Sensorimotorisk bildebehandling for hjerne-datamaskingrensesnitt

BAKGRUNN: Avansert forståelse av hjernens struktur og funksjon har forbedret diagnostisering og behandling av nevrologiske lidelser som epilepsi, hjerneslag og ryggmargsskade (SCI). For over et halvt århundre siden brukte de banebrytende studiene av Penfield elektrisk stimulering av motoriske og sensoriske områder i hjernebarken og avslørte en distinkt somatotopisk organisering av hjernen. I dag brukes denne og tilleggskunnskap om nevronale kodingsfunksjoner til å utvikle revolusjonerende enheter som kobler direkte til motoriske og sensoriske nevroner i hjernen for å etablere funksjonelle forbindelser med protese og hjelpemidler. Disse såkalte hjerne-datamaskin-grensesnittene (BCI-er) krever at elektroder plasseres nøyaktig i hjerneområder som er ansvarlige for frivillig kontroll og følelse av bevegelser i lemmer, spesielt arm- og håndområdene. Kartlegging av disse hjerneområdene er mulig ved å bruke funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI). Slike kartleggingsstudier er imidlertid vanskelige å utføre hos personer med motoriske og sensoriske svekkelser. Personer med ALS og SCI har forstyrret efferente og afferente veier mellom cortex og lemmer, noe som gjør det nødvendig å stole på skjulte teknikker, for eksempel kinestetiske motoriske bilder, for å kartlegge sensorimotorisk hjerneaktivitet for å veilede BCI-elektrodeplassering eller for å studere kortikal plastisitet som resulterer i fra skade eller inngrep. Utfordringer knyttet til hjernekartlegging etter skade bidrar sannsynligvis til de vidt varierende rapportene om omfanget og prevalensen av funksjonell omorganisering som skjer i hjernen etter SCI. fMRI er et ikke-invasivt verktøy som gjør det mulig å måle motorisk og sensorisk relatert hjerneaktivitet med minimal risiko for studiedeltakerne.

BETYDNING: Gjenoppretting av funksjonen i øvre lemmer er en topp prioritet for personer med tetraplegi. Det er anslått at 236 000-327 000 mennesker i USA har en ryggmargsskade. Omtrent 17 % av personer med SCI har høy tetraplegi (skade ved livmorhalsnivåer C1-C4), selv om denne prosentandelen har økt de siste årene. Personer med høy tetraplegi er den mest sannsynlige gruppen som vil dra nytte av BCI-kontrollerte nevroproteser, selv om de skjulte kartleggingsstrategiene utviklet i dette forslaget kan brukes til å studere sensorimotorisk aktivering og plastisitet hos alle med motorisk eller sensorisk svekkelse inkludert amputasjon. Sofistikerte, motoriserte proteser utvikles som muliggjør naturlig bevegelse av øvre lemmer og har avanserte sanseevner. Personer med tetraplegi vil gjerne gjenopprette funksjonen til sine egne lemmer ved hjelp av FES, men denne teknologien trenger ytterligere fremgang og erstatter ikke sensasjon, som fortsatt kan kreve en BCI. Mens FES forskning og utvikling fortsetter, kan personer med tetraplegi dra nytte av motoriserte proteser ved å montere dem på rullestolen. Motoriserte proteser kan gi funksjon som kan sammenlignes med en intakt lem, men en høy grad av frihetskontroll er nødvendig og BCI er en mulig løsning.

Funksjonell nevroavbildning kan brukes til å veilede plassering av BCI-elektroder for å benytte eksisterende sensorimotoriske kretser. Bildebasert hjernekartlegging muliggjør også studiet av kortikal plastisitet som kan være nyttig for å forstå maladaptive kortikale endringer som oppstår etter skade eller fordelaktige endringer som følge av rehabiliteringsintervensjoner. Akkurat som pre-kirurgisk hjernekartlegging kan bidra til å identifisere individer som er best egnet for en BCI, kan skjult hjernekartlegging hos noen med motoriske og sensoriske svekkelser informere om hvilken type rehabiliteringsparadigme som mest sannsynlig vil ha en fordel. Den potensielle fordelen ved å kunne studere kortikal plastisitet i fravær av bevegelse eller følelse er vidtrekkende, da den kan brukes på pasienter med SCI, amputasjon, hjerneslag, nevrodegenerative sykdommer som amyotrofisk lateral sklerose eller annen sensorimotorisk svekkelse.