Wie können wir das Gehirn trainieren, um Schlaganfallpatienten zu helfen?
PublikationenViele Menschen, die einen Schlaganfall erlitten haben, haben Schwierigkeiten, sich zu bewegen, selbst nach einer Therapie mit den besten Experten und Methoden. Neue Wege, die Schlaganfalltherapie effektiver zu gestalten, könnten den Betroffenen helfen, sich besser zu erholen. Einige Forschergruppen haben Brain-Computer-Interface-Systeme (BCI) entwickelt, die durch Aufzeichnung der Gehirnströme messen können, wann sich ein Schlaganfallpatient eine Handbewegung vorstellt. Wir haben ein BCI-System entwickelt, das die Gehirnaktivität der Patienten zur Steuerung eines Muskelstimulators und eines Monitors während der Therapie nutzt.
Die Patienten erhielten während der Therapie eine belohnende Rückmeldung, wenn sie sich eine Bewegung richtig vorstellten. Wir testeten 51 Patienten, von denen einige vor vielen Jahren einen Schlaganfall erlitten hatten. 42 Patienten verbesserten sich nach der Therapie, basierend auf den Ergebnissen der standardisierten Tests. Die BCI-basierte Therapie könnte also einigen Schlaganfallpatienten helfen. Wir glauben, dass es in den nächsten Jahren weitere Fortschritte geben wird, die zu wirksameren Therapien mit BCIs führen werden.
Was passiert im Gehirn, wenn ein Mensch einen Schlaganfall erleidet?
Ein Schlaganfall ist eine Form der Hirnschädigung, die immer häufiger auftritt, weil die Menschen immer älter werden. Ein Schlaganfall entsteht, wenn ein Blutgefäß im Gehirn verstopft ist oder zu bluten beginnt. In beiden Fällen werden einige Teile des Gehirns nicht mehr ausreichend mit Blut versorgt, was zu schweren Hirnschäden führen kann. Nach einem Schlaganfall ist es wichtig, dass der Patient sofort in ein Krankenhaus kommt. Manchmal können die Ärzte den Patienten helfen, sich innerhalb weniger Tage nach dem Schlaganfall von einem Teil der Hirnschäden zu erholen. Doch selbst bei einer Behandlung im Krankenhaus haben viele Patienten schwere, lang anhaltende Hirnschäden und benötigen eine umfassende Therapie.
Das Gehirn besteht aus zwei Hälften, der linken und der rechten Hemisphäre. In der Regel ist bei einem Schlaganfall nur eine Hemisphäre betroffen, so dass einige Schlaganfallüberlebende Schwierigkeiten haben, die linke oder rechte Körperhälfte zu bewegen. In schweren Fällen können Arm und Bein auf der linken oder rechten Seite vollständig gelähmt sein. In vielen leichteren Fällen haben die Patienten nur Probleme mit einem Arm oder Bein (nicht mit beiden) und können fast alle Bewegungen normal ausführen. Ein Schlaganfall kann ein weiteres Problem verursachen, das als Spastizität bezeichnet wird. Dies bedeutet, dass einige Muskeln zu stark angespannt sind. Die Patienten können Schmerzen, Bewegungsschwierigkeiten, ungewollte Bewegungen und andere Probleme haben.
Bewegungsschwierigkeiten können zu vielen Herausforderungen führen. Schlaganfallüberlebende können möglicherweise nicht mehr arbeiten oder ihren Lieblingssportarten oder Hobbys nachgehen. Sie sind möglicherweise auf die Hilfe von Freunden und Verwandten angewiesen und haben möglicherweise finanzielle Probleme aufgrund von Arbeitsausfällen und den Kosten für Behandlung und Pflege. Manche Schlaganfallüberlebende fühlen sich in der Öffentlichkeit unwohl, weil sie befürchten, dass die Leute sie wegen ihrer Behinderung hänseln werden. Dies sind nur einige Gründe, warum wir die bestmöglichen Ansätze und Technologien brauchen, um Schlaganfallpatienten zu helfen, ihre Bewegungsfähigkeit wiederzuerlangen.
