Sensomotorische beeldvorming voor hersen-computerinterfaces

ACHTERGROND: Geavanceerd begrip van de hersenstructuur en -functie heeft de diagnose en behandeling van neurologische aandoeningen zoals epilepsie, beroerte en dwarslaesie (SCI) verbeterd. Meer dan een halve eeuw geleden maakten de baanbrekende studies van Penfield gebruik van elektrische stimulatie van motorische en sensorische gebieden van de hersenschors en onthulden een duidelijke somatotopische organisatie van de hersenen. Tegenwoordig wordt deze en aanvullende kennis van neuronale coderingsfuncties gebruikt om revolutionaire apparaten te ontwikkelen die rechtstreeks communiceren met motorische en sensorische neuronen in de hersenen om functionele verbindingen tot stand te brengen met prothetische en ondersteunende apparaten. Deze zogenaamde brain-computer interfaces (BCI's) vereisen dat elektroden precies worden geplaatst in hersengebieden die verantwoordelijk zijn voor wilscontrole en sensatie van bewegingen van ledematen, met name de arm- en handregio's. Het in kaart brengen van die hersengebieden is mogelijk met behulp van functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI). Dergelijke mappingstudies zijn echter moeilijk uit te voeren bij personen met motorische en zintuiglijke beperkingen. Mensen met ALS en dwarslaesie hebben de efferente en afferente banen tussen de cortex en de ledematen verstoord, waardoor het noodzakelijk is om te vertrouwen op geheime technieken, zoals kinesthetische motorische beelden, om sensomotorische hersenactiviteit in kaart te brengen om BCI-elektrodeplaatsing te begeleiden of om de resulterende corticale plasticiteit te bestuderen door een blessure of tussenkomst. Uitdagingen in verband met het in kaart brengen van de hersenen na letsel dragen waarschijnlijk bij aan de sterk uiteenlopende rapporten over de omvang en prevalentie van functionele reorganisatie die optreedt in de hersenen na dwarslaesie. fMRI is een niet-invasief hulpmiddel waarmee motorische en sensorische hersenactiviteit kan worden gemeten met minimaal risico voor deelnemers aan de studie.

BETEKENIS: Herstel van de functie van de bovenste ledematen is een topprioriteit voor personen met tetraplegie. Naar schatting hebben 236.000-327.000 mensen in de Verenigde Staten een dwarslaesie. Ongeveer 17% van de mensen met dwarslaesie heeft hoge tetraplegie (letsel op cervicaal niveau C1-C4), hoewel dit percentage de laatste jaren is toegenomen. Mensen met hoge tetraplegie zijn de meest waarschijnlijke groep die baat heeft bij BCI-gecontroleerde neuroprothesen, hoewel de geheime mappingstrategieën die in dit voorstel zijn ontwikkeld, kunnen worden gebruikt om sensomotorische activering en plasticiteit te bestuderen bij iedereen met motorische of sensorische beperkingen, inclusief amputatie. Er worden geavanceerde, gemotoriseerde prothesen ontwikkeld die natuurlijke bewegingen van de bovenste ledematen mogelijk maken en geavanceerde detectiemogelijkheden hebben. Mensen met tetraplegie zouden graag de functie van hun eigen ledematen willen herstellen met behulp van FES, maar deze technologie heeft verdere vooruitgang nodig en is geen vervanging voor sensatie, waarvoor mogelijk nog steeds een BCI nodig is. Terwijl FES-onderzoek en -ontwikkeling doorgaat, kunnen mensen met tetraplegie profiteren van gemotoriseerde prothesen door ze op hun rolstoel te monteren. Gemotoriseerde prothesen kunnen een functie bieden die vergelijkbaar is met die van een intact ledemaat, maar er is een bedieningsinterface met een hoge mate van vrijheid nodig en BCI is een mogelijke oplossing.

Functionele neuroimaging kan worden gebruikt om de plaatsing van BCI-elektroden te begeleiden om bestaande sensomotorische circuits aan te boren. Op beelden gebaseerde hersenmapping maakt ook de studie van corticale plasticiteit mogelijk, wat nuttig zou kunnen zijn voor het begrijpen van onaangepaste corticale veranderingen die optreden na een blessure of gunstige veranderingen als gevolg van revalidatie-interventies. Net zoals pre-chirurgische hersenkartering kan helpen bij het identificeren van personen die het meest geschikt zijn voor een BCI, kan geheime hersenkartering bij iemand met motorische en sensorische beperkingen het type revalidatieparadigma informeren dat het meest waarschijnlijk een voordeel zal hebben. Het potentiële voordeel van het kunnen bestuderen van corticale plasticiteit in afwezigheid van beweging of gevoel is verreikend, aangezien het zou kunnen worden toegepast op patiënten met dwarslaesie, amputatie, beroerte, neurodegeneratieve ziekten zoals amyotrofische laterale sclerose of andere sensomotorische stoornissen.