Экзоскелет и активность мозга с помощью fNIRS (ExoNIRS)

Важной целью нейробиологии двигательных систем является определение того, как нейронная активность в головном мозге опосредует такие параметры движения, как сила, скорость, частота движения или направление движения. Нервный код силы был изучен на животных и людях с помощью ТЭП, фМРТ, функциональной спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона (fNIRS), ЭЭГ или магнитной стимуляции.

Электрофизиологические исследования на нечеловеческих приматах продемонстрировали корреляцию между скоростью разряда нейронов в нескольких областях контралатеральной моторной коры и амплитудой прилагаемой силы.

У людей исследования функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) подтвердили связь между увеличением активации нейронов и увеличением амплитуды силы в контралатеральной первичной моторной/соматосенсорной (M1/S1) коре, дополнительной моторной области (SMA) и премоторной коре. Ипсилатеральная моторная кора также может вносить свой вклад в кодировку силы. Имеются также данные об участии в регуляции контроля силы базально-таламо-кортикальной петли базальных ганглиев. Внутренняя часть бледного шара (GPi) и субталамическое ядро ​​(STN) имели положительное увеличение процентного изменения сигнала с увеличением силы, и вентральные таламические области также подразумевались таким же образом. Совсем недавно исследования с fNIRS подтвердили взаимосвязь между уровнем силы и церебральной активацией в контралатеральном и ипсилатеральном полушариях.

Большинство исследований на людях касались изометрических статических задач. Только в нескольких исследованиях рассматривались динамические движения. Как правило, обработка повторяющихся переходных изменений силы требует большей метаболической активности, чем создание и контроль статической силы. Существует корреляция между уровнем силы и изменениями коры в нейронной сети контралатерального M1 и переднего отдела мозжечка.

Большинство исследований касаются верхней конечности. Насколько нам известно, только изученные касаются нижней конечности на уровне изометрической силы. Один касается нейронных коррелятов контроля крутящего момента четырехглавой мышцы у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких, а другой касается изометрических сокращений тыльным сгибателем голеностопного сустава у здоровых людей.

фМРТ и ТЭП очень чувствительны к артефактам движения и не подходят для динамических исследований проксимальных суставов или походки. fNIRS менее чувствителен к артефактам движения и позволил провести многочисленные исследования ходьбы в более естественных условиях у контрольной группы или пациентов. fMRI и fNIRS основаны на физиологических принципах нейроваскулярной связи, процесса, при котором активные области мозга вызывают локальное увеличение кровотока, чтобы соответствовать их энергетическим потребностям за счет расширения капилляров и артериол. фМРТ измеряет реакцию, зависящую от уровня кислорода в крови (BOLD), соответствующую соотношению окси- и дезоксигемоглобина. Однако две части гемоглобина не измеряются по отдельности с помощью фМРТ. Напротив, fNIRS измеряет два вида гемоглобина отдельно. Во время этого нервно-сосудистого взаимодействия количество поставляемого кислорода обычно больше, чем потребляется локально, что приводит к значительному увеличению HbO2 и небольшому снижению HbR в этой области.

Во многих исследованиях fNIRS походки регистрировались гемодинамические вариации в префронтальной коре с парадигмой двойных задач. Только несколько исследований касались моторной коры.

В последние годы в дополнение к традиционной реабилитации используется роботизированная реабилитация. Он предлагает возможности для раннего, интенсивного, целенаправленного управления с помощью мультисенсорной стимуляции, которая считается наиболее эффективной для повышения нейропластичности. В литературе предполагается, что роботизированная реабилитация увеличивает способность пациентов к ходьбе, скорость ходьбы, силу мышц нижних конечностей, длину шага и симметрию ходьбы. Однако нейрофизиологические основы роботоассистированной реабилитации остаются малоизученными. Использование экзоскелета позволяет контролировать процент оказываемой помощи. В этом исследовании у здоровых испытуемых исследователи предлагают изучить активацию двигательных областей мозга при ходьбе в экзоскелете. Изучаются четыре уровня силы: полная помощь (А100%), частичная помощь (А50%), отсутствие помощи (А0%) и сопротивление 25 % (R25%) ходьбе от экзоскелета. Исследователи предполагают, что уровень активации мозга, измеренный с помощью fNIRS, будет увеличиваться по мере того, как испытуемые прилагают усилия.