Interfață creier-coloană vertebrală controlată prin EEG: un pas promițător către recuperarea funcției motorii după leziuni medulare

Un studiu publicat recent de cercetători de la Washington University in St. Louis a demonstrat pentru prima dată fezabilitatea unei interfețe creier–coloană vertebrală complet non-invazive. Sistemul propus combină electroencefalograma (EEG) pentru decodarea intenției de mișcare cu stimularea transcutanată a măduvei spinării (STCMS) pentru a activa musculatura membrelor inferioare. Această inovație ar putea deschide noi direcții pentru recuperarea motorie la pacienții cu leziuni medulare cronice.
În absența unui tratament curativ pentru paralizia asociată cu leziunile medulare cronice, strategiile actuale de reabilitare se bazează în principal pe fizioterapie și antrenamente locomotorii, dar acestea ating rapid un plafon de eficiență în faza cronică. În ultimii ani, stimularea măduvei spinării – invazivă sau transcutanată – a arătat că poate reactiva circuite motorii reziduale, favorizând reorganizarea neuroplastică și îmbunătățirea funcției motorii. În paralel, interfețele creier–computer au fost dezvoltate pentru a oferi feedback neurofiziologic în timp real, consolidând intențiile voluntare prin activare corticală sincronizată cu mișcarea. Până în prezent, însă, interfețele creier–coloană au fost exclusiv invazive, ceea ce limitează aplicabilitatea lor clinică pe scară largă.

Despre studiu

Obiectivul principal al cercetării a fost dezvoltarea și testarea unei interfețe creier–coloană vertebrală complet non-invazive, care să permită controlul în timp real al STCMS pe baza activității corticale detectate prin EEG, în vederea sincronizării stimulării cu intenția de mișcare.

Participanți și metodologie

Au fost incluși 17 voluntari sănătoși (10 bărbați, 7 femei, medie de vârstă: 25,8 ani). Studiul a fost structurat în trei faze:

• Faza I: dezvoltarea și validarea offline a unui algoritm LDA (linear discriminant analysis) pentru detectarea extensiei genunchiului drept din semnalele EEG.
• Faza II: testarea în timp real a sistemului interfață creier–coloană vertebrală prin controlul activ al STCMS pe baza decodorului EEG.
• Faza III: evaluarea performanței în condiții de control și generalizare (imaginație motorie și mișcări spontane fără semnal extern).

Semnalele EEG au fost înregistrate cu un sistem wireless cu 32 de canale, iar semnalele EMG de la musculatura membrelor inferioare au fost utilizate pentru etichetarea mișcărilor și calibrarea decodorului.

Parametri tehnici

• EEG: filtrare 4–40 Hz, extragerea puterii spectrale în benzi µ (8–12 Hz), β scăzut (16–20 Hz), β înalt (24–28 Hz).
• Decodorul LDA a fost antrenat cu 480 de trăsături combinate spațial, temporal și spectral.
• STCMS a fost aplicată la nivelul T10, cu amplitudini de 10–15 mA și frecvență de 30 Hz, sincronizată cu mișcarea detectată.

Rezultate

Decodarea EEG a intenției de mișcare

În Faza I, decodorul a prezis extensia genunchiului cu o acuratețe semnificativ peste șansa: AUC mediu = 0,83 ± 0,06, p = 0,02. Predicțiile corecte au fost realizate în 73% dintre momentele temporale, cu o rată de detecție a mișcării (TPR) de 92%.

Generalizare la imaginație motorie și mișcări spontane

Testarea decodorului pe imaginație motorie a generat AUC = 0,77 ± 0,07, p = 0,02, sugerând că activitatea EEG reflectă intenția de mișcare și nu doar artefactele mișcării. În condiții fără semnal extern (uncued), performanța a scăzut semnificativ (AUC = 0,72 ± 0,15, p = 0,03), dar a rămas peste șansă.

Controlul în timp real al stimulării medulare

STCMS declanșată de EEG în timp real a fost sincronizată cu mișcarea intenționată în 81% dintre cazuri (cued) și în 68% (uncued). Sistemul a menținut un echilibru rezonabil între sensibilitate și specificitate: în condițiile cu semnal, TPR = 67%, TNR = 66%.

Alte constatări importante

Decodorul antrenat pe imaginație motorie a generalizat bine pe mișcări reale (AUC = 0,79 ± 0,09), ceea ce sugerează utilizabilitatea la pacienții cu paralizie completă. Nu s-au observat diferențe semnificative de performanță între stimulii antropomorfi (ex. videoclipuri cu mișcări de genunchi) și cei simpli (bară verticală), demonstrând robusteză față de elementele vizuale. Introducerea unei toleranțe temporale de ±0,8 secunde a crescut considerabil acuratețea percepută a sistemului.

Concluzii

Acest studiu demonstrează pentru prima dată fezabilitatea unei interfețe creier–coloană vertebrală complet non-invazive, capabilă să controleze în timp real stimularea spinală transcutanată pe baza intenției corticale de mișcare. Decodarea EEG s-a dovedit robustă, generalizabilă și suficient de precisă pentru a fi integrată în protocoale de reabilitare.

Implicații și direcții viitoare

• Aplicabilitate clinică: sistemul are potențialul de a fi utilizat în recuperarea motorie a pacienților cu leziuni medulare cronice, în special în combinație cu protocoale de fizioterapie și exoschelete.
• Extinderea la mișcări naturale: performanța în condiții fără semnal extern rămâne o provocare, necesitând algoritmi mai avansați sau antrenamente suplimentare.
• Scalabilitate și recalibrare: sunt necesare metode de recalibrare automată între sesiuni pentru utilizare clinică zilnică.
• Perspectiva pe termen lung: sincronizarea precisă între intenția corticală și feedback-ul somatic (prin STCMS) poate stimula neuroplasticitatea dependentă de activitate, un mecanism cheie în recuperarea funcției motorii.

Datorită combinației dintre precizia decodării EEG, sincronizarea reală cu stimularea spinală și abordarea complet non-invazivă, această tehnologie reprezintă un progres remarcabil în domeniul neuroreabilitării. Studiile viitoare pe pacienți cu leziuni medulare cronice vor fi esențiale pentru validarea beneficiilor clinice și pentru rafinarea acestei platforme promițătoare.