Μελέτη των νευρωνικών κυκλωμάτων του εγκεφάλου σε ασθενείς με κάκωση νωτιαίου μυελού

Abstract

Neurotrauma of ascending and descending pathways, caused by Spinal Cord Injury (SCI), compromises reciprocal communication of the central and peripheral nervous systems. Complete or incomplete SCI results in varying degree of motor, sensory and autonomic impairment and long-lasting, often irreversible disability. Changes in brain organization and structure have been associated with SCI and have often been associated with differences in prognosis. Changes in functional connectivity (FC) could serve as injury biomarkers. Most studies on FC after SCI have focused on chronic complete injury or resting state condition. In addition, SCI patients have started to increasingly benefit from assistive robotics technology. The field of brain-computer interfaces (BCIs) has started to develop mature assistive applications for SCI patients. Nonetheless, noninvasive BCIs still lack accurate control of external devices along several degrees of freedom (DoF). In our study, ten right-handed patients with incomplete SCI (one complete) and ten age- and gender- matched healthy controls were recruited. They performed multiple classes of visual motor tasks of the upper extremities, as well as walking, while under high-resolution Electroencepha-lographic (EEG) recording. The subjects also operated, in a single session, anthropomorphic 8-DoF robotic arms via wireless commercial BCI, using kinesthetic motor imagery to perform different upper extremity movements that corresponded to the visual motor imagery classes. Those classes were grouped into categories, used both in network and BCI analysis. Directed Transfer Function was used to study FC at the cortical source space between nodes of sensorimotor network. Network-based statistics and graph analysis were used to study the functional networks. Also, BCI training skill and BCI control performance were analyzed with regards to demographics, neurological condition, independence, imagery capacity, psychometric evaluation, and user perception. A subset of the sensorimotor network including primary motor and somatosensory areas showed significantly reduced connectivity power in SCI subjects, regardless of positive or negative neurological outcome. Cingulate motor areas (CMA) consistently contributed the larger outflow (right) and received the higher inflow (left) among all nodes, across all motor imagery categories, in both groups. SCI subjects had higher outflow from left CMA than healthy subjects and higher inflow in right CMA than healthy subjects. Alpha networks were less dense, showing less integration and more segregation than beta networks. SCI group showed signs of increased local processing as an adaptive mechanism. Healthy controls, SCI subgroup with positive neurological outcome, and SCI subgroup with cervical injuries performed better in BCI control. User perception of the robot did not differ between SCI and healthy groups. SCI subgroup with negative outcome rated Anthropomorphism higher. Sensorimotor networks of patients and healthy individuals share similar patterns but new functional interactions have been identified as unique to SCI networks. Chronic disruption of reciprocal communication in incomplete SCI can result in permanent significant stress on the connectivity of the sensorimotor network and the emergence of adaptive neural plasticity mechanisms.

