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

尽管干细胞移植和其他生物医学方法的长期前景看好，但目前的生物医学选择仍需进一步改进。 脊髓损伤(SCI)后的功能仍然相当有限。然而，脑-机接口(BMI)不能满足这一要求。 使用皮质神经活动仪来驱动肌肉或脊髓的功能性电刺激功能(FES)，效果很好。 承诺不仅包括在使用BMI时改善运动能力，而且还包括改善其功能。 康复是为了让他们的整体表现在BMI指数被移除的情况下得到改善。这是我们研究的总体目标。 正在努力确定新的战略，以最大限度地利用这些潜在的优势和优势，实现皮质控制的FES。 一个利用大脑皮层神经活动来驱动对个体肌肉的刺激的系统，可能不会最大限度地促进神经修复。 运动功能：通过使用户能够改变个人肌肉的运动幅度和运动时间，可以实现更多的运动。 可能会根据需要进行调整，以更好地实现任务和需求。此外，还可以采用替代战略，以实现更高的生产效率。 例如，在产生肢体屈曲或伸展的过程中，脊髓周围的肌肉群或部位的激活将会发生。 减少可能的运动范围。尽管这些运动策略可能比运动后的运动更容易学习。 对个人肌肉的控制，如果它们明确限制了无法恢复的运动和肌肉功能的最高水平。 然而，为了实现最大的功能康复，脊椎神经刺激可能不是一个更好的选择。 有希望的治疗策略比肌肉刺激更重要。反复的脊髓刺激可能无法维持脊柱的正常功能。 参与移动设备的最新生产过程的路径，以及能够使设备连接从下降中恢复的路径。 系统通过联想的可塑性进行调节。相反，由于肌肉的刺激并不能完全激活脊髓神经通路。 为了更好地进行运动，它可能不会产生更少的功能性运动康复。 因此，在肌肉刺激和脊柱刺激之间存在一个潜在的权衡：肌肉刺激和脊髓刺激能够实现。 高水平的运动能力，但可能会限制功能康复，而脊柱刺激可能不会增强。 康复可能会限制灵活性。但我们的研究团队将不会调查这种权衡，而不是设计一种新型混合动力车的最终目标。 该系统将脊柱运动和肌肉运动刺激相结合，以实现运动能力和功能的高水平测试。 康复。 我们还将在大鼠身上进行这些新的实验，通过在大脑皮层植入新的电极来记录大脑的神经活动。 然后，我们将训练大鼠，让它们使用这些运动系统。 SCI，正在评估他们是否能够进一步提高运动能力和功能康复。在目标1中，我们将继续评估。 动物是否能产生高水平的运动能力，取决于一个控制系统，使用大脑皮质神经活动来控制大脑的激活。 在Aim 2中，我们将继续评估动物是否正在使用皮质神经活动来控制神经元的激活速度。 脊髓神经刺激术在功能康复方面取得了更好的效果。最后，在第三个目标中，我们将不会评估是否会有一个新的混合式医疗系统。 这可以控制肌肉肌肉和脊髓神经刺激的激活速度，并利用每种方法的优势。 产生运动，从而导致运动能力和功能康复水平的提高。

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.