AI-drivet Slutet System med Multielektrod Transkutan Ryggmärgsstimulering: Realtidsjusteringar för Förbättrad Motorisk Återhämtning vid Ryggmärgsskada (AIM RECOVER) (AIM RECOVER)

Ryggmärgsskada (SCI) är ett förlamande tillstånd som drabbar ungefär 20,6 miljoner människor världen över, med en årlig incidens på 0,9 miljoner. I Singapore ökade prevalensen av SCI från 5 till 6 per 100 000 år 1990 till 13 till 15 per 100 000 år 2019. SCI leder ofta till djupa och långvariga neurologiska funktionsnedsättningar, särskilt i motorisk funktion, vilket resulterar i betydande begränsningar i aktiviteter i dagligt liv (ADL) och gångförmåga. Kostnaderna för akutbehandling, rehabilitering och långtidsvård för SCI är avsevärda. Även om konventionella rehabiliteringsstrategier fortfarande är väsentliga, är deras effektivitet för att återställa förlorad motorisk funktion begränsad, vilket lämnar många individer med permanent funktionsnedsättning.

Ryggmärgsstimulering (SCS) har framträtt som en lovande neuromodulationsteknik för att förbättra neurologisk återhämtning efter SCI. SCS levererar elektriska impulser för att aktivera aferenta fibrer, vilket förbättrar interneuronala förbindelser, motorisk neuron-excitabilitet och kommunikation mellan spinala nätverk. SCS kan i stort delas in i epidural SCS (eSCS) och transkutan SCS (tSCS). På grund av sin icke-invasiva natur och terapeutiska potential har tSCS fått betydande uppmärksamhet, med många studier som visar dess effektivitet för att förbättra motorisk funktion efter SCI. De flesta nuvarande tSCS-protokoll för motorisk kontroll av nedre extremiteter innebär placering av en eller två aktiva elektroder över torakolumbal ryggrad (T10 - L2), med fasta stimulationsplatser och parametrar under varje session. Detta tillvägagångssätt grundar sig på hypotesen att tSCS förbättrar den övergripande excitabiliteten i det neurala nätverket genom att öka sensorisk input. Emellertid kan bristen på muskelspecifik stimulering leda till oönskad sammandragning av antagonistiska muskler, vilket hindrar funktionell rörelse och minskar den övergripande gångeffektiviteten.

Ny forskning indikerar att ryggmärgens excitabilitet reagerar dynamiskt på variationer i stimulationsplatser och parametrar. Rumsligt selektiv eSCS med realtidsbearbetning har visats snabbt återställa frivillig motorisk kontroll även hos individer med kronisk, motoriskt komplett SCI. I djurstudier har integrerade tillvägagångssätt som kombinerar epidural ryggmärgsstimulering med perifer muskelstimulering, utformad för att efterlikna sensorisk återkoppling och feedforward-muskelkontraktionsloopar, visat synergistiska effekter, vilket ger ett ramverk för utveckling av neuromodulationssystem för att förbättra motorisk återhämtning efter SCI. I människostudier har ett annat forskningsteam rapporterat att multielektrod tSCS med kontinuerlig stimulering för att aktivera centrala mönstergenerator (CPG)-nätverk i kombination med rumsligt-temporalt alternerande stimulering som riktar sig till dorsala rötter som projicerar till benets flexor- och extensor-motorpooler, kan inducera alternerande lokomotorisk aktivitet. Anmärkningsvärt möjliggjorde detta tillvägagångssätt omedelbar återhämtning av lokomotorisk funktion hos individer med svåra motoriska underskott i nedre extremiteterna, även vid kliniskt komplett SCI.

Hittills har den relativa effektiviteten av att kombinera kontinuerlig stimulering med rumsligt-temporalt modulering, jämfört med enbart kontinuerlig stimulering, inte ännu systematisk utvärderats hos människor. Denna studie syftar till att adressera dessa luckor genom att utveckla och utvärdera ett AI-drivet sluten slinga multielektrod tSCS-system som integrerar kontinuerlig mittlinjestimulering med realtids, återkopplingsdriven rumsligt-temporalt modulering. Systemet utnyttjar bärbara kinematiska sensorer och ytelektromyografi (EMG) för att dynamiskt justera stimuleringstidpunkt och intensitet baserat på pågående gång och muskelaktiveringsmönster. Genom att anpassa stimuleringsleverans med fysiologiska motoriska krav, strävar det föreslagna tillvägagångssättet efter att förbättra muskelselektivitet, optimera motorisk rekrytering i nedre extremiteterna och förbättra gångprestanda hos individer med ofullständig SCI.

Om framgångsrik kommer denna studie att tillhandahålla kritisk evidens som stöder adaptiva, AI-drivna neuromodulationsstrategier och etablera en grund för nästa generations tSCS-system som mer effektivt engagerar spinala sensorimotoriska kretsar för att främja funktionell återhämtning efter SCI.