Wirkung von Brain-Computer-Interfaced-Assisted Motor Imagery für die Gangumschulung bei Schlaganfallpatienten

In der ersten Studie schlagen wir 20 Probanden vor, die ihren ersten hämorrhagischen oder ischämischen subkortikalen Schlaganfall mit Beeinträchtigung der unteren Extremitäten mehr als 9 Monate vor Studieneinschluss erlitten haben. Die Probanden werden aus den bestehenden Patienten der Patientenkohorte des Studienarztes und aus Überweisungen von behandelnden Ärzten rekrutiert. Während des ersten Screening-Besuchs wird festgestellt, dass der Proband die Kriterien für die Teilnahme erfüllt, und die Einwilligung nach Aufklärung wird vom Studienpersonal eingeholt. Die Probanden werden ausführlich über das experimentelle Verfahren, die damit verbundenen Risiken und Vorteile sowie ihre Verantwortlichkeiten während der Studie informiert.

Sobald die Einwilligung erteilt wurde, werden die Probanden einer MI-BCI-Usability-Sitzung unterzogen, sie werden bequem vor einem Computerbildschirm sitzen. Eine EEG-Haube wird bequem über dem Kopf des Subjekts getragen, um EEG-Spuren aller aktivierten kortikalen Bereiche aufzuzeichnen. Die Probanden werden dann angewiesen, eine mentale Vorstellungsaufgabe durchzuführen, bei der sie sich vorstellen, wie sie mit ihrem betroffenen Bein richtig gehen. Die Genauigkeiten bei der Klassifizierung korrekter motorischer Bilder aus dem Ruhezustand aus dem EEG werden für jeden Probanden aufgezeichnet. Probanden, die eine Genauigkeit von mehr als 57,5 ​​% erreichen, gelten als geeignet für das MI-BCI-Schulungsprogramm. Probanden, die für das MI-BCI-Training in Frage kommen, werden dann einer Reihe von funktionellen Bewertungen unterzogen, darunter (1) funktionelle klinische Messungen (10-Meter-Gehtest und Up-to-Go-Test), (2) Ganganalyse, (3) Bewertung der kortikalen Aktivität unter Verwendung von TMS und (4) MRT- und DTI-Scan. (5) Psychologische Tests, einschließlich Beck-Depressions-Inventar, Ermüdungsschwere-Skala, digitaler Span-Test. Vor Beginn des MI-BCI-Trainings durchlaufen die Probanden eine weitere MI-BCI-Kalibrierungssitzung, die genau wie die BCI-Usability-Sitzung durchgeführt wird, um wertvollere Daten für die Analyse zu sammeln. Nach Abschluss aller 5 Bewertungen und der MI-BCI-Kalibrierungssitzung kann das MI-BCI-Training mit einer Frequenz von 3 Mal pro Woche begonnen werden, das 4 Wochen dauert. Das Verfahren des MI-BCI-Trainings ist identisch mit dem in der BCI-Usability-Sitzung, außer dass eine Zeichentrickfigur auf dem Computerbildschirm aktiviert wird, um vorwärts zu gehen, wenn die Probanden erfolgreich eine genaue mentale Vorstellung ausführen. Probanden, die sich einem MI-BCI-Training unterziehen, müssen insgesamt 160 MI-Versuche mit zugewiesenen Ruhezeiten (5 Minuten) alle 40 Versuche durchführen. Jede Sitzung dauert ca. 45 Minuten ohne Aufbauzeit. Die Häufigkeit, mit der die Probanden die MI-Aufgabe erfolgreich ausführen können, und die Leichtigkeit, mit der sie die Aufgabe ausführen können, werden aufgezeichnet. Deutliche Gehirnsignale wie ereignisbezogene Desynchronisation oder Synchronisation (ERD/ERS) sind im EEG sowohl für reale als auch für imaginäre motorische Bewegungen bei gesunden Probanden nachweisbar. Mit dieser Technik bietet MI-BCI, das die Vorstellung von Bewegungen in Online-Befehle übersetzt, ein vielversprechendes neuronales Kommunikationssystem für Schlaganfallpatienten mit motorischen Behinderungen. Wir haben zuvor mit I2R-A*STAR BCI zusammengearbeitet, um eine kundenspezifische BCI-Software zur Synchronisierung mit einem EEG-Verstärker zu entwickeln. Wir haben die Wirksamkeit dieses speziell angefertigten MI-BCI-Geräts bei Schlaganfallbeeinträchtigungen der oberen Extremitäten demonstriert, daher bleiben das verwendete Verfahren und die verwendete Ausrüstung identisch, mit Ausnahme der Softwareschnittstelle, die eine Zeichentrickfigur auf dem Bildschirm anzeigt. Die Probanden werden am Ende des 4-wöchigen MI-BCI-Trainings bzw. 4-6 Wochen nach der letzten Sitzung des MI-BCI-Trainings erneut denselben fünf Bewertungen unterzogen, einschließlich (1) funktioneller klinischer Ergebnismessungen (10-Meter-Gehtest). und Up-to-Go-Test), (2) Ganganalyse, (3) Bewertung der kortikalen Aktivität mit TMS und (4) MRI und DTI. (5) Psychologische Tests, einschließlich Beck-Depressions-Inventar, Ermüdungsschwere-Skala, digitaler Span-Test.

