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

基本信息

  • 批准号:
    10613441
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 51.98万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-07-01 至 2025-04-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

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.
尽管干细胞和其他生物方法具有长期前景,但目前的改进选择  脊髓损伤 (SCI) 后的功能仍然相当有限。  然而,脑机接口 (BMI)  利用皮质活动来驱动肌肉或脊髓的功能性电刺激 (FES),具有很好的效果  不仅可以在使用 BMI 时恢复运动能力,还可以改善功能  康复,以便在去除 BMI 后提高他们的表现。 我们研究的总体目标  的目的是确定最大化皮质控制 FES 的这两种潜在优势的策略。   使用皮质活动来驱动个体肌肉刺激的系统可能会最大限度地恢复  运动功能:通过使用户能够改变单个肌肉的幅度和时间,运动可以  可能会根据需要进行调整以实现任务要求。 产生运动的替代策略,  例如激活肌肉群或脊髓中产生肢体弯曲或伸展的部位,将  减少可能的运动范围。 尽管这些策略在 SCI 后学习起来可能比  控制个体肌肉,它们显然限制了可以恢复的运动功能的水平。  然而,为了实现最大的功能康复,脊柱刺激可能是一个更重要的方法。  比肌肉刺激更有希望的策略。 重复的脊柱刺激可能会维持脊柱的功能  参与运动产生并能够恢复下行连接的路径  通过关联可塑性的系统。 相反,由于肌肉刺激不会激活脊髓通路  为了产生运动,它可能会产生较少的功能康复。  因此,肌肉刺激和脊髓刺激之间存在潜在的权衡:肌肉刺激可以使  高水平的运动能力,但可能会限制功能康复,而脊柱刺激可能会增强  康复但限制灵活性。  我们的研究将调查这种权衡,目标是设计一种混合动力  该系统结合了脊柱和肌肉刺激,以实现高水平的运动能力和功能  康复。  我们将在老鼠身上进行这些实验,在皮层中植入电极来记录神经活动  并在脊髓和肌肉中产生运动。  然后我们将训练老鼠使用这些系统  SCI,评估它们是否可以提高运动能力和功能康复。  在目标 1 中,我们将评估  动物是否可以通过使用皮质活动控制激活的系统产生高水平的运动能力  个体肌肉。  在目标 2 中,我们将评估动物是否使用皮质活动来控制大脑皮层的激活  脊柱刺激有更好的功能康复作用。 最后,在目标 3 中,我们将评估混合系统是否  控制肌肉和脊柱刺激的激活,利用每种方法的优点  产生运动,从而实现高水平的运动能力和功能康复。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Wireless and battery-free technologies for neuroengineering.
  • DOI:
    10.1038/s41551-021-00683-3
  • 发表时间:
    2023-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    28.1
  • 作者:
    Won SM;Cai L;Gutruf P;Rogers JA
  • 通讯作者:
    Rogers JA
Wireless and battery-free platforms for collection of biosignals.
  • DOI:
    10.1016/j.bios.2021.113007
  • 发表时间:
    2021-04-15
  • 期刊:
  • 影响因子:
    12.6
  • 作者:
    Stuart T;Cai L;Burton A;Gutruf P
  • 通讯作者:
    Gutruf P
Prediction of isometric forces from combined epidural spinal cord and neuromuscular electrical stimulation in the rat lower limb.
大鼠下肢硬膜外脊髓联合神经肌肉电刺激的等长力预测。
  • DOI:
    10.21203/rs.3.rs-3377679/v1
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Song,Daniel;Tresch,Matthew
  • 通讯作者:
    Tresch,Matthew
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