Eksoskjelett og hjerneaktivitet med fNIRS (ExoNIRS)

Et viktig mål med motoriske nevrovitenskap er å karakterisere hvordan nevral aktivitet i hjernen medierer bevegelsesparametere som kraft, hastighet, bevegelsesfrekvens eller bevegelsesretning. Den nevrale kraftkoden er studert hos dyr og mennesker med TEP , fMRI , funksjonell nær-infrarød spektroskopi (fNIRS), EEG eller magnetisk stimulering.

Elektrofysiologiske studier i ikke-menneskelige primater viste en korrelasjon mellom nevronale utladningshastigheter i flere regioner av den kontralaterale motoriske cortex og utøvet kraftamplitude.

Hos mennesker bekreftet studier av funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) sammenhengen mellom økende nevronal aktivering og økende kraftamplitude i den kontralaterale primære motoriske/somatosensoriske (M1/S1) cortex, supplerende motorområde (SMA) og premotorisk cortex. Den ipsilaterale motoriske cortex kan også bidra til kraftkodingen. Det er også bevis på at den basale ganglia-thalamo-kortikale løkken deltar i reguleringen av kraftkontroll. Den indre delen av globus pallidus (GPi) og subthalamisk kjerne (STN) hadde en positiv økning i prosent signalendring med økende kraft, og de ventrale thalamusregionene ble også implisert på samme måte. Nylig bekreftet studier med fNIRS forholdet mellom kraftnivå og cerebral aktivering i kontralateral og ipsilateral hemisfære.

De fleste menneskelige studier gjaldt isometriske statiske oppgaver. Bare få studier vurderte dynamiske bevegelser. Som regel krever behandlingen av repeterende forbigående kraftendringer mer metabolsk aktivitet enn generering og kontroll av en statisk kraft. Det er en korrelasjon mellom kraftnivået og kortikale endringer i det nevronale nettverket i kontralateral M1 og fremre lillehjernen.

De fleste studiene gjelder overekstremitet. Så vidt vi vet, gjelder kun underekstremitet i et isometrisk kraftnivå. Den ene gjelder de nevrale korrelatene til quadriceps-momentkontroll hos pasienter med kronisk obstruktiv lungesykdom, og den andre gjelder isometriske sammentrekninger med ankel dorsiflexor hos friske kontroller.

fMRI og TEP er svært følsomme for bevegelsesartefakter og ikke egnet for dynamiske proksimale ledd eller gangstudier. fNIRS er mindre følsomme for bevegelsesartefakter og har tillatt en rekke studier av å gå under mer naturlige forhold hos kontroller eller pasienter. fMRI og fNIRS er basert på de fysiologiske prinsippene for nevrovaskulær kobling, prosessen der aktive hjerneregioner induserer en lokal økning i blodstrømmen for å matche deres energibehov via utvidelse av kapillærer og arterioler. fMRI måler den blodoksygennivåavhengige (BOLD) responsen som tilsvarer forholdet mellom oksy og deoksy-hemoglobin. Imidlertid er de to delene av hemoglobin ikke individuelt målt med fMRI. Tvert imot måler fNIRS de to hemoglobinartene hver for seg. Under denne nevrovaskulære koblingen er mengden oksygen som tilføres vanligvis større enn den som forbrukes lokalt, noe som resulterer i en betydelig økning i HbO2 og en liten reduksjon i HbR i regionen.

Mange av fNIRS-studiene om gangart registrerte hemodynamiske variasjoner i den prefrontale cortex med dual task-paradigme. Bare få studier gjaldt den motoriske cortex.

De siste årene har robotassistert rehabilitering blitt brukt i tillegg til konvensjonell rehabilitering. Det gir muligheter for tidlig, intensiv, oppgavespesifikk ledelse med multisensorisk stimulering som anses som den mest effektive for å fremme nevroplastisitet. Litteratur antyder at robotrehabilitering øker pasientens gangevne, ganghastighet, muskelstyrke i underekstremiteter, skrittlengde og gangsymmetri. Imidlertid er de nevrofysiologiske grunnlagene for robotassistert rehabilitering fortsatt dårlig kjent. Bruken av et eksoskjelett gjør det mulig å kontrollere prosentandelen av bistand som gis. I denne studien på friske forsøkspersoner foreslår forskerne å studere hjerneaktivering i motoriske områder når de går i et eksoskjelett. Fire styrkenivåer studeres: total hjelp (A100%), delvis hjelp (A50%), ingen hjelp (A0%) og motstand på 25% (R25%) mot å gå fra eksoskjelettet. Etterforskerne antar at nivået av hjerneaktivering målt av fNIRS vil øke med innsatsen fra forsøkspersonene.