Exoskelett und Gehirnaktivität mit fNIRS (ExoNIRS)

Ein wichtiges Ziel der Motorsystem-Neurowissenschaften ist es zu charakterisieren, wie neuronale Aktivität im Gehirn Bewegungsparameter wie Kraft, Geschwindigkeit, Bewegungsfrequenz oder Bewegungsrichtung vermittelt. Die neuronale Kodierung von Kraft wurde bei Tieren und Menschen mit TEP , fMRI , funktioneller Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS), EEG oder Magnetstimulation untersucht.

Elektrophysiologische Studien an nichtmenschlichen Primaten zeigten eine Korrelation zwischen neuronalen Entladungsraten in mehreren Regionen des kontralateralen motorischen Kortex und der Amplitude der ausgeübten Kraft.

Beim Menschen bestätigten Studien mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) den Zusammenhang zwischen zunehmender neuronaler Aktivierung und zunehmender Kraftamplitude in den kontralateralen primären motorischen/somatosensorischen (M1/S1) Kortizes, dem ergänzenden motorischen Bereich (SMA) und dem prämotorischen Kortex. Auch der ipsilaterale motorische Kortex könnte zur Kraftkodierung beitragen. Es gibt auch Hinweise darauf, dass die Basalganglien-Thalamo-Kortikal-Schleife an der Regulation der Kraftkontrolle beteiligt ist. Der innere Teil des Globus pallidus (GPi) und des Nucleus subthalamicus (STN) zeigte einen positiven Anstieg der prozentualen Signaländerung mit zunehmender Kraft, und die ventralen Thalamusregionen wurden ebenfalls auf die gleiche Weise impliziert. In jüngerer Zeit bestätigten Studien mit fNIRS die Beziehung zwischen Kraftniveau und zerebraler Aktivierung in der kontralateralen und ipsilateralen Hemisphäre.

Die meisten Humanstudien betrafen isometrische statische Aufgaben. Nur wenige Studien berücksichtigten dynamische Bewegungen. In der Regel erfordert die Verarbeitung sich wiederholender transienter Kraftänderungen mehr metabolische Aktivität als die Erzeugung und Steuerung einer statischen Kraft. Es besteht eine Korrelation zwischen dem Kraftniveau und kortikalen Veränderungen innerhalb des neuronalen Netzwerks im kontralateralen M1 und im vorderen Kleinhirn.

Die meisten Studien betreffen die obere Extremität. Unserer Kenntnis nach betreffen nur die unteren Extremitäten ein isometrisches Kraftniveau. Eines betrifft die neuronalen Korrelate der Quadrizeps-Drehmomentkontrolle bei Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung und das andere betrifft isometrische Kontraktionen mit dem Fußheber des Sprunggelenks bei gesunden Kontrollpersonen.

fMRT und TEP sind sehr empfindlich gegenüber Bewegungsartefakten und nicht für dynamische Proximalgelenke oder Gangstudien geeignet. fNIRS ist weniger empfindlich gegenüber Bewegungsartefakten und hat zahlreiche Studien zum Gehen unter natürlicheren Bedingungen bei Kontrollen oder Patienten ermöglicht. fMRI und fNIRS basieren auf den physiologischen Prinzipien der neurovaskulären Kopplung, dem Prozess, bei dem aktive Hirnregionen über die Erweiterung von Kapillaren und Arteriolen eine lokale Erhöhung des Blutflusses induzieren, um ihren Energiebedarf zu decken. fMRI misst die Blutsauerstoffspiegel-abhängige (BOLD) Reaktion, die dem Verhältnis von Oxy- zu Desoxy-Hämoglobin entspricht. Allerdings werden die beiden Teile des Hämoglobins nicht einzeln mit fMRI gemessen. Im Gegensatz dazu misst fNIRS die beiden Hämoglobinarten separat. Während dieser neurovaskulären Kopplung ist die zugeführte Sauerstoffmenge typischerweise größer als die lokal verbrauchte, was zu einem erheblichen Anstieg des HbO2 und einer leichten Verringerung des HbR in der Region führt.

Viele der fNIRS-Studien zum Gang erfassten hämodynamische Variationen im präfrontalen Kortex mit dem Dual-Tasks-Paradigma. Nur wenige Studien betrafen den motorischen Kortex.

In den letzten Jahren wurde neben der konventionellen Rehabilitation auch die robotergestützte Rehabilitation eingesetzt. Es bietet Möglichkeiten für ein frühes, intensives, aufgabenspezifisches Management mit multisensorischer Stimulation, die als die effizienteste zur Förderung der Neuroplastizität gilt. Die Literatur legt nahe, dass die Roboterrehabilitation die Gehfähigkeit der Patienten, die Gehgeschwindigkeit, die Muskelkraft der unteren Extremitäten, die Schrittlänge und die Gehsymmetrie verbessert. Die neurophysiologischen Grundlagen der robotergestützten Rehabilitation sind jedoch noch wenig bekannt. Die Verwendung eines Exoskeletts ermöglicht es, den Prozentsatz der bereitgestellten Hilfe zu kontrollieren. In dieser Studie an gesunden Probanden schlagen die Forscher vor, die Gehirnaktivierung in motorischen Regionen beim Gehen in einem Exoskelett zu untersuchen. Es werden vier Kraftstufen untersucht: vollständige Hilfe (A100 %), teilweise Hilfe (A50 %), keine Hilfe (A0 %) und Widerstand von 25 % (R25 %) beim Gehen vom Exoskelett. Die Forscher gehen davon aus, dass das Niveau der durch fNIRS gemessenen Gehirnaktivierung mit der Anstrengung der Probanden zunehmen wird.