Tekoälyllä ohjattu suljettusilmukkainen monielektrodinen transkutaaninen selkäydinkanavan stimulaatio: Reaaliaikaiset säätöt parannetun motorisen toipumisen edistämiseksi selkäydinvammassa (AIM RECOVER) (AIM RECOVER)

Selkäydinvamma (SCI) on heikentävä tila, joka vaikuttaa noin 20,6 miljoonaan ihmiseen maailmanlaajuisesti, ja sen vuosittainen ilmaantuvuus on 0,9 miljoonaa. Singaporessa SCI:n esiintyvyys kasvoi 5–6 per 100 000 vuonna 1990 13–15 per 100 000 vuonna 2019. SCI johtaa usein merkittäviin ja pitkäaikaisiin neurologisiin vaurioihin, erityisesti motorisessa toiminnassa, mikä aiheuttaa huomattavia rajoituksia päivittäisissä toimissa (ADL) ja kävelyssä. SCI:n akuutin hoidon, kuntoutuksen ja pitkäaikaishoidon kustannukset ovat huomattavat. Perinteiset kuntoutusstrategiat ovat edelleen välttämättömiä, mutta niiden tehokkuus menetetyn motorisen toiminnan palauttamisessa on rajallinen, jättäen monille pysyvän vamman.

Selkäydinsärky (SCS) on noussut lupaavaksi neuromodulaatiotekniikaksi parantamaan neurologista toipumista SCI:n jälkeen. SCS välittää sähköisiä impulsseja afferenttien kuitujen aktivoimiseksi, parantaen interneuronisten yhteyksien, motoristen neuronien herkkyyden ja selkäydinverkostojen välisen viestinnän. SCS voidaan laajalti luokitella epiduraaliseksi SCS:ksi (eSCS) ja transkutaaniseksi SCS:ksi (tSCS). Ei-invasiivisen luonteensa ja terapeuttisen potentiaalinsa vuoksi tSCS on saanut huomattavaa huomiota, ja lukuisat tutkimukset osoittavat sen tehokkuuden motorisen toiminnan parantamisessa SCI:n jälkeen. Useimmat nykyiset tSCS-protokollat alaraajan motoriselle hallinnalle sisältävät yhden tai kahden aktiivisen elektrodin sijoittamisen rintalihas-lanneselkäydin alueelle (T10–L2), kiinteillä stimulaatiopaikoilla ja parametreilla koko istunnon ajan. Tämä lähestymistapa perustuu hypoteesiin, että tSCS parantaa hermostoverkon kokonaisherkkyyttä lisäämällä sensorista syötettä. Kuitenkin lihasspesifisen stimulaation puute voi johtaa ei-toivottuun antagonististen lihasten yhteiskontraktioon, haittaen toiminnallista liikettä ja vähentäen kokonaiskävelyn tehokkuutta.

Uudet todisteet osoittavat, että selkäydinherkkyys reagoi dynaamisesti stimulaatiopaikkojen ja parametrien vaihteluihin. Aikaisessa käsittelyssä oleva spatiaalisesti selektiivinen eSCS on osoittautunut nopeasti palauttavan vapaaehtoisen motorisen hallinnan jopa kroonisissa, motorisesti täydellisissä SCI-tapauksissa. Eläintutkimuksissa integroidut lähestymistavat, jotka yhdistävät epiduraalisen selkäydinstimulaation perifeeriseen lihasstimulaatioon, suunniteltuina matkimaan sensorista palautetta ja feedforward-lihaskontraktiosilmukoita, osoittivat synergisiä vaikutuksia, tarjoten viitekehyksen neuromodulaatiojärjestelmien kehittämiseen motorisen toipumisen parantamiseksi SCI:n jälkeen. Ihmistutkimuksissa toinen tutkimusryhmä on raportoinut, että monielektrodinen tSCS jatkuvalla stimulaatiolla keskusmalligeneraattori (CPG) -verkkojen aktivoimiseksi yhdistettynä spatiotemporaaliseen vuorottelevaan stimulaatioon, joka kohdistuu selkäydinjuuriin, jotka ulottuvat jalan taivutin- ja ojentajamoottorivarastoihin, voi aiheuttaa vuorottelevaa lokomotorista aktiivisuutta. Huomattavasti tämä lähestymistapa mahdollisti välittömän lokomotorisen toiminnan palautumisen henkilöillä, joilla on vakavia alaraajan motorisia vajeita, jopa kliinisesti täydellisessä SCI:ssä.

Tähän mennessä jatkuvan stimulaation yhdistämisen suhteellista tehokkuutta spatiotemporaaliseen modulaatioon verrattuna pelkästään jatkuvaan stimulaatioon ei ole vielä systemaattisesti arvioitu ihmisillä. Tämä tutkimus pyrkii vastaamaan näihin aukkoihin kehittämällä ja arvioimalla tekoälyllä varustetun suljetun silmukan monielektrodisen tSCS-järjestelmän, joka integroi jatkuvan keskiviivan stimulaation reaaliaikaiseen, palautteen ohjaamaan spatiotemporaaliseen modulaatioon. Järjestelmä hyödyntää puettavia kinemaattisia antureita ja pintaelektromyografiaa (EMG) stimulaation ajoituksen ja intensiteetin dynaamiseen säätämiseen käynnissä olevien kävelymallien ja lihasaktivointikuvioiden perusteella. Kohdistamalla stimulaation antaminen fysiologisiin motorisiin vaatimuksiin ehdotettu lähestymistapa pyrkii parantamaan lihasselektiivisyyttä, optimoimaan alaraajan motorisen rekrytoinnin ja parantamaan kävelysuorituskykyä henkilöillä, joilla on epätäydellinen SCI.

Onnistuessaan tämä tutkimus tarjoaa kriittisiä todisteita adaptiivisten, tekoälyllä ohjattujen neuromodulaatiostrategioiden tukemiseksi ja luo perustan seuraavan sukupolven tSCS-järjestelmille, jotka osallistuvat tehokkaammin selkäydinsensorimotorisiin piireihin edistämään toiminnallista toipumista SCI:n jälkeen.