Mobilna platforma do obrazowania mózgu/ciała do oceny i optymalizacji naziemnych robotycznych zabiegów chodu po udarze (COBI)

Aby osiągnąć efektywną mobilność, nasz mózg dynamicznie angażuje różne podzbiory mięśni, tworząc strategie ruchowe, które pozwalają nam poruszać się i oddziaływać z otoczeniem. Nasza zdolność do poruszania się jest wynikiem interakcji obejmujących procesy, w tym motywację, adaptację do zmian w środowisku (np. radzenie sobie ze zmianami terenu), dystraktory (np. chodzenie podczas rozmowy przez telefon) oraz planowanie i wykonanie ruchu. Te interakcje wyrażają się poprzez złożoną kontrolę parametrów chodu, w tym prędkości, rytmiczności i sekwencji współaktywacji mięśni, a także korekt postawy niezbędnych do sprostania wyzwaniom zewnętrznym. Prawidłowe informacje ze wszystkich zaangażowanych układów sensorycznych są synergicznie potrzebne w aktywnym zachowaniu i kontroli postawy.

Szeroki zakres przyczyn, takich jak uszkodzenia neurologiczne, wypadki drogowe i starzenie się, odpowiada za deficyty lokomotoryczne, które znacznie obniżają jakość życia, poważnie ograniczając codzienną niezależność. Udary mózgu są drugą najczęstszą przyczyną śmierci na świecie, z 6,7 miliona przypadków zarejestrowanych w 2012 roku, a szacuje się, że 50% ocalałych cierpi na trwałe upośledzenia motoryczne lub poznawcze. Niedowład połowiczy, jeden z najczęstszych następstw udaru, jest wiodącą przyczyną długotrwałej niepełnosprawności i często skutkuje zaburzeniami równowagi oraz "opadaniem stopy", charakteryzującym się niemożnością całkowitego uniesienia palców stóp od ziemi podczas fazy wymachu chodu u ponad 80% osób po udarze. Udar zmniejsza zdolność do angażowania mięśni i prawidłowego postrzegania ciała, często prowadząc do wyuczonego nieużywania dotkniętej części ciała. Zmniejszona zdolność przetwarzania informacji po udarze upośledza możliwość efektywnego rozdzielania uwagi na dwa lub więcej zadań (zadanie podwójne), z większymi trudnościami w codziennych czynnościach życiowych wymagających jednoczesnego wykonywania wielu zadań (np. chodzenia i rozmowy).

Ponieważ zdolności przetwarzania sensoryczno-motorycznego są zaburzone, pacjenci nie są w stanie swobodnie oddziaływać z otoczeniem, ponieważ cała ich energia mentalna jest "przywłaszczana" przez prosty akt stawiania jednej nogi za drugą. Nie mają "przepustowości mentalnej", którą normalnie uważamy za oczywistą i która pozwala nam np. na przyjemną rozmowę z innymi osobami idącymi z nami. W rzeczywistości, z powodu utraty fizycznej i mentalnej przepustowości w warunkach zadania podwójnego, osoby po udarze często doświadczają upadków, prowadzących do braku pewności siebie, lęku, a w niektórych przypadkach agorafobii. Są również narażone na zmniejszoną motywację i zaangażowanie w leczenie rehabilitacyjne, często wpadając w błędne koło szkodliwe dla powodzenia każdej podjętej terapii rehabilitacyjnej.

Upośledzenie chodu uważane jest za jedno z najpoważniejszych upośledzających następstw udaru, ponieważ jednym z głównych celów pacjentów jest możliwość samodzielnego chodzenia i radzenia sobie z codziennymi czynnościami. Udar indukuje modyfikacje w lokomocji, która jest podstawowym środkiem codziennego zarządzania mobilnością. Rehabilitacja chodu jest zatem głównym celem rehabilitacji po udarze, zwłaszcza biorąc pod uwagę jej ścisły związek z zaburzeniami poznawczymi. Biorąc pod uwagę stały wzrost liczby osób wymagających rehabilitacji lub leczenia wspomagającego każdego roku oraz coraz większy wybór dostępnych terapii, ocena i rozwój odpowiednich spersonalizowanych strategii w celu rozwiązania problemów z chodem stały się obecnie pilnym priorytetem.

