Как тренировать мозг, чтобы помочь пациентам с инсультом?

Многие люди, перенесшие инсульт, испытывают трудности с движением даже после терапии с лучшими специалистами и методами. Новые способы сделать терапию инсульта более эффективной могут помочь людям восстановиться более эффективно. Некоторые исследовательские группы разработали системы интерфейса мозг-компьютер (BCI), которые могут измерять, когда пациент с инсультом представляет себе движение руки, записывая мозговые волны. Мы разработали BCI, который использовал мозговую активность каждого пациента для управления стимулятором мышц и монитором во время терапии.

Пациенты получали полезную обратную связь во время терапии, когда они представляли движение правильно. Мы протестировали 51 пациента, некоторые из которых перенесли инсульт много лет назад. 42 пациента почувствовали улучшение после терапии на основе результатов стандартизированных тестов. Таким образом, терапия на основе BCI может помочь некоторым пациентам с инсультом. Мы думаем, что в ближайшие несколько лет будут дальнейшие достижения, которые приведут к более эффективной терапии с использованием BCI .

Что происходит в мозге, когда у человека случается инсульт?

Инсульт — это тип повреждения мозга, который становится все более распространенным, поскольку люди живут дольше. Инсульт случается, когда кровеносный сосуд в мозге блокируется или начинает кровоточить. В любом случае некоторые части мозга не получают необходимого им кровоснабжения, что может привести к серьезному повреждению мозга. После инсульта важно, чтобы пациент немедленно попал в больницу. Иногда врачи могут помочь пациентам восстановиться после некоторых повреждений мозга в течение нескольких дней после инсульта. Однако даже при лечении в больнице у многих пациентов возникают серьезные, долгосрочные повреждения мозга, и им требуется обширная терапия.

Мозг состоит из двух половин, называемых левым и правым полушариями. Обычно инсульт затрагивает только одно полушарие, поэтому некоторые выжившие после инсульта испытывают трудности с движением левой или правой стороны тела. В тяжелых случаях рука и нога пациента с левой или правой стороны могут быть полностью парализованы . Во многих более легких случаях пациенты испытывают проблемы только с рукой или ногой (не с обеими) и могут выполнять почти все движения нормально. Инсульт может вызвать другую проблему, называемую спастичностью. Это означает, что некоторые мышцы слишком напряжены. Пациенты могут испытывать боль, трудности с движением, непреднамеренные движения и другие проблемы.

Трудности с движением могут привести ко многим проблемам. Перенесшие инсульт могут не иметь возможности работать или наслаждаться любимыми видами спорта или хобби. Им может понадобиться помощь друзей и семьи, и у них могут возникнуть финансовые проблемы из-за потери работы и расходов на лечение и уход. Некоторые перенесшие инсульт чувствуют себя некомфортно в общественных местах, поскольку считают, что люди будут дразнить их из-за их инвалидности. Это лишь некоторые причины, по которым нам нужны наилучшие возможные подходы и технологии, чтобы помочь пациентам, перенесшим инсульт, восстановить способность двигаться.

Как можно использовать интерфейсы мозг-компьютер для терапии инсульта?

Представьте себе пациента, перенесшего инсульт, который больше не может двигать одной рукой. Для лечения пациентов, перенесших инсульт, терапевты часто просят пациента представить или попытаться выполнить определенные виды движений рукой. За десятки сеансов терапии это помогает мозгу заново научиться контролировать пораженную руку. Измерение, называемое электроэнцефалограммой (ЭЭГ), использовалось в течение многих лет для измерения электрической активности мозга [ 1 ]. Эта техника использует маленькие металлические диски, называемые электродами, которые помещаются на голову. ЭЭГ может сказать нам, какие области мозга активны. Например, помещая электроды над областями мозга, отвечающими за движение и ощущения, мы можем изучать активность мозга, которая происходит, когда человек двигается или испытывает ощущения.

ЭЭГ можно объединить с интерфейсом мозг-компьютер (BCI) для создания нового вида терапии инсульта . BCI — это система, которая может предоставлять обратную связь в реальном времени об активности мозга человеку, получающему терапию. Система BCI может определять, когда пациенты представляют себе правильные движения руки, и может сообщать пациентам, являются ли эти движения правильными. Например, если пациент представляет себе движение левой руки, то мультяшная рука на мониторе может имитировать это движение, в то время как стимулятор мышц помогает левой руке двигаться.

Таким образом, пациент получает только поощрительную обратную связь от системы, выполняя воображаемое движение правильно. Видя движение мультяшной руки, а также чувствуя движение собственных рук, может помочь мотивировать пациентов и побудить их мозг заново изучать двигательные функции. Было разработано много других типов BCI . Использование BCI в терапии после инсульта может привести к повышению пластичности мозга, что означает, что мозг может создавать новые связи, которые помогают ему снова научиться выполнять определенные функции, такие как движение руки без спазмов или других трудностей.

Как мы проводили научное исследование recoveryiX ?

Мы попросили 51 пациента принять участие в нашем исследовании. Средний возраст этих пациентов составлял 61 год, и инсульты случились в среднем за 37 месяцев до исследования. Некоторые считают, что у пациентов, у которых инсульт случился более 12 месяцев назад, скорее всего, не наступит улучшение, но мы предположили обратное.

