תַקצִיר
אנשים רבים שחוו אירוע מוחי (להלן: שָׁבָץ) מתקשים בתנועותיהם, אפילו לאחר טיפול אצל המומחים הטובים ביותר באמצעות השיטות המובילות בתחום. דרכים חדשות לייעל את הטיפול בשבץ עשויות לסייע לאנשים להתאושש ביעילות רבה יותר מהאירוע. כמה קבוצות מחקר פיתחו מערכות מִמְשַׁק מוח-מַחְשֵׁב (BCI – Brain Computer Interface) שיכולות למדוד מתי מטופלי שבץ מדמיינים תנועת יד, על ידי רישום גלי מוח. אנו פיתחנו ממשק מוח-מחשב (מוכר גם כממשק מוח-מכונה) שהשתמש בפעילות המוחית של כל אחד מהמטופלים במטרה לשלוט בממֹריץ שריר ובמוניטור במהלך טיפול. כאשר דִּמְיְנוּ תנועה נכון לאורך הטיפול, המטופלים קיבלו משוב מתגמל. בחנּוּ 51 מטופלים, שחלקם חוו שבץ לפני שנים רבות. 49 מטופלים השתפרו לאחר הטיפול, בהתבסס על תוצאות של מבחנים מתוקננים. לפיכך, טיפול מבוסס BCI יכול לסייע לחֵלֶק ממטופלי שבץ. אנו סבורים כי בשנים הבאות יקודמו פיתוחים נוספים שיובילו לטיפולים יעילים יותר המבוססים על ממשקי מוח-מחשב.
מה קורה כשאדם חווה שבץ?
שבץ הוא סוג של נזק מוחי שנעשה שכיח יותר ככל שתוחלת החיים של בני האדם מתארכת. שבץ מתרחש כאשר כְּלי דם במוח נחסם או מתחיל לדמם. עקב כך, אזורים מסוימים במוח לא מקבלים את אספקת הדם, וכתוצאה מכך את אספקת החמצן שהם זקוקים לה, מה שעלול לגרום נזק חמור למוח. לאחר שבץ, חשוב שמטופלים יגיעו מייד לבית חולים. רופאים יכולים לפעמים לסייע למטופלים להתאושש מחֵלֶק מהנזק המוחי בתוך כמה ימים מאירוע השבץ. אולם, אפילו עם קבלַת טיפול בבית חולים, למטופלים רבים נגרם נזק מוחי חמור ומתמשך, והם זקוקים לטיפול נרחב.
המוח מכיל שני חצאים, שנקראים הֶמִיסְפֶרוֹת ימנית ושמאלית. בדרך כלל, שבץ משפיע רק על הֶמיספרה אחת, ולכן לחֵלֶק משורדי השבץ יש קשיים בהנעַת הצד השמאלי או הצד הימני של הגוף. במקרים חמורים, יד או רגל של מטופל, בצד ימין או שמאל, עלולה להיות משותקת לגמרי. במקרים קלים יותר, מטופלים מתקשים בהזזַת יד או רגל (לא שתיהן), ומסוגלים לבצע כמעט את כל התנועות באופן תקין. שבץ עלול לגרום לבעיה אחרת המכונה עוויתיוּת. משמעות הדבר היא שחֵלֶק מהשרירים מתוחים מדי. מטופלי שבץ עלולים לחוות כאב, קשיי תנועה, תנועות בלתי רצוניות ובעיות נוספות.
קשיי תנועה יכולים להוביל לאתגרים רבים. שורדי שבץ עשויים שלא להיות מסוגלים לעבוד או ליהנות מענפי הספורט או התחביבים האהובים עליהם. הם עשויים להזדקק לסיוע מחברים וממשפחה, ועלולים לחוות קשיים כלכליים בְּשֶׁל עבודה שנאלצו להפסיק עקב מצבם, ונוכח העלויות הכרוכות בטיפולים ובהשגחה. חלק משורדי השבץ אינם חשים בנוח בציבור, מאחר שהם חוששים כי אנשים יתגרו בהם בנוגע לנכוּת שעימה הם מתמודדים. אלה רק חלק מהסיבות לכך שאנו זקוקים לגישות ולטכנולוגיות הטובות ביותר האפשריות, במטרה לסייע למטופלי שבץ לשחזר את יכולת התנועה שלהם.
