Esoscheletro e attività cerebrale con fNIRS (ExoNIRS)

Un obiettivo importante delle neuroscienze dei sistemi motori è caratterizzare il modo in cui l'attività neurale nel cervello media i parametri del movimento come forza, velocità, frequenza del movimento o direzione del movimento. Il codage neurale della forza è stato studiato in animali e umani con TEP, fMRI, spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS), EEG o stimolazione magnetica.

Studi elettrofisiologici su primati non umani hanno dimostrato una correlazione tra i tassi di scarica neuronale in più regioni della corteccia motoria controlaterale e l'ampiezza della forza esercitata.

Negli esseri umani, gli studi di risonanza magnetica funzionale (fMRI) hanno confermato la relazione tra l'aumento dell'attivazione neuronale e l'aumento dell'ampiezza della forza nelle cortecce motorie/somatosensoriali primarie controlaterali (M1/S1), nell'area motoria supplementare (SMA) e nella corteccia premotoria. Anche la corteccia motoria omolaterale potrebbe contribuire al codice della forza. Ci sono anche evidenze che l'anello gangli della base-talamo-corticale partecipi alla regolazione del controllo della forza. La porzione interna del globus pallidus (GPi) e del nucleo subtalamico (STN) ha avuto un aumento positivo della variazione percentuale del segnale con l'aumentare della forza, e anche le regioni talamiche ventrali erano implicate allo stesso modo. Più recentemente, studi con fNIRS hanno confermato la relazione tra livello di forza e attivazione cerebrale nell'emisfero controlaterale e omolaterale.

La maggior parte degli studi sull'uomo riguardava compiti statici isometrici. Solo pochi studi hanno considerato i movimenti dinamici. Di norma, l'elaborazione di cambiamenti di forza transitori ripetitivi richiede più attività metabolica rispetto alla generazione e al controllo di una forza statica. Esiste una correlazione tra il livello di forza e i cambiamenti corticali all'interno della rete neuronale in M1 controlaterale e nel cervelletto anteriore.

La maggior parte degli studi riguarda l'arto superiore. A nostra conoscenza solo quelli studiati riguardano l'arto inferiore in un livello di forza isometrica. Uno riguarda i correlati neurali del controllo del momento torcente del quadricipite nei pazienti con broncopneumopatia cronica ostruttiva e l'altro riguarda le contrazioni isometriche con il dorsiflessore della caviglia nei controlli sani.

fMRI e TEP sono altamente sensibili agli artefatti da movimento e non adatti per le articolazioni prossimali dinamiche o gli studi sull'andatura. fNIRS è meno sensibile agli artefatti da movimento e ha consentito numerosi studi sulla deambulazione in condizioni più naturali nei controlli o nei pazienti. fMRI e fNIRS si basano sui principi fisiologici dell'accoppiamento neurovascolare, il processo mediante il quale le regioni cerebrali attive inducono un aumento locale del flusso sanguigno per soddisfare le loro richieste di energia attraverso la dilatazione dei capillari e delle arteriole. fMRI misura la risposta dipendente dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) corrispondente al rapporto tra ossi e deossi-emoglobina. Tuttavia, le due porzioni di emoglobina non vengono misurate individualmente con fMRI. Al contrario, fNIRS misura separatamente le due specie di emoglobina. Durante questo accoppiamento neurovascolare, la quantità di ossigeno fornita è tipicamente maggiore di quella consumata localmente, determinando un sostanziale aumento di HbO2 e una leggera riduzione di HbR nella regione.

Molti degli studi fNIRS sull'andatura hanno registrato variazioni emodinamiche nella corteccia prefrontale con il paradigma dei compiti doppi. Solo pochi studi hanno riguardato la corteccia motoria.

Negli ultimi anni, la riabilitazione assistita da robot è stata utilizzata in aggiunta alla riabilitazione convenzionale. Offre opportunità per una gestione precoce, intensiva e specifica per attività con stimolazione multisensoriale considerata la più efficiente per promuovere la neuroplasticità. La letteratura suggerisce che la riabilitazione robotica aumenta la capacità di deambulazione dei pazienti, la velocità di deambulazione, la forza muscolare degli arti inferiori, la lunghezza del passo e la simmetria della deambulazione. Tuttavia, le basi neurofisiologiche della riabilitazione robotizzata rimangono poco conosciute. L'utilizzo di un esoscheletro consente di controllare la percentuale di aiuto erogato. In questo studio su soggetti sani i ricercatori propongono di studiare l'attivazione cerebrale nelle regioni motorie quando si cammina in un esoscheletro. Vengono studiati quattro livelli di forza: aiuto totale (A100%), aiuto parziale (A50%), nessun aiuto (A0%) e resistenza del 25% (R25%) alla deambulazione dall'esoscheletro. I ricercatori ipotizzano che il livello di attivazione cerebrale misurato da fNIRS aumenterà con lo sforzo fornito dai soggetti.