Сенсомоторная визуализация для интерфейсов мозг-компьютер

ПРЕДПОСЫЛКИ: Расширенное понимание структуры и функций головного мозга улучшило диагностику и лечение неврологических расстройств, таких как эпилепсия, инсульт и травма спинного мозга (SCI). Более полувека назад пионерские исследования Пенфилда с использованием электрической стимуляции моторных и сенсорных областей коры головного мозга выявили отчетливую соматотопическую организацию мозга. Сегодня эти и дополнительные знания о функциях нейронного кодирования используются для разработки революционных устройств, которые напрямую взаимодействуют с моторными и сенсорными нейронами в мозге для установления функциональных связей с протезами и вспомогательными устройствами. Эти так называемые интерфейсы мозг-компьютер (BCI) требуют размещения электродов точно в областях мозга, отвечающих за волевой контроль и ощущение движений конечностей, особенно в области рук и кистей. Картирование этих областей мозга возможно с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Однако такие картографические исследования трудно проводить у лиц с двигательными и сенсорными нарушениями. У людей с БАС и ТСМ нарушены эфферентные и афферентные пути между корой и конечностями, что делает необходимым полагаться на скрытые методы, такие как кинестетические двигательные образы, для картирования сенсомоторной активности мозга, чтобы направлять размещение электродов BCI или изучать корковую пластичность в результате. от травмы или вмешательства. Проблемы, связанные с картированием головного мозга после травмы, вероятно, способствуют широкому разнообразию отчетов о степени и распространенности функциональной реорганизации, происходящей в мозге после ТСМ. фМРТ — это неинвазивный инструмент, который позволяет измерять двигательную и сенсорную активность мозга с минимальным риском для участников исследования.

ЗНАЧЕНИЕ: Восстановление функции верхних конечностей является главным приоритетом для людей с тетраплегией. По оценкам, от 236 000 до 327 000 человек в Соединенных Штатах имеют травмы спинного мозга. Приблизительно 17% людей с ТСМ имеют высокую степень тетраплегии (повреждение шейных позвонков на уровне С1-С4), хотя в последние годы этот процент увеличивается. Люди с высокой степенью тетраплегии являются наиболее вероятной группой, которая получит пользу от нейропротезирования, контролируемого BCI, хотя стратегии скрытого картирования, разработанные в этом предложении, могут быть использованы для изучения сенсомоторной активации и пластичности у людей с двигательными или сенсорными нарушениями, включая ампутацию. Разрабатываются сложные моторизованные протезы, которые обеспечивают естественные движения верхних конечностей и обладают расширенными сенсорными возможностями. Люди с тетраплегией хотели бы восстановить функцию своих конечностей с помощью ФЭС, но эта технология нуждается в дальнейшем совершенствовании и не заменяет чувствительность, для которой все еще может потребоваться ИМК. В то время как исследования и разработки FES продолжаются, люди с тетраплегией могут воспользоваться преимуществами моторизованных протезов, прикрепив их к инвалидному креслу. Моторизованные протезы могут выполнять функцию, сравнимую с функциональностью неповрежденной конечности, но необходим интерфейс управления с высокой степенью свободы, и ИМК является одним из возможных решений.

Функциональная нейровизуализация может использоваться для управления размещением электродов BCI, чтобы подключиться к существующим сенсомоторным цепям. Картирование мозга на основе изображений также позволяет изучать корковую пластичность, что может быть полезно для понимания неадекватных изменений коры, которые происходят после травмы, или положительных изменений в результате реабилитационных вмешательств. Подобно тому, как предоперационное картирование мозга может помочь определить людей, которые лучше всего подходят для ИМК, скрытое картирование мозга у людей с двигательными и сенсорными нарушениями может определить тип парадигмы реабилитации, которая, скорее всего, принесет пользу. Потенциальная польза от возможности изучения кортикальной пластичности в отсутствие движения или чувствительности является широкомасштабной, поскольку она может быть применена к пациентам с травмами спинного мозга, ампутациями, инсультом, нейродегенеративными заболеваниями, такими как боковой амиотрофический склероз, или другими сенсомоторными нарушениями.