כיצד טכנולוגיית ממשק מוח-מחשב יכולה לשמֵּש לטיפול במטופלי שבץ?
דַּמיְנו מטופל שבץ שכבר אינו מסוגל להניע יד אחת. לצורך הטיפול, לעיתים קרובות מטפלים מבקשים מהמטופל לדמיין סוגים מסוימים של תנועות ידיים, או לנסותם. במהלך עשרות מפגשי טיפול, הדבר מסייע למוח ללמוד מחדש כיצד לשלוט ביד שהושפעה מהשבץ. במטרה למדוד את פעילותו החשמלית של המוח, מצויה בשימוש זה שנים רבות שיטת מדידה שנקראת אֶלֶקְטְרוֹאֶנְצֶפָלוֹגְרָם (בראשי תיבות EEG/ אא''ג) [1]. במסגרת שיטה זו משתמשים בדיסקים מתכתיים קטנים שנקראים אלקטרוֹדוֹת, אשר ממוקמים על הראש. האלקטרואנצפלוגרם יכול לומר לנו אֵילוּ אזורים במוח פעילים. מיקום אלקטרודות על אזורים במוח שאחראיים על תנועה ועל חִישָׁה, לדוגמה, מאפשר לנו לחקור את הפעילות המוחית המתרחשת כאשר אדם נע או מרגיש תחושה.
ניתן לשלֵּב אלקטרואנצפלוגרם עם ממשק מוח-מחשב, במטרה ליצור סוג חדש של טיפול בשבץ. ממשק מוח-מחשב הוא מערכת שיכולה לספֵּק משוב בזמן אמת לאדם שמקבל טיפול, לגבי הפעילות החשמלית של המוח. מערכת ממשק מוח-מחשב יכולה לאתֵּר מתי מטופלים מדמיינים את תנועות היד הנכונות, וליידע אותם אם התנועות שביצעו נכונות. לדוגמה, אם מטופל מדמיין תנועה ביד שמאל, אז יד מצוירת על המוניטור עשויה לחקות את התנועה, בעוד שממריץ שריר מסייע ליד שמאל לנוע. באופן זה, המטופל מקבל משוב מתגמל מהמערכת רק כשהוא מְבצע נכון את התנועה המדומיינת. ראיית יד מצוירת נעה, תוך חישַׁת תנועת הידיים של עצמם, יכולה לסייע לעורר מוטיבציה בקֶרֶב אנשים, ולעודד את מוחותיהם ללמוד מחדש תפקודים תנועתיים.
סוגים רבים אחרים של ממשקי מוח-מחשב פותחו [2–5]. שימוש בממשקי מוח-מחשב בטיפול לאחר שבץ עשוי להוביל לפלסטיוּת מוחית מוגברת. המשמעות היא שהמוח מסוגל ליצור קשרים חדשים שמסייעים לו ללמוד לבצע תפקודים מסוימים שוב, כמו למשל הנעַת היד ללא עוויתות או קשיים אחרים.
בחינת ממשק מוח-מחשב במטופלי שבץ
ביקשנו מ-51 מטופלים להשתתף במחקרנו. מטופלים אלה היו בני 61, בממוצע, וחוו שבץ 37 חודשים בממוצע לפני המחקר. חֵלֶק מהאנשים מאמינים כי מטופלים שחוו שבץ לפני יותר מ-12 חודשים ככל הנראה לא יַראו שיפור בטיפול, אולם אנו שיערנו אחרת.