Wie können Gehirn-Computer-Schnittstellen in der Schlaganfalltherapie eingesetzt werden?
Stellen Sie sich einen Schlaganfallpatienten vor, der eine Hand nicht mehr bewegen kann. Bei der Behandlung von Schlaganfallpatienten bitten die Therapeuten den Patienten oft, sich bestimmte Handbewegungen vorzustellen oder zu versuchen. Über Dutzende von Therapiesitzungen hinweg lernt das Gehirn auf diese Weise, die betroffene Hand zu steuern. Ein Elektroenzephalogramm (EEG) wird seit vielen Jahren eingesetzt, um die elektrische Aktivität des Gehirns zu messen [1]. Bei dieser Technik werden kleine Metallplättchen, so genannte Elektroden, am Kopf angebracht. Das EEG kann uns sagen, welche Bereiche des Gehirns aktiv sind. Wenn wir zum Beispiel Elektroden über den Hirnregionen anbringen, die für Bewegungen und Empfindungen zuständig sind, können wir die Hirnaktivität untersuchen, die auftritt, wenn sich eine Person bewegt oder eine Empfindung hat.
Das EEG kann mit einer Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) kombiniert werden, um eine neue Art der Schlaganfalltherapie zu entwickeln. Ein BCI ist ein System, das der behandelten Person in Echtzeit Rückmeldung über die Gehirnaktivität geben kann. Das BCI-System kann erkennen, wenn sich der Patient die richtigen Handbewegungen vorstellt, und kann ihm mitteilen, ob diese Bewegungen korrekt sind. Stellt sich der Patient beispielsweise eine Bewegung der linken Hand vor, kann eine Cartoon-Hand auf dem Monitor diese Bewegung nachahmen, während ein Muskelstimulator der linken Hand hilft, sich zu bewegen. Auf diese Weise erhält der Patient nur dann ein belohnendes Feedback vom System, wenn er die vorgestellte Bewegung korrekt ausführt.
Zu sehen, wie sich eine Zeichentrickhand bewegt, und gleichzeitig zu spüren, wie sich die eigene Hand bewegt, kann die Patienten motivieren und ihr Gehirn ermutigen, motorische Funktionen neu zu erlernen. Es wurden viele andere Arten von BCIs entwickelt. Der Einsatz von BCIs in der Therapie nach einem Schlaganfall kann zu einer erhöhten Plastizität des Gehirns führen, d. h., das Gehirn kann neue Verbindungen herstellen, die ihm helfen, bestimmte Funktionen wieder zu erlernen, z. B. die Hand ohne Krämpfe oder andere Schwierigkeiten zu bewegen.
Wie haben wir die wissenschaftliche Studie von recoveriX durchgeführt?
Wir haben 51 Patienten gebeten, an unserer Studie teilzunehmen. Diese Patienten waren im Durchschnitt 61 Jahre alt und hatten ihren Schlaganfall durchschnittlich 37 Monate vor der Studie erlitten. Manche Leute glauben, dass Patienten, deren Schlaganfall mehr als 12 Monate zurückliegt, sich wahrscheinlich nicht bessern werden, aber wir haben eine andere Hypothese aufgestellt. Die Patienten nahmen vor der Therapie an zwei Voruntersuchungen teil. Bei den Voruntersuchungen führten wir Tests durch, um die motorischen Fähigkeiten und andere Faktoren jedes Patienten zu untersuchen. Die Voruntersuchungen wurden an zwei verschiedenen Tagen im Abstand von einem Monat durchgeführt, um sicherzustellen, dass wir die Fähigkeiten der Patienten vor der Therapie gut einschätzen konnten. Anschließend nahmen die Patienten an 25 bis 31 BCI-Therapiesitzungen mit einem zugelassenen Therapeuten teil. Jede Sitzung dauerte etwa 1 Stunde, und die meisten Patienten nahmen an 2 Sitzungen pro Woche teil (Abbildung 1). Anschließend führten wir drei Nachuntersuchungen durch, um zu untersuchen, wie sich die einzelnen Patienten verändert hatten. Die erste Nachbeurteilung erfolgte unmittelbar nach der letzten Therapiesitzung, die weiteren Nachbeurteilungen wurden 1 und 6 Monate später durchgeführt.