Niestety, wyniki rehabilitacji są często niepewne, ponieważ są związane z motywacją, zaangażowaniem i uwagą. Zaangażowanie pacjentów w rzeczywistości określi skuteczność terapii w angażowaniu uczenia się motorycznego (tj. rozpoznawania rozbieżności między rzeczywistymi i oczekiwanymi wynikami podczas uczenia się napędzanego błędem), co jest niezbędnym warunkiem wstępnym adaptacji (tj. modyfikacji ruchu, próba po próbie, w oparciu o informację zwrotną o błędzie).

Krótko mówiąc, rehabilitacja musi być przeprowadzana w sposób zamkniętej pętli, gdzie pacjenci są aktywnie zaangażowani w terapię rehabilitacyjną lub nawet mają pewną miarę kontroli nad nią, otrzymując informacje zwrotne i "nagrody", które mogą promować integrację sensoryczno-motoryczną i wielozmysłowe przetwarzanie w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN). Rehabilitacja działa na mechanizmy plastyczności mózgu, czyli wewnętrznej zdolności mózgu do reagowania jako wysoce dynamicznego systemu, który może zmieniać właściwości swoich obwodów nerwowych. Reorganizacja ocalałych elementów OUN wspiera powrót do zdrowia behawioralnego, na przykład poprzez zmiany w międzyhemisferalnej lateralizacji, aktywności kory asocjacyjnej związanej z uszkodzonymi obszarami oraz organizacji map reprezentacji korowej. Rehabilitacja z człowiekiem w pętli, działając na mechanizmy uczenia się opartego na błędach i nagrodach, może znacznie skuteczniej kierować reorganizacją w kierunku zwiększenia reprezentacji map sensoryczno-motorycznych, częściowo (jeśli nie całkowicie) utraconych po udarze.

Konwencjonalna rehabilitacja ruchowa opiera się głównie na bezpośredniej obserwacji terapeuty i mobilizacji kończyn dolnych, a następnie na wspomaganym chodzie po ziemi, biernym lub czynnym, z wykorzystaniem zadań motorycznych specyficznych dla kontekstu i związanej z nimi informacji zwrotnej. W technikach "neurofizjologicznych" fizjoterapeuta, opierając się na wiedzy neurofizjologicznej dotyczącej zasad chodu, działa jako "rozwiązywacz problemów" i "decydent", a pacjent jest biernym odbiorcą. Z drugiej strony, w technikach "uczenia się motorycznego" wymagane jest aktywne zaangażowanie pacjenta wraz z oceną neuropsychologiczną. Aby zwiększyć zaangażowanie pacjentów, standaryzację i skuteczność terapii, można stosować wzbogacone neurofizjologiczne zabiegi uczenia się motorycznego, które obejmują robotyczne urządzenia wspomagające (egzoszkielety).

W ciągu ostatnich 20 lat zaproponowano przytłaczającą liczbę kombinacji wzbogaconych i konwencjonalnych zabiegów, aby zwiększyć motywację pacjentów za pomocą interaktywnego biofeedbacku lub dając pacjentom pewną miarę kontroli nad wspomagającymi urządzeniami robotycznymi. Mimo intensywnej debaty na temat zalet każdego rozwiązania, wciąż brakuje jednak wystarczających dowodów, aby jednoznacznie wskazać, które podejście jest najskuteczniejsze (a co najważniejsze, dlaczego) w promowaniu powrotu do zdrowia chodu po udarze. W rzeczywistości wciąż brakuje nam wiedzy potrzebnej do zastosowania takiej technologii w najlepszy możliwy sposób w odniesieniu do stanu indywidualnego pacjenta, zwłaszcza w przypadku rehabilitacji chodu.

