Een mobiel Brain/Body Imaging-platform voor de beoordeling en optimalisatie van robotondersteunde looptherapie na een beroerte (COBI)

Om efficiënte mobiliteit te bereiken, recruteert ons brein dynamisch verschillende spiersubsets om bewegingsstrategieën te creëren die ons in staat stellen te bewegen en te interacteren met de omgeving. Onze bewegingsvaardigheid is het resultaat van interacties waarbij processen betrokken zijn zoals motivatie, aanpassing aan veranderingen in de omgeving (bijv. om om te gaan met veranderingen in het terrein), afleiders (bijv. lopen terwijl je telefoneert) evenals motorische planning en uitvoering. Deze interacties worden uitgedrukt door een complexe controle van loopparameters zoals snelheid, ritmiek en volgorde van spierco-activaties, evenals houdingsaanpassingen die nodig zijn om de uitdaging van externe gebeurtenissen aan te gaan. Correcte informatie van alle betrokken sensorische systemen is synergetisch nodig in actief gedrag en houdingscontrole.

Een breed scala aan oorzaken zoals neurologische schade, verkeersongevallen en veroudering zijn verantwoordelijk voor bewegingsstoornissen die de levenskwaliteit aanzienlijk verminderen door de dagelijkse zelfstandigheid sterk te beperken. Beroerte is wereldwijd de tweede belangrijkste doodsoorzaak, met 6,7 miljoen geregistreerde gevallen in 2012, en naar schatting lijdt 50% van de overlevenden aan permanente motorische of cognitieve beperkingen. Hemiparese, een van de meest voorkomende gevolgen van een beroerte, is een belangrijke oorzaak van langdurige invaliditeit en resulteert vaak in evenwichtsstoornissen en "voetval", gekenmerkt door het onvermogen om de tenen volledig van de grond te tillen tijdens de zwaaifase van het lopen bij meer dan 80% van de beroerteoverlevenden. Beroerte vermindert het vermogen om spieren te recruteren en het lichaam correct waar te nemen, wat vaak resulteert in het aangeleerde niet-gebruik van het aangedane lichaamsdeel. Het verminderde vermogen voor informatieverwerking na een beroerte belemmert het vermogen om de concentratie efficiënt over twee of meer taken te verdelen (dubbele taak), met een toegenomen moeilijkheid bij dagelijkse activiteiten die het gelijktijdig uitvoeren van meerdere taken vereisen (bijv. lopen en praten).

Aangezien sensorimotorische verwerkingscapaciteiten verstoord zijn, kunnen patiënten niet vrij interacteren met de omgeving omdat al hun mentale energie wordt "ingepikt" door de simpele handeling van het plaatsen van het ene been na het andere. Ze beschikken niet over de "mentale bandbreedte" die wij normaal gesproken als vanzelfsprekend beschouwen en die ons bijvoorbeeld in staat stelt een aangenaam gesprek te voeren met andere mensen die met ons meelopen. Sterker nog, door het verlies van fysieke en mentale bandbreedte onder dubbele-taakomstandigheden, ervaren beroerteoverlevenden vaak valpartijen, wat leidt tot gebrek aan zelfvertrouwen, angst en in sommige gevallen agorafobie. Ze hebben ook waarschijnlijk verminderde motivatie en betrokkenheid bij het herstelbehandeling, wat vaak uitmondt in een vicieuze cirkel die schadelijk is voor het succes van elke geprobeerde revalidatietherapie.

Loopstoornis wordt beschouwd als een van de meest ernstige invaliderende gevolgen van een beroerte, aangezien een van de primaire doelen van patiënten is om zelfstandig te kunnen lopen en dagelijkse activiteiten te beheren. Beroerte veroorzaakt veranderingen in de voortbeweging, wat het primaire middel is voor dagelijks beheer van mobiliteit. Looprevalidatie is daarom het primaire doel van post-beroerte revalidatie, vooral gezien de nauwe relatie met cognitieve stoornis. Gezien de constante toename van mensen die elk jaar revalidatie of ondersteunende behandeling nodig hebben en de steeds groter wordende keuze aan beschikbare behandelingen, is de beoordeling en ontwikkeling van geschikte gepersonaliseerde strategieën om loopstoornissen aan te pakken nu een naderende prioriteit.

