Hoe kunnen we de hersenen trainen om patiënten met een beroerte te helpen?

Publications

Veel mensen die een beroerte hebben gehad, hebben moeite met bewegen, zelfs na therapie met de beste deskundigen en methoden. Nieuwe manieren om beroerte therapie effectiever te maken zou mensen kunnen helpen effectiever te herstellen. Sommige onderzoeksgroepen hebben brain-computer interface (BCI) systemen ontwikkeld die kunnen meten wanneer een beroertepatiënt zich een handbeweging voorstelt door hersengolven te registreren. Wij ontwikkelden een BCI die de hersenactiviteit van elke patiënt gebruikte om een spierstimulator en een monitor aan te sturen tijdens de therapie. De patiënten kregen tijdens de therapie belonende feedback wanneer ze zich een beweging correct voorstelden. We testten 51 patiënten, van wie sommigen vele jaren geleden een beroerte hadden gehad. 42 patiënten verbeterden na de therapie, gebaseerd op de resultaten van gestandaardiseerde tests. Daarom zou op BCI gebaseerde therapie sommige patiënten met een beroerte kunnen helpen. Wij denken dat er in de komende jaren verdere vooruitgang zal worden geboekt die zal leiden tot effectievere therapieën met behulp van BCI’s.

Wat gebeurt er in de hersenen wanneer iemand een beroerte heeft?

Een beroerte is een vorm van hersenbeschadiging die steeds vaker voorkomt omdat mensen langer leven. Een beroerte ontstaat wanneer een bloedvat in de hersenen verstopt raakt of begint te bloeden. In beide gevallen krijgen sommige delen van de hersenen niet de bloedtoevoer die ze nodig hebben, wat ernstige hersenbeschadiging kan veroorzaken. Na een beroerte is het belangrijk dat de patiënt onmiddellijk naar een ziekenhuis gaat. Artsen kunnen patiënten soms binnen een paar dagen na de beroerte helpen bij het herstel van een deel van de hersenbeschadiging. Maar zelfs met ziekenhuisbehandeling hebben veel patiënten ernstige, langdurige hersenbeschadiging en hebben ze uitgebreide therapie nodig.

De hersenen bestaan uit twee helften, de linker- en de rechterhersenhelft. Gewoonlijk treft een beroerte slechts één hersenhelft, zodat sommige slachtoffers van een beroerte moeite hebben om de linker- of rechterkant van het lichaam te bewegen. In ernstige gevallen kunnen de arm en het been van een patiënt aan de linker- of rechterkant volledig verlamd zijn. In veel mildere gevallen hebben patiënten slechts problemen met een arm of been (niet met beide) en kunnen ze bijna alle bewegingen normaal uitvoeren. Een beroerte kan een ander probleem veroorzaken dat spasticiteit wordt genoemd. Dit betekent dat sommige spieren te gespannen zijn. Patiënten kunnen pijn hebben, moeite met bewegen, onbedoelde bewegingen en andere problemen.

recoveriX flagship gym schiedlberg recoverix.com

Moeilijkheden met bewegen kunnen tot veel problemen leiden. Mensen die een beroerte hebben overleefd, zijn misschien niet in staat om te werken of van hun favoriete sport of hobby’s te genieten. Ze kunnen hulp nodig hebben van vrienden en familie, en ze kunnen financiële problemen hebben door verlies van werk en de kosten van behandeling en zorg. Sommige slachtoffers van een beroerte voelen zich niet op hun gemak in het openbaar omdat ze denken dat mensen hen zullen plagen met hun handicap. Dit zijn slechts enkele redenen waarom we de best mogelijke benaderingen en technologieën nodig hebben om patiënten met een beroerte te helpen hun vermogen om te bewegen terug te krijgen.

Hoe kunnen hersen-computer interfaces worden gebruikt voor beroerte therapie?