Was erkennt recoveriX im Gehirn?
Wir untersuchten die Wirkung der BCI-Therapie durch Messung von drei verschiedenen Faktoren:
-
- BCI-Genauigkeit
- Gehirnaktivität
- Bewegung
Die BCI-Genauigkeit ist eine Möglichkeit, das Engagement des Patienten bei den motorischen Bildgebungsaufgaben zu messen. Eine hohe BCI-Genauigkeit zeigt an, dass der Patient den Aufgaben Aufmerksamkeit schenkt und sich die Bewegungen richtig vorstellt. Wenn sich der Patient keine Bewegung vorstellt, liegt die BCI-Genauigkeit bei etwa 50 %. Eine niedrige Genauigkeit kann daher darauf hinweisen, dass der Patient nicht mitmacht oder sich die Bewegungen nicht richtig vorstellt. Ein Therapeut könnte dann den Patienten coachen, um ihm zu helfen, die BCI-Genauigkeit zu verbessern (Abbildung 2A).
Abbildung 2 – (A) BCI-Genauigkeit der Therapiesitzungen 1 bis 31 bei einem Patienten. Zu Beginn lag die BCI-Genauigkeit bei der Klassifizierung von Bewegungen der linken bzw. rechten Hand bei 65 %. Die Genauigkeit verbesserte sich mit weiteren Therapiesitzungen und erreichte in Sitzung 25 100 %. (B) Hirnaktivierung vor und nach 31 Sitzungen BCI-Therapie. Die weiße Farbe vor der Therapie zeigt an, dass es keine Hirnaktivierung zur Erzeugung von Hand- und Fingerbewegungen gibt, während die rote Farbe nach der Therapie eine stärkere Hirnaktivierung anzeigt. C3 ist die Bezeichnung für die Elektrodenposition über dem Hirnareal, das für die Bewegungen der rechten Hand verantwortlich ist.
Die Hirnaktivität wird während der gesamten BCI-Therapie gemessen. In den ersten Therapiesitzungen arbeiten die Bewegungsbereiche des Gehirns in der Regel noch nicht effektiv zusammen. Im Laufe der Therapiewochen sehen wir oft, dass die Bewegungsbereiche im Gehirn viel aktiver werden (Abbildung 2B). Die Farben in Abbildung 2B zeigen die Hirnaktivierung bei verschiedenen Frequenzen in Bereichen, die für die Bewegung wichtig sind. Die x-Achse zeigt die Zeit in jedem Versuch an; Bereiche weiter rechts zeigen spätere Zeitpunkte im Versuch an. Die y-Achse spiegelt verschiedene Frequenzen wider. Die unteren Bereiche des Diagramms sind niedrigere Frequenzen (gekennzeichnet durch den griechischen Buchstaben mu) und die höheren Bereiche des Diagramms sind höhere Frequenzen (gekennzeichnet durch den griechischen Buchstaben beta).
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Die wichtigste Wirkung der BCI-Therapie besteht darin, den Patienten zu helfen, sich wieder zu bewegen. Abbildung 3A zeigt ein Instrument, das Therapeuten und Wissenschaftler verwenden, um die Bewegung von Hand und Handgelenk zu testen. Es heißt Neun-Loch-Stift-Test, weil der Patient neun kleine Stifte aufheben und in neun kleine Löcher stecken muss. Wir baten die Patienten, diesen Test mit beiden Händen mehrmals während des Therapieprozesses durchzuführen, und wir verfolgten die Zeit, die sie für den Test benötigten. Wenn die BCI-Therapie einem Patienten half, die Bewegung wiederzuerlangen, konnten wir feststellen, dass sich die Zeit, die der Patient für diesen Test benötigte, im Laufe der Therapiesitzungen verkürzte (Abbildung 3B).
