Un experimento que utiliza espectroscopía funcional de infrarrojo cercano y movimientos de apuntamiento multiarticular asistidos por robots de la extremidad inferior
7 de junio de 2024
Se estima que 1 de cada 6 personas en todo el mundo sufrirá un accidente cerebrovascular a lo largo de su vida, lo que le causará una discapacidad a largo plazo, cuyos mecanismos de rehabilitación aún no se conocen bien. Este estudio propone un protocolo para evaluar la activación cerebral mediante espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS) durante una sesión de terapia robótica de miembros inferiores.
En este estudio, nuestro objetivo es investigar la viabilidad de un protocolo experimental que involucre movimientos de la extremidad inferior conectados a un dispositivo robótico y la adquisición simultánea de datos de espectroscopia funcional de infrarrojo cercano, fNIRS. Pocos estudios han empleado fNIRS para estudiar la activación cerebral en el accidente cerebrovascular, la recuperación motora y los movimientos de las extremidades inferiores, centrándose principalmente en acciones de una sola articulación, caminar o andar en bicicleta. Nuestro estudio es pionero en la exploración del entrenamiento multiarticular de las extremidades inferiores para la rehabilitación de objetivos.
La espectroscopia funcional de infrarrojo cercano, fNIRS, mide eficazmente los cambios temporales en la oxigenación de la sangre del cerebro, sirviendo como un indicador indirecto de la actividad cerebral, a las señales funcionales de resonancia magnética. A diferencia de la resonancia magnética funcional, fNIRS es compatible con hardware robótico, portátil y más resistente a los artefactos de movimiento. Hay dos desafíos principales.
La primera es sincronizar los movimientos del dispositivo robótico con los datos de fNIRS. El segundo es obtener los datos suficientes para lograr el poder estadístico, para detectar cambios hemodinámicos en solo seis minutos. Nuestro estudio confirmó la viabilidad del protocolo y arrojó los resultados esperados.
En la condición asistida, solo dos sujetos exhibieron una activación cerebral significativa. El ejercicio sin asistencia, que requirió mayor esfuerzo, mostró un mayor cambio en la concentración de HbO que los asistidos, con notable diferencia en la CMP contralateral.
Resumen
Este estudio investiga la viabilidad de utilizar la espectroscopía funcional en el infrarrojo cercano (fNIRS) para evaluar la activación cerebral durante sesiones de terapia robótica de extremidades inferiores en la rehabilitación postaccidente cerebrovascular. Se desarrolló un protocolo para sincronizar la adquisición de datos de fNIRS con los movimientos robóticos, lo que permite obtener información sobre la actividad cerebral durante movimientos multiarticulares que son cruciales para la recuperación motora.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Rehabilitación
- Robótica
Antecedentes
- Los mecanismos de rehabilitación del accidente cerebrovascular no están bien comprendidos.
- Estudios previos se centraron en acciones de una sola articulación en lugar de rehabilitación multiarticular.
- La fNIRS es una técnica de imagen portátil y robusta, compatible con sistemas robóticos.
Objetivo del estudio
- Evaluar la activación cerebral durante el entrenamiento robótico asistido de las extremidades inferiores.
- Explorar las diferencias en la activación cerebral entre condiciones asistidas y no asistidas.
- Confirmar la factibilidad del protocolo experimental.
Métodos Utilizados
- Se empleó espectroscopía funcional en el infrarrojo cercano (fNIRS) para medir la oxigenación sanguínea cerebral.
- Los participantes realizaron movimientos mientras estaban conectados a un dispositivo robótico, lo que permitió controlar las condiciones del movimiento.
- Los datos se recopilaron durante un período de seis minutos con una cuidadosa calibración del sistema fNIRS.
- Se probaron dos condiciones: con y sin asistencia robótica.
Resultados principales
- Se observó una activación cerebral significativa en los ejercicios sin asistencia en comparación con los asistidos.
- Se registraron aumentos en las concentraciones de HbO principalmente en el cortex premotor izquierdo.