Ο τραυματισμός των ανιόντων και κατιόντων νευρικών οδών, που προκαλείται από τη κάκωση του νωτιαίου μυελού (ΚΝΜ), ζημιώνει την αμοιβαία επικοινωνία του κεντρικού και του περιφερικού νευρικού συστήματος. Η πλήρης ή ατελής ΚΝΜ ευθύνεται για κινητική, αισθητική και αυτονομική βλάβη μακράς διάρκειας η οποία μπορεί να ποικίλει ως προς το βαθμό βαρύτητας και συχνά οδηγεί σε μη αναστρέψιμη αναπηρία. Οι αλλαγές στην οργάνωση και τη δομή του εγκεφάλου σχετιζόμενες με ΚΝΜ έχουν συχνά συσχετιστεί με διαφορές στην πρόγνωση. Οι αλλαγές στη λειτουργική συνδεσιμότητα θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως βιοδείκτες του τραυματισμού. Οι περισσότερες μελέτες λειτουργικής συνδεσιμότητας μετά από ΚΝΜ επικεντρώθηκαν στη χρόνια πλήρη κάκωση ή σε δραστηριότητα ηρεμίας. Επιπλέον, οι ασθενείς με ΚΝΜ έχουν αρχίσει να επωφελούνται όλο και περισσότερο από την βοηθητική ρομποτική τεχνολογία. Το πεδίο των διεπαφών υπολογιστή-εγκεφάλου (ΔΥΕ) έχει αρχίσει να αναπτύσσει ώριμες βοηθητικές εφαρμογές για ασθενείς με ΚΝΜ. Παρ’ όλα αυτά, οι μη επεμβατικές ΔΥΕ εξακολουθούν να στερούνται ελέγχου ακριβείας εξωτερικών συσκευών πολλών βαθμών ελευθερίας. Στη μελέτη μας στρατολογήθηκαν δέκα δεξιόχειρες ασθενείς με ατελή ΚΝΜ (ένας με πλήρη) και δέκα υγιείς μάρτυρες αντίστοιχου ηλικίας και φύλου. Πραγματοποίησαν πολλαπλές κλάσεις οπτικής νοερής κίνησης (ΟΝΚ) των άνω άκρων και βάδισης, υπό ηλεκτροεγκεφαλογραφική καταγραφή υψηλής ανάλυσης. Οι συμμετέχοντες επίσης χρησιμοποίησαν, σε μία μόνο συνεδρία, ανθρωπομορφικούς ρομποτικούς βραχίονες μέσω ασύρματης εμπορικής ΔΥΕ, χρησιμοποιώντας κιναισθητική νοερή κίνηση για την εκτέλεση διαφορετικών κινήσεων των άνω άκρων που αντιστοιχούσαν στις τάξεις των ΟΝΚ. Αυτές οι κατηγορίες ομαδοποιήθηκαν σε κατηγορίες, που χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση τόσο των δικτύων όσο και της χρήσης ΔΥΕ. Η μετρική Directed Transfer Function χρησιμοποιήθηκε για να μελετήσει τη φλοιική λειτουργική συνδεσιμότητα μεταξύ των κόμβων του αισθητικοκινητικού δικτύου. Η μελέτη των λειτουργικών δικτύων πραγματοποιήθηκε μέσω της θεωρίας γράφων και στατιστικών μεθόδων ανάλυσης δικτύων. Επίσης, η εκπαίδευση και η επίδοση στη ΔΥΕ αναλύθηκαν σε σχέση με τα δημογραφικά στοιχεία, τη νευρολογική κατάσταση, την λειτουργική ανεξαρτησία, τη ζωηρότητα της νοερής απεικόνισης, την ψυχομετρική αξιολόγηση και την αντίληψη των χρηστών. Ένα υποσύνολο του αισθητοκινητικού δικτύου που περιλαμβάνει τις πρωτογενείς κινητικές και σωματοαισθητικές περιοχές έδειξε σημαντικά μειωμένη ισχύ συνδεσιμότητας στην ΚΝΜ, ανεξάρτητα από θετική ή αρνητική νευρολογική έκβαση. Οι κινητικές περιοχές της έλικας του μεσολοβίου συνέβαλαν σταθερά στη μεγαλύτερη εκροή (δεξιά) και έλαβαν την υψηλότερη εισροή (αριστερά) πληροφορίας μεταξύ όλων των κόμβων σε όλες τις κατηγορίες νοερής κίνησης και στις δύο ομάδες. Τα δίκτυα του α ρυθμού ήταν λιγότερο πυκνά, παρουσιάζοντας μειωμένη ενσωμάτωση και αυξημένο διαχωρισμό από τα δίκτυα του β ρυθμού. Οι ασθενείς παρουσίασαν σημεία αυξημένης τοπικής επεξεργασίας ως προσαρμοστικό μηχανισμό. Οι υγιείς, η υποομάδα ασθενών με θετική έκβαση και η υποομάδα με τραυματισμούς του αυχένα απέδωσαν καλύτερα στον έλεγχο ΔΥΕ. Η αντίληψη του χρήστη για το ρομπότ δεν διέφερε μεταξύ των ομάδων. Η υποομάδα ΚΝΜ με αρνητική έκβαση βαθμολόγησε υψηλότερα τα ρομποτικά άκρα στον Ανθρωπομορφισμό. Τα δίκτυα ασθενών και υγιών ατόμων μοιράζονται παρόμοια πρότυπα, αλλά νέες λειτουργικές αλληλεπιδράσεις εντοπίζονται ως μοναδικές στη ΚΝΜ. Η χρόνια διαταραχή της αμοιβαίας επικοινωνίας σε ατελή ΚΝΜ μπορεί να οδηγήσει σε μόνιμη σημαντική αρνητική επίδραση επί της συνδεσιμότητας του αισθητικοκινητικού δικτύου και στην εμφάνιση προσαρμοστικών μηχανισμών νευρικής πλαστικότητας.