Ученые EPFL из Центра нейропротезирования использовали функциональную МРТ, чтобы показать, как мозг перестраивает моторные и сенсорные пути после целевой двигательной и сенсорной реиннервации (TMSR), нейропротезного подхода, при котором остаточные нервы конечностей перенаправляются к неповрежденным мышцам и участкам кожи для контроля. роботизированная конечность.
Нацеленная двигательная и сенсорная реиннервация (TMSR) – это хирургическая процедура для пациентов с ампутациями, которая перенаправляет остаточные нервы конечностей к неповрежденным мышцам и коже, чтобы подобрать им протез конечности, обеспечивающий беспрецедентный контроль. По своей природе TMSR изменяет способ, которым мозг обрабатывает моторный контроль и соматосенсорную информацию; однако детальные механизмы мозга никогда ранее не исследовались, и успех протезов TMSR будет зависеть от нашей способности понимать способы, которыми мозг повторно отображает эти пути. Теперь ученые EPFL использовали фМРТ со сверхвысоким полем 7 Тесла, чтобы показать, как TMSR влияет на репрезентацию верхних конечностей в головном мозге пациентов с ампутациями, в частности, в первичной моторной коре и соматосенсорной коре, а также в областях, обрабатывающих более сложные функции мозга. Результаты опубликованы в Brain.
Нацеленная двигательная и сенсорная реиннервация (TMSR) используется для улучшения контроля над протезами верхних конечностей. Остаточные нервы от ампутированной конечности переносятся для реиннервации и активации новых мышечных целей. Таким образом, пациенту установлен протез TMSR "отправляет" двигательные команды реиннервируемым мышцам, где его или ее намерения движения декодируются и отправляются в протез. С другой стороны, прямая стимуляция кожи над реиннервируемыми мышцами отправляется обратно в мозг, вызывая сенсорное восприятие отсутствующей конечности.
Но как мозг кодирует и интегрирует такое искусственное прикосновение и движения протеза конечности?? Как это влияет на нашу способность лучше интегрировать протезирование и контролировать его? Достижение и точная настройка такого контроля зависит от знания того, как мозг пациента перестраивает различные моторные и соматосенсорные пути в моторной и соматосенсорной коре.
Лаборатория Олафа Бланке в EPFL в сотрудничестве с Андреа Серино из Университетской больницы Лозанны и командами клиницистов и исследователей в Швейцарии и за рубежом успешно картировали эти изменения в коре головного мозга трех пациентов с ампутациями верхних конечностей, перенесших TMSR. и были опытными пользователями протезов конечностей, разработанных Тоддом Куикеном и его группой в Реабилитационном институте Чикаго.
Ученые использовали функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) со сверхвысоким полем 7T, метод, который измеряет активность мозга, обнаруживая изменения в кровотоке через него. Это дало им беспрецедентное понимание с большим пространственным разрешением корковой организации первичной моторной и соматосенсорной коры каждого пациента.
Удивительно, но исследование показало, что карты моторной коры ампутированной конечности были похожи по размеру, силе и топографии на людей без ампутации конечности, но они отличались от пациентов с ампутациями, которые не получали TMSR, но использовали стандартные протезы. Это показывает уникальное влияние хирургической процедуры TMSR на моторную карту мозга.
Этот подход даже позволил идентифицировать карты отсутствующих (фантомных) пальцев в соматосенсорной коре головного мозга пациентов с TMSR, которые были активированы через реиннервируемые участки кожи от грудной клетки или остаточной конечности.
Соматосенсорные карты показали, что мозг сохранил свою первоначальную топографическую организацию, хотя и в меньшей степени, чем у здоровых людей. Более того, исследуя связи между картами верхних конечностей в обеих корковых слоях, исследователи обнаружили нормальные связи у пациентов с TMSR, которые были сопоставимы со здоровыми людьми из контрольной группы. Тем не менее, сохранение исходной карты снова было снижено у пациентов без TMSR, показывая, что процедура TMSR сохраняет сильные функциональные связи между первичной сенсорной и моторной корой.
Исследование также показало, что TMSR все еще нуждается в улучшении: связи между первичной сенсорной и моторной корой с областями воплощения более высокого уровня в лобно-теменной коре у пациентов с TMSR были такими же слабыми, как и у пациентов без TMSR, и различались по отношению к здоровым испытуемым.
Это говорит о том, что, несмотря на обеспечение хорошей двигательной активности, искусственные конечности с TMSR по-прежнему не двигаются и не ощущаются как настоящая конечность и все еще не кодируются мозгом пациента как настоящая конечность. Ученые пришли к выводу, что будущие протезы TMSR должны реализовать систематическую соматосенсорную обратную связь, связанную с движениями рук робота, что позволит пациентам ощущать сенсорные последствия движений своих искусственных конечностей.
Полученные данные представляют собой первое подробное нейровизуализационное исследование пациентов с бионическими конечностями на основе протеза TMSR и показывают, что фМРТ со сверхвысоким полем 7 Тесла является исключительным инструментом для изучения карт верхних конечностей моторной и соматосенсорной коры после ампутации.
Кроме того, результаты показывают, что TMSR может противодействовать плохо адаптированной пластичности коры головного мозга после потери конечности. По мнению авторов, это может дать новое понимание природы и обратимости корковой пластичности у пациентов с ампутациями и ее связи с синдромом фантомной конечности и болью.
Наконец, исследование также показывает, что существует потребность в дальнейших инженерных достижениях, таких как интеграция соматосенсорной обратной связи в текущее протезирование, что может позволить им двигаться и чувствовать себя как настоящие конечности.