Helaas zijn revalidatieresultaten vaak onzeker omdat ze geassocieerd zijn met motivatie, betrokkenheid en aandacht. De betrokkenheid van patiënten zal immers de effectiviteit van de therapie bepalen om motorisch leren te bevorderen (d.w.z. herkenning van het verschil tussen werkelijke en verwachte resultaten tijdens fout-gestuurd leren), wat een essentiële voorwaarde is voor aanpassing (d.w.z. aanpassing van een beweging, proef na proef, gebaseerd op foutfeedback).

Kortom, revalidatie moet worden uitgevoerd in een gesloten-lusvorm, waarbij patiënten actief betrokken zijn bij de revalidatietherapie of zelfs enige controle erover hebben terwijl ze feedback en "beloningen" ontvangen die sensorimotorische integratie en multisensorische verwerking in het Centraal Zenuwstelsel (CZS) kunnen bevorderen. Revalidatie werkt in op de mechanismen van hersenplasticiteit, dat wil zeggen het intrinsieke vermogen van de hersenen om te reageren als een zeer dynamisch systeem dat de eigenschappen van zijn neurale circuits kan veranderen. Reorganisatie van overlevende CZS-elementen ondersteunt gedragsherstel, bijvoorbeeld door veranderingen in interhemisferische lateralizatie, activiteit van associatiecortexen verbonden met beschadigde zones en organisatie van corticale representatiekaarten. Human-in-the-loop revalidatie kan, door in te werken op de mechanismen van fout-gebaseerd en beloning-gebaseerd leren, reorganisatie veel effectiever sturen naar het vergroten van de representatie van sensorimotorische kaarten, die gedeeltelijk (zo niet volledig) verloren zijn gegaan na een beroerte.

Conventionele bewegingsrevalidatie is voornamelijk gebaseerd op directe observatie en mobilisatie van de onderste ledematen door therapeuten, gevolgd door ondersteund lopen over de grond, passief of actief, gebruikmakend van context-specifieke motorische taken en gerelateerde feedback. In "neurofysiologische" technieken fungeert de fysiotherapeut, gebaseerd op neurofysiologische kennis van loopprincipes, als "probleemoplosser" en "besluitvormer", waarbij de patiënt fungeert als een passieve ontvanger. In "motorisch leren" technieken daarentegen is actieve betrokkenheid van de patiënt vereist samen met neuropsychologische evaluatie. Om de betrokkenheid van patiënten, standaardisatie en therapie-effectiviteit te verbeteren, kunnen verrijkte motorisch leren neurofysiologische behandelingen die robotische hulpmiddelen (exoskeletten) omvatten, worden gebruikt.

In de afgelopen 20 jaar is een overweldigend aantal combinaties van verrijkte en conventionele behandelingen voorgesteld om de motivatie van patiënten te verhogen met interactieve biofeedback of door patiënten enige controle te geven over de ondersteunende robotische apparaten. Ondanks een intens debat over de verdiensten van elke oplossing, is er echter nog steeds onvoldoende bewijs om duidelijk aan te geven welke aanpak het meest effectief is (en vooral, waarom) bij het bevorderen van loopherstel na een beroerte. Sterker nog, we missen nog steeds de kennis die nodig is om dergelijke technologie op de best mogelijke manier toe te passen in relatie tot de individuele toestand van de patiënt, vooral in het geval van looprevalidatie.

