Exoesqueleto y actividad cerebral con fNIRS (ExoNIRS)

Un objetivo importante de la neurociencia de los sistemas motores es caracterizar cómo la actividad neuronal en el cerebro media los parámetros de movimiento como la fuerza, la velocidad, la frecuencia del movimiento o la dirección del movimiento. El código neural de la fuerza se ha estudiado en animales y humanos con TEP, fMRI, espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS), EEG o estimulación magnética.

Los estudios electrofisiológicos en primates no humanos demostraron una correlación entre las tasas de descarga neuronal en múltiples regiones de la corteza motora contralateral y la amplitud de la fuerza ejercida.

En humanos, los estudios de resonancia magnética funcional (fMRI) confirmaron la relación entre el aumento de la activación neuronal y el aumento de la amplitud de la fuerza en las cortezas motora/somatosensorial primaria contralateral (M1/S1), el área motora suplementaria (SMA) y la corteza premotora. La corteza motora ipsilateral también podría contribuir al código de fuerza. También hay evidencias de que el bucle ganglios basales-tálamo-corticales participa en la regulación del control de la fuerza. La porción interna del globo pálido (GPi) y el núcleo subtalámico (STN) tuvieron un aumento positivo en el cambio porcentual de la señal con el aumento de la fuerza, y las regiones talámicas ventrales también estaban implicadas de la misma manera. Más recientemente, estudios con fNIRS confirmaron la relación entre el nivel de fuerza y ​​la activación cerebral en el hemisferio contralateral e ipsolateral.

La mayoría de los estudios humanos se referían a tareas estáticas isométricas. Solo unos pocos estudios consideraron movimientos dinámicos. Como regla general, el procesamiento de cambios de fuerza transitorios repetitivos requiere más actividad metabólica que la generación y el control de una fuerza estática. Existe una correlación entre el nivel de fuerza y ​​los cambios corticales dentro de la red neuronal en el M1 contralateral y el cerebelo anterior.

La mayoría de los estudios se refieren al miembro superior. Hasta donde sabemos, solo se ha estudiado el miembro inferior en un nivel de fuerza isométrica. Uno se refiere a los correlatos neurales del control del par del cuádriceps en pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica y el otro se refiere a las contracciones isométricas con el dorsiflexor del tobillo en controles sanos.

fMRI y TEP son muy sensibles a los artefactos de movimiento y no son adecuados para articulaciones proximales dinámicas o estudios de la marcha. fNIRS es menos sensible a los artefactos de movimiento y ha permitido numerosos estudios de caminar en condiciones más naturales en controles o pacientes. fMRI y fNIRS se basan en los principios fisiológicos del acoplamiento neurovascular, el proceso mediante el cual las regiones activas del cerebro inducen un aumento local del flujo sanguíneo para satisfacer sus demandas de energía a través de la dilatación de los capilares y las arteriolas. fMRI mide la respuesta dependiente del nivel de oxígeno en la sangre (BOLD) correspondiente a la proporción de oxi-desoxi-hemoglobina. Sin embargo, las dos fracciones de hemoglobina no se miden individualmente con fMRI. Por el contrario, fNIRS mide las dos especies de hemoglobina por separado. Durante este acoplamiento neurovascular, la cantidad de oxígeno suministrada suele ser mayor que la consumida localmente, lo que da como resultado un aumento sustancial de la HbO2 y una ligera reducción de la HbR en la región.

Muchos de los estudios de fNIRS sobre la marcha registraron variaciones hemodinámicas en la corteza prefrontal con el paradigma de tareas duales. Sólo unos pocos estudios se referían a la corteza motora.

En los últimos años se ha utilizado la rehabilitación asistida por robot además de la rehabilitación convencional. Ofrece oportunidades para el manejo temprano, intensivo y específico de tareas con estimulación multisensorial que se considera la más eficiente para promover la neuroplasticidad. La literatura sugiere que la rehabilitación robótica aumenta la capacidad de caminar de los pacientes, la velocidad de la marcha, la fuerza muscular de las extremidades inferiores, la longitud del paso y la simetría de la marcha. Sin embargo, las bases neurofisiológicas de la rehabilitación asistida por robot siguen siendo poco conocidas. El uso de un exoesqueleto permite controlar el porcentaje de ayuda proporcionada. En este estudio en sujetos sanos los investigadores proponen estudiar la activación cerebral en regiones motoras al caminar en un exoesqueleto. Se estudian cuatro niveles de fuerza: ayuda total (A100%), ayuda parcial (A50%), no ayuda (A0%) y resistencia del 25 % (R25%) a la marcha del exoesqueleto. Los investigadores plantean la hipótesis de que el nivel de activación cerebral medido por fNIRS aumentará con el esfuerzo realizado por los sujetos.