Exoskelet en hersenactiviteit met fNIRS (ExoNIRS)

Een belangrijk doel van de motorische neurowetenschap is om te karakteriseren hoe neurale activiteit in de hersenen bewegingsparameters bemiddelt, zoals kracht, snelheid, bewegingsfrequentie of bewegingsrichting. De neurale codage van kracht is bestudeerd bij dieren en mensen met TEP, fMRI, functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS), EEG of magnetische stimulatie.

Elektrofysiologische studies bij niet-menselijke primaten toonden een correlatie aan tussen neuronale ontladingssnelheden in meerdere regio's van de contralaterale motorcortex en uitgeoefende krachtamplitude.

Bij mensen bevestigden onderzoeken naar functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) de relatie tussen toenemende neuronale activering en toenemende krachtamplitude in de contralaterale primaire motorische / somatosensorische (M1 / S1) cortices, het aanvullende motorgebied (SMA) en de premotorische cortex. De ipsilaterale motorcortex zou ook kunnen bijdragen aan de krachtcodering. Er zijn ook aanwijzingen dat de basale ganglia-thalamo-corticale lus deelneemt aan de regulatie van krachtcontrole. Het interne gedeelte van de globus pallidus (GPi) en subthalamische nucleus (STN) had een positieve toename in procentuele signaalverandering met toenemende kracht, en de ventrale thalamische gebieden werden ook op dezelfde manier geïmpliceerd. Meer recentelijk bevestigden studies met fNIRS de relatie tussen krachtniveau en cerebrale activatie in de contralaterale en ipsilaterale hemisfeer.

De meeste humane studies betroffen isometrische statische taken. Slechts weinig studies hielden rekening met dynamische bewegingen. In de regel vereist de verwerking van herhaalde voorbijgaande krachtveranderingen meer metabole activiteit dan het genereren en beheersen van een statische kracht. Er is een correlatie tussen het krachtniveau en corticale veranderingen binnen het neuronale netwerk in contralaterale M1 en het voorste cerebellum.

De meeste onderzoeken hebben betrekking op de bovenste extremiteit. Voorzover ons bekend is alleen de onderste extremiteit onderzocht op een isometrisch krachtniveau. De ene betreft de neurale correlaten van quadriceps-torsiecontrole bij patiënten met chronische obstructieve longziekte en de andere betreft isometrische contracties met de dorsiflexor van de enkel bij gezonde controles.

fMRI en TEP zijn zeer gevoelig voor bewegingsartefacten en niet geschikt voor dynamische proximale gewrichten of looponderzoeken. fNIRS is minder gevoelig voor bewegingsartefacten en heeft talloze onderzoeken mogelijk gemaakt naar lopen onder meer natuurlijke omstandigheden bij controles of patiënten. fMRI en fNIRS zijn gebaseerd op de fysiologische principes van neurovasculaire koppeling, het proces waarbij actieve hersengebieden een lokale toename van de bloedstroom induceren om aan hun energiebehoefte te voldoen via de verwijding van haarvaten en arteriolen. fMRI meet de bloedzuurstofniveau-afhankelijke (BOLD) respons die overeenkomt met de verhouding van oxy tot deoxy-hemoglobine. De twee delen van hemoglobine worden echter niet afzonderlijk gemeten met fMRI. Integendeel, fNIRS meet de twee hemoglobinesoorten afzonderlijk. Tijdens deze neurovasculaire koppeling is de hoeveelheid zuurstof die wordt toegevoerd doorgaans groter dan de plaatselijk verbruikte hoeveelheid, wat resulteert in een aanzienlijke toename van HbO2 en een lichte verlaging van HbR in de regio.

Veel van de fNIRS-onderzoeken naar het lopen registreerden hemodynamische variaties in de prefrontale cortex met het paradigma van dubbele taken. Slechts weinig studies hadden betrekking op de motorische cortex.

Naast de conventionele revalidatie wordt de laatste jaren robotondersteunde revalidatie toegepast. Het biedt mogelijkheden voor vroeg, intensief, taakspecifiek beheer met multisensorische stimulatie die als het meest efficiënt wordt beschouwd voor het bevorderen van neuroplasticiteit. Literatuur suggereert dat robotrevalidatie het loopvermogen van patiënten, de loopsnelheid, de spierkracht van de onderste ledematen, de staplengte en de loopsymmetrie vergroot. De neurofysiologische basis van robotondersteunde revalidatie blijft echter slecht bekend. Het gebruik van een exoskelet maakt het mogelijk om het percentage van de verstrekte hulp te beheersen. In deze studie bij gezonde proefpersonen stellen de onderzoekers voor om hersenactivatie in motorische regio's te bestuderen bij het lopen in een exoskelet. Vier krachtniveaus worden bestudeerd: totale hulp (A100%), gedeeltelijke hulp (A50%), geen hulp (A0%) en weerstand van 25% (R25%) bij het lopen vanaf het exoskelet. De onderzoekers veronderstellen dat het niveau van hersenactivatie gemeten door fNIRS zal toenemen met de inspanning van de proefpersonen.