- Cuatro sujetos mostraron activación en ambas condiciones, con una diferencia notable en los resultados entre las tareas asistidas y sin asistencia.
Conclusiones
- Este estudio demuestra el potencial de la fNIRS para monitorear la actividad cerebral durante la rehabilitación robótica.
- Los hallazgos resaltan la importancia de los movimientos sin asistencia para provocar una mayor activación cerebral.
- El estudio contribuye a la comprensión de los mecanismos neuronales implicados en la recuperación motora tras un accidente cerebrovascular.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La espectroscopía funcional en el infrarrojo cercano (fNIRS) sincronizada con movimientos robóticos multiarticulares de las extremidades inferiores permite la obtención cuantitativa de mapas de activación cerebral durante tareas motoras complejas. Este enfoque respalda la confianza predictiva en investigaciones de neurorehabilitación temprana al proporcionar lecturas neuronales objetivas y reproducibles relacionadas con la recuperación motora. La integración de fNIRS con plataformas robóticas promueve la reducción de riesgos mecanicistas e informa estrategias traslacionales para el desarrollo terapéutico en carteras de accidente cerebrovascular y trastornos motores.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite investigar los correlatos neuronales subyacentes a la función motora y a los mecanismos de recuperación.
- Apoya la reducción de riesgos biológicos al distinguir los patrones de activación bajo distintos niveles de asistencia al movimiento.
- Proporciona la validación funcional de objetivos para intervenciones de neurorehabilitación.
Desarrollo de Pruebas y Cribado
- Facilita la preparación de protocolos de neuroimagen validados para estudios traslacionales posteriores.
- Proporciona salidas hemodinámicas cuantitativas estandarizadas para la reproducibilidad del ensayo.
- Permite la evaluación de los efectos de intervenciones sobre la activación cerebral en paradigmas de movimiento controlados.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Asocia la cartografía de activación neural con tareas motoras relevantes para la enfermedad, para el desarrollo de biomarcadores traslacionales.
- Facilita la continuidad desde el descubrimiento hasta la validación preclínica en la investigación de neurorehabilitación.
- Proporciona una reducción predictiva de riesgos para intervenciones candidatas dirigidas a las vías de recuperación motora.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
Este protocolo sitúa la cartografía de la activación neural basada en fNIRS en la intersección entre el descubrimiento temprano y la investigación traslacional en neurorehabilitación.
- Biología del Descubrimiento: Cuantifica la activación cerebral durante tareas motoras multiarticulares para aclarar las vías de recuperación.
- Selección: Proporciona datos hemodinámicos cuantitativos y reproducibles para la evaluación de intervenciones.
- Análisis: Permite la comparación estadística de condiciones de movimiento asistido frente a no asistido utilizando métricas de HbO y HbR.
- Investigación Traducional: Conecta los hallazgos en sujetos sanos con modelos preclínicos de recuperación postaccidente cerebrovascular.
- Reutilización Empresarial: Establece un flujo de trabajo de neuroimagen reutilizable compatible con plataformas de rehabilitación robótica.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en la investigación sobre la recuperación motora.
- Valor operativo: Proporciona neuroimágenes estandarizadas y robustas frente al movimiento, compatibles con sistemas robóticos.
- Valor estratégico: Informa decisiones de avance o no (go/no-go) para candidatos a neurorehabilitación al ofrecer puntos finales neuronales objetivos.
- Impacto en la cartera: Apoya la priorización ajustada al riesgo de intervenciones dirigidas a la restauración de la función motora.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en neuroimagen, robótica y análisis estadístico de datos hemodinámicos.
- Exige acceso a instrumentación de fNIRS y plataformas robóticas de movimiento.
- Necesita estandarización entre equipos de los protocolos de adquisición y análisis de datos.
- Puede requerirse adaptación para diferentes paradigmas de movimiento o poblaciones de pacientes.
- Los tiempos breves de adquisición y el tamaño de la muestra pueden limitar el poder estadístico en algunos contextos.
