FNIRS를 통한 외골격 및 뇌 활동 (ExoNIRS)

운동 시스템 신경 과학의 중요한 목표는 뇌의 신경 활동이 힘, 속도, 운동 빈도 또는 운동 방향과 같은 운동 매개 변수를 중재하는 방법을 특성화하는 것입니다. 힘의 신경 코드는 TEP, fMRI, 기능적 근적외 분광법(fNIRS), EEG 또는 자기 자극을 사용하여 동물과 인간에서 연구되었습니다.

인간이 아닌 영장류에 대한 전기생리학적 연구는 반대쪽 운동 피질의 여러 영역에서 신경 방전율과 가해지는 힘 진폭 사이의 상관관계를 입증했습니다.

인간의 경우, 기능적 자기 공명 영상(fMRI) 연구에서 반대쪽 일차 운동/체성 감각(M1/S1) 피질, 보조 운동 영역(SMA) 및 전운동 피질에서 증가하는 신경 활성화와 힘의 진폭 증가 사이의 관계를 확인했습니다. 동측 운동 피질은 또한 힘 코드에 기여할 수 있습니다. 또한 기저핵-시상-피질 루프가 힘 제어 조절에 참여한다는 증거도 있습니다. globus pallidus (GPi) 및 subthalamic nucleus (STN)의 내부 부분은 힘이 증가함에 따라 백분율 신호 변화가 긍정적으로 증가했으며 복부 시상 영역도 같은 방식으로 암시되었습니다. 보다 최근에, fNIRS에 대한 연구는 반대쪽 및 동측 반구에서 힘 수준과 대뇌 활성화 사이의 관계를 확인했습니다.

대부분의 인간 연구는 아이소메트릭 정적 작업에 관한 것입니다. 동적 움직임을 고려한 연구는 거의 없었습니다. 일반적으로 반복적인 일시적인 힘 변화를 처리하려면 정적 힘을 생성하고 제어하는 ​​것보다 더 많은 대사 활동이 필요합니다. 대측성 M1과 전방 소뇌의 신경 네트워크 내 힘 수준과 피질 변화 사이에는 상관 관계가 있습니다.

대부분의 연구는 상지에 관한 것입니다. 우리가 아는 바로는 아이소메트릭 힘 수준에서 하지에 대해 연구했습니다. 하나는 만성 폐쇄성 폐 질환 환자의 대퇴사두근 회전력 제어의 신경 상관관계에 관한 것이고 다른 하나는 건강한 대조군의 발목 배굴근과 등척성 수축에 관한 것입니다.

fMRI 및 TEP는 모션 아티팩트에 매우 민감하며 동적 근위 관절 또는 보행 연구에는 적합하지 않습니다. fNIRS는 모션 아티팩트에 덜 민감하며 제어 또는 환자의 보다 자연스러운 조건에서 걷는 수많은 연구를 허용했습니다. fMRI와 fNIRS는 활성 뇌 영역이 모세혈관과 소동맥의 확장을 통해 에너지 수요에 맞게 혈류의 국부적 증가를 유도하는 과정인 신경혈관 결합의 생리학적 원리를 기반으로 합니다. fMRI는 옥시 대 디옥시-헤모글로빈의 비율에 해당하는 혈중 산소 수준 의존(BOLD) 반응을 측정합니다. 그러나 헤모글로빈의 두 부분은 fMRI로 개별적으로 측정되지 않습니다. 반대로 fNIRS는 두 헤모글로빈 종을 별도로 측정합니다. 이러한 신경혈관 결합 동안 공급되는 산소의 양은 일반적으로 국소적으로 소비되는 양보다 많기 때문에 해당 부위의 HbO2가 상당히 증가하고 HbR이 약간 감소합니다.

보행에 대한 많은 fNIRS 연구는 이중 작업 패러다임으로 전전두엽 피질의 혈역학적 변화를 기록했습니다. 운동 피질에 관한 연구는 거의 없습니다.

최근에는 기존의 재활 외에도 로봇 보조 재활이 사용되었습니다. 신경 가소성을 촉진하는 데 가장 효율적인 것으로 간주되는 다중 감각 자극을 통해 조기에 집중적이며 작업별 관리 기회를 제공합니다. 문헌에 따르면 로봇 재활은 환자의 보행 능력, 보행 속도, 하지 근력, 보폭 및 보행 대칭성을 증가시킵니다. 그러나 로봇 보조 재활의 신경 생리학적 기반은 잘 알려져 있지 않습니다. 외골격을 사용하면 제공되는 보조의 비율을 제어할 수 있습니다. 건강한 피험자를 대상으로 한 이 연구에서 연구자들은 외골격으로 걸을 때 운동 영역에서 뇌 활성화를 연구할 것을 제안합니다. 네 가지 강도 수준이 연구됩니다: 전체 보조(A100%), 부분 보조(A50%), 보조 없음(A0%) 및 외골격에서 걷기에 대한 25% 저항(R25%). 연구자들은 fNIRS로 측정한 뇌 활성화 수준이 피험자의 노력에 따라 증가할 것이라는 가설을 세웠습니다.