Dopamiinin ja aivojen tietokoneen käyttöliittymä (BCI_LDOPA)

Tämän tutkimusprojektin tavoitteena on arvioida dopaminergisen modulaation vaikutusta BCI:n suorituskykyyn terveillä iäkkäillä koehenkilöillä taustalla olevien neurofysiologisten mekanismien ymmärtämiseksi. Perspektiivi piilee tämän lähestymistavan soveltamisessa aivohalvauksen jälkeisen motorisen palautumisen parantamiseen.

Aivohalvaus on yksi yleisimmistä motoristen toimintojen vajaatoiminnan syistä, ja sen esiintyvyyden odotetaan kasvavan väestön ikääntymisen myötä. Aivohalvauksesta selviytyneet kokevat usein motoristen toimintojen spontaanin palautumisen akuutin vaiheen aikana ja saavuttavat toiminnallisen tasanteen, jonka jälkeen toipuminen on yleensä hidasta tai pysähtynyt. Mielenkiintoista on, että on uusia todisteita, jotka osoittavat, että aivo-tietokonerajapintaan (BCI) perustuvat terapiat voivat indusoida toipumista tämän tasangon jälkeen.

Farmakologinen MRI (phMRI) on uusi ja lupaava menetelmä tutkia aineiden vaikutuksia aivotoimintaan, ja sitä voidaan viime kädessä käyttää lääkkeiden vaikutuksen taustalla olevien neurobiologisten mekanismien selvittämiseen. Kuten useimmat kuvantamismenetelmät, se edustaa edistystä aivosairauksien ja niihin liittyvien välittäjäaineiden toiminnan tutkimuksessa ei-invasiivisella tavalla yleisen hermosolujen yhteyksien suhteen.

Lisäksi se tarjoaa ihanteellisen työkalun kliinisiksi tutkimuksiksi siirtämiseen. Vaikka MRI on edelleen jäljessä molekyylikuvausstrategioista PET- ja SPECT-tekniikkaan verrattuna, sen etuna on korkea avaruudellinen erottelukyky, eikä se tarvitse varjoaineen tai radioleimattujen molekyylien injektointia, jolloin vältetään toistuva altistuminen ionisoivalle säteilylle. Funktionaalista MRI:tä (fMRI) käytetään laajasti tutkimuksessa ja kliinisissä ympäristöissä, joissa se yleensä yhdistetään psykomotoriseen tehtävään. phMRI on fMRI-sovitus, joka mahdollistaa spesifisen välittäjäainejärjestelmän, kuten dopamiinin, tutkimisen fysiologisissa tai patologisissa olosuhteissa sen jälkeen, kun se on aktivoitu antamalla spesifistä haastavaa lääkettä.

Välittäjäaineen dopamiinin (DA) merkitys motorisille prosesseille on tiedetty pitkään. Parkinsonin taudista kärsivillä potilailla tyviganglioiden dopamiinin puutteen tiedetään aiheuttavan voimakkaita liikkeisiin liittyviä puutteita.

Viimeaikaiset tutkimukset viittaavat siihen, että DA stimuloi hermosolujen rakenteita, jotka puolestaan ​​vaikuttavat laajoihin aivojen alueisiin ja myötävaikuttavat siten erilaisiin käyttäytymisen hallinnan prosesseihin: sekä liikkeenhallinnan motorisiin prosesseihin että kognitiivisiin prosesseihin havaintoluokittelun, palkitsemisen, motivaation ja toimeenpanon ohjauksen yhteydessä. . Tästä syystä DA:ta kutsutaan myös "opetussignaaliksi".

