Neuromodulation for supporting lower limb movement rehabilitation

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018Stroke is a devastating incident, affecting more than fifteen million people worldwide each year. Most stroke patients have motor impairments that often result in disability, such as impaired gait and inability to perform day-to-day activities. When questioned, stroke survivors report that their primary wish is to regain their lost independence. For this reason, much of the standard rehabilitation strategies employed involve the repetition of the lost motor skill (e.g.: re-training of walking), to promote motor learning. If a patient is not able to perform the movement himself, the movement is assisted by a physical therapist that will move their limbs for them. This type of rehabilitation is a bottom-up approach – limb movement influencing brain activation patterns and, thus, encouraging brain plasticity. In contrast, our main goal is to study the effects of BCI training, a top-down approach, as a tool to promote neuromodulation and, ultimately, motor learning. The goal of this dissertation is to study the effectiveness of an electroencephalography (EEG)-based Brain-Computer Interface (BCI) robot training protocol on healthy participants, in the acquisition of a new motor skill: toe abduction. For this, twenty-one subjects were divided into three different conditions - active robotic feedback, visual feedback and mock robotic feedback - and performance was assessed throughout five experimental training sessions. Results show that participants that were subjected to contingent BCI feedback, through the robotic apparatus, had a significant increase between sessions in muscle activation and in the range of motion (ROM), our primary outcome to access the ability to abduct the big toe. However, there were no significant differences in these outcome measurements, when performing an inter-condition comparison. Additionally, no significant results were found when comparing changes in the cortical oscillatory activity, as a measure of brain plasticity. These results indicate that, although participants from the active robotic condition showed the desired behavior, the overall evidence obtained is not sufficient to state that this type of protocol is more efficient in the promotion of motor learning of a novel skill in healthy participants. We propose an innovative motor learning approach consisting of enhancing brain activation using a brain-controlled robot for lower limb training, but future work needs to be developed in order to confirm the effectiveness of this approach when compared to conventional techniques.Vários estudos sugerem que o uso de neurofeedback pode melhorar o desempenho físico e/ou cognitivo humano. Este conceito pode ser definido num espectro contínuo: num extremo temos o comportamento disfuncional, e no extremo oposto o comportamento ótimo. Desta forma, as alterações ao desempenho introduzidas pelo neurofeedback podem advir de situações onde indivíduos que sofrem de algum género de incapacidade física ou cognitiva recuperam, atingindo um comportamento normativo, ou de situações onde os indivíduos que, a priori, demostram comportamentos padrão, desenvolvem as suas capacidades, atingindo um comportamento perto do ótimo. Ainda que este último caso seja um objetivo tangível da investigação contemporânea, com cada vez mais estudos a focarem-se no uso de ferramentas de neuropotenciação para promover determinadas capacidades cognitivas (como a velocidade de processamento, memória de trabalho ou funções executivas) em profissionais que estão sujeitos a grandes cargas de trabalho ou a estudantes com dificuldades de aprendizagem ou concentração, o primeiro tópico foi o que deu azo ao desenvolvimento desta dissertação. Acidentes vasculares cerebrais (AVC) são uma das principais causas de mortalidade em países com elevadas taxas de desenvolvimento económico e social, afetando anualmente mais de quinze milhões de pessoas a nível mundial. São caracterizados por problemas na irrigação sanguínea do cérebro, causando a morte celular de neurónios especializados, o que leva a que determinadas regiões do cérebro deixem de funcionar devidamente. O AVC geralmente causa um impacto significativo na vida funcional, cognitiva e social do paciente, dado que as repercussões muitas vezes levam a incapacidades crónicas. O surgimento de deficiências motoras dos membros superiores e inferiores são extremamente comuns, o que leva a que grande parte das estratégias de reabilitação para pacientes que sofreram um AVC se concentrem na recuperação da mobilidade. As