W ostatnich latach Mobile Brain/Body Imaging (MoBI) zyskało na znaczeniu w społeczności naukowej jako pojawiający się paradygmat do wspólnego badania mózgu i zachowania, a zwłaszcza lokomocji, również poza warunkami laboratoryjnymi. MoBI może być używane do dostarczenia klinicystom przydatnych informacji do oceny postępów rehabilitacji poprzez "kodowanie" neuronowych korelatów chodu za pomocą oceny łączności mózg-mięsień podczas ruchu, a nie przed/zadaniem, jak w obecnej praktyce. MoBI w czasie rzeczywistym może być również używane do dekodowania intencji ruchu pacjenta, na podstawie której można dostarczać bodźce (np. poprzez FES, egzoszkielety itp.), zwiększając w ten sposób zaangażowanie i promując plastyczną reorganizację. Jednak udany rozwój konfiguracji MoBI wciąż stanowi wyzwanie technologiczne. Techniki neuroobrazowania są albo nieprzenośne (np. rezonans magnetyczny, magnetoencefalografia), albo brakuje im rozdzielczości czasowej niezbędnej do uchwycenia niemal natychmiastowych modulacji wewnątrzkrokowych aktywności nerwowej podczas lokomocji (np. funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni - fNIRS) z powodu prędkości zmiany używanego przez nie markera fizjologicznego (np. poziomu natlenienia krwi dla fNIRS). Elektroencefalografia (EEG) jest jedyną techniką, która jest wystarczająco przenośna, nieinwazyjna i ma rozdzielczość czasową niezbędną do wykrycia nawet takich modulacji aktywności mózgu podczas chodzenia. Jednak EEG jest wysoce wrażliwy na artefakty ruchowe i wymaga rozwiązania kluczowych wyzwań technologicznych oraz opracowania złożonych i często zniechęcających potoków analizy. W każdym razie, MoBI z EEG, choć wymagające, nie jest niemożliwe: do tej pory kilku autorów wykazało wewnątrzkrokowe wzorce aktywacji i dezaktywacji związane z fazą chodu, np. również wykazując kierunkowe powiązanie między obszarami korowymi sensoryczno-motorycznymi a mięśniami nóg podczas stereotypowego chodu, ale badania rehabilitacji chodu z oceną nerwowo-mięśniową MoBI w naturalnych warunkach ekologicznych wciąż są krytycznie brakujące. Pozostaje również następujące pytanie techniczne/naukowe: "jak możemy odróżnić aktywność nerwową związaną z ruchem od artefaktów ruchowych i mechanicznych? Atalante X: przełomowy noszony zasilany cobot. Jest to współpracujący egzoszkielet, który umożliwia pacjentom z ciężkim upośledzeniem chodu, w tym tym z dysfunkcją kończyn górnych lub problemami poznawczymi, wstanie i chodzenie bez użycia rąk; jest to jedyny cobot wyposażony w 12 silników na poziomie bioder, kolan i kostek, który pozwala człowiekowi przekształcić intencję ruchu w rzeczywisty ruch.

Projekt ma na celu optymalizację zaawansowanych rozwiązań hi-tech ATALANTE X personalizując rehabilitację chodu pacjentów po udarze przy użyciu:

1. Charakteryzacji Elastyczności Poznawczej pacjenta przy użyciu systemu Dessintey. Dessintey to unikalna technologia dedykowana planowaniu motorycznemu i centralnej kontroli ruchu oparta na treningu symulacji wzrokowo-ruchowej, która łączy podejścia Obserwacji Akcji-Wyobrażenia Motorycznego-Terapii Lustrzanej. W rzeczywistości za każdym razem, gdy obserwowany jest ruch, mózg natychmiast i bez wysiłku symuluje ten sam ruch; w ten sposób możliwe jest zwiększenie wyobraźni i percepcji ciała.
2. Monitorowania i oceny interakcji Człowiek-Cobot przy użyciu przełomowych dynamicznych biomarkerów nerwowych EEG-EMG z wykorzystaniem Mobile Brain/Body Imaging (MoBI)