Kognitiv-baserte proteser for å forbedre grep og rekkevidde etter SCI

Ryggmargsskade (SCI) på livmorhalsnivå svekker håndfunksjonen i alvorlig grad kompromitterer ytelsen til dagliglivets aktiviteter. Den fysiske rehabiliteringsprosessen krever engasjement fra deltakeren for å oppnå meningsfulle gevinster i funksjon. Rehabiliteringstilnærminger som er kognitivt engasjerende kan legge til rette for større engasjement for praksis og forbedret bevegelseslæring.

Etterforskerne foreslår å utvikle innovative plattformer som bruker virtuell virkelighet (VR) og instrumenterte wearables som forbedrer kognitive faktorer under motorisk læring av håndgrep og rekkevidde etter SCI. Disse faktorene inkluderer større følelse av handlefrihet, eller oppfatning av kontroll, og multisensorisk tilbakemelding. Sense of agency er implisert med større bevegelseskontroll, og ulike sensoriske tilbakemeldingsmodaliteter (visuelle, lyd- og haptiske) har vist seg effektive i bevegelsestrening. Imidlertid er disse faktorene ikke godt vurdert i tradisjonelle fysioterapitilnærminger.

Etterforskerne har utviklet to nye kognitivt-baserte plattformer for rehabilitering av gripe- og rekkeviddefunksjon og foreslår å teste hver plattform hos veteraner med kronisk SCI på livmorhalsnivå.

Mål 1 vil undersøke hvordan "kognisjons"-hansken kan forbedre funksjonelt grep. Denne hansken inkluderer kraft- og bøyningssensorer som gir input til en maskinlæringsalgoritme som er trent til å forutsi når sikkert grep er oppnådd. Hansken varsler brukeren om sikkert grep gjennom innebygde sensoriske moduler som gir visuell (LED), lyd (piper) og taktil (vibrator) tilbakemelding. Under trening gis tilbakemeldinger med gradvis kortere tidsintervaller for gradvis å indusere handlefrihet basert på det nevrovitenskapelige prinsippet om "forsettlig binding". Dette prinsippet antyder at med større handlefrihet, oppfatter man at handlingen deres (dvs. sikker grep) er mer koblet i tid til en sensorisk konsekvens (dvs. hansketilbakemelding). Hansken er brukerklar, og har nå kompatibilitet med tilpassede VR-applikasjoner for å gi forbedret sensorisk tilbakemelding gjennom engasjerende og tilpassede visuelle og lydvarsler. Etterforskerne antar at forbedret tilbakemelding i VR vil gi enda større forbedringer i grepsytelsen enn tilbakemelding ombord alene.

Mål 2 vil undersøke hvordan veteraner med SCI kan lære større armmuskelkontroll under virtuell rekkevidde mens de bruker en "sensorisk" bøyle som gir isometrisk motstand til en arm for å fremkalle elektromyografi (EMG) mønstre som kan drive en virtuell arm. Personen får visuell tilbakemelding fra VR og muskelsenehaptisk tilbakemelding fra skinnen under trening. Senstimulering kan fremkalle bevegelsesopplevelser som modulerer muskelaktiveringsmønstre. VR-tilbakemeldinger vil gi bevisste bevegelsestreningssignaler mens vibrasjonsfeedback ubevisst vil fremkalle mer distinkte EMG-mønstre basert på klyngeanalyse. Etterforskerne antar at fremme av distinkte EMG-mønstre, oppnådd ved å maksimere inter-cluster-avstander, vil forbedre ytelsen til en rekkevidde-til-berøringsoppgave.

Viktigere er at konseptet med å styrke kognitiv aktør og læring av bevegelse ved bruk av bærbar teknologi, multisensorisk tilbakemelding og virtuell virkelighet under fysisk trening vil være anvendelig for alle former for nevromuskulær svekkelse, inkludert hjerneslag og traumatisk hjerneskade i tillegg til SCI.