Bobath oncept and brain-computer interface: combined approach to enhance neuroplasticity in chronic stroke

Abstract

One of the major goals of stroke rehabilitation is the recovery of upper limb function. Physical therapy, based on the Bobath Concept (PT), is the most common intervention in stroke patients, and shows good results, despite the lack of well-controlled trials. In addition, neurofeedback techniques using electroencephalography (EEG)-based brain computer interfaces (BCI) to guide motor imagery, have recently emerged as valuable rehabilitation tools, however, little research has been carried out in stroke patients. Studies showed that the main strategy adopted during motor imagery (MI) training involves familiar tasks, and only seemed beneficial in chronic stroke patients, specially associated with other forms of intervention, such as physical therapy. Nonetheless, it is not clear if and how MI training with neurofeedback BCI systems, promotes not only clinical but also neurophysiologic changes in stroke patients. Moreover, we found that despite the incremental use of EEG-fMRI studies, there is lack of exploration of the relationship between changes in brain symmetry index (BSI) and blood oxygen level-dependent (BOLD) responses in chronic stroke patients. The second part of this thesis aims to: analyze the relationship changes in BSI and BOLD responses during multitasks (motor execution or MI for both the affected/unaffected hand). We also assess the neural mechanisms underlying the improvement of upper limb function after PT and test whether the association of a MI with neurofeedback EEG-based BCI to a PT program can further enhance the efficacy of the latter in neuroplasticity and in the recovery of upper limb function in chronic stroke patients. We found that time post stroke was negatively correlated with contralesional cerebellum activity and changes in BOLD activation patterns were related to BSI variation and different from the affected compared to unaffected hand movement and during execution compared with MI. It seems that 4-weeks of a PT program promotes recovery of upper limb function and neuroplasticity even in chronic stroke patients, in particularly in ipsilesional precentral and post central area and contralesional cerebellum. MI training guided through real neurofeedback from BCI can help to improve upper limb function and brain symmetry compared to sham neurofeedback, in chronic stroke patients, however, conclusions must be carefully taken into consideration, given the extremely limited number of patients. In conclusion, PT can change upper limb function and neuroplasticity in chronic stroke patients, MI guided through neurofeedback from BCI can be an adjunctive treatment since improves not only upper limb function but also brain symmetry. Large trials of PT associated to MI training with BCI in this population are justified.

A recuperação da função do membro superior é um dos maiores objetivos da reabilitação de doentes com acidente vascular cerebral (AVC). A Fisioterapia baseada no conceito de Bobath (FT) é uma das intervenções mais comuns em doentes com AVC, demonstrando bons resultados, apesar da falta de estudos bem controlados. Recentemente surgiram como ferramentas valiosas de reabilitação o uso de neurofeedback fornecido por interfaces computador-cérebro (BCI) através de eletroencefalografia (EEG) para guiar a imaginação motora (IM), no entanto, poucas pesquisas foram realizadas em doentes com AVC. Estudos de investigação demonstraram que a principal estratégia adotada na IM envolve tarefas familiares, parecendo benéfica apenas em doentes crónicos em associação a outras formas de intervenção, tais como a fisioterapia. No entanto não é claro, se e quando o treino de IM guiado por o neurofeedback de um BCI promove não só alterações clinicas mas também neurofisiológicas. Além disso, descobrimos que apesar do aumento de estudos com EEG-fMRI, há falta de exploração da relação entre as mudanças no índice de simetria cerebral (BSI) e as respostas BOLD (Blood Oxygen Level-Dependent) em doentes com AVC crónicos. A segunda parte desta tese tem como objetivos: analisar a relação entre as mudanças no BSI e as respostas BOLD durante tarefas múltiplas (execução motora ou IM). Pretendeu-se ainda avaliar os mecanismos neuronais subjacentes à melhoria da função do membro superior após uma intervenção de FT e testar se a associação de um treino de IM com neurofeedback a um programa de FT pode aumentar ainda mais a eficácia deste último na neuroplasticidade e na recuperação da função do membro superior. Descobrimos que o tempo após o AVC correlaciona-se negativamente com a atividade do cerebelo contralesional e, que as mudanças nos padrões de ativação BOLD estão relacionadas com a variação do BSI, sendo diferentes do lado afetado em comparação com o movimento da mão não afetada e durante a execução em comparação com a IM. Parece que um programa de FT, durante 4 semanas, promove a recuperação da função do membro superior e neuroplasticidade, em particular nas áreas precentral e poscentral ipsilesionais, assim como no cerebelo contralesional. O treino de IM guiado através de neurofeedback real a partir de um BCI pode ajudar a melhorar a função do membro superior e simetria cerebral em comparação com um neurofeedback sham, em doentes com AVC crónico, contudo, as conclusões devem ser cuidadosamente tomadas. Em conclusão, a FT pode mudar a função do membro superior e a neuroplasticidade em doentes com AVC crónico; o treino de IM guiado através do neurofeedback do BCI pode ser um tratamento adjuvante uma vez que não só melhora a função do membro superior, mas também a simetria cerebral. Ensaios maiores, associando a FT ao treino de IM com um BCI, nesta população são justificados.