Sensomotorische Bildgebung für Gehirn-Computer-Schnittstellen

HINTERGRUND: Ein verbessertes Verständnis der Gehirnstruktur und -funktion hat die Diagnose und Behandlung von neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie, Schlaganfall und Rückenmarksverletzungen (SCI) verbessert. Vor über einem halben Jahrhundert nutzten die bahnbrechenden Studien von Penfield die elektrische Stimulation motorischer und sensorischer Bereiche der Großhirnrinde und enthüllten eine ausgeprägte somatotopische Organisation des Gehirns. Heute werden dieses und zusätzliches Wissen über neuronale Codierungsfunktionen genutzt, um revolutionäre Geräte zu entwickeln, die direkt mit motorischen und sensorischen Neuronen im Gehirn zusammenarbeiten, um funktionelle Verbindungen mit prothetischen und unterstützenden Geräten herzustellen. Diese sogenannten Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) erfordern, dass Elektroden genau in Gehirnbereichen platziert werden, die für die willentliche Steuerung und Empfindung von Gliedmaßenbewegungen verantwortlich sind, insbesondere in den Arm- und Handregionen. Mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) ist es möglich, diese Hirnregionen zu kartieren. Solche Kartierungsstudien sind jedoch bei Personen mit motorischen und sensorischen Beeinträchtigungen schwierig durchzuführen. Menschen mit ALS und SCI haben efferente und afferente Bahnen zwischen dem Kortex und den Gliedmaßen gestört, was es notwendig macht, sich auf verdeckte Techniken wie kinästhetische motorische Bilder zu verlassen, um die sensomotorische Gehirnaktivität abzubilden, um die Platzierung von BCI-Elektroden zu steuern oder die daraus resultierende kortikale Plastizität zu untersuchen vor Verletzungen oder Eingriffen. Herausforderungen im Zusammenhang mit der Kartierung des Gehirns nach einer Verletzung tragen wahrscheinlich zu den sehr unterschiedlichen Berichten über das Ausmaß und die Prävalenz der funktionellen Reorganisation bei, die im Gehirn nach einer Querschnittlähmung auftritt. fMRI ist ein nicht-invasives Werkzeug, das die Messung der motorischen und sensorischen Gehirnaktivität mit minimalem Risiko für die Studienteilnehmer ermöglicht.

BEDEUTUNG: Die Wiederherstellung der Funktion der oberen Extremitäten hat für Personen mit Tetraplegie höchste Priorität. Es wird geschätzt, dass 236.000 bis 327.000 Menschen in den Vereinigten Staaten eine Rückenmarksverletzung haben. Ungefähr 17 % der Querschnittgelähmten haben eine hochgradige Tetraplegie (Verletzung auf Höhe der Halswirbelsäule C1-C4), obwohl dieser Prozentsatz in den letzten Jahren zugenommen hat. Menschen mit hoher Tetraplegie sind die wahrscheinlichste Gruppe, die von einer BCI-gesteuerten Neuroprothetik profitieren, obwohl die in diesem Vorschlag entwickelten verdeckten Kartierungsstrategien verwendet werden könnten, um die sensomotorische Aktivierung und Plastizität bei Personen mit motorischen oder sensorischen Beeinträchtigungen, einschließlich Amputationen, zu untersuchen. Ausgeklügelte, motorisierte Prothesen werden entwickelt, die eine natürliche Bewegung der oberen Extremitäten ermöglichen und über fortschrittliche Wahrnehmungsfähigkeiten verfügen. Menschen mit Tetraplegie möchten die Funktion ihrer eigenen Gliedmaßen mit FES wiederherstellen, aber diese Technologie muss weiter verbessert werden und ersetzt nicht die Empfindung, die möglicherweise immer noch ein BCI erfordert. Während die FES-Forschung und -Entwicklung fortgesetzt wird, könnten Menschen mit Tetraplegie die Vorteile motorisierter Prothesen nutzen, indem sie sie an ihren Rollstuhl montieren. Motorisierte Prothesen können eine Funktion bieten, die mit der einer intakten Extremität vergleichbar ist, aber eine Steuerungsschnittstelle mit hohem Freiheitsgrad ist erforderlich, und BCI ist eine mögliche Lösung.

Funktionelles Neuroimaging kann verwendet werden, um die BCI-Elektrodenplatzierung zu steuern, um bestehende sensomotorische Schaltkreise anzuzapfen. Die bildbasierte Gehirnkartierung ermöglicht auch die Untersuchung der kortikalen Plastizität, die für das Verständnis von maladaptiven kortikalen Veränderungen, die nach Verletzungen oder vorteilhaften Veränderungen infolge von Rehabilitationsmaßnahmen auftreten, nützlich sein könnte. So wie die präoperative Gehirnkartierung helfen kann, Personen zu identifizieren, die am besten für ein BCI geeignet sind, kann die verdeckte Gehirnkartierung bei jemandem mit motorischen und sensorischen Beeinträchtigungen Aufschluss darüber geben, welche Art von Rehabilitationsparadigma am wahrscheinlichsten von Nutzen ist. Der potenzielle Vorteil, die kortikale Plastizität ohne Bewegung oder Empfindung untersuchen zu können, ist weitreichend, da sie auf Patienten mit SCI, Amputation, Schlaganfall, neurodegenerativen Erkrankungen wie amyotropher Lateralsklerose oder anderen sensomotorischen Beeinträchtigungen angewendet werden könnte.