Sensorimotorisk bildbehandling för hjärn-datorgränssnitt

BAKGRUND: Avancerad förståelse av hjärnans struktur och funktion har förbättrat diagnosen och behandlingen av neurologiska störningar som epilepsi, stroke och ryggmärgsskada (SCI). För över ett halvt sekel sedan använde de banbrytande studierna av Penfield elektrisk stimulering av motoriska och sensoriska områden i hjärnbarken och avslöjade en distinkt somatotop organisation av hjärnan. Idag används denna och ytterligare kunskap om neuronala kodningsfunktioner för att utveckla revolutionerande enheter som samverkar direkt med motoriska och sensoriska neuroner i hjärnan för att etablera funktionella kopplingar med proteser och hjälpmedel. Dessa så kallade hjärn-dator-gränssnitt (BCI) kräver att elektroder placeras exakt i hjärnområden som ansvarar för viljestyrning och känsla av lemrörelser, särskilt arm- och handregionerna. Kartläggning av dessa hjärnregioner är möjligt med hjälp av funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI). Sådana kartläggningsstudier är dock svåra att utföra på personer med motoriska och sensoriska funktionsnedsättningar. Personer med ALS och SCI har stört efferenta och afferenta vägar mellan cortex och extremiteterna, vilket gör det nödvändigt att förlita sig på hemliga tekniker, såsom kinestetisk motorisk bild, för att kartlägga sensorimotorisk hjärnaktivitet för att vägleda BCI-elektrodplacering eller för att studera kortikal plasticitet som resulterar i från skada eller ingripande. Utmaningar associerade med hjärnkartläggning efter skada bidrar sannolikt till de vitt varierande rapporterna om omfattningen och prevalensen av funktionell omorganisation som sker i hjärnan efter SCI. fMRI är ett icke-invasivt verktyg som möjliggör mätning av motorisk och sensorisk relaterad hjärnaktivitet med minimal risk för studiedeltagare.

BETYDNING: Återställande av funktion i övre extremiteterna är en högsta prioritet för individer med tetraplegi. Det uppskattas att 236 000-327 000 personer i USA har en ryggmärgsskada. Ungefär 17 % av personer med SCI har hög tetraplegi (skada vid livmoderhalsnivåer C1-C4) även om denna andel har ökat de senaste åren. Personer med hög tetraplegi är den mest sannolika gruppen att dra nytta av BCI-kontrollerad neuroprotetik, även om de hemliga kartläggningsstrategier som utvecklats i detta förslag kan användas för att studera sensorimotorisk aktivering och plasticitet hos alla med motorisk eller sensorisk funktionsnedsättning inklusive amputation. Sofistikerade, motoriserade proteser utvecklas som möjliggör naturliga rörelser i de övre extremiteterna och har avancerade avkänningsförmåga. Personer med tetraplegi skulle vilja återställa funktionen till sina egna armar och ben med hjälp av FES, men denna teknik behöver vidareutvecklas och ersätter inte känslan, som fortfarande kan kräva en BCI. Medan FES forskning och utveckling fortsätter kan personer med tetraplegi dra fördel av motoriserade proteser genom att montera dem på sin rullstol. Motoriserade proteser kan ge en funktion som är jämförbar med den hos en intakt lem, men en hög grad av frihetskontroll behövs och BCI är en möjlig lösning.

Funktionell neuroimaging kan användas för att styra placeringen av BCI-elektroder för att kunna utnyttja befintliga sensorimotoriska kretsar. Bildbaserad hjärnkartläggning möjliggör också studiet av kortikal plasticitet, vilket kan vara användbart för att förstå maladaptiva kortikala förändringar som uppstår efter skada eller fördelaktiga förändringar till följd av rehabiliteringsinterventioner. Precis som före kirurgisk hjärnkartläggning kan hjälpa till att identifiera individer som är bäst lämpade för en BCI, kan hemlig hjärnkartläggning hos någon med motoriska och sensoriska funktionsnedsättningar informera om vilken typ av rehabiliteringsparadigm som mest sannolikt har en fördel. Den potentiella fördelen med att kunna studera kortikal plasticitet i frånvaro av rörelse eller känsla är vidsträckt eftersom det kan tillämpas på patienter med SCI, amputation, stroke, neurodegenerativa sjukdomar som amyotrofisk lateralskleros eller annan sensorimotorisk funktionsnedsättning.