Eksoskeleton ja aivojen toiminta fNIRS:n kanssa (ExoNIRS)

Motoristen järjestelmien neurotieteen tärkeä tavoite on karakterisoida kuinka aivojen hermotoiminta välittää liikeparametreja, kuten voimaa, nopeutta, liiketaajuutta tai liikesuuntaa. Hermovoiman koodausta on tutkittu eläimillä ja ihmisillä TEP:llä, fMRI:llä, toiminnallisella lähi-infrapunaspektroskopialla (fNIRS), EEG:llä tai magneettistimulaatiolla.

Elektrofysiologiset tutkimukset kädellisillä osoittivat korrelaation hermosolujen purkautumisnopeuksien välillä kontralateraalisen motorisen aivokuoren useilla alueilla ja voiman amplitudin välillä.

Ihmisillä toiminnalliset magneettikuvaustutkimukset (fMRI) vahvistivat yhteyden lisääntyvän hermosolujen aktivaation ja voiman amplitudin lisääntymisen välillä kontralateraalisessa ensisijaisessa motorisessa/somatosensorisessa (M1/S1) aivokuoressa, täydentävässä motorisessa alueella (SMA) ja esimotorisessa aivokuoressa. Ipsilateraalinen motorinen aivokuori voisi myös myötävaikuttaa voimakoodaukseen. On myös todisteita siitä, että basaaliganglion-talamo-kortikaalinen silmukka osallistuu voimanhallinnan säätelyyn. Globus palliduksen (GPi) ja subtalamuksen ytimen (STN) sisäisellä osuudella oli positiivinen lisäys prosentuaalisessa signaalinmuutoksessa voiman kasvaessa, ja myös talamuksen ventraaliset alueet sisältyivät samalla tavalla. Viime aikoina fNIRS-tutkimukset vahvistivat voimatason ja aivoaktivaation välisen suhteen kontralateraalisella ja ipsilateraalisella pallonpuoliskolla.

Suurin osa ihmistutkimuksista koski isometrisiä staattisia tehtäviä. Vain harvat tutkimukset käsittelivät dynaamisia liikkeitä. Pääsääntöisesti toistuvien ohimenevien voimamuutosten käsittely vaatii enemmän metabolista aktiivisuutta kuin staattisen voiman synnyttäminen ja hallinta. Voimatason ja aivokuoren muutosten välillä on korrelaatio kontralateraalisen M1:n ja anteriorisen pikkuaivojen hermosoluverkoston sisällä.

Suurin osa tutkimuksista koskee yläraajaa. Tietojemme mukaan vain tutkitut koskevat alaraajaa isometrisellä voimatasolla. Toinen koskee nelipäisen vääntömomentin hallinnan hermokorrelaatteja kroonisilla obstruktiivisilla keuhkosairaudilla ja toinen terveillä kontrolleilla nilkan selkälihaksen isometrisiä supistuksia.

fMRI ja TEP ovat erittäin herkkiä liikeartefakteille eivätkä sovellu dynaamisiin proksimaalisiin niveliin tai kävelytutkimuksiin. fNIRS on vähemmän herkkä liikeartefakteille, ja se on sallinut lukuisia tutkimuksia kävelystä luonnollisemmissa olosuhteissa kontrolleilla tai potilailla. fMRI ja fNIRS perustuvat neurovaskulaarisen kytkennän fysiologisiin periaatteisiin, prosessiin, jossa aktiiviset aivoalueet lisäävät paikallista verenvirtausta vastaamaan energiantarpeensa kapillaarien ja valtimoiden laajentumisen kautta. fMRI mittaa veren happitasosta riippuvaa (BOLD) vastetta, joka vastaa hapen suhdetta deoksihemoglobiiniin. Hemoglobiinin kahta osaa ei kuitenkaan mitata erikseen fMRI:llä. Päinvastoin, fNIRS mittaa kaksi hemoglobiinilajia erikseen. Tämän neurovaskulaarisen kytkennän aikana syötettävän hapen määrä on tyypillisesti suurempi kuin paikallisesti kulutettu, mikä johtaa HbO2:n huomattavaan nousuun ja HbR:n lievään vähenemiseen alueella.

Monet kävelyä koskevista fNIRS-tutkimuksista kirjasivat hemodynaamisia vaihteluita prefrontaaliseen aivokuoreen kaksoistehtävien paradigmalla. Vain harvat tutkimukset koskivat motorista aivokuorta.

Viime vuosina perinteisen kuntoutuksen lisäksi on käytetty robottiavusteista kuntoutusta. Se tarjoaa mahdollisuuksia varhaiseen, intensiiviseen, tehtäväkohtaiseen hallintaan monisensorisella stimulaatiolla, jota pidetään tehokkaimpana neuroplastisuuden edistämisessä. Kirjallisuus viittaa siihen, että robottikuntoutus lisää potilaiden kävelykykyä, kävelynopeutta, alaraajojen lihasvoimaa, askelpituutta ja kävelysymmetriaa. Robottiavusteisen kuntoutuksen neurofysiologiset perusteet ovat kuitenkin edelleen huonosti tunnettuja. Exoskeletonin käyttö mahdollistaa annettavan avun prosenttiosuuden säätelyn. Tässä terveillä koehenkilöillä tehdyssä tutkimuksessa tutkijat ehdottavat aivojen aktivaatiota motorisilla alueilla kävellessä eksoskeletonissa. Tutkimuksessa tutkitaan neljää vahvuustasoa: kokonaisapu (A100 %), osittainen apu (A50 %), ei apua (A0 %) ja 25 %:n (R25 %) vastustuskyky eksoskeletonista kävelemiselle. Tutkijat olettavat, että fNIRS:llä mitattu aivojen aktivaatiotaso nousee koehenkilöiden ponnistuksen myötä.