Brain-Machine Interfaces and Plasticity of Brain Function

Abstract

Introduction: Brain–machine interfaces (BMI) create a direct communication pathway between the brain and an external device. BMI can be used, beside other possibilities, for selective induction of use-dependent neuroplasticity that might e.g. facilitate motor recovery. Objectives: The dissertation pursued four main goals: 1) to investigate the efficacy of BMI technology as a rehabilitation tool for chronic stroke patients suffering complete paralysis of their fingers and from a damaged brain at the same time; 2) to find biomarkers, e.g. the presence of motor evoked potentials (MEP) that can predict recovery related to BMI training; 3) to investigate the neural substrates, e.g. integrity of the cerebral cortex or thalamus to generate event-related desynchronization (ERD) and thus to control the BMI, and 4) to integrate other biosignals to improve BMI control. Methods: 39 severely affected chronic stroke patients with no finger extension underwent a 4-week daily BMI training for one and half hour followed by one hour of physiotherapy. Patients were divided according to feedback contingency, and subcategorized according to the integrity of sensorimotor cortex, thalamus and presence of MEP. Results: The results show that patients in the experimental group improved functional outcomes significantly compared to the control group. Patients with ipsilesional upper-limb MEP presented better functional outcomes in both treatment groups, but motor recovery was superior in patients with MEP in the experimental group. Besides that, patients with an intact motor cortex showed significantly stronger ERD since their first training day. Moreover integration of electrooculogram (EOG) seems to improve reliability of BMI control. Interpretation: The results show that BMI technology is a reliable tool in neurorehabilitation of chronic stroke patients. The success of BMI training can be improved according to the integrity of the motor cortex or the presence of MEP.

Introdução: A interface cérebro-máquina (BMI) cria um caminho de comunicação direto entre o cérebro e um aparelho externo. A BMI pode ser utilizada, dentre outras possibilidades, para indução seletiva de neuroplasticidade dependente do uso, o que deve por exemplo facilitar a recuperação motora. Objetivos: A tese aspira quarto objetivos principais: 1) investigar a eficácia da tecnologia BMI como uma ferramenta de reabilitação para pacientes crônicos de derrame com paralisia completa dos dedos e um cérebro danificado; 2) encontrar biomarcadores, por exemplo, a presença de potencial motor evocado (MEP) que possa prever recuperação relacionada ao treinamento com BMI; 3) investigar os substratos neurais, por exemplo, a integridade do cortex cerebral ou do tálamo para gerar a desincronização relacionada ao evento (ERD) e com isso controlar a BMI, e 4) integrar outros sinais biológicos para aprimorar o controle da BMI. Métodos: 39 pacientes de derrame em estado crônico, e severamente afetados – sem nenhuma extensão dos dedos – submeteram-se a um treinamento diário de BMI por 4 semanas por uma hora e meia seguido por uma hora de fisioterapia. Os pacientes foram divididos de acordo com o tipo de feedback, e subcategorizados de acordo com a integridade do córtex sensoriomotor, tálamo e a presença de MEP. Resultados: Os resultados mostram que pacientes no grupo experimental apresentaram melhoras funcionais significativas comparados ao grupo de controle. Pacientes com MEP ipsilesional no membro superior apresentaram melhoras funcionais em ambos os grupos, mas a recuperação motora foi superior nos pacientes com MEP no grupo experimental. Além disso, pacientes com córtex motor preservado mostraram ERD significativamente mais forte desde o primeiro dia de treino. Além disso, a integração de eletrooculografia (EOG) parece aprimorar a confiabilidade do controle da BMI. Interpretação: Os resultados mostram que a tecnologia BMI é uma ferramenta confiável na neuroreabilitação de pacientes crônicos de derrame. O sucesso do treinamento com BMI pode ser aperfeiçoado de acordo com a integridade do córtex motor ou a presença de MEP. Palavras-chave: Interface cérebro-máquina (BMI), derrame, reabilitação, potencial motor evocado (MEP).