טרם הטיפול, המטופלים השתתפו בשתי הַעֲרָכוֹת מוקדמות, במסגרתן ערכנו מבחנים במטרה לחקור את הכישורים התנועתיים של כל מטופל, וכן גורמים אחרים. ההערכות המוקדמות בוצעו בשני ימים שונים, בהפרדה של חודש זו מזו, כדי לוודא שתהיה לנו הבנה טובה של יכולות המטופלים לפני הטיפול. לאחר מכן, המטופלים השתתפו ב-25 עד 31 מפגשי טיפול ממשק מוח-מחשב, בהנחיית מטפלים מוּרשים. כל מפגש ארך כשעה אחת, ומַרבית המטופלים השתתפו בשני מפגשים בשבוע (איור 1). לאחר מכן, ביצענו שלוש הערכות לאחר הטיפול, במטרה לחקור כיצד כל אחד מהמטופלים השתנה. ההערכה הראשונה לאחר טיפול התקיימה מייד לאחר פגישת הטיפול האחרונה, והערכות נוספות לאחר טיפול נערכו בחלוף חודש מסיום הטיפול, וכעבור שישה חודשים ממועד זה.
- איור 1 - טיפול ממשק מוח-מחשב.
- בטיפול זה, מטופלי שבץ חובשים כובע שאליו מחוברות אלקטרודות. הם צופים במוניטור שבו מוצגת תמונה (Avatar), כמו למשל ידיים נעות, המסייעת להם ללמוד מחדש כיצד לנוע. ממשק המוח-מחשב (BCI System) קורא אותות מהמוח לרבות אותות המעורבים בתנועה ובתחושת מגע (אזורים צבעוניים), ומספּק למטופלים משוב על גבי המוניטור, כאשר התנועות מבוצעות נכון. ישנן גם אלקטרודות של גירוי (Stimulation electrodes) המחוברות למטופלים כדי לסייע להם או להן לבצע כל אחת מהתנועות. טיפול באמצעות ממשק מוח-מחשב מוביל לשיפור בתפקודים תנועתיים, כיוון שתאי העצב במוח מוצאים חיבורים חדשים, בתהליך המכונה פלסטיוּת מוחית.
- Imagine movement – דַּמיין תנועה.
מה מדדנו?
חקרנו את ההשפעות של טיפול ממשק מוח-מחשב על ידי מדידת שלושה גורמים נפרדים: דיוק ממשק מוח-מחשב; פעילות מוחית ותנועה.
דיוק ממשק מוח-מחשב הוא דרך למדוד את המעורבוּת של כל אחד מהמטופלים במטלות הדימויים התנועתיים. דיוק גבוה מצביע על כך שהמטופל שׂם לב למטלה ומדמיין את התנועות נכון. אם המטופל אינו מדמיין אף תנועה, אז דיוק ממשק המוח-מחשב יהיה בסביבות 50%. לכן, דיוק נמוך עשוי להצביע על כך שהמטופל אינו משתתף, או לא מדמיין תנועות נכון. אז המטפל עשוי להדריך את המטופל, כדי לסייע לו או לה לשפר את דיוק ממשק המוח-מחשב (איור 2A).
- איור 2 - ממצאי מדידת דיוק ממשק מוח-מחשב.
- (A) דיוק ממשק מוח-מחשב מפגישות 1 עד 31 עבור מטופל אחד. בתחילה, דיוק ממשק המוח-מחשב בסיווג תנועות יד שמאל לעומת יד ימין, היה %65. הדיוק השתפר עם פגישות טיפול נוספות, והגיע ל-%100 בפגישה 25. (B) פעילות מוחית לפני 31 פגישות של טיפול ממשק מוח-מחשב, ולאחריהן. הצבע הלבן לפני הטיפול (Before Therapy) מצביע על כך שאין פעילות מוחית שיכולה לייצר תנועות יד או אצבע, בעוד שהצבע האדום לאחר הטיפול (After therapy) מצביע על כך שיש יותר פעילות מוחית. C3 הוא שֵׁם מיקום האלקטרודה על האזור המוחי שאחראי על תנועת יד ימין.
- Accuracy = דיוק
- Therapy number = מספר הטיפול.
