Imaging sensomotorio per interfacce cervello-computer

SFONDO: La comprensione avanzata della struttura e della funzione del cervello ha migliorato la diagnosi e il trattamento di disturbi neurologici come epilessia, ictus e lesioni del midollo spinale (SCI). Oltre mezzo secolo fa, gli studi pionieristici di Penfield utilizzarono la stimolazione elettrica delle aree motorie e sensoriali della corteccia cerebrale e rivelarono una distinta organizzazione somatotopica del cervello. Oggi, questa e ulteriore conoscenza delle funzioni di codifica neuronale vengono utilizzate per sviluppare dispositivi rivoluzionari che si interfacciano direttamente con i neuroni motori e sensoriali nel cervello per stabilire connessioni funzionali con dispositivi protesici e di assistenza. Queste cosiddette interfacce cervello-computer (BCI) richiedono che gli elettrodi siano posizionati precisamente nelle aree cerebrali responsabili del controllo volontario e della sensazione dei movimenti degli arti, in particolare nelle regioni del braccio e della mano. La mappatura di quelle regioni cerebrali è possibile utilizzando la risonanza magnetica funzionale (fMRI). Tuttavia, tali studi di mappatura sono difficili da eseguire in persone con disabilità motorie e sensoriali. Le persone con SLA e LM hanno interrotto i percorsi efferenti e afferenti tra la corteccia e gli arti rendendo necessario fare affidamento su tecniche nascoste, come l'immaginazione motoria cinestetica, per mappare l'attività cerebrale sensomotoria al fine di guidare il posizionamento degli elettrodi BCI o per studiare la plasticità corticale risultante da lesioni o interventi. Le sfide associate alla mappatura del cervello dopo la lesione probabilmente contribuiscono ai rapporti ampiamente variabili riguardanti l'estensione e la prevalenza della riorganizzazione funzionale che si verifica nel cervello dopo la LM. fMRI è uno strumento non invasivo che consente la misurazione dell'attività cerebrale motoria e sensoriale con un rischio minimo per i partecipanti allo studio.

SIGNIFICATO: Il ripristino della funzione dell'arto superiore è una priorità assoluta per le persone con tetraplegia. Si stima che 236.000-327.000 persone negli Stati Uniti abbiano una lesione del midollo spinale. Circa il 17% delle persone con LM ha una tetraplegia alta (lesioni ai livelli cervicali C1-C4) sebbene questa percentuale sia aumentata negli ultimi anni. Le persone con tetraplegia alta sono il gruppo che più probabilmente trarrà beneficio dalle neuroprotesi controllate da BCI, sebbene le strategie di mappatura nascoste sviluppate in questa proposta potrebbero essere utilizzate per studiare l'attivazione sensomotoria e la plasticità in chiunque abbia compromissione motoria o sensoriale, inclusa l'amputazione. Sono in fase di sviluppo sofisticate protesi motorizzate che consentono il movimento naturale degli arti superiori e hanno capacità di rilevamento avanzate. Le persone con tetraplegia vorrebbero ripristinare la funzione dei propri arti utilizzando la FES, ma questa tecnologia necessita di ulteriori progressi e non sostituisce la sensazione, che potrebbe comunque richiedere un BCI. Mentre la ricerca e lo sviluppo di FES continuano, le persone con tetraplegia potrebbero trarre vantaggio dalle protesi motorizzate montandole sulla sedia a rotelle. Le protesi motorizzate possono fornire una funzione paragonabile a quella di un arto intatto, ma è necessaria un'interfaccia di controllo ad alto grado di libertà e la BCI è una possibile soluzione.

Il neuroimaging funzionale può essere utilizzato per guidare il posizionamento degli elettrodi BCI al fine di attingere ai circuiti sensomotori esistenti. La mappatura cerebrale basata sulle immagini consente anche lo studio della plasticità corticale che potrebbe essere utile per comprendere i cambiamenti corticali disadattivi che si verificano dopo una lesione o i cambiamenti benefici derivanti da interventi di riabilitazione. Proprio come la mappatura cerebrale pre-chirurgica può aiutare a identificare le persone più adatte per un BCI, la mappatura cerebrale nascosta in qualcuno con disabilità motorie e sensoriali può informare il tipo di paradigma riabilitativo che ha maggiori probabilità di avere un beneficio. Il potenziale vantaggio di poter studiare la plasticità corticale in assenza di movimento o sensazione è di ampia portata in quanto potrebbe essere applicato a pazienti con LM, amputazione, ictus, malattie neurodegenerative come la sclerosi laterale amiotrofica o altri disturbi sensomotori.