erhalten, um die Entwicklung neuraler Prothesen voranzutreiben. Wir haben in klinischen Studien, die in den letzten 6 Jahren durchgeführt wurden, gezeigt, dass PPC neuronale Prothesen zur Unterstützung von Tetraplegikern steuern kann. Andere Gruppen haben sich auf M1 konzentriert und finden ebenfalls Kontrolle für neurale Prothetik. In unseren PPC-Studien haben wir festgestellt, dass es neben Bahnsignalen zur Bewegung von Robotergliedern oder zur Steuerung von Computercursoren eine Fülle von visuomotorischen Signalen gibt, die beabsichtigte Bewegungen des größten Teils des Körpers, Bewegungsziele, kognitive Strategien und sogar Gedächtnissignale darstellen. Unsere zentrale Hypothese ist, dass PPC und M1 visuomotorische Parameter sowohl auf ähnliche als auch auf unterschiedliche Weise codieren werden und dass Algorithmen entwickelt werden können, um diese Signale aus den beiden Bereichen zu nutzen, die sich ergänzen, um die Reichweite und Leistung der Prothese zu verbessern. Implantate werden sowohl in M1 als auch in PPC hergestellt, was eine gleichzeitige Aufzeichnung bei denselben Probanden ermöglicht, was die Bedenken hinsichtlich des Vergleichs von Daten aus verschiedenen Labors erhöht, die bei verschiedenen Personen mit unterschiedlichen Implantaten und unterschiedlichen Aufgaben gesammelt wurden.

Diese zentrale Hypothese wird in zwei großen Zielen getestet, für die wir umfangreiche vorläufige Daten haben. Ziel 1 untersucht die Kontrolle des Körpers durch die beiden Bereiche. Es wird angenommen, dass M1 eine starke Spezifität für die kontralaterale Extremität zeigt (Implantate werden im Handknauf gemacht), während PPC Bewegungen für den größten Teil des Körpers und sowohl auf der kontra- als auch auf der ipsilateralen Seite kodiert, indem es seine teilweise gemischte Kodierung von Parametern nutzt (subaim 1a). Während angenommen wird, dass M1 räumliche Variablen ausschließlich während versuchter oder eingebildeter Handlungen codiert, wird angenommen, dass PPC auch kognitive räumliche Variablen in aufgabenspezifischen Referenzrahmen codiert (Subaim 1b). In Teilziel 1c werden wir untersuchen, wie mehrere Körperteile in Bewegungsdarstellungen kombiniert werden, wobei wir die Hypothese aufstellen, dass M1 und PPC eine Vielzahl von Mechanismen verwenden, einschließlich linearer Summierung, nichtlinearer Kombinationen und Bewegungsunterdrückung, die sich auf unterschiedliche Weise als Funktion des Gehirnbereichs ausdrücken und der spezifische Bewegungssatz.

Ziel 2 untersucht die zeitlichen Aspekte der Kodierung in den beiden Bereichen. In Teilziel 2a prüfen wir die Hypothese, dass die neuronale Dynamik während anhaltender Bewegungsphasen in beiden Bereichen weitgehend unverändert ist. In Teilziel 2b stellen wir die Hypothese auf, dass M1 bei sequentiellen Bewegungen nur die laufende Bewegung kodiert, während PPC sowohl die aktuelle als auch die nachfolgenden Bewegungen kodiert. Abschließend untersuchen wir in Teilziel 2c die Codierung der Bewegungsgeschwindigkeit mit der Hypothese, dass es sowohl in M1 als auch in PPC getrennte Unterräume für Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit gibt.