In de afgelopen jaren heeft Mobile Brain/Body Imaging (MoBI) momentum gekregen binnen de wetenschappelijke gemeenschap als een opkomend paradigma om gezamenlijk hersenen en gedrag te bestuderen, en vooral voortbeweging, ook buiten laboratoriumomgevingen. MoBI kan worden gebruikt om de clinicus nuttige informatie te geven om de revalidatievooruitgang te beoordelen door de neurale correlaten van lopen te "coderen" door middel van hersen-spierconnectiviteitsbeoordeling tijdens beweging in plaats van voor/na de taak zoals in de huidige praktijk. Real-time MoBI kan ook worden gebruikt om de bewegingsintentie van de patiënt te decoderen, waarop stimuluslevering kan worden uitgevoerd (bijv. via FES, exoskeletten etc.), waardoor de betrokkenheid wordt vergroot en plastische reorganisatie wordt bevorderd. Succesvolle ontwikkeling van MoBI-opstellingen is echter nog steeds een technologische uitdaging. Neuroimaging-technieken zijn ofwel niet draagbaar (bijv. Magnetische Resonantie, Magneto-encefalografie), of missen de temporele resolutie die nodig is om bijna-instantane intra-stapmodulaties van neurale activiteit tijdens voortbeweging vast te leggen (bijv. functionele nabij-infraroodspectroscopie - fNIRS) vanwege de variatiesnelheid van de fysiologische marker die ze gebruiken (bijv. bloedzuurstofniveau voor fNIRS). Elektro-encefalografie (EEG) is de enige techniek die draagbaar genoeg, niet-invasief en met de temporele resolutie is die nodig is om zelfs dergelijke modulaties van hersenactiviteit tijdens het lopen te detecteren. Echter, de EEG is zeer gevoelig voor bewegingsartefacten en vereist het oplossen van belangrijke technologische uitdagingen en het ontwikkelen van complexe en vaak ontmoedigende analysepijplijnen. In ieder geval is MoBI met EEG, hoewel uitdagend, niet onmogelijk: tot op heden hebben verschillende auteurs stapfase-gerelateerde intra-stap patronen van activatie en deactivatie aangetoond, bijvoorbeeld ook een directionele link tussen sensorimotorische corticale gebieden en beenspieren tijdens gestandaardiseerd lopen aantonend, maar studies van looprevalidatie met MoBI neuromusculaire beoordeling in natuurlijke ecologische omstandigheden ontbreken nog steeds kritisch. Ook blijft de volgende technische/wetenschappelijke vraag bestaan: "hoe kunnen we beweging-gerelateerde neurale activiteit onderscheiden van beweging en mechanische artefacten? Atalante X: een disruptief draagbaar aangedreven cobot. Het is een collaboratief exoskelet dat patiënten met ernstige loopstoornissen, inclusief die met bovenste ledemaatdysfunctie of cognitieve uitdagingen, in staat stelt op te staan en handenvrij te lopen; het is de enige cobot uitgerust met 12 motoren op heup-, knie- en enkelniveau die de mens in staat stelt de bewegingsintentie om te zetten in daadwerkelijke beweging.

Het project heeft tot doel ATALANTE X geavanceerde hightech oplossingen te optimaliseren door de revalidatieloopbehandeling van beroertepatiënten te personaliseren met behulp van:

1. Karakterisering van de Cognitieve Flexibiliteit van de patiënt met behulp van het Dessintey-systeem. Dessintey is een unieke technologie gewijd aan motorische planning en centrale controle van beweging gebaseerd op visuomotorische simulatie training die Action Observation-Motor Imaging-Mirror Therapy benaderingen combineert. Sterker nog, elke keer dat een beweging wordt waargenomen, simuleert het brein dezezelfde beweging onmiddellijk en zonder moeite; op deze manier is het mogelijk om verbeelding en lichaamsperceptie te vergroten.
2. Monitoring en evaluatie van Human-Cobot interactie met behulp van disruptieve dynamische EEG-EMG neurale biomarkers met Mobile Brain/Body Imaging (MoBI)