Szenzormotoros képalkotás agy-számítógép interfészekhez

HÁTTÉR: Az agy szerkezetének és működésének fejlettebb megértése javította az olyan neurológiai rendellenességek diagnosztizálását és kezelését, mint az epilepszia, a stroke és a gerincvelő-sérülés (SCI). Több mint fél évszázaddal ezelőtt a Penfield úttörő tanulmányai az agykéreg motoros és szenzoros területeinek elektromos stimulációját alkalmazták, és feltárták az agy sajátos szomatotopikus szerveződését. Manapság ezt és a neuronok kódolási funkcióinak további ismereteit olyan forradalmi eszközök kifejlesztésére használják, amelyek közvetlenül kapcsolódnak az agy motoros és szenzoros neuronjaihoz, hogy funkcionális kapcsolatot létesítsenek protézisekkel és segédeszközökkel. Ezek az úgynevezett agy-számítógép interfészek (BCI) megkövetelik, hogy az elektródákat pontosan az agyi területeken helyezzék el, amelyek felelősek a végtagmozgások akaratlagos vezérléséért és érzékeléséért, különösen a kar- és kézterületeken. Ezen agyi régiók feltérképezése funkcionális mágneses rezonancia képalkotás (fMRI) segítségével lehetséges. Az ilyen térképezési vizsgálatokat azonban nehéz végrehajtani mozgássérült és érzékszervi fogyatékossággal élő személyeknél. Az ALS-ben és SCI-ben szenvedő emberek megzavarták az efferens és afferens utakat a kéreg és a végtagok között, ezért rejtett technikákra, például kinesztetikus motoros képekre kell támaszkodni, hogy feltérképezzék a szenzomotoros agyi aktivitást a BCI elektródák elhelyezésének irányításához vagy az ebből eredő kérgi plaszticitás tanulmányozásához. sérüléstől vagy beavatkozástól. A sérülés utáni agyi feltérképezéssel kapcsolatos kihívások valószínűleg hozzájárulnak az SCI-t követően az agyban előforduló funkcionális átrendeződés mértékéről és gyakoriságáról szóló, igen eltérő jelentésekhez. Az fMRI egy nem invazív eszköz, amely lehetővé teszi a motoros és szenzoros agyi aktivitás mérését minimális kockázattal a vizsgálatban résztvevők számára.

JELENTŐSÉG: A felső végtag funkcióinak helyreállítása elsődleges prioritás a tetraplegiában szenvedő egyének számára. Becslések szerint az Egyesült Államokban 236 000-327 000 embernek van gerincvelő-sérülése. Az SCI-ben szenvedők körülbelül 17%-ának van magas tetraplegiája (C1-C4 cervicalis sérülés), bár ez az arány az elmúlt években nőtt. A magas tetraplegiában szenvedők a legvalószínűbb, hogy részesülnek a BCI-vezérelt neuroprotézisből, bár az ebben a javaslatban kidolgozott rejtett feltérképezési stratégiák felhasználhatók a szenzomotoros aktiváció és plaszticitás tanulmányozására mindenkinél, akinek motoros vagy érzékszervi károsodása van, beleértve az amputációt is. Kifinomult, motorizált protézisek fejlesztése folyik, amelyek lehetővé teszik a felső végtagok természetes mozgását, és fejlett érzékelési képességekkel rendelkeznek. A tetraplégiában szenvedők szeretnék helyreállítani saját végtagjaik funkcióját FES segítségével, de ez a technológia további fejlesztésre szorul, és nem helyettesíti az érzékelést, amelyhez még szükség lehet BCI-re. Míg a FES kutatás és fejlesztés folytatódik, a tetraplégiában szenvedők kihasználhatják a motoros protézisek előnyeit, ha azokat a tolószékükre rögzítik. A motorizált protézisek az ép végtaghoz hasonló funkciót biztosítanak, de nagy szabadságfokú vezérlő interfészre van szükség, és a BCI az egyik lehetséges megoldás.

A funkcionális neuroimaging a BCI elektródák elhelyezésének irányítására használható, hogy a meglévő szenzomotoros áramkörökhöz kapcsolódjon. A képi alapú agytérképezés lehetővé teszi a kérgi plaszticitás tanulmányozását is, amely hasznos lehet a sérülés után fellépő maladaptív agykérgi változások vagy a rehabilitációs beavatkozásokból eredő kedvező változások megértésében. Ahogyan a műtét előtti agytérképezés segíthet azonosítani azokat az egyéneket, akik a legalkalmasabbak a BCI-re, a rejtett agyi feltérképezés a motoros és érzékszervi fogyatékossággal élők esetében megadhatja azt a típusú rehabilitációs paradigmát, amely valószínűleg előnyös. A kortikális plaszticitás mozgás vagy érzékelés hiányában történő tanulmányozásának potenciális előnye széles körű, mivel SCI-ben, amputációban, stroke-ban, neurodegeneratív betegségekben, például amiotrófiás laterális szklerózisban vagy egyéb szenzomotoros károsodásban szenvedő betegeknél alkalmazható.