Stelt u zich een patiënt voor die een beroerte heeft gehad en die niet langer in staat is één hand te bewegen. Om patiënten met een beroerte te behandelen, vragen therapeuten de patiënt vaak om zich bepaalde handbewegingen voor te stellen of te proberen. Gedurende tientallen therapiesessies helpt dit de hersenen opnieuw te leren hoe ze de aangetaste hand moeten besturen. Een meting die een elektro-encefalogram (EEG) wordt genoemd, wordt al vele jaren gebruikt om de elektrische activiteit van de hersenen te meten [1]. Deze techniek maakt gebruik van kleine metalen schijfjes, elektroden genaamd, die op het hoofd worden geplaatst. Het EEG kan ons vertellen welke delen van de hersenen actief zijn. Door bijvoorbeeld elektroden te plaatsen op de hersengebieden die verantwoordelijk zijn voor beweging en gewaarwording, kunnen wij de hersenactiviteit bestuderen die plaatsvindt wanneer een persoon beweegt of een gewaarwording voelt.

recoverix rehabilitation of stroke patients setup

EEG kan gecombineerd worden met een brein-computer interface (BCI) om een nieuw soort beroerte therapie te creëren. Een BCI is een systeem dat real-time feedback over de hersenactiviteit kan geven aan de persoon die therapie krijgt. Het BCI-systeem kan detecteren wanneer patiënten zich de juiste handbewegingen voorstellen en kan de patiënten laten weten of die bewegingen correct zijn. Als de patiënt zich bijvoorbeeld een beweging met de linkerhand voorstelt, dan kan een tekenfilmhand op de monitor die beweging nabootsen, terwijl een spierstimulator de linkerhand helpt te bewegen. Op deze manier krijgt de patiënt alleen belonende feedback van het systeem wanneer hij de ingebeelde beweging correct uitvoert. Het zien bewegen van een tekenfilmhand terwijl de patiënt ook zijn eigen handen voelt bewegen, kan de patiënt motiveren en zijn hersenen aanmoedigen om motorische functies opnieuw te leren. Er zijn vele andere soorten BCI’s ontwikkeld. Het gebruik van BCI’s bij de behandeling van patiënten na een beroerte kan leiden tot een verhoogde plasticiteit van de hersenen, wat betekent dat de hersenen nieuwe verbindingen kunnen maken die hen helpen bepaalde functies opnieuw te leren uitvoeren, zoals het bewegen van de hand zonder spasmen of andere moeilijkheden.

Hoe hebben we de wetenschappelijke studie van recoveriX gedaan?

We vroegen 51 patiënten om deel te nemen aan onze studie. Deze patiënten waren gemiddeld 61 jaar oud en hadden hun beroerte gemiddeld 37 maanden voor het onderzoek gehad. Sommige mensen denken dat patiënten die meer dan 12 maanden geleden een beroerte hebben gehad, waarschijnlijk niet zullen verbeteren, maar wij veronderstelden iets anders.

De patiënten namen deel aan twee vooronderzoeken vóór de therapie. In de pre-assessments voerden we tests uit om de motorische vaardigheden en andere factoren van elke patiënt te onderzoeken. De vooronderzoeken werden op twee verschillende dagen uitgevoerd, met een tussenpoos van een maand, om er zeker van te zijn dat we een goed inzicht hadden in de vaardigheden van de patiënten vóór de therapie. Vervolgens namen de patiënten deel aan 25 tot 31 BCI-therapiesessies met een gediplomeerde therapeut. Elke sessie duurde ongeveer 1 uur, en de meeste patiënten deden 2 sessies per week (Figuur 1). Na afloop voerden we drie post-beoordelingen uit om te bestuderen hoe elke patiënt was veranderd. De eerste nameting werd onmiddellijk na de laatste therapiesessie gedaan, en de andere nametingen werden 1 en 6 maanden later gedaan.

Figure 1 - In BCI therapy, stroke patients wear an electrode cap and view a monitor where an image, such as moving hands, helps them relearn how to move.
Figuur 1 – Bij BCI-therapie dragen patiënten met een beroerte een elektrodekap en kijken ze naar een monitor waarop een beeld, zoals bewegende handen, hen helpt opnieuw te leren hoe ze moeten bewegen. De BCI leest elektrische signalen uit de hersenen, waaronder die welke betrokken zijn bij beweging en tastgevoel (gekleurde gebieden), en geeft de patiënt feedback op de monitor wanneer de bewegingen correct worden uitgevoerd. Er zijn ook stimulatie-elektroden op de patiënt bevestigd die hem of haar helpen elke beweging uit te voeren. BCI-therapie leidt tot betere motorische functies omdat de neuronen nieuwe verbindingen vinden, via een proces dat hersenplasticiteit wordt genoemd.

