Эксперимент с использованием функциональной ближней инфракрасной спектроскопии и роботизированных многосуставных точечных движений нижней конечности
June 7th, 2024
Подсчитано, что у 1 из 6 человек во всем мире в течение жизни случается инсульт, приводящий к длительной инвалидности, механизмы реабилитации которого до сих пор плохо изучены. В этом исследовании предлагается протокол для оценки активации мозга с помощью функциональной спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона (fNIRS) во время сеанса роботизированной терапии нижних конечностей.
В этом исследовании мы стремимся изучить возможность экспериментального протокола, включающего движения нижней конечности, прикрепленной к роботизированному устройству, и одновременный сбор данных функциональной спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона, fNIRS. Лишь немногие исследования использовали fNIRS для изучения активации мозга при инсульте, восстановлении моторики и движениях нижних конечностей, уделяя основное внимание действиям в отдельных суставах, ходьбе или езде на велосипеде. Наше исследование является пионером в изучении многосуставной тренировки нижних конечностей для целевой реабилитации.
Функциональная спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона, fNIRS, эффективно измеряет временные изменения оксигенации крови мозга, служащие косвенным индикатором активности мозга, по отношению к функциональным сигналам МРТ. В отличие от фМРТ, fNIRS совместим с роботизированным оборудованием, портативн и более устойчив к артефактам движения. Есть две основные проблемы.
Первый заключается в синхронизации движений роботизированного устройства с данными fNIRS. Во-вторых, получить достаточно данных для достижения статистической мощности, чтобы обнаружить гемодинамические изменения всего за шесть минут. Наше исследование подтвердило осуществимость протокола и дало ожидаемые результаты.
В вспомогательном состоянии только у двух испытуемых наблюдалась значительная активация мозга. Самостоятельные упражнения, требующие больших усилий, показали большее изменение концентрации HbO, чем ассистированные, с заметными различиями в контралатеральной ПМК.
Обзор
Это исследование исследует возможность использования функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) для оценки активации мозга во время сеансов роботизированной терапии нижних конечностей для реабилитации после инсульта. Был разработан протокол для синхронизации сбора данных fNIRS с роботизированными движениями, что позволяет получить представление об активности мозга во время движений в нескольких суставах, которые являются важными для восстановления моторных функций.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Реабилитация
- Робототехника
Фон
- Механизмы реабилитации после инсульта недостаточно изучены.
- Предыдущие исследования сосредоточились на действиях в одном суставе, а не на реабилитации в нескольких суставах.
- fNIRS является переносной и надежной методикой визуализации, совместимой с роботизированными системами.
Цель исследования
- Оценить активацию мозга во время роботизированного тренинга нижних конечностей.
- Исследовать различия в активации мозга между ассистированными и неассистированными условиями.
- Подтвердить возможность экспериментального протокола.
Использованные методы
- Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) была использована для измерения оксигенации крови в мозге.
- Участники выполняли движения, будучи прикрепленными к роботизированному устройству, что позволяло контролировать условия движения.
- Данные были собраны в течение шести минут с тщательной калибровкой системы fNIRS.
- Были протестированы две условия: с роботизированной помощью и без нее.
Основные результаты
- Значительная активация мозга была зарегистрирована в неассистированных упражнениях по сравнению с ассистированными.
- Изменения концентрации HbO были зарегистрированы в основном в левой предмоторной коре.
- У четырех участников наблюдалась активация в обоих условиях, с заметным различием в результатах между ассистированными и неассистированными задачами.
Выводы
- Это исследование демонстрирует потенциал fNIRS для мониторинга активности мозга во время роботизированной реабилитации.
- Результаты подчеркивают важность неассистированных движений для выявления большей активации мозга.
- Исследование способствует пониманию нейрональных механизмов, участвующих в восстановлении моторных функций после инсульта.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) synchronized with robot-assisted multi-joint lower limb movements enables quantitative mapping of brain activation during complex motor tasks. This approach supports predictive confidence in early-stage neurorehabilitation research by providing objective, reproducible neural readouts relevant to motor recovery. Integrating fNIRS with robotic platforms advances mechanistic de-risking and informs translational strategies for therapeutic development in stroke and motor impairment portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of neural correlates underlying motor function and recovery mechanisms.
- Supports biological de-risking by distinguishing activation patterns under varying movement assistance levels.
- Provides functional target validation for neurorehabilitation interventions.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated neuroimaging protocols for downstream translational studies.
- Delivers standardized, quantitative hemodynamic outputs for assay reproducibility.
- Enables screening of intervention effects on brain activation in controlled movement paradigms.
Translational & Preclinical Research
- Aligns neural activation mapping with disease-relevant motor tasks for translational biomarker development.
- Supports continuity from discovery to preclinical validation in neurorehabilitation research.
- Provides predictive de-risking for candidate interventions targeting motor recovery pathways.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol positions fNIRS-based neural activation mapping at the interface of early discovery and translational research in neurorehabilitation.
- Discovery Biology: Quantifies brain activation during multi-joint motor tasks to clarify recovery pathways.
- Screening: Supplies reproducible, quantitative hemodynamic data for intervention assessment.
- Analytics: Enables statistical comparison of assisted versus unassisted movement conditions using HbO and HbR metrics.
- Translational Research: Bridges healthy subject findings to preclinical models of stroke recovery.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable neuroimaging workflow compatible with robotic rehabilitation platforms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in motor recovery research.
- Operational Value: Delivers standardized, motion-robust neuroimaging compatible with robotic systems.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for neurorehabilitation candidates by providing objective neural endpoints.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of interventions targeting motor function restoration.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroimaging, robotics, and statistical analysis of hemodynamic data.
- Demands access to fNIRS instrumentation and robotic movement platforms.
- Necessitates cross-team standardization of data acquisition and analysis protocols.
- Adaptation may be needed for different movement paradigms or patient populations.
- Short acquisition times and sample size may limit statistical power in some settings.
