Cum putem antrena creierul pentru a ajuta pacienții cu accident vascular cerebral?

Multe persoane care au suferit un accident vascular cerebral au dificultăți în a se mișca, chiar și după terapie cu cei mai buni experți și cele mai bune metode. Noi modalități de eficientizare a terapiei AVC ar putea ajuta oamenii să se recupereze mai eficient. Unele grupuri de cercetare au dezvoltat sisteme de interfață creier-computer (BCI) care pot măsura când un pacient cu accident vascular cerebral își imaginează mișcarea mâinii prin înregistrarea undelor cerebrale.

Am dezvoltat un BCI care a utilizat activitatea cerebrală a fiecărui pacient pentru a controla un stimulator muscular și un monitor în timpul terapiei. Pacienții au primit feedback recompensator în timpul terapiei atunci când și-au imaginat corect o mișcare. Am testat 51 de pacienți, dintre care unii au suferit un accident vascular cerebral cu mulți ani în urmă. 42 de pacienți s-au îmbunătățit după terapie, pe baza rezultatelor testelor standardizate. Prin urmare, terapia bazată pe BCI ar putea ajuta unii pacienți cu accident vascular cerebral. Credem că în următorii ani vor exista progrese suplimentare care vor duce la terapii mai eficiente cu ajutorul BCI-urilor.

Ce se întâmplă în creier atunci când o persoană are un accident vascular cerebral?

Accidentul vascular cerebral este un tip de afectare a creierului care devine din ce în ce mai frecvent deoarece oamenii trăiesc mai mult. Un accident vascular cerebral are loc atunci când un vas de sânge din creier este blocat sau începe să sângereze. În ambele cazuri, unele părți ale creierului nu primesc aportul de sânge de care au nevoie, ceea ce poate provoca leziuni cerebrale grave. După un accident vascular cerebral, este important ca pacientul să ajungă imediat la spital.

Uneori, medicii îi pot ajuta pe pacienți să își recupereze o parte din leziunile cerebrale la câteva zile după accident. Cu toate acestea, chiar și cu tratament spitalicesc, mulți pacienți au leziuni cerebrale grave, de lungă durată și au nevoie de terapie extinsă.

Creierul este format din două jumătăți, numite emisfere stângă și dreaptă. De obicei, un accident vascular cerebral afectează doar o emisferă, astfel încât unii supraviețuitori ai accidentului vascular cerebral au probleme în mișcarea părții stângi sau drepte a corpului. În cazurile grave, brațul și piciorul stâng sau drept al unui pacient pot fi complet paralizate. În multe cazuri mai ușoare, pacienții au probleme doar cu un braț sau un picior (nu cu ambele) și pot efectua aproape toate mișcările în mod normal. Accidentul vascular cerebral poate cauza o altă problemă numită spasticitate. Aceasta înseamnă că unii mușchi sunt prea tensionați. Pacienții pot avea dureri, dificultăți de mișcare, mișcări neintenționate și alte probleme.

Dificultatea cu mișcarea poate duce la multe provocări. Supraviețuitorii unui accident vascular cerebral s-ar putea să nu poată lucra sau să nu se poată bucura de sporturile sau hobby-urile lor preferate. Este posibil să aibă nevoie de ajutor din partea prietenilor și a familiei și să aibă probleme financiare din cauza pierderii locului de muncă și a costurilor tratamentului și îngrijirii. Unii supraviețuitori ai unui accident vascular cerebral nu se simt confortabil în public, deoarece cred că oamenii îi vor tachina din cauza dizabilităților lor. Acestea sunt doar câteva dintre motivele pentru care avem nevoie de cele mai bune abordări și tehnologii posibile pentru a ajuta pacienții cu accident vascular cerebral să își recupereze capacitatea de mișcare.

Cum pot fi utilizate interfețele creier-computer pentru terapia accidentului vascular cerebral?

Imaginați-vă un pacient cu accident vascular cerebral care nu mai poate mișca o mână. Pentru a trata pacienții cu accident vascular cerebral, terapeuții îi cer adesea pacientului să își imagineze sau să încerce anumite tipuri de mișcări ale mâinii. Pe parcursul a zeci de ședințe de terapie, acest lucru ajută creierul să învețe din nou cum să controleze mâna afectată. O măsurătoare numită electroencefalogramă (EEG) a fost utilizată de mulți ani pentru a măsura activitatea electrică a creierului [1].

Această tehnică utilizează mici discuri metalice numite electrozi, care sunt plasate pe cap. EEG ne poate spune ce zone ale creierului sunt active. De exemplu, prin plasarea electrozilor deasupra zonelor cerebrale responsabile de mișcare și senzație, putem studia activitatea cerebrală care are loc atunci când o persoană se mișcă sau simte o senzație.

EEG poate fi combinat cu o interfață creier-computer (BCI) pentru a crea un nou tip de terapie a accidentului vascular cerebral. Un BCI este un sistem care poate oferi feedback în timp real despre activitatea creierului persoanei care beneficiază de terapie.