Пациенты приняли участие в двух предварительных оценках перед терапией. В ходе предварительных оценок мы провели тесты для изучения двигательных навыков и других факторов каждого пациента. Предварительные оценки проводились в 2 разных дня с интервалом в 1 месяц, чтобы убедиться, что у нас есть хорошее понимание способностей пациентов до терапии. Затем пациенты приняли участие в 25–31 сеансе терапии BCI с лицензированным терапевтом. Каждый сеанс длился около 1 часа, и большинство пациентов проходили 2 сеанса в неделю ( рисунок 1 ). После этого мы провели три постоценки, чтобы изучить, как изменился каждый пациент. Первая постоценка проводилась сразу после последнего сеанса терапии, а другие постоценки проводились через 1 и 6 месяцев.

Рисунок 1. При терапии BCI пациенты, перенесшие инсульт, надевают электродную шапочку и смотрят на монитор, на котором изображение, например, движущихся рук, помогает им заново научиться двигаться. BCI считывает электрические сигналы из мозга, включая сигналы, связанные с движением и чувством прикосновения ( цветные области), и дает пациенту обратную связь на мониторе, когда движения выполняются правильно. Также к пациенту прикреплены стимулирующие электроды, которые помогают ему или ей выполнять каждое движение. Терапия BCI приводит к улучшению двигательных функций, поскольку нейроны находят новые связи посредством процесса, называемого пластичностью мозга.

Что recoveryiX обнаруживает в мозге?

Мы исследовали эффект терапии BCI, измеряя три отдельных фактора:

• • Точность BCI
  • Мозговая активность
  • Движение

Точность BCI — это способ измерения вовлеченности каждого пациента в задачи двигательного воображения. Высокая точность BCI указывает на то, что пациент уделяет внимание задачам и правильно представляет движения. Если пациент не представляет никаких движений, то точность BCI составит около 50%. Таким образом, низкая точность может указывать на то, что пациент не участвует или неправильно представляет движения. Затем терапевт может научить пациента, чтобы помочь ему или ей улучшить точность BCI ( рисунок 2A ).

Самый важный эффект терапии BCI — помощь пациентам в восстановлении движения . На рисунке 3A показан инструмент, который терапевты и ученые используют для проверки движения запястья и руки, называемый тестом с девятью маленькими колышками, потому что пациент должен взять девять маленьких колышков и вставить их в девять маленьких отверстий. Мы просили пациентов выполнять этот тест обеими руками несколько раз в течение всего процесса терапии и отслеживали время, которое им требовалось для завершения теста. Если терапия BCI помогала пациенту восстановить движение, мы видели сокращение времени, которое требовалось этому пациенту для завершения этого теста в течение сеансов терапии ( рисунок 3B ).

Рисунок 3 — (A) Тест с девятью отверстиями для колышков можно использовать для проверки движения запястья и руки. ( B) Результаты, показывающие улучшение движения руки одного пациента во время терапии BCI. Время выполнения задания пораженной (правой) рукой сократилось с 7 мин 26 с в начале терапии до 1 мин 14 с после 28 терапий. (C) Сводка всех тестов двигательной функции, объединенных для всех обследованных пациентов. Если столбик выше нуля, движение улучшилось после терапии. Улучшения наблюдались у сорока девяти пациентов, в то время как только у двух пациентов наблюдалось снижение движения (у одного был еще один инсульт, а другой не обращал внимания ).

 

Мы использовали множество тестов в дополнение к тесту с девятью отверстиями для измерения боли, спастичности, концентрации, памяти и того, насколько хорошо пациенты могли выполнять различные движения с посторонней помощью и без нее. Некоторые тесты представляли собой просто анкеты, в которых спрашивали о повседневной деятельности, например, может ли пациент надеть футболку без посторонней помощи. Мы провели 18 тестов с каждым пациентом, и более высокий общий балл теста указывал на большее улучшение в этих тестах ( рисунок 3C ). Наши результаты показали, что терапия BCI помогла большинству пациентов восстановить движение и/или уменьшить спастичность в кистях и руках. Мы обнаружили, что терапия работает лучше для пациентов, которые достигли более 80% точности. Терапия BCI работала даже много лет после инсульта пациента. Один пациент участвовал в исследовании через 31 год после инсульта и все еще добился улучшения! Наши результаты показали, что терапия BCI помогла мозгу пациентов научиться лучше контролировать свои движения.

 

 

До сих пор наша работа была сосредоточена на реабилитации рук и кистей. В будущем мы будем использовать терапию BCI для пациентов с инсультом и пораженными ногами, чтобы улучшить их скорость ходьбы. Инсульт может сильно влиять на людей во многих отношениях, и поэтому существует настоятельная необходимость в изучении новых способов помочь им восстановиться. С дополнительными исследованиями и разработками нашей группы и других групп мы надеемся разработать лучшие методы и устройства терапии, чтобы пациенты снова могли выполнять движения для работы, развлечений, общественных мероприятий и повседневной жизни.

Эта статья была опубликована в журнале Frontiers For Young Minds 1 октября 2021 г.

Глоссарий

Полушария : правая и левая половины мозга. Левое полушарие контролирует движение правой стороны тела и наоборот.
Спастичность : это расстройство может включать спазмы (непроизвольные движения), жесткие или напряженные мышцы, боль и сверхактивные рефлексы. У людей могут быть проблемы с осанкой, ходьбой, типичными повседневными делами и другими движениями.
Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) : измерение естественной электрической активности, производимой мозгом, получаемое с помощью электродов, размещенных на голове.
Электроды : небольшие датчики, которые обнаруживают активность мозга. Электроды ЭЭГ, как правило, представляют собой небольшие металлические диски, установленные в колпачке, которые не проникают через кожу и не вызывают боли.