KI-gesteuerte geschlossene Mehrkanal-Elektroden transkutane Rückenmarkstimulation: Echtzeit-Anpassungen für verbesserte motorische Genesung bei Rückenmarksverletzungen (AIM RECOVER) (AIM RECOVER)

Rückenmarksverletzungen (SCI) sind eine schwächende Erkrankung, von der weltweit etwa 20,6 Millionen Menschen betroffen sind, mit einer jährlichen Inzidenz von 0,9 Millionen. In Singapur stieg die Prävalenz von SCI von 5 bis 6 pro 100.000 im Jahr 1990 auf 13 bis 15 pro 100.000 im Jahr 2019. SCI führt häufig zu tiefgreifenden und langfristigen neurologischen Beeinträchtigungen, insbesondere der motorischen Funktion, was zu erheblichen Einschränkungen bei den Aktivitäten des täglichen Lebens (ADL) und der Gehfähigkeit führt. Die Kosten für die akute Behandlung, Rehabilitation und Langzeitpflege bei SCI sind erheblich. Während konventionelle Rehabilitationsstrategien weiterhin wesentlich sind, ist ihre Wirksamkeit bei der Wiederherstellung der verlorenen motorischen Funktion begrenzt, sodass viele Menschen dauerhaft behindert bleiben.

Die Rückenmarksstimulation (SCS) hat sich als vielversprechende Neuromodulationstechnik zur Verbesserung der neurologischen Erholung nach SCI erwiesen. SCS liefert elektrische Impulse zur Aktivierung afferenter Fasern, wodurch internetronale Verbindungen, die Erregbarkeit von Motoneuronen und die Kommunikation zwischen spinalen Netzwerken verbessert werden. SCS kann grob in epidurale SCS (eSCS) und transkutane SCS (tSCS) eingeteilt werden. Aufgrund ihrer nicht-invasiven Natur und ihres therapeutischen Potenzials hat tSCS erhebliche Aufmerksamkeit erlangt, wobei zahlreiche Studien ihre Wirksamkeit bei der Verbesserung der motorischen Funktion nach SCI belegen. Die meisten aktuellen tSCS-Protokolle zur Kontrolle der unteren Extremitäten beinhalten die Platzierung einer oder zweier aktiver Elektroden über der thorakolumbalen Wirbelsäule (T10 - L2), mit festen Stimulationsstellen und -parametern während jeder Sitzung. Dieser Ansatz basiert auf der Hypothese, dass tSCS die allgemeine Erregbarkeit des neuronalen Netzwerks durch erhöhte sensorische Eingabe verbessert. Allerdings kann das Fehlen einer muskelspezifischen Stimulation zu unerwünschter Ko-Kontraktion antagonistischer Muskeln führen, was funktionelle Bewegungen behindert und die allgemeine Geheffizienz verringert.

Neuere Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Erregbarkeit des Rückenmarks dynamisch auf Variationen in Stimulationsstellen und -parametern reagiert. Räumlich selektive eSCS mit Echtzeitverarbeitung hat gezeigt, dass sie die freiwillige motorische Kontrolle selbst bei Menschen mit chronischer, motorisch kompletter SCI schnell wiederherstellen kann. In Tierstudien zeigten integrierte Ansätze, die epidurale Rückenmarksstimulation mit peripherer Muskelstimulation kombinierten, um sensorisches Feedback und vorwärtsgerichtete Muskelkontraktionsschleifen nachzuahmen, synergistische Effekte und bieten einen Rahmen für die Entwicklung von Neuromodulationssystemen zur Verbesserung der motorischen Erholung nach SCI. In Humanstudien hat ein anderes Studienteam berichtet, dass multielektrodige tSCS mit kontinuierlicher Stimulation zur Aktivierung zentraler Muster-Generator-Netzwerke (CPG) in Kombination mit räumlich-zeitlich alternierender Stimulation, die auf dorsale Wurzeln abzielt, die zu den Beinbeuger- und -strecker-Motorpools projizieren, alternierende lokomotorische Aktivität induzieren kann. Bemerkenswerterweise ermöglichte dieser Ansatz die sofortige Wiederherstellung der lokomotorischen Funktion bei Personen mit schweren motorischen Defiziten der unteren Extremitäten, selbst bei klinisch kompletter SCI.

Bisher wurde die relative Wirksamkeit der Kombination von kontinuierlicher Stimulation mit räumlich-zeitlicher Modulation im Vergleich zu alleiniger kontinuierlicher Stimulation beim Menschen noch nicht systematisch evaluiert. Diese Studie zielt darauf ab, diese Lücken zu schließen, indem sie ein KI-gestütztes, geschlossenes Multielektroden-tSCS-System entwickelt und evaluiert, das kontinuierliche Mittellinienstimulation mit Echtzeit-, feedback-gesteuerter räumlich-zeitlicher Modulation integriert. Das System nutzt tragbare kinematische Sensoren und Oberflächen-Elektromyographie (EMG), um den Stimulationszeitpunkt und die -intensität dynamisch basierend auf laufenden Gang- und Muskelaktivierungsmustern anzupassen. Durch die Abstimmung der Stimulationsabgabe auf physiologische motorische Anforderungen strebt der vorgeschlagene Ansatz an, die Muskelselektivität zu verbessern, die motorische Rekrutierung der unteren Extremitäten zu optimieren und die Gehleistung bei Personen mit inkompletter SCI zu verbessern.

Bei Erfolg wird diese Studie kritische Evidenz liefern, die adaptive, KI-gesteuerte Neuromodulationsstrategien unterstützt, und eine Grundlage für tSCS-Systeme der nächsten Generation schaffen, die spinale sensomotorische Schaltkreise effektiver einbinden, um die funktionelle Erholung nach SCI zu fördern.