Optimizing the restoration and rehabilitation of function using cortically-controlled FES following SCI

SCI 后使用皮质控制的 FES 优化功能恢复和康复

• 批准号: 10397418
• 负责人: Matthew Tresch
• 金额: $ 51.44万
• 依托单位: NORTHWESTERN UNIVERSITY AT CHICAGO
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2019-07-01 至 2024-04-30
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10397418
• 关键词: Animals; Biological; Brain; Control Groups; Electrodes; Goals; Hindlimb; Hybrids; Implant; Implanted Electrodes; Individual; Intramuscular; Learning; Limb structure; Motor; Motor Cortex; Motor Neurons; Movement; Muscle; Neurons; Pathway interactions; Performance; Persons; Production; Rattus; Rehabilitation therapy; Research; Site; Spinal; Spinal Cord; Spinal cord injury; Synapses; System; Training; Work; brain machine interface; design; experimental study; flexibility; functional electrical stimulation; functional improvement; functional outcomes; functional restoration; improved; improved functioning; limb movement; motor function improvement; novel; preservation; relating to nervous system; restoration; spinal pathway; stem cells; treadmill training; wireless

Despite the  long-­term promise  of  stem-­cell  and  other biological  approaches,  current options to  improve  function  following  spinal  cord  injury  (SCI)  remain  quite  limited.  However,  brain  machine  interfaces  (BMIs)  that  use  cortical  activity  to  drive  functional  electrical  stimulation  (FES)  of  muscles  or  the  spinal  cord  have  great  promise  not  only  for  the  restoration  of  motor  ability  when  using  the  BMI,  but  also  for  improved  functional  rehabilitation so that their performance is improved when the BMI is removed. The overall goal of our research  is to identify strategies that maximize both of these potential strengths of cortically-­controlled FES.   A system using cortical activity to drive stimulation of individual muscles might maximize the restoration  of motor function: by enabling users to vary the amplitude and timing of individual muscles, movements can  potentially be adapted as necessary to achieve task demands. Alternate strategies of producing movement,  such as activation of muscle groups or of sites in the spinal cord producing limb flexion or extension, will  reduce the range of possible movements. Although these strategies might be simpler to learn after SCI than  control of individual muscles, they clearly limit the level of motor function that can be restored.  In order to achieve the greatest functional rehabilitation, however, spinal stimulation might be a more  promising strategy than muscle stimulation. Repeated spinal stimulation might maintain the function of spinal  pathways involved in the production of movement and enable restoration of connections from descending  systems through associative plasticity. Conversely, since muscle stimulation does not activate spinal pathways  to produce movement, it might produce less functional rehabilitation.  There is therefore a potential tradeoff between muscle and spinal stimulation: muscle stimulation enables  high  levels  of  motor  ability  but  might  limit  functional  rehabilitation,  while  spinal  stimulation  might  enhance  rehabilitation  but  limit  flexibility.  Our  research  will  investigate  this  tradeoff,  with  the  goal  of  designing  a  hybrid  system  that  combines  spinal and  muscle  stimulation  to achieve high  levels  of  both  motor  ability  and  functional  rehabilitation.  We  will  perform  these  experiments  in  rats,  implanting  electrodes  in  the  cortex  to  record  neural  activity  and  in  the  spinal  cord  and  muscles  to  produce  movements.  We  will  then  train  rats  to  use  these  systems  after  SCI, evaluating  whether  they  can  improve  motor ability and  functional  rehabilitation.  In  Aim 1,  we will  evaluate  whether animals can produce high levels of motor ability with a system using cortical activity to control activation  of  individual  muscles.  In  Aim  2,  we  will  evaluate  whether  animals  using  cortical  activity  to  control  activation  of  spinal stimulation have better functional rehabilitation. Finally, in Aim 3 we will evaluate whether a hybrid system  that  controls  activation  of  both  muscle  and  spinal  stimulation,  exploits  the  advantages  of  each  approach  to  produce movement, resulting in high levels of both motor ability and of functional rehabilitation.

Despite the  long-­term promise  of  stem-­cell  and  other biological  approaches,  current options to  improve  function  following  spinal  cord  injury  (SCI)  remain  quite  limited.  However,  brain  machine  interfaces  (BMIs)  that  use  cortical  activity  to  drive  functional  electrical  stimulation  (FES)  of  muscles  or  the  spinal  cord  have  great  promise  not  only  for  the  restoration  of  motor  ability  when  using  the  BMI,  but  also  for  improved  functional  rehabilitation so that their performance is improved when the BMI is removed. The overall goal of our research  is to identify strategies that maximize both of these potential strengths of cortically-­controlled FES.   A system using cortical activity to drive stimulation of individual muscles might maximize the restoration  of motor function: by enabling users to vary the amplitude and timing of individual muscles, movements can  potentially be adapted as necessary to achieve task demands. Alternate strategies of producing movement,  such as activation of muscle groups or of sites in the spinal cord producing limb flexion or extension, will  reduce the range of possible movements. Although these strategies might be simpler to learn after SCI than  control of individual muscles, they clearly limit the level of motor function that can be restored.  In order to achieve the greatest functional rehabilitation, however, spinal stimulation might be a more  promising strategy than muscle stimulation. Repeated spinal stimulation might maintain the function of spinal  pathways involved in the production of movement and enable restoration of connections from descending  systems through associative plasticity. Conversely, since muscle stimulation does not activate spinal pathways  to produce movement, it might produce less functional rehabilitation.  There is therefore a potential tradeoff between muscle and spinal stimulation: muscle stimulation enables  high  levels  of  motor  ability  but  might  limit  functional  rehabilitation,  while  spinal  stimulation  might  enhance  rehabilitation  but  limit  flexibility.  Our  research  will  investigate  this  tradeoff,  with  the  goal  of  designing  a  hybrid  system  that  combines  spinal and  muscle  stimulation  to achieve high  levels  of  both  motor  ability  and  functional  rehabilitation.  We  will  perform  these  experiments  in  rats,  implanting  electrodes  in  the  cortex  to  record  neural  activity  and  in  the  spinal  cord  and  muscles  to  produce  movements.  We  will  then  train  rats  to  use  these  systems  after  SCI, evaluating  whether  they  can  improve  motor ability and  functional  rehabilitation.  In  Aim 1,  we will  evaluate  whether animals can produce high levels of motor ability with a system using cortical activity to control activation  of  individual  muscles.  In  Aim  2,  we  will  evaluate  whether  animals  using  cortical  activity  to  control  activation  of  spinal stimulation have better functional rehabilitation. Finally, in Aim 3 we will evaluate whether a hybrid system  that  controls  activation  of  both  muscle  and  spinal  stimulation,  exploits  the  advantages  of  each  approach  to  produce movement, resulting in high levels of both motor ability and of functional rehabilitation.