Allenamento degli arti superiori seguito da allenamento degli arti inferiori con un sistema di riabilitazione con BCI

L’ictus rimane un grave problema sanitario globale, incidendo sui tassi di mortalità e disabilità nonostante i progressi nella prevenzione e nel trattamento. Il recupero motorio dopo un ictus è spesso inadeguato, con molti sopravvissuti che affrontano menomazioni agli arti superiori e inferiori che influiscono sulle attività quotidiane. Le interfacce cervello-computer (BCI) offrono una strada promettente per la riabilitazione motoria, utilizzando l’attività neurale per controllare dispositivi esterni.

Questo studio indaga l’efficacia di un sistema BCI che impiega immagini motorie, stimolazione elettrica funzionale (FES) e feedback visivo utilizzando un avatar 3D nel migliorare la funzione degli arti superiori e inferiori nei pazienti con ictus. Diciannove partecipanti sono stati sottoposti a trattamenti BCI consecutivi, con valutazioni condotte prima e dopo ciascun trattamento per valutare i risultati funzionali.

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Lo studio ha implementato un nuovo approccio terapeutico per i pazienti colpiti da ictus utilizzando la tecnologia Brain-Computer Interface (BCI) combinata con la stimolazione elettrica funzionale (FES) e un feedback visivo realistico dell’avatar 3D. I pazienti indossavano cuffie EEG wireless con 16 elettrodi attivi che coprivano la corteccia sensomotoria durante le sessioni di terapia. Per la terapia degli arti superiori (UE), i pazienti sedevano con gli avambracci appoggiati su una scrivania con elettrodi FES di superficie collegati agli estensori del polso. Durante la terapia per gli arti inferiori (LE), i pazienti si sedevano con la gamba interessata leggermente sollevata e gli elettrodi FES venivano posizionati sui dorsiflessori del polso e del piede.

La terapia con immagini motorie potenziate dalla BCI mostra risultati promettenti nelle valutazioni cliniche

Durante le sessioni di terapia, i pazienti si sono impegnati in compiti di Motor Imagery (MI), immaginando la dorsiflessione del rispettivo lato. La BCI forniva un feedback visivo e propriocettivo sincrono se l’istruzione MI corrispondeva al lato MI classificato. Le sessioni terapeutiche consistevano in tre esecuzioni con 40 prove IM ciascuna e i dati EEG sono stati utilizzati per addestrare il classificatore. Le valutazioni cliniche includevano scale come la valutazione Fugl-Meyer (FMA), l’indice Barthel (BI), la scala Ashworth modificata (MAS), il test del cammino di 10 metri (10MWT) e il test Timed Up and Go (TUG). Sono state eseguite analisi statistiche per valutare i cambiamenti nelle scale cliniche e nelle prestazioni della BCI.

Lo studio rivela le caratteristiche chiave dei pazienti e i parametri di trattamento nella riabilitazione dell’ictus

Le caratteristiche basali dei pazienti mostravano un’età media di 53,1 anni, con un tempo mediano dall’ictus di 23,6 mesi. La maggior parte dei pazienti ha avuto un ictus ischemico con lesioni di diversa localizzazione. Il punteggio mediano FMA-UE prima del trattamento UE era di 19,0 punti. Il tempo medio tra i trattamenti era di 7,4 mesi, con una velocità media di cammino di 1,2 m/s prima del trattamento LE. Le analisi statistiche miravano a valutare gli effetti dell’apprendimento dell’IM e la relazione tra le prestazioni della BCI durante i trattamenti UE e LE, con valori p corretti per molteplicità.

Miglioramenti dopo i trattamenti BCI per gli arti superiori e inferiori

Lo studio ha osservato miglioramenti nella funzione motoria e nelle attività della vita quotidiana nei pazienti con ictus sottoposti a trattamenti di interfaccia cervello-computer (BCI) per gli arti superiori (UE) e gli arti inferiori (LE).

Per il trattamento UE, i pazienti hanno mostrato aumenti significativi nei punteggi Fugl-Meyer Assessment for Upper Extremity (FMA-UE) (p < 0,001), nei punteggi Barthel Index (BI) (p < 0,001) e riduzioni della spasticità del polso e delle dita (p < 0,001). Allo stesso modo, il trattamento LE ha comportato un miglioramento della velocità dell’andatura (p = 0,001), punteggi BI (p = 0,049) e una riduzione della spasticità della caviglia (p = 0,011). Sono state raggiunte soglie clinicamente rilevanti per FMA-UE, BI, scala di Ashworth modificata (MAS), test del cammino di 10 metri (10MWT) e test Timed Up and Go (TUG).

Non sono state riscontrate differenze significative nei cambiamenti di BI e FMA-UE tra i trattamenti UE e LE, ma il trattamento combinato ha mostrato miglioramenti significativi sia in FMA-UE (p = 0,002) che in BI (p = 0,007). Le prestazioni della BCI sono migliorate durante le sessioni di trattamento UE (p = 0,020) ma non durante le sessioni di trattamento LE (p = 0,102). La prestazione mediana della BCI era più alta nel trattamento LE rispetto al trattamento UE (p = 0,020), con una correlazione moderata tra le prestazioni della BCI UE e LE (ρ = 0,614, p = 0,020).