Der zeitgesteuerte Up-and-Go-Test ist ein Maß für die Mobilität. Es umfasst eine Reihe von Aufgaben wie Aufstehen aus einer sitzenden Position, Gehen, Drehen, Anhalten und Hinsetzen. Für den Test wird die Person gebeten, von einem Standardstuhl aufzustehen und eine Strecke von etwa 3 Metern zu gehen, sich umzudrehen und zurück zum Stuhl zu gehen und sich wieder hinzusetzen. Der 10-Meter-Gehtest ist ein Test der Gehgeschwindigkeit. Der zeitgesteuerte Up-to-Go-Test und der 10-Meter-Gehtest werden von einem zertifizierten Physiotherapeuten oder geschultem Forschungspersonal bewertet und dauern ungefähr 30 Minuten, einschließlich der Vorbereitungszeit.

Die Ganganalyse ist die systematische Untersuchung der Fortbewegung. Es wird in NUH von einem zertifizierten Medizintechniker oder einem ausgebildeten Forschungspersonal durchgeführt. Die Probanden müssen Shorts tragen, und der gesamte Prozess kann für die zukünftige Analyse der Bewegungsqualität der Probanden auf Video aufgezeichnet werden (das Gesicht wird nicht erfasst und die Zustimmung wird im Voraus eingeholt). Markierungen können an verschiedenen Bezugspunkten des Körpers getragen werden, wie z. B. den Darmbeinstacheln des Beckens, dem Fußknöchel und den Kondylen des Knies. Elektromyographie (EMG)-Sensoren können im Bereich des Quadrizeps femoris, der Oberschenkelmuskulatur, des Gastrocnemius und der Tibialis anterior-Muskeln für beide Beine getragen werden. Gangparameter von zeitlichen und räumlichen Messungen und Gelenkkinematik werden aufgezeichnet, während der Proband den Gehweg mit einer Kraftplattform entlanggeht, gemäß den Anweisungen des Medizintechnikers oder des geschulten Forschungspersonals. Jede Sitzung dauert ca. 1 Stunde inklusive Aufbauzeit.

TMS wird durchgeführt, um die Mechanismen dieses Trainings zur kortikalen Plastizität zu untersuchen, die durch kortikale Erregbarkeitsänderungen indiziert werden. Für die MEP-Studie werden wir zunächst die TMS-Intensität anpassen, um vor dem Eingriff eine MEP-Basislinie im Tibialis-anterior-Muskel des Beins auf etwa 1 mV Spitze-zu-Spitze-Amplitude zu erreichen. Die Stimulationsintensität wird für jeden Probanden während der gesamten Studie konstant gehalten. Die Abgeordneten werden zur Offline-Analyse in einem Computer aufgezeichnet. Wir werden jeweils 10 Abgeordnete aufzeichnen und ihre Spitze-zu-Spitze-Amplitude mitteln. Für die gepaarte Impulsstimulation wird ein erster unterschwelliger konditionierender Stimulus angewendet, gefolgt von einem zweiten überschwelligen Stimulus in einem variablen Interstimulus-Intervall (ISI). Wir werden die folgenden ISIs verwenden - 2, 3, 4, 6, 9, 10, 12, 15 ms. Der Prozentsatz der Veränderung für jeden ISI vor und nach der Behandlung wird von den Abgeordneten berechnet und ist daher wichtig, um Veränderungen in der intrakortikalen Erleichterung und Hemmung zu messen. Jede Sitzung dauert ca. 1 Stunde inklusive Aufbauzeit.

Ein MRT/DTI-Scan wird im CIRC, NUS durchgeführt. Vor dem Scan werden alle Patienten über das Testverfahren und die Sicherheitsaspekte informiert. Ein medizinisch ausgebildeter Arzt wird während des gesamten Verfahrens in Bereitschaft sein. Alle Teilnehmer werden mit einem 3-T-GE-Scanner unter Verwendung einer Standard-Hochfrequenz-Kopfspule gescannt. Die Kopfbewegung wurde durch Schaumstoffpolsterung und Stirnhaltegurte minimiert. Es werden ein T1-gewichteter hochauflösender Scan und eine Reihe von axialen flüssigkeitsgedämpften Inversionserholungsbildern aufgenommen. T1-gewichtete und flüssigkeitsgedämpfte Inversion-Recovery-Bilder werden neu ausgerichtet und räumlich normalisiert in Bilder mit isotroper Voxelgröße, die in Matlab implementiert sind. Jede Sitzung dauert ca. 1 Stunde inklusive Aufbauzeit.

Ein Forschungspersonal wird das Beck Depression Inventory (BDI), die Fatigue Severity Scale (FSS), die Vorwärts- und Rückwärts-Ziffernspanne verwalten, um den verwirrenden Effekt der kognitiven Verbesserung in dieser Studie zu kontrollieren.