Эксперимент с использованием функциональной ближней инфракрасной спектроскопии и роботизированных многосуставных точечных движений нижней конечности
7 июня 2024 г.
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
В данном исследовании изучается 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 движениями робота, что позволяет получить представление об активности мозга при многосуставных движениях, имеющих решающее значение для восстановления двигательных функций.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Реабилитация
- Робототехника
Теоретические сведения
- Механизмы реабилитации после инсульта изучены недостаточно.
- Предыдущие исследования были сосредоточены на действиях в одном суставе, а не на многосуставной реабилитации.
- fNIRS представляет собой портативный и надежный метод визуализации, совместимый с роботизированными системами.
Цель исследования
- Оценить активацию мозга во время тренировок нижних конечностей с использованием роботизированных систем.
- Изучить различия в активации мозга при выполнении упражнений в условиях с поддержкой и без неё.
- Подтвердить осуществимость экспериментального протокола.
Используемые методы
- Для измерения оксигенации крови в головном мозге применяли функциональную ближнюю инфракрасную спектроскопию (fNIRS).
- Участники выполняли движения, будучи закрепленными в роботизированном устройстве, что позволяло контролировать условия выполнения движений.
- Сбор данных осуществлялся в течение шести минут после тщательной калибровки системы fNIRS.
- Тестировались два условия: с роботизированной помощью и без нее.
Основные результаты
- При выполнении упражнений без помощи наблюдалась более значительная активация мозга по сравнению с упражнениями с помощью.
- Увеличение изменений концентрации HbO регистрировалось преимущественно в левой премоторной коре.
- У четырех испытуемых наблюдалась активация при обоих условиях, при этом результаты выполнения задач с помощью и без нее заметно различались.
Выводы
- Данное исследование демонстрирует потенциал fNIRS для мониторинга активности мозга в процессе роботизированной реабилитации.
- Полученные результаты подчеркивают важность самостоятельных движений для обеспечения более выраженной активации мозга.
- Исследование вносит вклад в понимание нейронных механизмов, участвующих в моторном восстановлении после инсульта.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS), синхронизированная с роботизированными многосуставными движениями нижних конечностей, позволяет осуществлять количественное картирование активации мозга при выполнении сложных моторных задач. Данный подход повышает прогностическую достоверность исследований в области нейрореабилитации на ранних стадиях, предоставляя объективные и воспроизводимые показатели нейронного отклика, имеющие значение для восстановления двигательной функции. Интеграция fNIRS с роботизированными платформами способствует механистическому снижению рисков и обосновывает трансляционные стратегии разработки терапевтических методов для портфеля решений по лечению инсульта и двигательных нарушений.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет исследовать нейронные корреляты, лежащие в основе моторных функций и механизмов восстановления.
- Способствует снижению биологических рисков путем разграничения паттернов активации при различных уровнях помощи при движении.
- Обеспечивает функциональную валидацию мишеней для методов нейрореабилитации.
Скрининг и разработка методов анализа
- Облегчает подготовку валидированных протоколов нейровизуализации для последующих трансляционных исследований.
- Обеспечивает получение стандартизированных количественных показателей гемодинамики для воспроизводимости анализа.
- Позволяет проводить скрининг эффектов вмешательства на активацию мозга в парадигмах контролируемого движения.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет картирование нейронной активации с двигательными задачами, имеющими отношение к заболеванию, для разработки трансляционных биомаркеров.
- Обеспечивает непрерывность процесса от этапа обнаружения до доклинической валидации в исследованиях по нейрореабилитации.
- Обеспечивает прогностическое снижение рисков для потенциальных методов вмешательства, направленных на пути восстановления двигательной функции.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный протокол представляет картирование нейронной активации на основе fNIRS как инструмент, связывающий этап первичных открытий и трансляционные исследования в области нейрореабилитации.
- Фундаментальная биология: количественная оценка активации мозга при выполнении многосуставных моторных задач для уточнения путей восстановления.
- Скрининг: получение воспроизводимых количественных гемодинамических данных для оценки эффективности вмешательств.
- Аналитика: возможность статистического сравнения условий движения с поддержкой и без нее с использованием показателей HbO и HbR.
- Трансляционные исследования: перенос результатов, полученных на здоровых испытуемых, на доклинические модели восстановления после инсульта.
- Корпоративное использование: создание воспроизводимого рабочего процесса нейровизуализации, совместимого с роботизированными платформами для реабилитации.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неопределенность в исследованиях восстановления двигательных функций.
- Операционная ценность: обеспечивает стандартизированную, устойчивую к движениям нейровизуализацию, совместимую с роботизированными системами.
- Стратегическая ценность: служит основанием для принятия решений о целесообразности назначения нейрореабилитации кандидатам за счет предоставления объективных нейронных конечных точек.
- Влияние на портфель: поддерживает приоритизацию методов вмешательства по восстановлению двигательной функции с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области нейровизуализации, робототехники и статистического анализа гемодинамических данных.
- Необходим доступ к оборудованию для fNIRS и роботизированным платформам для перемещения.
- Требуется межкомандная стандартизация протоколов сбора и анализа данных.
- Может потребоваться адаптация для различных парадигм движения или групп пациентов.
- Короткое время сбора данных и небольшой размер выборки могут ограничить статистическую мощность в некоторых условиях.
