En mobil hjerne/kropp-bildeplattform for vurdering og optimalisering av overflaterobotiske gangbehandlinger etter hjerneslag (COBI)

For å oppnå effektiv mobilitet, rekrutterer hjernen vår dynamisk forskjellige muskelundergrupper for å skape bevegelsesstrategier som lar oss bevege oss og interagere med omgivelsene. Vår evne til å bevege oss er et resultat av interaksjoner som involverer prosesser inkludert motivasjon, tilpasning til endringer i omgivelsene (f.eks., for å håndtere endringer i terrenget), distraksjoner (f.eks., å gå mens man snakker i telefonen) samt motorisk planlegging og utførelse. Disse interaksjonene uttrykkes gjennom en kompleks kontroll av gangparametere inkludert hastighet, rytmiskhet og sekvensering av muskelkoaktivering, samt posturale justeringer som trengs for å møte utfordringen fra eksterne hendelser. Korrekt informasjon fra alle involverte sanseapparater er synergisk nødvendig i aktiv atferd og postural kontroll.

Et bredt spekter av årsaker som nevrologisk skade, trafikkulykker og aldring er ansvarlige for lokomotoriske mangler som i stor grad reduserer livskvaliteten ved betydelig å begrense daglig uavhengighet. Slag er den nest største dødsårsaken globalt, med 6,7 millioner tilfeller registrert i 2012, og anslagsvis 50 % av overlevende lider av permanente motoriske eller kognitive funksjonsnedsettelser. Hemiparese, en av de vanligste følgene etter slag, er en ledende årsak til langvarig funksjonshemming, og resulterer ofte i balanseproblemer og "fotdråpe", karakterisert ved manglende evne til fullstendig å løfte tærne fra bakken under svingfasen av gangen hos mer enn 80 % av slagoverlevende. Slag reduserer evnen til å rekruttere muskler og korrekt oppfatte kroppen, og resulterer ofte i lært ikke-bruk av den berørte kroppsdelen. Den reduserte kapasiteten for informasjonsprosessering etter slag svekker evnen til effektivt å fordele konsentrasjon til to eller flere oppgaver (dobbel oppgave), med økt vanskelighet med daglige livsaktiviteter som krever utførelse av flere oppgaver samtidig (f.eks., gå og snakke).

Ettersom sensorimotoriske prosesseringskapasiteter blir forstyrret, er pasienter ikke i stand til å interagere fritt med omgivelsene da all deres mentale energi blir "kapret" av den enkle handlingen å plassere det ene beinet etter det andre. De har ikke den "mentale båndbredden" vi normalt tar for gitt og som lar oss for eksempel ha en hyggelig samtale med andre mennesker som går med oss. Faktisk, på grunn av tapet av fysisk og mental båndbredde under dobbeltoppgaveforhold, opplever slagoverlevende ofte fall, noe som fører til mangel på selvtillit, angst og i noen tilfeller agorafobi. De er også sannsynligvis å oppleve redusert motivasjon og engasjement i behandlingen, og spiraler ofte mot en ond sirkel som er skadelig for suksessen til enhver forsøkt rehabiliteringsterapi.

Gangforstyrrelse anses å være en av de mest alvorlige funksjonshemmende følgene av slag, da et av pasientenes primære mål er å kunne gå og håndtere daglige aktiviteter uavhengig. Slag induserer modifikasjoner i lokomosjon, som er det primære middel for daglig håndtering av mobilitet. Gangrehabilitering er dermed det primære målet for post-slags rehabilitering, spesielt gitt dens nære relasjon til kognitiv funksjonsnedsettelse. Gitt den konstante økningen av mennesker som krever rehabilitering eller assistansebehandling hvert år og det stadig økende utvalget av tilgjengelige behandlinger, er vurdering og utvikling av passende personaliserte strategier for å håndtere gangforstyrrelser nå en overhengende prioritet.

Dessverre er rehabiliteringsutfall ofte usikre da de er assosiert med motivasjon, engasjement og oppmerksomhet. Pasienters engasjement vil faktisk avgjøre effektiviteten av terapien for å engasjere motorisk læring (dvs., gjenkjenning av avviket mellom faktiske og forventede utfall under feildrevet læring), som er en essensiell forutsetning for tilpasning (dvs., modifikasjon av en bevegelse, forsøk for forsøk, basert på feilfeedback).

Kort sagt må rehabilitering utføres på en lukket sløyfe-måte, hvor pasienter er aktivt involvert i rehabiliteringsterapien eller til og med har et mål på kontroll over den mens de mottar feedback og "belønninger" som kan fremme sensorimotorisk integrasjon og multisensorisk prosessering i sentralnervesystemet (CNS). Rehabilitering virker på mekanismene for hjerneplastisitet, det vil si hjernens iboende kapasitet til å reagere som et høyt dynamisk system som kan endre egenskapene til sine nevrale kretser. Reorganisering av overlevende CNS-elementer støtter atferdsmessig bedring, for eksempel gjennom endringer i interhemisfærisk lateralitet, aktivitet i assosiasjonscortexer knyttet til skadede soner, og organisering av kortikale representasjonskart. Menneske-i-sløyfen-rehabilitering, ved å virke på mekanismene for feilbasert og belønningsbasert læring, kan lede reorganisering mye mer effektivt mot å øke representasjonen av sensorimotoriske kart, delvis (hvis ikke fullstendig) tapt etter et slag.

