Computational neurorehabilitation: modeling plasticity and learning to predict recovery

Despite progress in using computational approaches to inform medicine and neuroscience in the last 30 years, there have been few attempts to model the mechanisms underlying sensorimotor rehabilitation. We argue that a fundamental understanding of neurologic recovery, and as a result accurate predictions at the individual level, will be facilitated by developing computational models of the salient neural processes, including plasticity and learning systems of the brain, and integrating them into a context specific to rehabilitation. Here, we therefore discuss Computational Neurorehabilitation, a newly emerging field aimed at modeling plasticity and motor learning to understand and improve movement recovery of individuals with neurologic impairment. We first explain how the emergence of robotics and wearable sensors for rehabilitation is providing data that make development and testing of such models increasingly feasible. We then review key aspects of plasticity and motor learning that such models will incorporate. We proceed by discussing how computational neurorehabilitation models relate to the current benchmark in rehabilitation modeling – regression-based, prognostic modeling. We then critically discuss the first computational neurorehabilitation models, which have primarily focused on modeling rehabilitation of the upper extremity after stroke, and show how even simple models have produced novel ideas for future investigation. Finally, we conclude with key directions for future research, anticipating that soon we will see the emergence of mechanistic models of motor recovery that are informed by clinical imaging results and driven by the actual movement content of rehabilitation therapy as well as wearable sensor-based records of daily activity

Use of Electroencephalography Brain-Computer Interface Systems as a Rehabilitative Approach for Upper Limb Function After a Stroke: A Systematic Review

Background: Brain-computer interface (BCI) systems have been suggested as a promising tool for neurorehabilitation. However, to date, there is a lack of homogeneous findings. Furthermore, no systematic reviews have analyzed the degree of validation of these interventions for upper limb (UL) motor rehabilitation poststroke. Objectives: The study aims were to compile all available studies that assess an UL intervention based on an electroencephalography (EEG) BCI system in stroke; to analyze the methodological quality of the studies retrieved; and to determine the effects of these interventions on the improvement of motor abilities. Type: This was a systematic review. Literature Survey: Searches were conducted in PubMed, PEDro, Embase, Cumulative Index to Nursing and Allied Health, Web of Science, and Cochrane Central Register of Controlled Trial from inception to September 30, 2015. Methodology: This systematic review compiles all available studies that assess UL intervention based on an EEG-BCI system in patients with stroke, analyzing their methodological quality using the Critical Review Form for Quantitative Studies, and determining the grade of recommendation of these interventions for improving motor abilities as established by the Oxford Centre for Evidence-based Medicine. The articles were selected according to the following criteria: studies evaluating an EEG-based BCI intervention; studies including patients with a stroke and hemiplegia, regardless of lesion origin or temporal evolution; interventions using an EEG-based BCI to restore functional abilities of the affected UL, regardless of the interface used or its combination with other therapies; and studies using validated tools to evaluate motor function. Synthesis: After the literature search, 13 articles were included in this review: 4 studies were randomized controlled trials; 1 study was a controlled study; 4 studies were case series studies; and 4 studies were case reports. The methodological quality of the included papers ranged from 6 to 15, and the level of evidence varied from 1b to 5. The articles included in this review involved a total of 141 stroke patients. Conclusions: This systematic review suggests that BCI interventions may be a promising rehabilitation approach in subjects with stroke. Level of Evidence: I

On Neuromechanical Approaches for the Study of Biological Grasp and Manipulation

Biological and robotic grasp and manipulation are undeniably similar at the level of mechanical task performance. However, their underlying fundamental biological vs. engineering mechanisms are, by definition, dramatically different and can even be antithetical. Even our approach to each is diametrically opposite: inductive science for the study of biological systems vs. engineering synthesis for the design and construction of robotic systems. The past 20 years have seen several conceptual advances in both fields and the quest to unify them. Chief among them is the reluctant recognition that their underlying fundamental mechanisms may actually share limited common ground, while exhibiting many fundamental differences. This recognition is particularly liberating because it allows us to resolve and move beyond multiple paradoxes and contradictions that arose from the initial reasonable assumption of a large common ground. Here, we begin by introducing the perspective of neuromechanics, which emphasizes that real-world behavior emerges from the intimate interactions among the physical structure of the system, the mechanical requirements of a task, the feasible neural control actions to produce it, and the ability of the neuromuscular system to adapt through interactions with the environment. This allows us to articulate a succinct overview of a few salient conceptual paradoxes and contradictions regarding under-determined vs. over-determined mechanics, under- vs. over-actuated control, prescribed vs. emergent function, learning vs. implementation vs. adaptation, prescriptive vs. descriptive synergies, and optimal vs. habitual performance. We conclude by presenting open questions and suggesting directions for future research. We hope this frank assessment of the state-of-the-art will encourage and guide these communities to continue to interact and make progress in these important areas

