ブレイン・コンピューター・インターフェースのための感覚運動イメージング

背景: 脳の構造と機能の高度な理解により、てんかん、脳卒中、脊髄損傷 (SCI) などの神経疾患の診断と治療が改善されました。 半世紀以上前、ペンフィールドの先駆的な研究は、大脳皮質の運動領域と感覚領域の電気刺激を使用し、脳の明確な体性組織を明らかにしました。 今日、ニューロンのコード化機能に関するこの知識と追加の知識を利用して、脳内の運動ニューロンと感覚ニューロンに直接接続し、人工装具や補助器具との機能的接続を確立する画期的なデバイスが開発されています。 これらのいわゆるブレイン コンピューター インターフェース (BCI) では、四肢の動きの随意制御と感覚を司る脳領域、特に腕と手の領域に電極を正確に配置する必要があります。 これらの脳領域のマッピングは、機能的磁気共鳴画像法 (fMRI) を使用して可能です。 ただし、このようなマッピング研究は、運動障害および感覚障害のある人では実行が困難です。 ALS および SCI を持つ人々は、皮質と手足の間の遠心性および求心性経路を破壊しており、BCI 電極の配置をガイドしたり、結果として生じる皮質可塑性を研究したりするために、感覚運動脳活動をマッピングするために、運動感覚運動イメージなどの秘密の技術に依存する必要があります。怪我や介入から。 損傷後の脳マッピングに関連する課題は、SCI 後の脳で発生する機能再編成の程度と有病率に関するさまざまな報告に寄与する可能性があります。 fMRI は、参加者を研究するリスクを最小限に抑えて、運動および感覚関連の脳活動を測定できる非侵襲的なツールです。

重要性: 上肢機能の回復は、四肢麻痺患者にとって最優先事項です。 米国では 236,000 ～ 327,000 人が脊髄損傷を負っていると推定されています。 脊髄損傷者の約 17% は高度な四肢麻痺 (頸部レベル C1 ～ C4 の損傷) を患っていますが、この割合は近年増加しています。 この提案で開発された秘密のマッピング戦略は、切断を含む運動または感覚障害を持つ人の感覚運動の活性化と可塑性を研究するために使用できますが、四肢麻痺の患者は、BCI 制御の神経人工装具の恩恵を受ける可能性が最も高いグループです。 自然な上肢の動きを可能にし、高度なセンシング機能を備えた、洗練された電動プロテーゼが開発されています。 四肢麻痺の人は、FES を使用して自分の手足の機能を回復したいと考えていますが、この技術はさらに進歩する必要があり、感覚に取って代わるものではないため、BCI が必要になる場合があります。 FES の研究開発が続けられている間、四肢麻痺の人は電動義足を車いすに取り付けることで、電動義足を利用することができます。 電動プロテーゼは無傷の手足に匹敵する機能を提供できますが、自由度の高い制御インターフェースが必要であり、BCI は可能な解決策の 1 つです。

機能的ニューロ イメージングは​​、既存の感覚運動回路を利用するために、BCI 電極の配置をガイドするために使用できます。 画像ベースの脳マッピングは、損傷後に発生する不適応な皮質の変化やリハビリ介入による有益な変化を理解するのに役立つ皮質の可塑性の研究も可能にします。 手術前の脳マッピングがBCIに最も適した個人を特定するのに役立つかもしれないのと同じように、運動障害と感覚障害を持つ人の潜在的な脳マッピングは、利益をもたらす可能性が最も高いリハビリテーションパラダイムのタイプを知らせるかもしれません. 運動や感覚がない状態で皮質可塑性を研究できることの潜在的な利点は、SCI、切断、脳卒中、筋萎縮性側索硬化症などの神経変性疾患、またはその他の感覚運動障害の患者に適用できるため、広範囲に及びます。