Obrazowanie sensomotoryczne dla interfejsów mózg-komputer

TŁO: Zaawansowane zrozumienie struktury i funkcji mózgu poprawiło diagnostykę i leczenie zaburzeń neurologicznych, takich jak padaczka, udar i uraz rdzenia kręgowego (SCI). Ponad pół wieku temu pionierskie badania Penfielda, wykorzystujące elektryczną stymulację obszarów ruchowych i czuciowych kory mózgowej, ujawniły odrębną somatotopową organizację mózgu. Obecnie ta i dodatkowa wiedza na temat funkcji kodowania neuronów jest wykorzystywana do opracowywania rewolucyjnych urządzeń, które łączą się bezpośrednio z neuronami ruchowymi i czuciowymi w mózgu, aby ustanowić funkcjonalne połączenia z urządzeniami protetycznymi i wspomagającymi. Te tak zwane interfejsy mózg-komputer (BCI) wymagają umieszczenia elektrod dokładnie w obszarach mózgu odpowiedzialnych za kontrolę wolicjonalną i odczuwanie ruchów kończyn, zwłaszcza w obszarach ramion i dłoni. Mapowanie tych obszarów mózgu jest możliwe za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). Jednak takie badania mapowania są trudne do wykonania u osób z zaburzeniami ruchowymi i sensorycznymi. Osoby z ALS i SCI mają zakłócone ścieżki eferentne i aferentne między korą mózgową a kończynami, co sprawia, że ​​konieczne jest poleganie na ukrytych technikach, takich jak kinestetyczne obrazowanie motoryczne, w celu mapowania aktywności czuciowo-ruchowej mózgu w celu kierowania rozmieszczeniem elektrod BCI lub badania plastyczności kory wynikającej z od urazu lub interwencji. Wyzwania związane z mapowaniem mózgu po urazie prawdopodobnie przyczyniają się do bardzo różnych raportów dotyczących zakresu i rozpowszechnienia reorganizacji funkcjonalnej zachodzącej w mózgu po SCI. fMRI to nieinwazyjne narzędzie, które pozwala na pomiar motorycznej i sensorycznej aktywności mózgu przy minimalnym ryzyku dla uczestników badania.

ZNACZENIE: Przywrócenie funkcji kończyny górnej jest priorytetem dla osób z tetraplegią. Szacuje się, że 236 000-327 000 osób w Stanach Zjednoczonych ma uraz rdzenia kręgowego. Około 17% osób po urazie rdzenia kręgowego ma tetraplegię (uraz na poziomie szyjki macicy C1-C4), chociaż odsetek ten wzrasta w ostatnich latach. Osoby z wysokim tetraplegią są najbardziej prawdopodobną grupą, która skorzysta z neuroprotetyki kontrolowanej przez BCI, chociaż ukryte strategie mapowania opracowane w tej propozycji mogą być wykorzystane do badania aktywacji czuciowo-ruchowej i plastyczności u każdego z upośledzeniem motorycznym lub czuciowym, w tym po amputacji. Opracowywane są zaawansowane, zmotoryzowane protezy, które umożliwiają naturalny ruch kończyny górnej i mają zaawansowane możliwości wykrywania. Osoby z tetraplegią chciałyby przywrócić funkcjonalność własnych kończyn za pomocą FES, ale ta technologia wymaga dalszego rozwoju i nie zastępuje czucia, które może wymagać jeszcze BCI. Podczas gdy badania i rozwój FES trwają, osoby z tetraplegią mogą skorzystać z protez zmotoryzowanych, mocując je do wózka inwalidzkiego. Zmotoryzowane protezy mogą zapewniać funkcje porównywalne z nienaruszoną kończyną, ale potrzebny jest interfejs sterujący o wysokim stopniu swobody, a jednym z możliwych rozwiązań jest BCI.

Funkcjonalne neuroobrazowanie może być wykorzystane do kierowania rozmieszczeniem elektrod BCI w celu wykorzystania istniejących obwodów czuciowo-ruchowych. Mapowanie mózgu oparte na obrazach umożliwia również badanie plastyczności kory mózgowej, co może być przydatne do zrozumienia nieprzystosowawczych zmian korowych zachodzących po urazie lub korzystnych zmian wynikających z interwencji rehabilitacyjnych. Tak jak przedoperacyjne mapowanie mózgu może pomóc zidentyfikować osoby, które najlepiej nadają się do BCI, ukryte mapowanie mózgu u osoby z upośledzeniem ruchowym i sensorycznym może określić typ paradygmatu rehabilitacji, który najprawdopodobniej przyniesie korzyści. Potencjalna korzyść z możliwości badania plastyczności kory mózgowej przy braku ruchu lub czucia jest dalekosiężna, ponieważ można ją zastosować u pacjentów po SCI, amputacji, udarze mózgu, chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak stwardnienie zanikowe boczne lub inne zaburzenia czuciowo-ruchowe.