Decoding neural mechanisms using in silico and animal models for restoring somatosensory feedback with neuroprostheses

Abstract

Limb amputation is a tragic event that significantly alters patient’s quality of life. Although somatosensory feedback is a crucial for motor control and coordination, currently available prostheses are lacking information about the ground interaction or limb position. Because of that, amputees are prone to falls and asymmetrical walking, causing higher fatigue and big cardiovascular problems. Efforts are made to develop a neuroprosthetic device that is able to restore missing sensations. Previous studies demonstrated the ability to restore touch sensation with electrical stimulation, but the naturalness of resulting sensation was limited and often described as unpleasant paresthesia. Restoring the proprioception, sense about the position of the limb, still remains as a big challenge. This thesis aims to define the proper language to communicate with our nervous system, in order to restore close-to-natural sensory feedback. A computational model of foot sole afferents neural responses was developed and biomimetic paradigms mimicking the natural features of touch designed on its output. Animal models were used for studying the effects of nerve stimulation with different patterns on resulting neural responses along the somatosensory axes, and understanding transmission of artificially induced information from peripheral to the central nervous system. Translational framework for creating new biomimetic strategies is a final outcome of the study. Results imply that the new patterns design should be model-driven, developed approach tested in animals as a proof of concept, and finally validated in the clinical human experiments. Our evidences highlight the remarkable impact of biomimicry, while also holding immense promise in revolutionizing neuroprosthetics.

Aмпутација екстремитета сматра се трагичним догађајем који значајно утиче на здравље и квалитет живота особе. Иако је соматосензорни осећај изузетно важан за координацију покрета, комерцијално доступне протезе не преносе пацијенту информацију о интеракцији са подлогом, или позицији уда у простору. Услед недостатка осећаја из стопала, брзина хода се смањује, јавља се несиметричан ход, замор се последично повећава, и то често доводи до великих кардиоваскуларних проблема. Због наведеног, пуно се улаже у развој неуропростетичких система који би омогућили пацијентима да осећају одговарајуће сензације са периферије. Раније студије показале су да је електричном стимулацијом могуће обновити осећај додира, али је природност осећаја била мала и слична непријатној парестезији. Као додатан изазов јавља се немогућност робусног обнављања осећаја проприоцепције. Ова теза има за циљ да дефинише одговарајући језик за комуникацију са нашим нервним системом како би се повратио осећај што ближи природном. Развијен је „in silico“ модел који опонаша рад механорецептора на стопалу који механички стимулус пресликава се у специфичан одговор нервних влакана и служи као полазна тачка за дефинисање биомиметичких типова стимулације. Ефекти нервне стимулације различитим парадигмама у кичменој мождини и кортексу, као и њихов начин преноса од периферног до централног нервног система, проучавани су током експеримената на животињама. Крајњи исход студије је концепт за креирање биомиметичких типова стимулације: нове парадигме треба базирати на предикцији модела, примарно тестирати приступ на животињама и коначно потврдити перформансе у клиничким студијама на људима. Представљени резултати истичу важност биомимикрије и омогућавају превазилажење недостатака и напредак у развоју неуропротетичких система.