Come possiamo addestrare il cervello ad aiutare i pazienti che hanno avuto un ictus?

Molte persone che hanno avuto un ictus hanno difficoltà a muoversi, anche dopo la terapia con i migliori esperti e metodi. Nuovi modi per rendere la terapia dell’ictus più efficace potrebbero aiutare le persone a recuperare in modo più efficace. Alcuni gruppi di ricerca hanno sviluppato sistemi di interfaccia cervello-computer (BCI) in grado di misurare quando un paziente affetto da ictus immagina il movimento della mano registrando le onde cerebrali. Abbiamo sviluppato una BCI che utilizzava l’attività cerebrale di ciascun paziente per controllare uno stimolatore muscolare e un monitor durante la terapia.

I pazienti hanno ricevuto feedback gratificanti durante la terapia quando hanno immaginato correttamente un movimento. Abbiamo testato 51 pazienti, alcuni dei quali hanno avuto un ictus molti anni fa. 42 pazienti sono migliorati dopo la terapia, sulla base dei risultati di test standardizzati. Pertanto, la terapia basata sulla BCI potrebbe aiutare alcuni pazienti affetti da ictus. Riteniamo che nei prossimi anni si verificheranno ulteriori progressi che porteranno a terapie più efficaci utilizzando le BCI.

Cosa succede nel cervello quando una persona ha un ictus?

Un ictus è un tipo di danno cerebrale che sta diventando sempre più comune perché le persone vivono più a lungo. Un ictus si verifica quando un vaso sanguigno nel cervello viene bloccato o inizia a sanguinare. In entrambi i casi, alcune parti del cervello non ricevono l’afflusso di sangue di cui hanno bisogno, il che può causare gravi danni cerebrali. Dopo un ictus, è importante che il paziente arrivi immediatamente in ospedale. A volte i medici possono aiutare i pazienti a riprendersi da alcuni danni cerebrali entro pochi giorni dall’ictus. Tuttavia, anche con il trattamento ospedaliero, molti pazienti presentano danni cerebrali gravi e di lunga durata e necessitano di una terapia estesa.

Il cervello è costituito da due metà, chiamate emisferi sinistro e destro. Di solito, un ictus colpisce solo un emisfero, quindi alcuni sopravvissuti all’ictus hanno difficoltà a muovere il lato sinistro o destro del corpo. Nei casi più gravi, il braccio e la gamba del paziente sul lato sinistro o destro possono essere completamente paralizzati. In molti casi più lievi, i pazienti hanno problemi solo a un braccio o a una gamba (non entrambi) e possono eseguire normalmente quasi tutti i movimenti. L’ictus può causare un altro problema chiamato spasticità. Ciò significa che alcuni muscoli sono troppo tesi. I pazienti potrebbero avere dolore, difficoltà di movimento, movimenti involontari e altri problemi.

La difficoltà con il movimento può portare a molte sfide. I sopravvissuti all’ictus potrebbero non essere in grado di lavorare o praticare i loro sport o hobby preferiti. Potrebbero aver bisogno dell’aiuto di amici e familiari e potrebbero avere problemi finanziari a causa della perdita del lavoro e dei costi di cure e assistenza. Alcuni sopravvissuti all’ictus si sentono a disagio in pubblico perché pensano che le persone li prendano in giro per le loro disabilità. Questi sono solo alcuni dei motivi per cui abbiamo bisogno dei migliori approcci e tecnologie possibili per aiutare i pazienti colpiti da ictus a recuperare la capacità di muoversi.

Come possono essere utilizzate le interfacce cervello-computer per la terapia dell’ictus?

Immagina un paziente colpito da ictus che non è più in grado di muovere una mano. Per trattare i pazienti colpiti da ictus, i terapisti spesso chiedono al paziente di immaginare o provare determinati tipi di movimenti della mano. Nel corso di dozzine di sessioni terapeutiche, questo aiuta il cervello a reimparare a controllare la mano colpita. Per molti anni è stata utilizzata una misurazione chiamata elettroencefalogramma (EEG) per misurare l’attività elettrica del cervello [1]. Questa tecnica utilizza piccoli dischi metallici chiamati elettrodi, che vengono posizionati sulla testa. L’EEG può dirci quali aree del cervello sono attive.

Ad esempio, posizionando gli elettrodi sulle aree cerebrali responsabili del movimento e delle sensazioni, possiamo studiare l’attività cerebrale che si verifica quando una persona si muove o avverte una sensazione.