On olemassa näyttöä siitä, että DA voi olla tehokas myös uusien aivohalvauskuntoutusstrategioiden muodostamisessa. Jotta kuntoutusstrategia olisi tehokas, sen pitäisi johtaa uusien motoristen muistojen muodostumiseen, mitä anatomisesti välittävät verkostot, jotka yhdistävät dorsolateraalisen prefrontaalisen aivokuoren, primaarisen motorisen aivokuoren, striatumin ja pikkuaivot. Synaptisen plastisuuden prosessit, kuten LTP ja LTD, muodostavat ja karsivat uusia motorisia muistoja, jotka vaativat dopaminergistä signalointia substantia nigra pars compactan ja putamenin striatalin keskipitkän neuronien välillä. Tyviganglioiden motorisissa silmukoissa dopaminerginen sitoutuminen D1R:iin helpottaa haluttuja liikkeitä, kun taas sitoutuminen D2R:iin estää ei-toivottuja liikkeitä.

Sen lisäksi, että dopaminerginen järjestelmä toimii motorisessa ajamisessa tyviganglioissa, se voimistaa myös visuomotorista integraatiota, joka on havainnointi- ja toimintaan liittyvän tiedon koordinointia. Reseptoritasolla D1R:t ovat kriittisiä kunnollisen visuomotorisen integraation kannalta. Tämä järjestelmä on tärkeä visualisoidun ympäristötiedon yhdistämiseksi kehon asentoon, mikä mahdollistaa optimaalisen liikkeiden suunnittelun ja korjauksen. Siksi motorisen ajon ja visuomotorisen integraation koordinoinnin tehostaminen dopaminergisen hoidon avulla voi parantaa toipumista aivohalvauksen jälkeen.

Lääkkeiden, jotka lisäävät keskushermoston välittäjäaineiden (dopamiini, noradrenaliini, serotoniini ja asetyylikoliini) saatavuutta, on osoitettu helpottavan hermoplastisuutta. Tätä silmällä pitäen tutkijat ovat tutkineet amfetamiinien, selektiivisten serotoniinin takaisinoton estäjien, donepetsiilin, psykostimulanttien, kuten metyylifenidaatin, ja dopaminergisten aineiden vaikutuksia aivohalvauksen jälkeiseen motoriseen palautumiseen. Edellä mainituista lääkkeistä vain levodopan on osoitettu lisäävän LTP:n kaltaisen plastisuuden induktiota, käytännöstä riippuvaa plastisuutta ja motorista palautumista aivohalvauksen jälkeen ihmisillä. Lisäksi levodopalla on turvallinen sivuvaikutusprofiili, eikä se ole valvottu aine.

Levodopan yleisin sivuvaikutus on dyskinesia, jota seuraa pahoinvointi, sitten hallusinaatiot ja huimaus. Levodopan aiheuttaman dyskinesian riski on myös olemassa Parkinsonin tautia sairastavilla potilailla. Nämä vakavat sivuvaikutukset kuitenkin ilmenevät yleensä lääkkeen pitkäaikaisen (eli vuosien) käytön jälkeen. Lisäksi riskin arvioidaan olevan paljon pienempi potilailla, joilla on muita sairauksia, kuten aivohalvaus. Itse asiassa levodopaa on käytetty lukuisissa tutkimuksissa, jotka keskittyvät aivohalvauksesta selviytyneiden motoriseen palautumiseen ilman, että dyskinesiaa tai muita pieniä tai suuria sivuvaikutuksia on raportoitu. "Kirjallisuus" päättelee, että aivohalvauksesta selviytyneiden hoito levodopalla ei todennäköisesti aiheuta levodopan aiheuttamaa dyskinesiaa, ellei kyseessä ole samanaikainen tyviganglioiden vaurio tai Parkinsonin tauti.

BCI:n toiminnan perusta on kohteen suoraan tallennetun hermotoiminnan muuntaminen reaaliaikaiseksi palautteeksi, jotta voidaan kouluttaa tiettyihin mielentiloihin liittyviä johdonmukaisia ​​aivojen aktivaatiomalleja. Hermoston aktiivisuus voidaan havaita invasiivisilla (ECoG/iEEG) tai ei-invasiivisilla (EEG, MEG, reaaliaikainen fMRI tai NIRS) menetelmillä. Suurin osa tutkimuksista käyttää EEG-pohjaisia ​​ei-invasiivisia BCI:itä, koska ne ovat suhteellisen helppoja ja nopeita käyttää ja niillä on hyvät ajalliset ja spatiaaliset ominaisuudet, joten niitä voidaan käyttää turvallisesti ja tehokkaasti toiminnallisten lisäysten aikaansaamiseen aivohalvauksesta selviytyneillä, joilla on pysyviä motorisia vammoja. parantaa samanaikaisten tai niihin liittyvien hoitojen tehokkuutta, vaikka yksilöt saavuttavat toiminnallisen tasangon perinteisiä hoitoja käyttämällä.