Sistemul BCI poate detecta momentul în care pacienții își imaginează mișcările corecte ale mâinii și îi poate informa pe pacienți dacă mișcările respective sunt corecte. De exemplu, dacă pacientul își imaginează o mișcare a mâinii stângi, atunci o mână din desene animate de pe monitor ar putea imita mișcarea respectivă, în timp ce un stimulator muscular ajută mâna stângă să se miște. În acest fel, pacientul primește un feedback satisfăcător din partea sistemului numai dacă efectuează corect mișcarea imaginată.

Văzând o mână de desen animat mișcându-se în timp ce își simt propriile mâini mișcându-se, pacienții pot fi motivați și își pot încuraja creierul să învețe din nou funcțiile motorii. Au fost dezvoltate multe alte tipuri de BCI. Utilizarea BCI în terapia post-accident vascular cerebral poate duce la creșterea plasticității creierului, ceea ce înseamnă că creierul poate crea noi conexiuni care îl ajută să învețe din nou să îndeplinească anumite funcții, cum ar fi mișcarea mâinii fără spasme sau alte dificultăți.

Cum am realizat studiul științific recoveriX?

Am rugat 51 de pacienți să participe la studiul nostru. Acești pacienți aveau, în medie, 61 de ani și au suferit un accident vascular cerebral cu o medie de 37 de luni înainte de studiu. Unii oameni cred că pacienții care au suferit accidente vasculare cerebrale cu mai mult de 12 luni în urmă probabil nu se vor îmbunătăți, dar noi am emis o ipoteză contrară.

Pacienții au participat la două pre-evaluări înainte de terapie. În cadrul evaluărilor prealabile, am efectuat teste pentru a studia abilitățile motorii ale fiecărui pacient și alți factori. Evaluările prealabile au fost efectuate în două zile diferite, separate de o lună, pentru a ne asigura că am avut o bună înțelegere a abilităților pacienților înainte de terapie. Apoi, pacienții au participat la 25 până la 31 de ședințe de terapie BCI cu un terapeut autorizat.

Fiecare sesiune a durat aproximativ 1 h, iar majoritatea pacienților au făcut 2 sesiuni pe săptămână (Figura 1). Ulterior, am efectuat trei post-evaluări pentru a studia modul în care s-a schimbat fiecare pacient. Prima post-evaluare a fost efectuată imediat după ultima sesiune de terapie, iar alte post-evaluări au fost efectuate 1 și 6 luni mai târziu.

Figura 1 – În terapia BCI, pacienții cu accident vascular cerebral poartă un capac cu electrozi și privesc un monitor pe care o imagine, cum ar fi mișcarea mâinilor, îi ajută să învețe din nou cum să se miște. BCI citește semnalele electrice din creier, inclusiv cele implicate în mișcare și senzația de atingere (zonele colorate), și oferă pacientului feedback pe monitor atunci când mișcările sunt efectuate corect. Există, de asemenea, electrozi de stimulare atașați pacientului care îl ajută să efectueze fiecare mișcare Terapia BCI duce la îmbunătățirea funcțiilor motorii deoarece neuronii găsesc noi conexiuni, printr-un proces numit plasticitate cerebrală.

Ce detectează recoveriX din creier?

Am explorat efectul terapiei BCI prin măsurarea a trei factori separați:

• • Precizia BCI
  • Activitatea cerebrală
  • Mișcarea

Precizia BCI este o modalitate de a măsura implicarea fiecărui pacient în sarcinile de imagerie motorie. O acuratețe ridicată a BCI indică faptul că pacientul este atent la sarcini și își imaginează corect mișcările. Dacă pacientul nu își imaginează nicio mișcare, atunci precizia BCI va fi de aproximativ 50%. Prin urmare, o acuratețe scăzută ar putea indica faptul că pacientul nu participă sau nu își imaginează corect mișcările. Un terapeut ar putea apoi să instruiască pacientul pentru a-l ajuta să își îmbunătățească precizia BCI (figura 2A).

Activitatea cerebrală este măsurată pe parcursul terapiei BCI. De obicei, în primele sesiuni de terapie, zonele de mișcare ale creierului nu lucrează împreună în mod eficient. Pe parcursul săptămânilor de terapie, observăm adesea că zonele de mișcare din creier devin mult mai active (figura 2B). Culorile din figura 2B indică activarea creierului la diferite frecvențe în zonele care sunt importante pentru mișcare. Axa x indică timpul din fiecare încercare; zonele mai la dreapta indică momente mai târzii din încercare. Axa y reflectă frecvențe diferite. Zonele inferioare ale graficului reprezintă frecvențe inferioare (indicate prin litera greacă mu), iar zonele superioare ale graficului reprezintă frecvențe superioare (indicate prin litera greacă beta).