Abbildung 3 – (A) Der Neun-Loch-Stift-Test kann zum Testen der Handgelenk- und Handbewegung verwendet werden. (B) Die Ergebnisse zeigen die Verbesserung der Handbewegung eines Patienten während der BCI-Therapie. Die Zeit für die Ausführung der Aufgabe mit der betroffenen (rechten) Hand verringerte sich von 7 min 26 s zu Beginn der Therapie auf 1 min 14 s nach 28 Therapien. (C) Zusammenfassung aller motorischen Funktionstests für alle untersuchten Patienten zusammen. Wenn der Balken über Null liegt, hat sich die Bewegung nach der Therapie verbessert. Neunundvierzig Patienten zeigten Verbesserungen, während nur bei zwei Patienten die Bewegung abnahm (einer hatte einen weiteren Schlaganfall und der andere war unaufmerksam)..
Neben dem Neun-Loch-Stift-Test haben wir viele weitere Tests durchgeführt, um Schmerzen, Spastizität, Konzentration und Gedächtnis zu messen und um festzustellen, wie gut die Patienten verschiedene Bewegungen mit und ohne Hilfe ausführen können. Bei einigen Tests handelte es sich lediglich um Fragebögen, in denen alltägliche Aktivitäten abgefragt wurden, z. B. ob der Patient ohne Hilfe ein T-Shirt anziehen konnte. Wir führten mit jedem Patienten 18 Tests durch, und eine höhere kombinierte Testpunktzahl deutete auf eine größere Verbesserung in diesen Tests hin (Abbildung 3C). Unsere Ergebnisse zeigten, dass die BCI-Therapie den meisten Patienten half, die Bewegung wiederzuerlangen und/oder die Spastik in ihren Händen und Armen zu verringern. Wir fanden heraus, dass die Therapie bei Patienten, die mehr als 80 % Genauigkeit erreichen, besser funktioniert. Die BCI-Therapie funktionierte sogar noch viele Jahre nach dem Schlaganfall. Ein Patient nahm 31 Jahre nach dem Schlaganfall teil und verbesserte sich immer noch! Unsere Ergebnisse haben uns gezeigt, dass die BCI-Therapie dem Gehirn der Patienten geholfen hat, ihre Bewegungen besser zu steuern.
Dieser Artikel wurde in Frontiers For Young Minds, 1. Oktober 2021, veröffentlicht.
Glossar
Hemisphären: Die rechte und die linke Hälfte des Gehirns. Die linke Hemisphäre steuert die Bewegungen auf der rechten Seite des Körpers und andersherum.
Spastik: Diese Störung kann Spasmen (unwillkürliche Bewegungen), steife oder angespannte Muskeln, Schmerzen und überaktive Reflexe umfassen. Die Betroffenen haben möglicherweise Probleme mit der Körperhaltung, dem Gehen, typischen Alltagsaktivitäten und anderen Bewegungen.
Elektroenzephalogramm (EEG): Eine Messung der natürlichen elektrischen Aktivität des Gehirns, die mit Hilfe von am Kopf angebrachten Elektroden vorgenommen wird.
Elektroden: Kleine Sensoren, die die Hirnaktivität erfassen. EEG-Elektroden sind in der Regel kleine Metallscheiben, die in einer Kappe angebracht sind und weder die Haut durchdringen noch Schmerzen verursachen.
Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI): Ein System, das direkte Messungen der Gehirnaktivität nutzt, um Kommunikation und Steuerung in Echtzeit zu ermöglichen. Die meisten BCIs verwenden EEG zur Messung der Hirnaktivität.
Motorische Funktion: Die Fähigkeit, Teile des Körpers zu bewegen.
Plastizität des Gehirns: Die bemerkenswerte Fähigkeit des Gehirns, sich selbst zu verändern, um sich an neue Informationen und Situationen, z. B. eine Therapie, anzupassen. Diese Fähigkeit hilft Menschen, sich von einem Schlaganfall und anderen Verletzungen zu erholen.