Brain-Switches for Asynchronous Brain−Computer Interfaces: A Systematic Review

A brain–computer interface (BCI) has been extensively studied to develop a novel communication system for disabled people using their brain activities. An asynchronous BCI system is more realistic and practical than a synchronous BCI system, in that, BCI commands can be generated whenever the user wants. However, the relatively low performance of an asynchronous BCI system is problematic because redundant BCI commands are required to correct false-positive operations. To significantly reduce the number of false-positive operations of an asynchronous BCI system, a two-step approach has been proposed using a brain-switch that first determines whether the user wants to use an asynchronous BCI system before the operation of the asynchronous BCI system. This study presents a systematic review of the state-of-the-art brain-switch techniques and future research directions. To this end, we reviewed brain-switch research articles published from 2000 to 2019 in terms of their (a) neuroimaging modality, (b) paradigm, (c) operation algorithm, and (d) performance

Neuroplastic Changes Following Brain Ischemia and their Contribution to Stroke Recovery: Novel Approaches in Neurorehabilitation

Ischemic damage to the brain triggers substantial reorganization of spared areas and pathways, which is associated with limited, spontaneous restoration of function. A better understanding of this plastic remodeling is crucial to develop more effective strategies for stroke rehabilitation. In this review article, we discuss advances in the comprehension of post-stroke network reorganization in patients and animal models. We first focus on rodent studies that have shed light on the mechanisms underlying neuronal remodeling in the perilesional area and contralesional hemisphere after motor cortex infarcts. Analysis of electrophysiological data has demonstrated brain-wide alterations in functional connectivity in both hemispheres, well beyond the infarcted area. We then illustrate the potential use of non-invasive brain stimulation (NIBS) techniques to boost recovery. We finally discuss rehabilitative protocols based on robotic devices as a tool to promote endogenous plasticity and functional restoration

Simultaneous bilaternal training for improving arm function after stroke

Background Simultaneous bilateral training, the completion of identical activities with both arms simultaneously, is one intervention to improve arm function and reduce impairment. Objectives To determine the effects of simultaneous bilateral training for improving arm function after stroke. Search strategy We searched the Cochrane Stroke Trials Register (last searched August 2009) and 10 electronic bibliographic databases including the Cochrane Central Register of Controlled Trials (CENTRAL) (The Cochrane Library Issue 3, 2009), MEDLINE, EMBASE, CINAHL and AMED (August 2009). We also searched reference lists and trials registers. Selection criteria Randomised trials in adults after stroke, where the intervention was simultaneous bilateral training compared to placebo or no intervention, usual care or other upper limb (arm) interventions. Primary outcomes were performance in activities of daily living (ADL) and functional movement of the upper limb. Secondary outcomes were performance in extended activities of daily living and motor impairment of the arm. Data collection and analysis Two authors independently screened abstracts, extracted data and appraised trials. Assessment of methodological quality was undertaken for allocation concealment, blinding of outcome assessor, intention-to-treat, baseline similarity and loss to follow up. Main results We included 18 studies involving 549 relevant participants, of which 14 (421 participants) were included in the analysis (one within both comparisons). Four of the 14 studies compared the effects of bilateral training with usual care. Primary outcomes: results were not statistically significant for performance in ADL (standardised mean difference (SMD) 0.25, 95% confidence interval (CI) -0.14 to 0.63); functional movement of the arm (SMD -0.07, 95% CI -0.42 to 0.28) or hand (SMD -0.04, 95% CI -0.50 to 0.42). Secondary outcomes: no statistically significant results. Eleven of the 14 studies compared the effects of bilateral training with other specific upper limb (arm) interventions. Primary outcomes: no statistically significant results for performance of ADL (SMD -0.25, 95% CI -0.57 to 0.08); functional movement of the arm (SMD -0.20, 95% CI -0.49 to 0.09) or hand (SMD -0.21, 95% CI -0.51 to 0.09). Secondary outcomes: one study reported a statistically significant result in favour of another upper limb intervention for performance in extended ADL. No statistically significant differences were found for motor impairment outcomes. Authors' conclusions There is insufficient good quality evidence to make recommendations about the relative effect of simultaneous bilateral training compared to placebo, no intervention or usual care. We identified evidence that suggests that bilateral training may be no more (or less) effective than usual care or other upper limb interventions for performance in ADL, functional movement of the upper limb or motor impairment outcome

Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

Die Natur bedient sich Millionen von Jahren der Evolution, um adaptive physikalische Systeme mit effizienten Steuerungsstrategien zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Robotik plant der Mensch nicht einfach eine Bewegung und führt sie aus, sondern es gibt eine Kombination aus mehreren Regelkreisen, die zusammenarbeiten, um den Arm zu bewegen und ein Objekt mit der Hand zu greifen. Mit der Forschung an humanoiden und biologisch inspirierten Robotern werden komplexe kinematische Strukturen und komplizierte Aktor- und Sensorsysteme entwickelt. Diese Systeme sind schwierig zu steuern und zu programmieren, und die klassischen Methoden der Robotik können deren Stärken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim Verständnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der Konnektivität und der statistischen neuronalen Aktivität konzentrieren. Dies öffnet eine Lücke bei der Anwendung verschiedener Paradigmen, um Gehirnmechanismen und Lernprinzipien zu validieren und Funktionsmodelle zur Steuerung von Robotern zu entwickeln. Ein vielversprechendes Paradigma ist die ereignis-basierte Berechnung mit SNNs. SNNs fokussieren sich auf die biologischen Aspekte von Neuronen und replizieren deren Arbeitsweise. Sie sind für spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns für das Lernen mittels neuronaler Plastizität. Spike-basierte Kommunikation nutzt hoch parallelisierten Hardware-Optimierungen mittels neuromorpher Chips, die einen geringen Energieverbrauch und schnelle lokale Operationen ermöglichen. In dieser Arbeit werden verschiedene SNNs zur Durchführung von Bewegungss- teuerung für Manipulations- und Greifaufgaben mit einem Roboterarm und einer anthropomorphen Hand vorgestellt. Diese basieren auf biologisch inspirierten funktionalen Modellen des menschlichen Gehirns. Ein Motor-Primitiv wird auf parametrische Weise mit einem Aktivierungsparameter und einer Abbildungsfunktion auf die Roboterkinematik übertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt über das Joint Position Interface. Um komplexe Bewegungen und Verhaltensweisen modellieren zu können, werden die Primitive in verschiedenen Schichten einer Hierarchie angeordnet. Dies ermöglicht die Kombination und Parametrisierung der Primitiven und die Wiederverwendung von einfachen Primitiven für verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen für den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkürliche, rhythmische und reflexartige. Außerdem bestehen verschiedene Möglichkeiten neue Motorprimitive entweder online oder offline zu lernen. Die Bewegung kann entweder als Funktion modelliert oder durch Imitation der menschlichen Ausführung gelernt werden. Die SNNs können in andere Steuerungssysteme integriert oder mit anderen SNNs kombiniert werden. Die Berechnung der inversen Kinematik oder die Validierung von Konfigurationen für die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchführbare Bewegungen hat und keine ungültigen Konfigurationen enthält. Für die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das Ausführen von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das Ausführen von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. Zusätzlich werden die Modelle des Arms und der Hand kombiniert und erweitert, um die mehrbeinige Fortbewegung als Anwendungsfall der Steuerungsarchitektur mit Motorprimitiven zu modellieren. Als Anwendungen für einen Arm (3 DoFs) wurden die Erzeugung von Zeigebewegungen und das perzeptionsgetriebene Erreichen von Zielen modelliert. Zur Erzeugung von Zeigebewegun- gen wurde ein Basisprimitiv, das auf den Mittelpunkt einer Ebene zeigt, offline mit vier Korrekturprimitiven kombiniert, die eine neue Trajektorie erzeugen. Für das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen für eine Fünf-Finger-Hand (9 DoFs) wurden individuelle Finger-aktivierungen und Soft-Grasping mit nachgiebiger Steuerung modelliert. Die Greif- bewegungen werden mit Motor-Primitiven in einer Hierarchie modelliert, wobei die Finger-Primitive die Synergien zwischen den Gelenken und die Hand-Primitive die unterschiedlichen Affordanzen zur Koordination der Finger darstellen. Für jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefügt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme Flexibilität, da Motorprimitive wiederverwendet, parametrisiert und auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können. Neue Primitive können definiert oder gelernt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass im Gegensatz zu Deep Learning und End-to-End-Lernmethoden, keine umfangreichen Datensätze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz für verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung für die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs für Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework ähnlich dem für Deep Learning, und die Parametrisierung von SNNs ist eine Kunst. Nichtsdestotrotz können Robotikanwendungen - wie Manipulation und Greifen - Benchmarks und realistische Szenarien liefern, um neurowissenschaftliche Modelle zu validieren. Außerdem kann die Robotik die Möglichkeiten der ereignis- basierten Berechnung mit SNNs und neuromorpher Hardware nutzen. Die physikalis- che Nachbildung eines biologischen Systems, das vollständig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchführt und wie diese in der Robotik angewendet werden können. Modellfreie Bewegungssteuerungen, inspiriert von den Mechanismen des menschlichen Gehirns, können die Programmierung von Robotern verbessern, indem sie die Steuerung adaptiver und flexibler machen