Tomislav Milekovic, Université de Genève, Neurosciences fondamentales, Genf, Schweiz
Problem: Interferenzen zwischen epiduraler Elektrostimulation (EES) und verbliebenen Gehirn-Rückenmarksverbindungen
Angriffspunkt: Exakte Filterung von Bewegungssignalen aus der Gehirnaktivität (EEG)
Zielsetzung: Verbesserte Steuerung der epiduralen Stimulation mittels Kopplung von Gehirntätigkeit und EES Protokoll
Hintergrund
Eine Rückenmarksverletzung unterbricht die Verbindung und damit die Erregungsweiterleitung zwischen Gehirn und Rückenmark. Wird die Epidurale Elektrostimulation (EES) am Rückenmark angewandt, erhöht dies örtlich begrenzt die Erregbarkeit der Nervenschaltkreise des Rückenmarks. Diese Technik verbessert somit die Fähigkeit, auf Bewegungskommandos zu reagieren, die durch noch bestehen gebliebene Verbindungen zwischen Gehirn und Rückenmark übermittelt werden. Allerdings werden Bewegungsimpulse nur dann verstärkt, wenn die EES und das Kommando für die Bewegung von oberhalb der Verletzung zeitgleich erfolgen. Eine EES außerhalb dieser zeitlichen Phase kann die Initiierung von Bewegung jedoch massiv stören.
In einer vorangegangenen Studie hat die Arbeitsgruppe Kommandos für die Beinbewegung aus der Aktivität der Gehirnzellen entschlüsselt. Das Ziel war, die Lokalisation und den richtigen Zeitpunkt der EES mit den noch verbleibenden Bewegungssignalen zu synchronisieren. Eine solche Kopplung von Gehirn und Rückenmark konnte bei einem rückenmarksverletzten Tier die Fähigkeit wiederherstellen, ihr eigenes Körpergewicht zu tragen und zu laufen. Wenn das gleiche EES-Protokoll fortlaufend angewandt wurde, ohne die vom Gehirn ausgehenden Bewegungsinitiierung zu berücksichtigen, kam es zu Störungen des Gangablaufes. Nun soll eine durch Gehirnaktivität gesteuerte EES klinisch bessere Ergebnisse liefern.
Aktuelle Problemstellung
Die Kopplung von Gehirn und Rückenmark beruht auf der Aktivität, die von ins Gehirn implantierten Elektroden erfasst wird. Das erfordert eine Gehirnoperation, macht die klinische Anwendung risikoreich und kostspielig. Das wird viele Patienten davon abhalten von diesem Verfahren zu profitieren.
Lösungsansatz
Die Arbeitsgruppe will nun eine verbesserte Technik einsetzen, um aus der Gehirnaktivität, die durch ein nicht invasives, hochauflösendes EEG erfasst wird, die Bewegungssignale genau und reproduzierbar herauszufiltern. So soll ein nicht invasives Gehirn-Rückenmark-Interface für querschnittsgelähmte Patienten entwickelt werden.
Umsetzung
Die Arbeitsgruppe wird ihr Gehirn-Rückenmark-Interface im Rahmen der klinischen STIMO Studie, die die EES bei Querschnittspatienten testet (http://www.wingsforlife.com/en/research/stimo-study-efficacy-of-spinal-epidural-electrical-stimulation-ees-in-combination-with-robot-assisted-neurorehabilitation-in-patients-with-sci-1806) überprüfen. STIMO Teilnehmer werden mit einem hochauflösenden EEG ausgerüstet. Die Signale für die Beinbewegungen werden aus der EEG-Aktivität dekodiert und lösen die zeitlich und örtlich richtige Abfolge des epiduralen Stimulationsprotokolls über dem lumbalen Rückenmark aus. Diese Kopplung von Gehirn und Rückenmark erregt die spinalen Schaltkreise gleichzeitig mit den noch verbliebenen Signalen aus dem Gehirn und fördert so die Gangfunktion.
English Version:
Brain-controlled spinal cord stimulation to alleviate gait deficits in people with paraplegia
Tomislav Milekovic, University of Geneva, Department of Fundamental Neuroscience, Geneva, Switzerlan
Problem: Epidural Electrostimulation interferes with movement commands carried by residual brain-spine connections
Target: Advanced techniques to achieve accurate and robust decoding of locomotor events
Goal: A non-invasive brain-spine interface to trigger spatiotemporal EES protocol
Background
Spinal cord injury disrupts the communication between the brain and spinal cord. Epidural electrical stimulation (EES) of the dorsal spinal cord locally increases the excitability of spinal circuits, thus enhancing their ability to react to movement commands carried by brain-spine connections that survived the injury. Yet, EES will promote attempted movements only if delivered in phase with movement commands originating above the injury, while out-of-phase EES can disrupt the walking attempts. In our recent study, we decoded leg movement attempts from the activity of neurons in the brain to synchronize the location and timing of EES with the residual brain movement commands. This brain-spine interface restored weight-bearing locomotion of a paralyzed leg in spinal cord injured monkeys. The same EES protocols delivered continuously, without respecting the attempted movements, disturbed the gait. Thus, direct brain-control of EES delivery will improve clinical outcome.
Current problem
The brain-spine interface relies on the neuronal activity recorded using electrodes implanted in the brain. Their use requires brain surgery, which makes the clinical therapies risky and costly, and will dissuade many people that stand to benefit from brain-spine interfaces.
Proposed solution
We will leverage advanced techniques for the reconstruction of brain activity from non-invasive high-density electroencephalography to achieve accurate and robust decoding of locomotor events. We will use this technique to develop a non-invasive brain-spine interface in people with paraplegia.
Implementation
We will validate our brain-spine interface within the framework of the STIMO clinical trial, which is testing the efficacy of EES in people with paraplegia. STIMO participants will be equipped with a high-density electroencephalography system. Leg movement attempts decoded from electroencephalography signals will trigger spatiotemporal EES protocols delivered over the lumbar spinal cord. This brain-spine interface will excite spinal circuits in synchrony with the remaining brain movement commands, thus promoting attempted walking movements.
Links:
https://www.unige.ch/medecine/neuf/en/research/grecherche/christoph-michel/g/tomislav-milekovic/
Bildnachweis: privat