Funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) zur Bewertung der neuronalen Aktivität während der Virtual-Reality-Gehintervention (fNIRS)

Jedes Jahr erleiden schätzungsweise 2,9 Millionen Amerikaner traumatische Hirnverletzungen (TBI), die zu Notaufnahmen, Krankenhausaufenthalten und zum Tod führen. Obwohl es in den ersten Wochen und Monaten nach einer Schädel-Hirn-Trauma viele Behandlungsstrategien gibt, leben Millionen von Menschen mit einer Restbehinderung. Diese chronische Restbehinderung umfasst häufig erhebliche Beeinträchtigungen der funktionellen Fähigkeiten, wie z. B. der Mobilität, sowie ungelöste neurophysiologische Defizite. Da eine bessere Mobilität direkt mit einer verbesserten Lebensqualität und einer stärkeren gesellschaftlichen Teilhabe verbunden ist, sind Interventionen zur Verbesserung der Mobilität bei chronischem Schädel-Hirn-Trauma unerlässlich.

Eine mögliche Intervention, die die Mobilität bei chronischem SHT verbessern könnte, ist Virtual Reality (VR). VR-Systeme sind computerbasierte Anwendungen, die es einer Person ermöglichen, eine simulierte Umgebung in Echtzeit anzuzeigen und dynamisch mit ihr zu interagieren. Es gibt Hinweise darauf, dass VR das motorische Lernen und letztendlich die Neuroplastizität (die Fähigkeit, synaptische Verbindungen als Reaktion auf das Lernen neu zu organisieren) verbessern kann, da VR den Benutzern eine stärkere sensorische Stimulation, eine immersivere Umgebung und Echtzeit-Feedback bietet. VR wurde eingesetzt, um Gleichgewichts- und Mobilitätsdefizite im Zusammenhang mit mehreren neurologischen Erkrankungen, einschließlich Schädel-Hirn-Trauma, zu verbessern. Neuroimaging-Studien haben ergeben, dass VR-Eingriffe verschiedene kortikale Netzwerke aktivieren können, darunter unter anderem den visuellen Kortex, den parietalen Kortex und den prämotorischen Kortex, was sich auf die motorischen Ergebnisse auswirken kann. Craig untersucht seit 2012 die Auswirkungen des VR-Einsatzes bei TBI, als sie eine ortsspezifische Studie zur Bewertung des VR-Gleichgewichtstrainings zu Hause im Vergleich zu einem schriftlichen Heimübungsprogramm durchführten. Wichtig ist, dass beide Interventionen bei Personen mit chronischem Schädel-Hirn-Trauma zu signifikanten Verbesserungen der klinischen Gleichgewichtsmessungen führten, es konnten jedoch keine Unterschiede zwischen den Gruppen festgestellt werden.

Im aktuellen TBIMS-Zuschuss (Traumatic Brain Injury Model Systems) stellte der Forscher die Hypothese auf, dass die Kombination von Laufbandtraining (TT) und VR die kortikale Erregbarkeit erhöhen würde, was gleichzeitig die Aktivierung des neuromuskulären Systems verbessern würde. Anschließend würde diese Intervention das Gehen, das Gleichgewicht und die kognitiven Ergebnisse verbessern – bewertet mit klinischen Goldstandard-Messungen. Es bedarf jedoch weiterer Forschung, um diese Hypothese zu testen und Wissenslücken zu schließen, da die Wirksamkeit von TT + VR nicht nachgewiesen wurde, spezifische „Responder“ auf TT + VR-Interventionen nicht identifiziert wurden und die mit der Reaktion verbundenen plausiblen Mechanismen nicht identifiziert wurden gegründet. Insbesondere haben Studien den Zusammenhang zwischen klinischen Ergebnissen und kortikaler Aktivierung noch nicht untersucht.

Um diese Lücken zu schließen, schlagen die Forscher einen translationalen Forschungsansatz vor. Translationale Forschung integriert Grundlagen- und klinische Wissenschaft, um Erkrankungen wie chronisches Schädel-Hirn-Trauma besser zu verstehen und verbesserte Diagnosen und Behandlungen zu entwickeln, um Genesungsprozesse zu beschleunigen. Hier schlagen die Forscher vor, eine neurowissenschaftliche Methode mit klinischen Interventionen bei Erwachsenen mit chronischem Schädel-Hirn-Trauma zu kombinieren. Konkret planen sie den Einsatz eines tragbaren Neuroimaging-Geräts, der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS), zur Messung der neuronalen Aktivität während einer TT + VR-Intervention, um zukünftige Forschung und klinische Initiativen im Bereich VR zu unterstützen.

fNIRS ist eine Neuroimaging-Technik, die Nahinfrarotlicht verwendet, um Veränderungen der Gehirnaktivität über Proxy-Messungen von sauerstoffhaltigem (HbO) und sauerstofffreiem Hämoglobin (HbR) zu bewerten. Insbesondere wird nach neuronaler Aktivität Sauerstoff aus dem Hämoglobin entzogen, was zu einem sofortigen Anstieg des HbR führt. Als nächstes löst die Sauerstoffreduktion einen Anstieg des lokalisierten zerebralen Blutflusses (CBF) aus – ein Mechanismus, der als neurovaskuläre Kopplung bezeichnet wird. Mit zunehmendem CBF kann eine höhere Konzentration von HbO nachgewiesen werden. Sowohl HbR als auch HbO haben optische Eigenschaften, was bedeutet, dass ihre Konzentrationen mit Licht im nahen Infrarot gemessen werden können. Somit kann fNIRS lokalisierte neuronale Aktivität durch Auswertung von HbR und HbO erkennen, und Erhöhungen der HbO-Konzentrationen spiegeln ortsspezifische Erhöhungen der neuronalen Aktivität wider.

Zusammenfassend soll diese vorgeschlagene Pilotstudie die Machbarkeit der Verwendung tragbarer fNIRS zur Messung der neuronalen Aktivität während einer TT + VR-Intervention bei Erwachsenen mit TBI bewerten. Die Feststellung der Machbarkeit wird es uns ermöglichen, fNIRS in zukünftigen Studien zum Vergleich verschiedener Interventionstypen einzusetzen. Diese Ergebnisse werden die VR-Forschung vorantreiben und das wissenschaftliche Verständnis der klinischen und physiologischen Ergebnisse nach VR-Eingriffen verbessern, was letztendlich die klinische Versorgung beeinflussen wird.