Wat detecteert recoveriX in de hersenen?

We onderzochten het effect van BCI-therapie door drie afzonderlijke factoren te meten:

    • BCI nauwkeurigheid
    • Hersenactiviteit
    • Beweging

De nauwkeurigheid van de BCI is een manier om de betrokkenheid van elke patiënt bij de motor imagery taken te meten. Een hoge nauwkeurigheid van de BCI geeft aan dat de patiënt aandacht heeft voor de taken en zich de bewegingen correct voorstelt. Als de patiënt zich geen enkele beweging voorstelt, zal de nauwkeurigheid van de BCI ongeveer 50% zijn. Een lage nauwkeurigheid kan er dus op wijzen dat de patiënt niet deelneemt of zich de bewegingen niet correct voorstelt. Een therapeut kan dan de patiënt coachen om hem of haar te helpen de nauwkeurigheid van de BCI te verbeteren (figuur 2A).

Figure 2 - (A) BCI accuracy from therapy sessions 1 through 31 for one patient.

Figuur 2 – (A) BCI nauwkeurigheid van therapie sessies 1 tot en met 31 voor een patiënt. In het begin was de BCI-nauwkeurigheid bij het classificeren van links- vs. rechtsdraaiende bewegingen 65%. De nauwkeurigheid verbeterde met aanvullende therapiesessies en bereikte 100% in sessie 25. (B) Hersenactivatie voor en na 31 sessies BCI-therapie. De witte kleur vóór de therapie geeft aan dat er geen hersenactivatie is om hand- en vingerbewegingen te produceren, terwijl de rode kleur na de therapie wijst op meer hersenactivatie. C3 is de naam van de positie van de elektrode boven het hersengebied dat verantwoordelijk is voor de beweging van de rechterhand.

De hersenactiviteit wordt gedurende de hele BCI-therapie gemeten. Gewoonlijk werken tijdens de eerste therapiesessies de bewegingsgebieden van de hersenen niet effectief samen. In de loop van de weken therapie zien we vaak dat de bewegingsgebieden in de hersenen veel actiever worden (Figuur 2B). De kleuren in Figuur 2B geven de hersenactivatie aan op verschillende frequenties over gebieden die belangrijk zijn voor beweging. De x-as geeft de tijd in elke proef; gebieden verder naar rechts geven latere tijden in de proef. De y-as geeft de verschillende frequenties weer. De onderste gebieden van de grafiek zijn lagere frequenties (aangegeven met de Griekse letter mu) en de hogere gebieden van de grafiek zijn hogere frequenties (aangegeven met de Griekse letter beta).

YouTube

Door de video te laden, gaat u akkoord met het privacybeleid van YouTube.
Meer informatie

Video laden

Het belangrijkste effect van BCI-therapie is dat patiënten weer kunnen bewegen. Figuur 3A toont een instrument dat therapeuten en wetenschappers gebruiken om de pols en handbeweging te testen, de Nine-Hole Peg Test genoemd omdat de patiënt negen kleine knijpertjes moet oppakken en in negen kleine gaatjes steken. We vroegen patiënten deze test een aantal keer tijdens het therapieproces met beide handen uit te voeren en we hielden bij hoeveel tijd ze nodig hadden om de test te voltooien. Als BCI-therapie een patiënt hielp weer te bewegen, zagen we een afname van de tijd die de patiënt nodig had om deze test in de loop van de therapiesessies af te ronden (figuur 3B).

Figure 3 - (A) The Nine-Hole Peg Test can be used to test wrist and hand movement.