Cel mai important efect al terapiei BCI este acela de a ajuta pacienții să-și recapete mișcarea. Figura 3A prezintă un instrument pe care terapeuții și oamenii de știință îl utilizează pentru a testa mișcarea încheieturii mâinii și a mâinii, denumit Testul cu nouă găuri pentru că pacientul trebuie să ridice nouă cuie mici și să le pună în nouă găuri mici. Am cerut pacienților să efectueze acest test cu ambele mâini de mai multe ori pe parcursul procesului de terapie și am urmărit timpul care le-a fost necesar pentru a finaliza testul. Dacă terapia BCI a ajutat un pacient să își recapete mișcarea, am observat o scădere a timpului necesar pacientului pentru a efectua acest test pe parcursul sesiunilor de terapie (figura 3B).

Figura 3 – (A) Testul Nine-Hole Peg poate fi utilizat pentru a testa mișcarea mâinii și a încheieturii mâinii. (B) Rezultatele care arată îmbunătățirea mișcării mâinii unui pacient în timpul terapiei BCI. Timpul pentru finalizarea sarcinii cu mâna afectată (dreaptă) a scăzut de la 7 min 26 s la începutul terapiei la 1 min 14 s după 28 de terapii. (C) Rezumatul tuturor testelor funcției motorii, combinate, pentru toți pacienții studiați. Dacă bara este peste zero, mișcarea a fost îmbunătățită după terapie. Patruzeci și nouă de pacienți au prezentat îmbunătățiri, în timp ce doar doi pacienți au prezentat o scădere a mișcării (unul a avut un alt accident vascular cerebral, iar celălalt nu a acordat atenție).

 

 

 

 

 

 

Am folosit multe teste în plus față de testul cu nouă găuri pentru a măsura durerea, spasticitatea, concentrarea, memoria și măsura în care pacienții pot efectua diferite mișcări cu și fără ajutor. Unele teste au fost doar chestionare care întrebau despre activitățile zilnice, cum ar fi dacă pacientul își poate pune un tricou pe el fără ajutor. Am efectuat 18 teste cu fiecare pacient, iar un scor combinat mai mare la teste a indicat o îmbunătățire mai mare în aceste teste (Figura 3C).

Rezultatele noastre au arătat că terapia BCI a ajutat majoritatea pacienților să-și recapete mișcarea și/sau să reducă spasticitatea mâinilor și brațelor. Am constatat că terapia funcționează mai bine pentru pacienții care obțin o precizie mai mare de 80%. Terapia BCI a funcționat chiar și la mulți ani după accidentul vascular cerebral al pacientului. Un pacient a participat la 31 de ani de la accident vascular cerebral și încă s-a îmbunătățit! Rezultatele noastre ne-au arătat că terapia BCI a ajutat creierul pacienților să învețe cum să își controleze mai bine mișcările.

Până în prezent, activitatea noastră s-a axat pe reabilitarea brațelor și a mâinilor. În viitor, vom utiliza terapia BCI pe pacienții cu accident vascular cerebral cu picioare afectate, pentru a le îmbunătăți viteza de mers. Accidentul vascular cerebral poate afecta puternic oamenii în multe feluri și, prin urmare, există o mare nevoie de a explora noi modalități de a-i ajuta să se recupereze. Cu cercetare și dezvoltare suplimentară din partea grupului nostru și a altor grupuri, sperăm să dezvoltăm metode și dispozitive de terapie mai bune, astfel încât pacienții să poată efectua din nou mișcări pentru muncă, distracție, evenimente sociale și activități zilnice.

Acest articol a fost publicat în Frontiers For Young Minds, 1 octombrie 2021.

Glosar

Emisfere: Jumătățile dreaptă și stângă ale creierului. Emisfera stângă controlează mișcarea pe partea dreaptă a corpului și invers.

Spasticitate: Această tulburare poate include spasme (mișcări involuntare), mușchi rigizi sau încordați, durere și reflexe hiperactive. Persoanele pot avea probleme cu postura, mersul, activitățile zilnice tipice și alte mișcări.

Electroencefalograma (EEG): O măsurare a activității electrice naturale produse de creier, obținută cu ajutorul unor electrozi plasați pe cap.

Electrozi: Senzori mici care detectează activitatea cerebrală. Electrozii EEG sunt, în general, discuri metalice mici, montate într-un capac, care nu penetrează pielea și nu provoacă durere.

Interfață creier-computer (BCI): Sistem care utilizează măsurători directe ale activității cerebrale pentru a oferi comunicare și control în timp real. Majoritatea BCI utilizează EEG pentru a măsura activitatea cerebrală.

Funcție motorie: Capacitatea de a mișca părți ale corpului.

Plasticitatea creierului: Capacitatea remarcabilă a creierului de a se modifica pentru a se adapta la informații și situații noi, cum ar fi terapia. Această capacitate ajută oamenii să se recupereze după un accident vascular cerebral și alte leziuni.