Sensorimotorinen kuvantaminen aivo-tietokoneliitäntöihin

TAUSTA: Aivojen rakenteen ja toiminnan edistynyt ymmärtäminen on parantanut neurologisten häiriöiden, kuten epilepsian, aivohalvauksen ja selkäydinvamman (SCI) diagnosointia ja hoitoa. Yli puoli vuosisataa sitten Penfieldin uraauurtavat tutkimukset käyttivät aivokuoren motoristen ja sensoristen alueiden sähköistä stimulaatiota ja paljastivat aivojen selkeän somatotooppisen organisaation. Nykyään tätä ja lisätietoa hermosolujen koodaustoiminnoista käytetään kehitettäessä vallankumouksellisia laitteita, jotka ovat suoraan yhteydessä aivojen motorisiin ja sensorisiin hermosoluihin muodostaakseen toiminnallisia yhteyksiä proteeseihin ja apuvälineisiin. Nämä niin kutsutut aivo-tietokonerajapinnat (BCI:t) edellyttävät, että elektrodit sijoitetaan tarkasti aivoalueille, jotka ovat vastuussa raajan liikkeiden tahdonvastaisesta ohjauksesta ja aistimisesta, erityisesti käsivarsien ja käsien alueilla. Näiden aivojen alueiden kartoittaminen on mahdollista käyttämällä toiminnallista magneettikuvausta (fMRI). Tällaisia ​​kartoitustutkimuksia on kuitenkin vaikea suorittaa henkilöillä, joilla on motorisia ja sensorisia vammoja. Ihmiset, joilla on ALS ja SCI, ovat häirinneet efferenttejä ja afferentteja reittejä aivokuoren ja raajojen välillä, minkä vuoksi on välttämätöntä turvautua piilotekniikoihin, kuten kinesteettisiin motorisiin kuviin, sensomotorisen aivojen toiminnan kartoittamiseen BCI-elektrodien sijoittelun ohjaamiseksi tai tuloksena olevan aivokuoren plastisuuden tutkimiseksi. loukkaantumisesta tai interventiosta. Haasteet, jotka liittyvät aivojen kartoitukseen vamman jälkeen, vaikuttavat todennäköisesti laajalti vaihteleviin raportteihin, jotka koskevat aivoissa tapahtuvan toiminnallisen uudelleenjärjestelyn laajuutta ja esiintyvyyttä SCI:n jälkeen. fMRI on ei-invasiivinen työkalu, jonka avulla voidaan mitata motorista ja sensorista aivotoimintaa minimaalisella riskillä tutkimukseen osallistuville.

MERKITYS: Yläraajan toiminnan palauttaminen on ensisijainen tavoite tetraplegiasta kärsiville henkilöille. Arviolta 236 000-327 000 ihmisellä Yhdysvalloissa on selkäydinvamma. Noin 17 prosentilla SCI-potilaista on korkea tetraplegia (vamma kohdunkaulan tasoilla C1-C4), vaikka tämä prosenttiosuus on kasvanut viime vuosina. Ihmiset, joilla on korkea tetraplegia, ovat todennäköisin ryhmä, joka hyötyy BCI-ohjatusta neuroproteesista, vaikka tässä ehdotuksessa kehitettyjä salaisia ​​kartoitusstrategioita voitaisiin käyttää sensomotorisen aktivaation ja plastisuuden tutkimiseen kenellä tahansa, jolla on motorinen tai sensorinen vajaatoiminta, mukaan lukien amputaatio. Kehitetään kehittyneitä, moottoroituja proteeseja, jotka mahdollistavat luonnollisen yläraajan liikkeen ja joilla on kehittyneet tunnistusominaisuudet. Tetraplegiaa sairastavat ihmiset haluaisivat palauttaa omien raajojensa toiminnan FES:n avulla, mutta tämä tekniikka tarvitsee lisäkehitystä, eikä se korvaa tunnetta, joka saattaa silti vaatia BCI:n. FES-tutkimuksen ja -kehityksen jatkuessa tetraplegiasta kärsivät ihmiset voivat hyödyntää moottoroituja proteeseja asentamalla ne pyörätuoliinsa. Moottoroidut proteesit voivat tarjota toimintoja, jotka ovat verrattavissa ehjän raajan toimintaan, mutta korkean vapausasteen ohjausrajapinta tarvitaan ja BCI on yksi mahdollinen ratkaisu.

Funktionaalista hermokuvausta voidaan käyttää ohjaamaan BCI-elektrodien sijoittelua olemassa oleviin sensorimoottoripiireihin yhdistämiseksi. Kuviin perustuva aivokartoitus mahdollistaa myös aivokuoren plastisuuden tutkimuksen, mikä voi olla hyödyllistä vamman jälkeen tapahtuvien epäadaptiivisten aivokuoren muutosten tai kuntoutustoimenpiteistä johtuvien hyödyllisten muutosten ymmärtämisessä. Aivan kuten leikkausta edeltävä aivojen kartoitus voi auttaa tunnistamaan henkilöt, jotka sopivat parhaiten BCI:hen, salainen aivokartoitus henkilöillä, joilla on motorisia ja sensorisia vajaatoimintaa, voi kertoa kuntoutusparadigmasta, josta todennäköisimmin on hyötyä. Mahdollinen hyöty aivokuoren plastisuuden tutkimisesta ilman liikettä tai tunnetta on laajakantoinen, koska sitä voitaisiin soveltaa potilaisiin, joilla on SCI, amputaatio, aivohalvaus, hermostoa rappeuttavat sairaudet, kuten amyotrofinen lateraaliskleroosi, tai muu sensorimotorinen vajaatoiminta.