AI-Powered Closed-Loop Multielectrode Transcutaneous Spinal Cord Stimulation: Real-Time Adjustments for Enhanced Motor Recovery in Spinal Cord Injury (AIM RECOVER) (AIM RECOVER)

Uraz rdzenia kręgowego (SCI) jest wyniszczającym schorzeniem dotykającym około 20,6 miliona osób na całym świecie, z roczną zapadalnością na poziomie 0,9 miliona. W Singapurze częstość występowania SCI wzrosła z 5-6 na 100 000 w 1990 roku do 13-15 na 100 000 w 2019 roku. SCI często prowadzi do głębokich i długotrwałych zaburzeń neurologicznych, szczególnie w zakresie funkcji motorycznych, powodując znaczne ograniczenia w czynnościach dnia codziennego (ADL) i chodzeniu. Koszty związane z leczeniem ostrym, rehabilitacją i długoterminową opieką nad SCI są znaczne. Choć konwencjonalne strategie rehabilitacji pozostają niezbędne, ich skuteczność w przywracaniu utraconych funkcji motorycznych jest ograniczona, pozostawiając wiele osób z trwałą niepełnosprawnością.

Stymulacja rdzenia kręgowego (SCS) pojawiła się jako obiecująca technika neuromodulacji poprawiająca powrót neurologiczny po SCI. SCS dostarcza impulsy elektryczne w celu aktywacji włókien aferentnych, wzmacniając połączenia międzyneuronowe, pobudliwość neuronów ruchowych i komunikację między sieciami rdzeniowymi. SCS można ogólnie podzielić na naskórkową SCS (eSCS) i przezskórną SCS (tSCS). Ze względu na swoją nieinwazyjną naturę i potencjał terapeutyczny, tSCS zyskała znaczną uwagę, a liczne badania wykazały jej skuteczność w poprawie funkcji motorycznych po SCI. Większość obecnych protokołów tSCS dotyczących kontroli motorycznej kończyn dolnych obejmuje umieszczenie jednej lub dwóch aktywnych elektrod nad kręgosłupem piersiowo-lędźwiowym (T10 - L2), ze stałymi miejscami i parametrami stymulacji w trakcie każdej sesji. To podejście opiera się na hipotezie, że tSCS zwiększa ogólną pobudliwość sieci neuronowej poprzez zwiększenie napływu sensorycznego. Jednak brak stymulacji specyficznej dla mięśnia może prowadzić do niepożądanego współskurczu mięśni antagonistycznych, utrudniając ruch funkcjonalny i zmniejszając ogólną efektywność chodu.

Pojawiające się dowody wskazują, że pobudliwość rdzenia kręgowego reaguje dynamicznie na zmiany w miejscach i parametrach stymulacji. Wykazano, że przestrzennie selektywna eSCS z przetwarzaniem w czasie rzeczywistym szybko przywraca dobrowolną kontrolę motoryczną nawet u osób z przewlekłym, całkowitym motorycznie SCI. W badaniach na zwierzętach, zintegrowane podejścia łączące naskórkową stymulację rdzenia kręgowego z obwodową stymulacją mięśniową, zaprojektowane tak, aby naśladować pętle sensorycznego sprzężenia zwrotnego i skurczu mięśni z wyprzedzeniem, wykazały efekty synergistyczne, dostarczając ramy dla rozwoju systemów neuromodulacyjnych mających na celu poprawę powrotu motorycznego po SCI. W badaniach na ludziach, inny zespół badawczy doniósł, że wieloelektrodowa tSCS z ciągłą stymulacją angażująca sieci centralnego generatora wzorców (CPG) w połączeniu z czasoprzestrzenną naprzemienną stymulacją celującą w korzenie grzbietowe projekcji do puli neuronów ruchowych zginaczy i prostowników nogi, może wywoływać naprzemienną aktywność lokomotoryczną. Co niezwykłe, to podejście umożliwiło natychmiastowy powrót funkcji lokomotorycznych u osób z ciężkimi deficytami motorycznymi kończyn dolnych, nawet w klinicznie całkowitym SCI.

Do tej pory względna skuteczność połączenia ciągłej stymulacji z modulacją czasoprzestrzenną, w porównaniu z samą ciągłą stymulacją, nie została jeszcze systematycznie oceniona u ludzi. Niniejsze badanie ma na celu wypełnienie tych luk poprzez opracowanie i ocenę zasilanego sztuczną inteligencją, wieloelektrodowego systemu tSCS z zamkniętą pętlą, który integruje ciągłą stymulację środkową z modulacją czasoprzestrzenną napędzaną w czasie rzeczywistym przez sprzężenie zwrotne. System wykorzystuje noszone czujniki kinematyczne i powierzchniową elektromiografię (EMG) do dynamicznego dostosowywania czasu i intensywności stymulacji na podstawie bieżących wzorców chodu i aktywacji mięśni. Poprzez dostosowanie dostarczania stymulacji do fizjologicznych wymagań motorycznych, proponowane podejście ma na celu poprawę selektywności mięśniowej, optymalizację rekrutacji motorycznej kończyn dolnych i poprawę wydajności chodu u osób z niecałkowitym SCI.

Jeśli się powiedzie, to badanie dostarczy kluczowych dowodów wspierających adaptacyjne, napędzane sztuczną inteligencją strategie neuromodulacji i stworzy podstawę dla systemów tSCS nowej generacji, które skuteczniej angażują rdzeniowe obwody sensomotoryczne, aby wspierać powrót funkcjonalny po SCI.