Imágenes sensoriomotoras para interfaces cerebro-computadora

ANTECEDENTES: La comprensión avanzada de la estructura y la función del cerebro ha mejorado el diagnóstico y el tratamiento de trastornos neurológicos como la epilepsia, los accidentes cerebrovasculares y las lesiones de la médula espinal (LME). Hace más de medio siglo, los estudios pioneros de Penfield utilizaron estimulación eléctrica de áreas motoras y sensoriales de la corteza cerebral y revelaron una organización somatotópica distinta del cerebro. En la actualidad, este y otros conocimientos adicionales sobre las funciones de codificación neuronal se utilizan para desarrollar dispositivos revolucionarios que interactúan directamente con las neuronas motoras y sensoriales del cerebro para establecer conexiones funcionales con dispositivos protésicos y de asistencia. Estas llamadas interfaces cerebro-computadora (BCI) requieren que los electrodos se coloquen con precisión en las áreas del cerebro responsables del control volitivo y la sensación de los movimientos de las extremidades, particularmente las regiones del brazo y la mano. Es posible mapear esas regiones del cerebro utilizando imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI). Sin embargo, tales estudios de mapeo son difíciles de realizar en personas con deficiencias motoras y sensoriales. Las personas con ELA y SCI han interrumpido las vías eferentes y aferentes entre la corteza y las extremidades, por lo que es necesario confiar en técnicas encubiertas, como imágenes cinestésicas motoras, para mapear la actividad cerebral sensoriomotora a fin de guiar la colocación de electrodos BCI o para estudiar la plasticidad cortical resultante. por lesión o intervención. Los desafíos asociados con el mapeo cerebral después de una lesión probablemente contribuyan a los informes muy variados sobre el alcance y la prevalencia de la reorganización funcional que ocurre en el cerebro después de una SCI. fMRI es una herramienta no invasiva que permite la medición de la actividad cerebral relacionada con el motor y los sentidos con un riesgo mínimo para los participantes del estudio.

IMPORTANCIA: La restauración de la función de las extremidades superiores es una prioridad principal para las personas con tetraplejía. Se calcula que entre 236 000 y 327 000 personas en los Estados Unidos tienen una lesión de la médula espinal. Aproximadamente el 17% de las personas con LME tienen tetraplejía alta (lesión en los niveles cervicales C1-C4) aunque este porcentaje ha ido en aumento en los últimos años. Las personas con tetraplejia alta son el grupo con más probabilidades de beneficiarse de las neuroprótesis controladas por BCI, aunque las estrategias de mapeo encubiertas desarrolladas en esta propuesta podrían usarse para estudiar la activación sensoriomotora y la plasticidad en cualquier persona con discapacidad motora o sensorial, incluida la amputación. Se están desarrollando prótesis motorizadas sofisticadas que permiten el movimiento natural de las extremidades superiores y tienen capacidades de detección avanzadas. A las personas con tetraplejía les gustaría restaurar la función de sus propias extremidades mediante FES, pero esta tecnología necesita más avances y no reemplaza la sensación, que aún puede requerir una BCI. Mientras continúa la investigación y el desarrollo de FES, las personas con tetraplejía podrían aprovechar las prótesis motorizadas montándolas en su silla de ruedas. Las prótesis motorizadas pueden proporcionar una función comparable a la de una extremidad intacta, pero se necesita una interfaz de control de alto grado de libertad y BCI es una posible solución.

La neuroimagen funcional se puede utilizar para guiar la colocación de electrodos BCI con el fin de aprovechar los circuitos sensoriomotores existentes. El mapeo cerebral basado en imágenes también permite el estudio de la plasticidad cortical, lo que podría ser útil para comprender los cambios corticales desadaptativos que ocurren después de una lesión o los cambios beneficiosos que resultan de las intervenciones de rehabilitación. Así como el mapeo cerebral prequirúrgico puede ayudar a identificar a las personas que son más adecuadas para una BCI, el mapeo cerebral encubierto en alguien con discapacidades motoras y sensoriales puede informar el tipo de paradigma de rehabilitación que es más probable que tenga un beneficio. El beneficio potencial de poder estudiar la plasticidad cortical en ausencia de movimiento o sensación es de gran alcance, ya que podría aplicarse a pacientes con lesión medular, amputación, accidente cerebrovascular, enfermedades neurodegenerativas como la esclerosis lateral amiotrófica u otras deficiencias sensoriomotoras.