Exoesqueleto e atividade cerebral com fNIRS (ExoNIRS)

Um objetivo importante da neurociência dos sistemas motores é caracterizar como a atividade neural no cérebro medeia parâmetros de movimento, como força, velocidade, frequência de movimento ou direção do movimento. A codificação neural da força foi estudada em animais e humanos com TEP , fMRI , espectroscopia funcional de infravermelho próximo (fNIRS), EEG ou estimulação magnética.

Estudos eletrofisiológicos em primatas não humanos demonstraram uma correlação entre as taxas de descarga neuronal em múltiplas regiões do córtex motor contralateral e a amplitude da força exercida.

Em humanos, estudos de ressonância magnética funcional (fMRI) confirmaram a relação entre o aumento da ativação neuronal e o aumento da amplitude de força nos córtices motor/somatossensorial primário contralateral (M1/S1), área motora suplementar (SMA) e córtex pré-motor. O córtex motor ipsilateral também pode contribuir para a codificação de força. Também há evidências de que a alça gânglios da base-tálamo-cortical participa da regulação do controle de força. A porção interna do globo pálido (GPi) e o núcleo subtalâmico (STN) tiveram um aumento positivo na mudança de sinal percentual com o aumento da força, e as regiões talâmicas ventrais também foram implicadas da mesma forma. Mais recentemente, estudos com fNIRS confirmaram a relação entre nível de força e ativação cerebral no hemisfério contralateral e ipsilateral.

A maioria dos estudos humanos envolveu tarefas estáticas isométricas. Apenas alguns estudos consideraram movimentos dinâmicos. Como regra, o processamento de mudanças repetitivas de força transitória requer mais atividade metabólica do que a geração e controle de uma força estática. Existe uma correlação entre o nível de força e as mudanças corticais dentro da rede neuronal em M1 contralateral e cerebelo anterior.

A maioria dos estudos refere-se ao membro superior. Ao nosso conhecimento, apenas os estudados dizem respeito ao membro inferior em um nível de força isométrica. Um diz respeito aos correlatos neurais do controle do torque do quadríceps em pacientes com doença pulmonar obstrutiva crônica e o outro diz respeito às contrações isométricas com o dorsiflexor do tornozelo em controles saudáveis.

fMRI e TEP são altamente sensíveis a artefatos de movimento e não são adequados para articulações proximais dinâmicas ou estudos de marcha. O fNIRS é menos sensível a artefatos de movimento e permitiu numerosos estudos de caminhada em condições mais naturais em controles ou pacientes. fMRI e fNIRS são baseados nos princípios fisiológicos do acoplamento neurovascular, o processo pelo qual as regiões cerebrais ativas induzem um aumento local no fluxo sanguíneo para corresponder às suas demandas de energia por meio da dilatação dos capilares e arteríolas. fMRI mede a resposta dependente do nível de oxigênio no sangue (BOLD) correspondente à proporção de oxi para desoxi-hemoglobina. No entanto, as duas porções de hemoglobina não são medidas individualmente com fMRI. Pelo contrário, o fNIRS mede as duas espécies de hemoglobina separadamente. Durante esse acoplamento neurovascular, a quantidade de oxigênio fornecida é tipicamente maior do que a consumida localmente, resultando em aumento substancial da HbO2 e leve redução da HbR na região.

Muitos dos estudos fNIRS sobre a marcha registraram variações hemodinâmicas no córtex pré-frontal com paradigma de dupla tarefa. Poucos estudos se preocuparam com o córtex motor.

Nos últimos anos, a reabilitação assistida por robô tem sido usada além da reabilitação convencional. Oferece oportunidades para o gerenciamento precoce, intensivo e específico de tarefas com estimulação multissensorial que é considerada a mais eficiente para promover a neuroplasticidade. A literatura sugere que a reabilitação robótica aumenta a capacidade de marcha dos pacientes, velocidade de caminhada, força muscular de membros inferiores, comprimento do passo e simetria da caminhada. No entanto, as bases neurofisiológicas da reabilitação assistida por robôs permanecem pouco conhecidas. A utilização de um exoesqueleto permite controlar a percentagem de ajuda prestada. Neste estudo em indivíduos saudáveis, os pesquisadores se propõem a estudar a ativação cerebral em regiões motoras ao caminhar em um exoesqueleto. Quatro níveis de força são estudados: ajuda total (A100%), ajuda parcial (A50%), nenhuma ajuda (A0%) e resistência de 25% (R25%) ao andar do exoesqueleto. Os investigadores levantam a hipótese de que o nível de ativação cerebral medido pelo fNIRS aumentará com o esforço fornecido pelos sujeitos.