Een gedetailleerde somatotopische kaart van de spraak articulatoren: een 7T fMRI studie

Communicatie met spraak is een belangrijk onderdeel in ons dagelijks leven.
Mensen met een ernstige verlamming (Locked-In Syndrome, LIS), wat veroorzaakt
wordt door een neurologische aandoening, zoals hersenstam beroerte of
amoytrophic lateral sclerosis (ALS), kunnen niet op een effectieve manier
praten of communiceren. Brein-Computer Interfaces (BCIs) vormen een mogelijke
oplossing voor dit probleem door het gebruik van vrijwillig geïnduceerde
signaalveranderingen in de sensorimotorische gebieden van het brein, die worden
gemeten met geïmplanteerde elektrodes die omgezet worden in besturingssignalen
voor een communicatieapparaat. Deze signaalveranderingen kunnen geproduceerd
worden door een poging om een lichaamsdeel te bewegen, zoals de hand of spraak
articulatoren (i.e., de tong, lippen en kaken). Een belangrijke uitdaging voor
sensorimotorische BCIs is de lange trainingstijd die nodig is voor betrouwbare
en onafhankelijke besturing. Somatosensorische feedback van de bewegingspoging,
door elektrische stimulatie van het brein, zou een veelbelovende stap kunnen
zijn om trainingstijd te verminderen en de prestatie van BCIs bij mensen met
LIS te verbeteren. Om te bepalen waar op de somatosensorische cortex we
elektrisch moeten stimuleren voor verbeterde BCI training en prestatie is het
belangrijk om de onderliggen hersenprocessen van tactiele waarneming te
begrijpen. Eerder onderzoek heeft gevonden dat de hand en vingers op een
ordelijke manier in de somatosensorische cortex gerepresenteerd zijn. De
organisatie van spraak articulatoren, een andere BCI controle-strategie, is
echter nog onduidelijk.

Het algemene doel van deze studie is om de gedetailleerde representatie van de
spraak articulatoren in de somatosensorische cortex te onderzoeken.

Dit is een observationele studie in gezonde vrijwilligers, met 7 Tesla (7T)
functionele magnetic resonance imaging (fMRI) en pneumatische stimulatie van de
spraak articulatoren, waarbij een systeem dat luchtpufjes produceert gebruikt
wordt.

De belasting en het risico van deze studie zijn minimaal. Er zijn geen bekende
risico's geassocieerd met fMRI metingen. De techniek gebruikt geen
contrastvloeistoffen of ioniserende straling. De Utrechtse onderzoeksgroep
heeft ruime ervaring met het uitvoeren van fMRI scans (ongeveer 400 sessies per
jaar met de 7 Tesla MRI scanner). De fMRI procedure is pijnloos, maar enig
ongemak kan echter ontstaan als gevolg van stimulatie van perifere zenuwen
tijdens het scanner en door het moeten stilliggen voor langere tijd, waarbij
een deel van het lichaam en hoofd en in een tunnel-achtig apparaat ligt.

Het pneumatisch apparaat is ontwikkeld door de afdeling Medische Technologie &
Klinische Fysica van het UMC Utrecht en is gebaseerd op een eerder
gerapporteerd design dat bewezen is veilig te zijn in de MRI-scanner (Nazarian
et al., 2022; Wienbruch et al., 2006). Intensiteit van de luchtpufjes die
gegeven worden door het apparaat wordt uitvoerig getest voor de start van de
studie om ongemak bij de proefpersoon te voorkomen. Het apparaat gebruikt
schone medische lucht van het UMC Utrecht en bacteriële filters om huid- en
luchtwegirritatie, gerelateerd aan de kleine kans dat deeltjes losraken van
onderdelen van het apparaat, te voorkomen. Na elke proefpersoon wordt het
apparaat schoongemaakt en wordt voor elke deelnemer het uiteinde van de buis
die de tong stimuleert plus filter vervangen.