 

L’EEG può essere combinato con un’brain-computer interface (BCI) per creare un nuovo tipo di terapia per l’ictus. Una BCI è un sistema in grado di fornire feedback in tempo reale sull’attività del cervello alla persona che riceve la terapia. Il sistema BCI è in grado di rilevare quando i pazienti immaginano i movimenti corretti della mano e può far sapere ai pazienti se tali movimenti sono corretti. Ad esempio, se il paziente immagina un movimento della mano sinistra, la mano di un cartone animato sul monitor potrebbe imitare quel movimento, mentre uno stimolatore muscolare aiuta la mano sinistra a muoversi.

In questo modo, il paziente ottiene solo feedback gratificanti dal sistema mentre esegue correttamente il movimento immaginato. Vedere una mano di un cartone animato muoversi e allo stesso tempo sentire le proprie mani muoversi può aiutare a motivare i pazienti e incoraggiare il loro cervello a riapprendere le funzioni motorie. Sono stati sviluppati molti altri tipi di BCI. L’uso delle BCI nella terapia post-ictus può portare ad un aumento della plasticità cerebrale, il che significa che il cervello può creare nuove connessioni che lo aiutano a imparare a svolgere nuovamente determinate funzioni, come muovere la mano senza spasmi o altre difficoltà.

Come abbiamo condotto lo studio scientifico su recoveriX?

Abbiamo chiesto a 51 pazienti di partecipare al nostro studio. Questi pazienti avevano in media 61 anni e avevano avuto un ictus in media 37 mesi prima dello studio. Alcune persone credono che i pazienti che hanno avuto ictus più di 12 mesi fa probabilmente non miglioreranno, ma noi abbiamo ipotizzato il contrario.

I pazienti hanno partecipato a due pre-valutazioni prima della terapia. Nelle pre-valutazioni, abbiamo condotto test per studiare le capacità motorie di ciascun paziente e altri fattori. Le pre-valutazioni sono state effettuate in 2 giorni diversi, separati da 1 mese, per garantire una buona comprensione delle capacità dei pazienti prima della terapia. Quindi, i pazienti hanno partecipato a 25-31 sessioni di terapia BCI con un terapista autorizzato. Ogni sessione è durata circa 1 ora e la maggior parte dei pazienti ha eseguito 2 sessioni a settimana (Figura 1).

Successivamente, abbiamo effettuato tre valutazioni successive per studiare come è cambiato ciascun paziente. La prima valutazione successiva è stata effettuata immediatamente dopo l’ultima sessione di terapia, mentre le altre valutazioni successive sono state effettuate 1 e 6 mesi dopo.

 

Figura 1 – Nella terapia BCI, i pazienti colpiti da ictus indossano un cappuccio per elettrodi e visualizzano un monitor dove un’immagine, ad esempio il movimento delle mani, li aiuta a reimparare a muoversi. La BCI legge i segnali elettrici provenienti dal cervello, compresi quelli coinvolti nel movimento e nella sensazione del tatto (aree colorate), e fornisce al paziente un feedback sul monitor quando i movimenti vengono eseguiti correttamente. Ci sono anche elettrodi di stimolazione attaccati al paziente che lo aiutano a eseguire ogni movimento. La terapia BCI porta a un miglioramento delle funzioni motorie perché i neuroni trovano nuove connessioni, attraverso un processo chiamato plasticità cerebrale.

Cosa rileva recoveriX dal cervello?

Abbiamo esplorato l’effetto della terapia BCI misurando tre fattori separati:

• • Precisione BCI
  • Attività cerebrale
  • Movimento

L’accuratezza della BCI è un modo per misurare il coinvolgimento di ciascun paziente nei compiti di immaginazione motoria. Un’elevata precisione della BCI indica che il paziente presta attenzione ai compiti e immagina correttamente i movimenti. Se il paziente non immagina alcun movimento, la precisione della BCI sarà di circa il 50%. Pertanto, una bassa precisione potrebbe indicare che il paziente non partecipa o non immagina correttamente i movimenti. Un terapista potrebbe quindi istruire il paziente per aiutarlo a migliorare l’accuratezza della BCI (Figura 2A).

L’attività cerebrale viene misurata durante tutta la terapia BCI. Di solito, nelle prime sessioni di terapia, le aree di movimento del cervello non lavorano insieme in modo efficace. Nel corso delle settimane di terapia, spesso vediamo che le aree di movimento nel cervello diventano molto più attive (Figura 2B). I colori nella Figura 2B indicano l’attivazione cerebrale a diverse frequenze su aree importanti per il movimento.

L’asse x indica il tempo in ciascuna prova; le aree più a destra indicano i tempi successivi nella prova. L’asse y riflette frequenze diverse. Le aree inferiori del grafico sono frequenze più basse (indicate dalla lettera greca mu) e le aree più alte del grafico sono frequenze più alte (indicate dalla lettera greca beta).