técnicas de reabilitação convencionais podem ser definidas como abordagens ”de baixo para cima”: o tratamento foca-se na repetição intensiva de movimentos no membro afetado, com o objetivo de influenciar o sistema neuronal e a sua plasticidade. Contudo, este género de terapêuticas apenas beneficia certa de 50% dos pacientes, o que significa que a outra metade da população que recorre a esta abordagem continua parcialmente dependente de terceiros para a realização das suas atividades diárias. Protocolos que recorrem aos princípios da aprendizagem motora têm tentado melhorar este quadro. A aprendizagem motora está associada à proliferação de dendrites e à formação de novas ou alteração de sinapses pré-existentes. Desta forma, este tipo de aprendizagem pode ser uma ferramenta útil para induzir a reorganização cortical necessária à reaprendizagem de tarefas motoras. As Interfaces Cérebro-Máquina (BCI, do inglês Brain-Computer Interface) são sistemas que fornecem uma alternativa às vias de comunicação comuns, pois criam uma linha direta de comunicação e controlo entre o cérebro e aparelhos físicos ao traduzir, em tempo-real, os diferentes padrões de atividade cerebral em comandos. Protocolos de reabilitação que recorram ao uso de BCIs para proporcionar feedback multissensorial podem, potencialmente, modular a atividade cerebral do utilizador, induzindo alterações plásticas ao hemisfério lesionado e, assim, promover o restauro das funções motoras afetadas depois do AVC. Este género de sistema pode ser, então, visto como uma abordagem ”de cima para baixo”`a neuroreabilitação: neste caso, estimulamos a plasticidade cerebral ao incentivar a participação ativa do paciente no processo de reabilitação, de forma a produzir o movimento desejado, fechando, assim, o ciclo sensoriomotor. A presente tese teve como objetivo o estudo de um protocolo de treino BCI, com base na aquisição e sinais eletroencefalográficos em tempo-real, acoplado a um aparelho robótico. Vinte e um sujeitos saudáveis participaram nas cinco sessões experimentais deste estudo, sendo divididos em três grupos: feedback robótico, feedback visual e o grupo de controlo, que recebeu feedback robótico falso. Pretendíamos utilizar este sistema para ensinar os participantes a efetuar um movimento que não dominavam a priori, a abdução do hálux (dedo grande do pé) direito. Para pacientes que sofreram um AVC, o processo de recuperação é, muitas vezes, demorado e frustrante. Por isso, quisemos criar uma tarefa que recriasse, até certo ponto, este tipo de obstáculos à aprendizagem motora em sujeitos saudáveis. O sistema muscular humano apresenta músculos funcionais que permitem a realização deste movimento (abductor hallucis), porém a maioria da nossa amostra de sujeitos não conseguia realizar o movimento antes de participar na experiência. Os resultados mostraram que os participantes que receberam feedback robótico, devido ao controlo ativo do sistema BCI, tiveram um aumento significativo da atividade muscular assim como do alcance do movimento (medido em graus), ao longo das sessões. Contudo, ao comparar estes resultados entre os vários grupos, não foram observadas diferenças significativas. Alterações na atividade oscilatória do córtex motor também foram analisadas, através do cálculo do ERD (do inglês, event-related desynchronization, marcador que indica a supressão das ondas beta no córtex motor) e das percentagens de classificação obtidas. Mas, mais uma vez, não foram observadas diferenças significativas entre grupos ou sessões. Estes resultados indicam que, apesar de os participantes do grupo ativo terem efetivamente aprendido a realizar a tarefa desejada, não há evidências concretas da eficiência deste tipo de protocolo na aprendizagem de uma nova tarefa motora em indivíduos saudáveis. Estudos de acompanhamento terão de ser realizados, de forma a comprovar as nossas suposições iniciais. A baixa amostra de sujeitos na realização deste estudo pode ter sido um fator de peso nos resultados obtidos, pois leva a uma maior influência da variabilidade dos dados nos mesmos. Para além disso, é necessário desenvolver técnicas de processamento de sinal mais eficazes pois, apesar de terem sido tomadas medidas para remover os artefactos de movimento e musculares do sinal adquirido, as figuras obtidas manifestavam corrupção por artefactos em canais periféricos. Finalmente, um refinamento do design da experiência pode permitir um melhor controlo de influências externas à tarefa e aumentar o nível de motivação e envolvimento dos participantes, permitindo, desta maneira, diferenciar as várias condições de forma mais acentuada