Konvensjonell bevegelsesrehabilitering er hovedsakelig basert på terapeuters direkte observasjon og mobilisering av underlemmer, etterfulgt av assistert gang på bakken, enten passiv eller aktiv, ved bruk av kontekstspesifikke motoroppgaver og relatert feedback. I "nevrofysiologiske" teknikker virker fysioterapeuten, basert på nevrofysiologisk kunnskap om gangprinsipper, som "problemløser" og "beslutningstaker", med pasienten som en passiv mottaker. I "motorlæring" teknikker på den annen side kreves aktiv pasientinvolvering sammen med nevropsykologisk evaluering. For å forbedre pasienters engasjement, standardisering og terapiens effektivitet, kan beriket motorlæring nevrofysiologiske behandlinger som inkluderer robotassisterende enheter (eksoskjeletter) brukes.

Over de siste 20 årene har et overveldende antall kombinasjoner av berikede og konvensjonelle behandlinger blitt foreslått for å øke pasienters motivasjon med interaktiv biofeedback eller ved å gi pasienter et mål på kontroll over de assisterende robotiske enhetene. Til tross for en intens debatt om fordelene med hver løsning, er det imidlertid fortsatt utilstrekkelig bevis for klart å indikere hvilken tilnærming som er mest effektiv (og viktigst, hvorfor) i å fremme ganggjenoppretting etter slag. Faktisk mangler vi fortsatt kunnskapen som trengs for å bruke slik teknologi på best mulig måte i forhold til den enkelte pasients tilstand, spesielt i tilfelle av gangrehabilitering.

I de siste årene har Mobile Brain/Body Imaging (MoBI) fått momentum i det vitenskapelige miljøet som et fremvoksende paradigme for å studere hjerne og atferd felles, og spesielt lokomosjon, også utenfor laboratorieinnstillinger. MoBI kan brukes til å gi klinikeren nyttig informasjon for å vurdere rehabiliteringsfremdriften ved å "enkode" de nevrale korrelatene av gang ved hjelp av hjerne-muskel-konnektivitet vurdering under bevegelse snarere enn før/etter oppgaven som i dagens praksis. Sanntids MoBI kan også brukes til å dekode pasientens bevegelsesintensjon basert på hvilken stimulus levering skal utføres (f.eks., gjennom FES, eksoskjeletter etc.), og dermed øke engasjement og fremme plastisk reorganisering. Vellykket utvikling av MoBI-oppsett er imidlertid fortsatt en teknologisk utfordring. Neuroimaging-teknikker er enten ikke portable (f.eks., Magnetisk Resonans, Magnetoencephalografi), eller mangler den temporale oppløsningen nødvendig for å fange nesten-øyeblikkelige intra-trinn moduleringer av nevral aktivitet under lokomosjon (f.eks., funksjonell nær-infrarød spektroskopi - fNIRS) på grunn av variasjonshastigheten til den fysiologiske markøren de bruker (f.eks., blodoksygennivå for fNIRS). Elektroencefalografi (EEG) er den eneste teknikken som er portabel nok, ikke-invasiv og med den temporale oppløsningen nødvendig for å oppdage selv slike moduleringer av hjerneaktivitet under gange. Imidlertid er EEG svært følsom for bevegelsesartefakter og krever løsning av nøkkelteknologiske utfordringer og utvikling av komplekse og ofte avskrekkende analysepipeliner. Uansett er MoBI med EEG, selv utfordrende, ikke umulig: til dags dato har flere forfattere vist gangfaserelaterte intra-trinn mønstre av aktivering og deaktivering f.eks., også demonstrert en retningsbestemt kobling mellom sensorimotoriske kortikale områder og beinmuskler under stereotyp gang, men studier av gangrehabilitering med MoBI nevromuskulær vurdering i naturlige økologiske forhold mangler fortsatt kritisk. Også følgende tekniske/vitenskapelige spørsmål gjenstår: "hvordan kan vi skille bevegelsesrelatert nevral aktivitet fra bevegelses- og mekaniske artefakter? Atalante X: en disruptiv bærbar drevet cobot. Det er et kollaborativt eksoskjelett som gjør det mulig for pasienter med alvorlig gangforstyrrelse, inkludert de med øvre ekstremitetsdysfunksjon eller kognitive utfordringer å stå opp og gå hendefri; det er den eneste coboten utstyrt med 12 motorer på hofte, kne og ankel nivå som lar mennesket transformere intensjonen av bevegelse til faktisk bevegelse.

Prosjektet tar sikte på å optimalisere ATALANTE X banebrytende hi-tech løsninger for å personalisere rehabiliteringsgangbehandling av slagpasienter ved å bruke:

1. Karakterisering av pasientens kognitive fleksibilitet ved bruk av Dessintey system. Dessintey er en unik teknologi dedikert til motorisk planlegging og sentral kontroll av bevegelse basert på visuomotorisk simuleringstrening som kombinerer Action Observation-Motor Imaging-Mirror Therapy tilnærminger. Faktisk, hver gang en bevegelse observeres, simulerer hjernen øyeblikkelig og uten anstrengelse denne samme bevegelsen; på denne måten er det mulig å øke fantasi og kroppsoppfatning.
2. Overvåkning og evaluering av menneske-cobot interaksjon ved bruk av disruptiv dynamisk EEG-EMG nevrale biomarkører ved bruk av Mobile Brain/Body Imaging (MoBI)