 

L’effetto più importante della terapia BCI è aiutare i pazienti a ritrovare il movimento. La Figura 3A mostra uno strumento utilizzato da terapisti e scienziati per testare il movimento del polso e della mano, chiamato Test dei nove fori perché il paziente deve prendere nove piccoli pioli e inserirli in nove piccoli fori. Abbiamo chiesto ai pazienti di eseguire questo test con entrambe le mani più volte durante il processo terapeutico e abbiamo monitorato il tempo impiegato per completare il test. Se la terapia BCI ha aiutato un paziente a riprendere il movimento, abbiamo notato una diminuzione del tempo impiegato dal paziente per completare questo test nel corso delle sessioni di terapia (Figura 3B).

Figura 3 – (A) Il test del picchetto a nove fori può essere utilizzato per testare il movimento del polso e della mano. (B) Risultati che mostrano un miglioramento del movimento della mano di un paziente durante la terapia BCI. Il tempo per completare l’attività con la mano interessata (destra) è diminuito da 7 minuti e 26 s all’inizio della terapia a 1 minuto e 14 s dopo 28 terapie. (C) Riepilogo di tutti i test di funzionalità motoria, combinati, per tutti i pazienti studiati. Se la barra è sopra lo zero, il movimento è migliorato dopo la terapia. Quarantanove pazienti hanno mostrato miglioramenti, mentre solo due pazienti hanno mostrato una diminuzione dei movimenti (uno ha avuto un altro ictus e l’altro non ha prestato attenzione).

 

 

 

 

 

 

Abbiamo utilizzato molti test oltre al Nine-Hole Peg Test per misurare il dolore, la spasticità, la concentrazione, la memoria e la capacità dei pazienti di eseguire diversi movimenti con e senza aiuto. Alcuni test erano semplicemente questionari che chiedevano informazioni sulle attività quotidiane, ad esempio se il paziente poteva indossare una maglietta senza aiuto. Abbiamo condotto 18 test con ogni paziente e un punteggio più alto nei test combinati ha indicato un miglioramento maggiore in questi test (Figura 3C). I nostri risultati hanno mostrato che la terapia BCI ha aiutato la maggior parte dei pazienti a riprendere il movimento e/o a ridurre la spasticità nelle mani e nelle braccia. Abbiamo scoperto che la terapia funziona meglio per i pazienti che raggiungono una precisione superiore all’80%. La terapia BCI ha funzionato anche molti anni dopo l’ictus del paziente. Un paziente ha partecipato 31 anni dopo l’ictus ed è ancora migliorato! I nostri risultati ci hanno detto che la terapia BCI ha aiutato il cervello dei pazienti a imparare a controllare meglio i propri movimenti.

Finora il nostro lavoro si è concentrato sulla riabilitazione delle braccia e delle mani. In futuro utilizzeremo la terapia BCI su pazienti colpiti da ictus con gambe colpite, per migliorare la loro velocità di deambulazione. L’ictus può avere un forte impatto sulle persone in molti modi, e quindi c’è una forte necessità di esplorare nuovi modi per aiutarli a recuperare. Con ulteriori ricerche e sviluppi da parte del nostro gruppo e di altri gruppi, speriamo di sviluppare metodi e dispositivi terapeutici migliori in modo che i pazienti possano nuovamente eseguire movimenti per il lavoro, il divertimento, gli eventi sociali e le attività della vita quotidiana.

Questo articolo è stato pubblicato in Frontiers For Young Minds, October 1, 2021.

Glossario

Emisferi: le metà destra e sinistra del cervello. L’emisfero sinistro controlla il movimento della parte destra del corpo e viceversa.
Spasticità: questo disturbo può includere spasmi (movimenti involontari), muscoli rigidi o tesi, dolore e riflessi iperattivi. Le persone possono avere problemi con la postura, la deambulazione, le tipiche attività quotidiane e altri movimenti.
Elettroencefalogramma (EEG): misurazione dell’attività elettrica naturale prodotta dal cervello, ottenuta utilizzando elettrodi posizionati sulla testa.
Elettrodi: piccoli sensori che rilevano l’attività cerebrale. Gli elettrodi EEG sono generalmente piccoli dischi metallici montati su un cappuccio, che non penetrano nella pelle né provocano dolore.
Brain-Computer Interface (BCI): sistema che utilizza misurazioni dirette dell’attività cerebrale per fornire comunicazione e controllo in tempo reale. La maggior parte delle BCI utilizza l’EEG per misurare l’attività cerebrale.
Funzione motoria: capacità di muovere parti del corpo.
Plasticità cerebrale: la straordinaria capacità del cervello di cambiare se stesso per adattarsi a nuove informazioni e situazioni, come la terapia. Questa capacità aiuta le persone a riprendersi da ictus e altre lesioni.