Exoskelett och hjärnaktivitet med fNIRS (ExoNIRS)

Ett viktigt mål för motorisk neurovetenskap är att karakterisera hur neural aktivitet i hjärnan förmedlar rörelseparametrar som kraft, hastighet, rörelsefrekvens eller rörelseriktning. Kraftens neurala kodage har studerats hos djur och människor med TEP , fMRI , funktionell nära-infraröd spektroskopi (fNIRS), EEG eller magnetisk stimulering.

Elektrofysiologiska studier på icke-mänskliga primater visade en korrelation mellan neuronala urladdningshastigheter i flera regioner av den kontralaterala motoriska cortex och utövad kraftamplitud.

Hos människor bekräftade studier av funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) sambandet mellan ökad neuronal aktivering och ökande kraftamplitud i den kontralaterala primära motoriska/somatosensoriska (M1/S1) cortexen, det kompletterande motoriska området (SMA) och premotorisk cortex. Den ipsilaterala motoriska cortexen kan också bidra till kraftcodage. Det finns också bevis för att den basala ganglierna-talamo-kortikala slingan deltar i regleringen av kraftkontroll. Den inre delen av globus pallidus (GPi) och subthalamuskärnan (STN) hade en positiv ökning av procentuell signalförändring med ökande kraft, och de ventrala thalamusregionerna implicerades också på samma sätt. På senare tid har studier med fNIRS bekräftat sambandet mellan kraftnivå och cerebral aktivering i kontralateral och ipsilateral hemisfär.

De flesta av de mänskliga studierna gällde isometriska statiska uppgifter. Endast ett fåtal studier övervägde dynamiska rörelser. Som regel kräver behandlingen av repetitiva transienta kraftförändringar mer metabolisk aktivitet än generering och kontroll av en statisk kraft. Det finns en korrelation mellan kraftnivån och kortikala förändringar inom det neuronala nätverket i kontralateral M1 och främre lillhjärnan.

De flesta av studierna gäller den övre extremiteten. Såvitt vi vet endast att studera gäller den nedre extremiteten i en isometrisk kraftnivå. Den ena gäller de neurala korrelaten för quadriceps vridmomentkontroll hos patienter med kronisk obstruktiv lungsjukdom och den andra gäller isometriska sammandragningar med ankelns dorsiflexor hos friska kontroller.

fMRI och TEP är mycket känsliga för rörelseartefakter och inte lämpliga för dynamiska proximala leder eller gångstudier. fNIRS är mindre känsligt för rörelseartefakter och har tillåtit många studier av att gå under mer naturliga förhållanden hos kontroller eller patienter. fMRI och fNIRS är baserade på de fysiologiska principerna för neurovaskulär koppling, den process genom vilken aktiva hjärnregioner inducerar en lokal ökning av blodflödet för att matcha deras energibehov via utvidgningen av kapillärer och arterioler. fMRI mäter blodets syrenivåberoende (BOLD) svar som motsvarar förhållandet mellan oxi och deoxihemoglobin. De två delarna av hemoglobin mäts dock inte individuellt med fMRI. Tvärtom mäter fNIRS de två hemoglobinarterna separat. Under denna neurovaskulära koppling är mängden syre som tillförs vanligtvis större än den som förbrukas lokalt, vilket resulterar i en avsevärd ökning av HbO2 och en liten minskning av HbR i regionen.

Många av fNIRS-studierna om gång registrerade hemodynamiska variationer i den prefrontala cortex med dubbla uppgifter paradigm. Endast ett fåtal studier gällde den motoriska cortex.

De senaste åren har robotassisterad rehabilitering använts vid sidan av konventionell rehabilitering. Det erbjuder möjligheter till tidig, intensiv, uppgiftsspecifik hantering med multisensorisk stimulering som anses vara den mest effektiva för att främja neuroplasticitet. Litteratur tyder på att robotrehabilitering ökar patienters gångförmåga, gånghastighet, muskelstyrka i nedre extremiteter, steglängd och gångsymmetri. De neurofysiologiska grunderna för robotassisterad rehabilitering är dock fortfarande dåligt kända. Användningen av ett exoskelett gör det möjligt att kontrollera andelen bistånd som ges. I denna studie på friska försökspersoner föreslår forskarna att man studerar hjärnaktivering i motoriska regioner när man går i ett exoskelett. Fyra styrkenivåer studeras: total hjälp (A100%), partiell hjälp (A50%), ingen hjälp (A0%) och motstånd på 25% (R25%) mot att gå från exoskelettet. Utredarna antar att nivån av hjärnaktivering mätt av fNIRS kommer att öka med den ansträngning som försökspersonerna ger.