Lo studio ha valutato gli effetti dei trattamenti Brain-Computer Interface (BCI) sulla funzione motoria degli arti superiori (UE) e degli arti inferiori (LE) nei pazienti con ictus. Per il trattamento dell’UE è stata utilizzata la valutazione Fugl-Meyer per gli arti superiori (FMA-UE), che ha mostrato un miglioramento medio significativo di 4,2 punti, con un miglioramento medio del 22%.

La maggior parte dei pazienti, nonostante la grave compromissione, ha dimostrato un notevole miglioramento. Inoltre, le attività della vita quotidiana (ADL) e la spasticità del polso sono migliorate, anche nel paziente che non ha mostrato miglioramenti FMA-UE. Allo stesso modo, il trattamento LE ha mostrato un aumento della velocità di camminata (10MWT) di 0,15 m/s in media, con un miglioramento del 23%. I pazienti sono migliorati anche nelle ADL e la spasticità della caviglia è diminuita.

Lo studio ha evidenziato miglioramenti comparabili con precedenti studi BCI, sebbene impiegando formazione bilaterale e diversi meccanismi di feedback. Nonostante la grave compromissione, i pazienti hanno mostrato motivazione e progressi significativi sia nei trattamenti UE che LE. Inoltre, lo studio ha rivelato miglioramenti duraturi della funzione motoria anche dopo la sospensione del trattamento. I pazienti hanno riferito prove aneddotiche di miglioramento delle attività quotidiane, della mobilità e della qualità della vita.

Gli studi futuri mirano a esplorare sessioni di trattamento estese e variazioni nell’intensità dell’allenamento. In particolare, i pazienti hanno dimostrato apprendimento e miglioramento delle prestazioni dell’IM nel tempo, indicando capacità intrinseche per l’utilizzo della BCI. Sebbene le prestazioni della BCI fossero generalmente più elevate durante il trattamento LE, erano correlate con le prestazioni del trattamento UE, suggerendo fattori coerenti specifici del paziente che influenzavano le prestazioni della BCI. L’accuratezza della classificazione per il controllo della BCI ha superato le soglie di significatività, paragonabili alle prestazioni negli individui sani, dimostrando la fattibilità e l’efficacia degli interventi BCI nella riabilitazione dell’ictus.

Lo studio identifica i limiti nella ricerca sulla formazione sull’interfaccia cervello-computer degli arti superiori

Lo studio attuale riconosce alcune limitazioni che dovrebbero essere affrontate nella ricerca futura. Sebbene i miglioramenti derivanti dall’addestramento all’interfaccia cervello-computer (BCI) per gli arti superiori (UE) siano in linea con i risultati della letteratura esistente, la mancanza di un gruppo UE BCI separato come controllo limita la capacità di confrontare i miglioramenti ottenuti dai pazienti sottoposti sia all’UE che agli arti inferiori (LE) Formazione BCI contro coloro che seguono esclusivamente la formazione LE BCI. Inoltre, sebbene il campione di pazienti mostri eterogeneità nel tipo di ictus e nella localizzazione della lesione, le sue dimensioni rimangono piccole, richiedendo coorti più ampie per approfondimenti più completi sui miglioramenti osservati e sulla loro correlazione con le caratteristiche dell’ictus.

Il monitoraggio in tempo reale rivela il ruolo della neuroplasticità nel recupero funzionale

Sebastián-Romagosa et al. (2020b) evidenziano il potenziale unico delle terapie BCI nel monitorare l’attività cerebrale durante il trattamento, offrendo approfondimenti sui meccanismi di neuroplasticità che guidano miglioramenti funzionali. Nel presente studio, 19 pazienti con ictus sono stati sottoposti a un allenamento BCI che prevedeva immagini motorie (MI), stimolazione elettrica funzionale (FES) e un avatar 3D in 25 sessioni ciascuna per le estremità superiori e inferiori.

Il feedback in tempo reale è stato fornito tramite FES e l’avatar. Dopo il trattamento UE BCI sono stati notati miglioramenti significativi nelle estremità interessate e nelle attività quotidiane, inclusi miglioramenti della funzione motoria e riduzioni della spasticità. Il successivo trattamento LE BCI ha ulteriormente migliorato la spasticità della caviglia, la mobilità, l’equilibrio e la velocità di deambulazione, indicando ulteriori benefici derivanti dai trattamenti sequenziali.

L’accessibilità dei dati è limitata a causa delle norme sulla privacy e le richieste di accesso ai set di dati devono essere indirizzate alla parte responsabile. È stata ottenuta l’approvazione etica e i partecipanti hanno fornito il consenso informato. Il finanziamento per lo studio è stato fornito da FFG, Austria.

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