Νευροεπιστήμη – Ρομποτική: Προηγμένα τεχνητά άκρα χαρτογραφήθηκαν στον εγκέφαλο

Οι επιστήμονες του EPFL από το Κέντρο Νευροπροσθετικής χρησιμοποίησαν λειτουργική μαγνητική τομογραφία, για να δείξουν πώς ο εγκέφαλος επανασχεδιάζει κινητικές και αισθητηριακές οδούς ακολουθώντας στοχευμένη κινητική και αισθητική επανανεύρωση (TMSR), μια νευροπροσθετική προσέγγιση όπου τα εναπομένοντα νεύρα των άκρων επαναδρομολογούνται προς άθικτες περιοχές μυών και δέρματος, για να ελέγξουν ένα ρομποτικό άκρο.

Η στοχευμένη κινητική και αισθητηριακή επανανεύρωση (Targeted motor and sensory reinnervation – TMSR) είναι μια χειρουργική επέμβαση σε ασθενείς με ακρωτηριασμό που επαναδρομολογεί τα εναπομένοντα νεύρα των άκρων προς ανέπαφους μύες και δέρμα, προκειμένου να τα συνδέσει με τα προσθετικά άκρα επιτρέποντας έναν άνευ προηγουμένου έλεγχό τους. Από τη «φύση» της, η TMSRαλλάζει τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τον έλεγχο της κίνησης και τις σωματοαισθητηριακές εισαγωγές. Ωστόσο, οι λεπτομερείς μηχανισμοί του εγκεφάλου δεν έχουν διερευνηθεί ποτέ πριν και η επιτυχία της TMSR προσθετικής θα εξαρτηθεί από την ικανότητά μας να κατανοήσουμε τους τρόπους με τους οποίους ο εγκέφαλος επανασχεδιάζει αυτές τις διαδρομές. Τώρα, οι επιστήμονες του EPFL χρησιμοποίησαν εξαιρετικά υψηλού πεδίου, 7 Tesla, λειτουργική μαγνητική τομογραφία (fMRI) για να δείξουν πώς επηρεάζει η TMSR τις αναπαραστάσεις των άνω άκρων στους εγκεφάλους ασθενών με ακρωτηριασμούς, ιδιαίτερα στον πρωτογενή κινητικό φλοιό και στον σωματοαισθητικό φλοιό και τις περιοχές που επεξεργάζονται πιο πολύπλοκες λειτουργίες του εγκεφάλου. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Brain.

Η στοχευμένη μυϊκή και αισθητική επανανεύρωση (Targeted muscle and sensory reinnervation – TMSR) χρησιμοποιείται για να βελτιώσει των έλεγχο των προσθετικών των άνω άκρων. Τα εναπομένοντα νεύρα από το ακρωτηριασμένο άκρο μεταβιβάζονται για να επανανευρώσουν και να ενεργοποιήσουν νέους μυϊκούς στόχους. Με αυτό τον τρόπο, ένας ή μια ασθενής που εφοδιάστηκε με προσθετική TMSR «στέλνει» κινητικές εντολές στους επανανευρωμένους μυες, όπου οι προθέσεις κίνησης αποκωδικοποιούνται και στέλνονται στο προσθετικό άκρο. Από την άλλη μεριά, η άμεση διέγερση του δέρματος επάνω στους επανανευρωμένους μύες στέλνεται πίσω στον εγκέφαλο, συμπεριλαμβανομένης της αντίληψης αγγίγματος στο άκρο που λείπει.

Όμως πώς ο εγκέφαλος κωδικοποιεί και αφομοιώνει τέτοιο τεχνητό άγγιγμα και κινήσεις των προσθετικών άκρων; Πώς αυτό επηρεάζει την ικανότητά του να αφομοιώνει καλύτερα και να ελέγχει τα προσθετικά; Η επίτευξη και ο λεπτός συντονισμός τέτοιου ελέγχου εξαρτάται από τη γνώση του πώς ο εγκέφαλος του ασθενούς επανασχεδιάζει τις ποικίλες κινητήριες και σωματοαισθητηριακές διαδρομές στον κινητικό φλοιό και στον σωματοαισθητικό φλοιό. Τοεργαστήριο του Olaf Blanke στην EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) σε συνεργασία με τον Andrea Serino στο Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο της Λωζάννης και ομάδες κλινικών ιατρών και ερευνητών στην Ελβετία και το εξωτερικό χαρτογράφησαν με επιτυχία αυτές τις αλλαγές στους φλοιούς τριών ασθενών με ακρωτηριασμούς άνω άκρου, οι οποίοι είχαν υποβληθεί σε TMSR και ήταν ικανοί χρήστες προσθετικών άκρων που αναπτύχθηκαν από τον Todd Kuiken και την ομάδα του στο Ινστιτούτο Αποκατάστασης του Σικάγου.



Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν εξαιρετικά υψηλού πεδίου, 7 Τ, fMRI, μια τεχνική που μετράει την εγκεφαλική δραστηριότητα ανιχνεύοντας αλλαγές στη ροή του αίματος στον εγκέφαλο. Αυτό τους έδωσε μια πρωτοφανή εικόνα με μεγάλη χωρική ανάλυση της οργάνωσης του φλοιού του πρωτεύοντος κινητικού και σωματοαισθητικού φλοιού του κάθε ασθενούς. Απροσδόκητα, η μελέτη έδειξε ότι οι χάρτες του κινητικού φλοιού των ατόμων με ακρωτηριασμένο άκρο ήταν παρόμοιοι, όσον αφορά την έκταση, την ισχύ και την τοπογραφία, με αυτούς ατόμων χωρίς ακρωτηριασμό άκρου, όμως ήταν διαφορετικοί από αυτούς των ασθενών με ακρωτηριασμούς που δεν έλαβαν TMSR, αλλά χρησιμοποιούν τυπικά προσθετικά. Αυτό δείχνει τη μοναδική επίδραση της χειρουργικής TMSR διαδικασίας στον κινητικό χάρτη του εγκεφάλου.

Η προσέγγιση μπόρεσε ακόμη να προσδιορίσει χάρτες δακτύλων που λείπουν (φανταστικά) στον σωματοαισθητικό φλοιό των TMSR-ασθενών που ενεργοποιήθηκαν μέσω των περιοχών του δέρματος που επανανευρώθηκαν από το στήθος ή το εναπομένων άκρο. Οι σωματοαισθητικοί χάρτες έδειξαν ότι ο εγκέφαλος είχε διατηρήσει την αρχική τοπογραφική οργάνωση, αν και σε μικρότερο βαθμό από ότι στα υγιή υποκείμενα. Επιπλέον, όταν διερεύνησαν τις συνδέσεις μεταξύ των χαρτών άνω-άκρου και στους δυο φλοιούς, οι ερευνητές βρήκαν κανονικές συνδέσεις στους TMSR-ασθενείς, που ήταν συγκρίσιμες με ελέγχους των υγιών. Ωστόσο, η διατήρηση του αρχικού σχεδιασμού ήταν πάλι μειωμένη σε μη-TMSR-ασθενείς, δείχνοντας ότι η διαδικασία TMSR διατηρεί ισχυρές λειτουργικές συνδέσεις μεταξύ πρωτεύοντος αισθητικού και κινητικού φλοιού.

Η μελέτη, επίσης, έδειξε ότι η TMSR χρειάζεται ακόμη βελτίωση: οι συνδέσεις μεταξύ του πρωτεύοντος αισθητικού και κινητικού φλοιού με τις υψηλού επιπέδου ενσωμάτωσης περιοχές στον μετωποβρεγματικό φλοιό ήταν τόσο αδύναμες στους TMSR-ασθενείς όσο στους μη-TMSR-ασθενείς και διαφορετικές σε σχέση με τα υγιή υποκείμενα. Αυτό υποδηλώνει ότι, παρά την επιτρεπόμενη καλή κινητική επίδοση, τα ενισχυμένα με TMSR τεχνητά άκραακόμη δεν κινούνται και δεν αισθάνονται όπως ένα αληθινό άκρο και δεν κωδικοποιήθηκαν ακόμη από τον εγκέφαλο του ασθενούς ως ένα αληθινό άκρο. Οι επιστήμονες συμπεραίνουν ότι μελλοντικά προσθετικά TMSR θα εφαρμόζουν συστηματική σωματοαισθητική διάδραση συνδεδεμένη με τις κινήσεις του ρομποτικού χεριού, επιτρέποντας τους ασθενείς να αισθάνονται τις αισθητηριακές συνέπειες των κινήσεων του τεχνητού άκρου τους.

Τα ευρήματα παρέχουν την πρώτη λεπτομερή νευροαπεικονιστική διερεύνηση σε ασθενείς με βιονικά άκρα που βασίζοντα σε προσθετικά TMSR και δείχνουν ότι η εξαιρετικά υψηλού πεδίου, 7 Τesla, fMRI είναι ένα εξαιρετικό εργαλείο για τη μελέτη των χαρτών του άνω άκρου του κινητικού και σωματοαισθητικού φλοιού μετά τον ακρωτηριασμό. Επιπροσθέτως, τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι η TMSR μπορεί να αντιμετωπίσει την ασθενώς προσαρμοσμένη πλαστικότητα στον φλοιό μετά την απώλεια ενός άκρου. Σύμφωνα με τους συγγραφείς, αυτό μπορεί να δώσει νέες γνώσεις στη φύση και την αντιστρεψιμότητα της πλαστικότητας του φλοιού σε ασθενείς με ακρωτηριασμούς και τη σύνδεσή τους με το σύνδρομο και τον πόνο του φανταστικού άκρου.

Τέλος, η μελέτη επίσης δείχνει ότι υπάρχει ανάγκη για περαιτέρω μηχανικές βελτιώσεις, όπως η αφομοίωση της σωματοαισθητικής διάδρασης στα υπάρχοντα προσθετικά που μπορούν να τους επιτρέψει να τα κινούν και να τα αισθάνονται ως αληθινά άκρα.

EPFL