 

 

 

 

 

 

Figuur 3 – (A) De Nine-Hole Peg Test kan worden gebruikt om de pols en de handbeweging te testen. (B) Resultaten die een verbetering laten zien van de handbeweging van een patiënt tijdens BCI-therapie. De tijd om de taak met de aangedane (rechter) hand te voltooien daalde van 7 min. 26 s aan het begin van de therapie tot 1 min. 14 s na 28 therapieën. (C) Samenvatting van alle motorische functietests, gecombineerd, voor alle onderzochte patiënten. Als de balk boven nul is, was de beweging verbeterd na de therapie. Negenenveertig patiënten vertoonden verbeteringen, terwijl slechts twee patiënten verminderde beweging vertoonden (één had een andere beroerte en de andere lette niet op).
.

We gebruikten veel tests naast de Nine-Hole Peg Test om pijn, spasticiteit, concentratie, geheugen en hoe goed patiënten verschillende bewegingen met en zonder hulp konden uitvoeren, te meten. Sommige tests waren gewoon vragenlijsten die vroegen naar dagelijkse activiteiten, zoals of de patiënt een T-shirt kon aantrekken zonder hulp. We voerden 18 tests uit met elke patiënt, en een hogere gecombineerde testscore duidde op een grotere verbetering in deze tests (figuur 3C). Uit onze resultaten bleek dat de BCI-therapie de meeste patiënten hielp bij het terugkrijgen van beweging en/of het verminderen van spasticiteit in hun handen en armen. We ontdekten dat de therapie beter werkt bij patiënten die meer dan 80% nauwkeurigheid bereiken. BCI-therapie werkte zelfs vele jaren na de beroerte van de patiënt. Eén patiënt deed 31 jaar na de beroerte mee en verbeterde nog steeds! Onze resultaten vertelden ons dat de BCI-therapie de hersenen van de patiënten hielp om te leren hoe ze hun bewegingen beter konden controleren.

recoverix neurological rehabilitation
Tot nu toe heeft ons werk zich gericht op revalidatie van de armen en handen. In de toekomst zullen we BCI-therapie toepassen op patiënten met een beroerte en aangetaste benen, om hun loopsnelheid te verbeteren. Een beroerte kan mensen op vele manieren sterk beïnvloeden, en daarom is er een sterke behoefte aan onderzoek naar nieuwe manieren om hen te helpen herstellen. Met aanvullend onderzoek en ontwikkeling door onze groep en andere groepen hopen we betere therapiemethoden en apparaten te ontwikkelen, zodat patiënten weer bewegingen kunnen uitvoeren voor werk, plezier, sociale evenementen en activiteiten in het dagelijks leven.

Dit artikel is gepubliceerd in Frontiers For Young Minds, 1 oktober 2021.

Woordenlijst

Hemisferen: De rechter- en linkerhelft van de hersenen. De linker hersenhelft regelt de bewegingen aan de rechterkant van het lichaam, en omgekeerd.
Spasticiteit: Deze aandoening kan spasmen (onwillekeurige bewegingen), stijve of strakke spieren, pijn en overactieve reflexen omvatten. Mensen kunnen moeite hebben met hun houding, lopen, typische dagelijkse activiteiten en andere bewegingen.
Elektro-ence-phalogram (EEG): Een meting van de natuurlijke elektrische activiteit die door de hersenen wordt geproduceerd, verkregen met behulp van elektroden die op het hoofd worden geplaatst.
Elektroden: Kleine sensoren die hersenactiviteit detecteren. EEG-elektroden zijn over het algemeen kleine, metalen schijfjes die in een kapje zijn gemonteerd en die niet door de huid dringen en geen pijn veroorzaken.
Brain-Computer Interface (BCI): Systeem dat gebruik maakt van directe metingen van hersenactiviteit om communicatie en controle in real-time mogelijk te maken. De meeste BCI’s maken gebruik van EEG om de hersenactiviteit te meten.
Motorische Functie: Het vermogen om delen van het lichaam te bewegen.
Hersen Plasticiteit: Het opmerkelijke vermogen van de hersenen om zichzelf te veranderen om zich aan te passen aan nieuwe informatie en situaties, zoals therapie. Dit vermogen helpt mensen te herstellen van een beroerte en andere verwondingen.