Tällä hetkellä suurin osa motorisen toiminnan palauttamiseen tähtäävistä BCI:istä perustuu motorisiin kuviin (MI). Tällaiset järjestelmät eivät ole riippuvaisia ​​todellisista liikkeistä, vaan käyttävät pikemminkin liikkeen mielikuvitusprosessia. Pääsyynä on se, että MI johtaa samojen aivoalueiden aktivoitumiseen kuin todellinen liike. Ongelmia, joita ilmaantuu motoristen kuvien kanssa ilman palautetta, ovat toiminnan hallinnan puute sekä motivaation puute. BCI:n avulla motorisia kuvia voidaan mitata reaaliajassa, mikä mahdollistaa reaaliaikaisen palautteen antamisen kohteelle. Lisäksi BCI-laitteiden kytkentä MI-laukaiseman funktionaalisen sähköstimulaation (FES) kanssa mahdollistaa aivokuoren aktivaation, perifeerisen aktivoinnin ja sensorisen palautteen uudelleensynkronoinnin. Tämän lisäksi jotkut tutkimukset ovat puoltaneet virtuaalitodellisuuden sisällyttämistä välittömään visuaaliseen palautteeseen. Virtuaalitodellisuuteen perustuvan toiminnan havainnoinnin ja FES-palautteen yhdistelmä voi tehostaa motoristen toimintojen paranemista, kun kohteet ovat vuorovaikutuksessa reaaliaikaisen ruudulla olevan avatarin kanssa. Näin ollen on mahdollista sulkea piiri: järjestelmä havaitsee motoriset kuvat ja FES:ää kohdistetaan kohdelihakseen auttamaan osallistujaa suorittamaan liikettä. Samaan aikaan avatar suorittaa täsmälleen saman liikkeen (synkronisesti FES:n kanssa), joka näkyy osallistujan näytöllä reaaliajassa. Siten hoidon onnistumista edistävän fyysisen liikkeen suorittamisen lisäksi sensorisen aivokuoren alueet aktivoituvat synkronisesti motoristen kuvien kanssa afferenttien hermoimpulssien kautta. Tämä johtaa hebbian plastisuuden stimulaatioon, jonka mukaan hermosolut, joita stimuloidaan toistuvasti yhdessä, luovat yhteisiä yhteyksiä. Tämän uskotaan aiheuttavan käytöstä riippuvaa plastisuutta ja helpottavan toiminnallista palautumista. Tällainen keskus-oheislaitteiden yhteyksien vahvistaminen ilmaisten tekniikoiden avulla voi parantaa motoristen toimintojen palautumista indusoidun käytöstä riippuvan plastisuuden avulla ja helpottaa aivohalvauksen jälkeistä toiminnallista palautumista.

Aivohalvauspotilaiden aivohalvauspotilaiden, jotka saavat BCI-pohjaisia ​​kuntoutushoitoja, on saatu näyttöä muutoksista aivoaktivaatiossa ja toiminnallisessa yhteydenmuodostuksessa (FC). Ne voivat mahdollisesti johtaa FC:n kasvuun alemman parietaalilohkon ja täydentävän motorisen alueen (SMA) välillä sekä anteriorisen cingulaattikuoren ja SMA:n välillä, mikä korreloi positiivisesti Fugl-Meyer-pisteiden nousun kanssa. Lisäksi FC:n lisääntymistä havaittiin ipsilesionaalisen talamuksen ja kontralesionaalisen singulaatin, kontralateraalisen paracentraalisen lohkon ja kahdenvälisen precuneuksen välillä.