במהלך טיפול ממשק מוח-מחשב נמדדת הפעילות המוחית של המטופל. בדרך כלל, בפגישות הטיפול הראשונות, אזורי התנועה במוח אינם פועלים יחד ביעילות. במהלך שבועות הטיפול, לעיתים קרובות אנו רואים כי אזורי התנועה במוח נעשים פעילים הרבה יותר (איור 2B). הצבעים באיור 2B מצביעים על הפעילות המוחית בתְדָרִים שונים על פני אזורים שחשובים לתנועה. ציר ה-x מצביע על הזמן בכל ניסיון; אזורים ימניים יותר מצביעים על זמנים מאוחרים יותר בניסיון. ציר ה- yמשקֵּף תדרים שונים. האזורים הנמוכים יותר בגרף הם תדרים נמוכים יותר (מצוינים על ידי האות היוונית מוּ, μ), והאזורים הגבוהים יותר בגרף הם תדרים גבוהים יותר (מצוינים על ידי האות היוונית בטא, β).
המטרה החשובה ביותר של טיפול ממשק מוח-מחשב היא לסייע למטופלים להשיב לעצמם תנועה. איור 3A מציג כלי שמטפלים ומדענים משתמשים בו כדי לבחון תנועות של פרקי הידיים, והידיים. הוא מכונה 'מבחן הַיְּתֵדוֹת בעל תשעה חורים' (Nine-Hole Peg Test) כיוון שבמסגרתו מטופלים מתבקשים להרים תשע יתדות קטנות ולהניח אותן בתוך תשעה חורים. ביקשנו ממטופלים לבצע את המבחן הזה עם שתי הידיים כמה פעמים לאורך תהליך הטיפול, ועקבנו אחר הזמן שלקח להם להשלים את המטלה. במקרים שבהם טיפול ממשק מוח-מחשב סייע למטופלים לשחזר את יכולת התנועה, ראינו ירידה בזמן שלקח למטופלים להשלים את המבחן הזה במהלך תקופת מפגשי הטיפול (איור 3B).
- איור 3 - תוצאות המבחן התנועתי.
- (A) מבחן היתדות בעל תשעה חורים יכול לשמש כדי לבחון תנועות פרקי ידיים וידיים. (B) תוצאות המראות שיפור בתנועת היד של אחד המטופלים במהלך טיפול ממשק המוח-מחשב – הזמן להשלמַת המטלה עם היד המושפעת (ימין) פָּחַת מ-7 דקות ו-26 שניות בתחילת הטיפול, לדקה אחת ו-14 שניות לאחר 28 טיפולים. (C) סיכום של כל מבחני התפקודים התנועתיים יחד, עבור כל המטופלים שנחקרו. אם העמודה נמצאת מעל לאפס, התנועה השתפרה לאחר הטיפול. 49 מטופלים הציגו שיפורים, בעוד שרק שני מטופלים הראו תנועה מופחתת (אחד חווה שבץ נוסף, והשני לא שם לב למטלה).
- מקרא (מלמעלה למטה ומימין לשמאל):
- Seconds = שניות
- Therapy = טיפול
- Left = שמאל
- Right = ימין
- Afterwards = לאחר מכן
- Improvement = שיפור
- Combined score = ציון משולב
- Patient number = מספר המטופל.
מה למדנו ממחקרנו?
נוסף על מבחן היתדות בעל תשעה חורים השתמשנו במבחנים אחרים במטרה למדוד כאב; עוויתיוּת; ריכוז; זיכרון, וכמה טוב מטופלים יכלו לבצע תנועות שונות עם סיוע ובלעדיו. חלק מהמבחנים הועברו בצורת שאלונים לגבי פעילויות יומיומיות, כמו למשל אם מטופלים יכולים ללבוש חולצת טריקוֹ בלי לקבל סיוע. ערכנו 18 מבחנים עם כל אחד מהמטופלים, ותוצאת מבחן משולבת גבוהה יותר העידה על שיפור גדול יותר במבחנים האלה (איור 3C). תוצאותינו הצביעו על כך שטיפול ממשק מוח-מחשב סייע למַרבית המטופלים לרכוש מחדש כישורי תנועה ו/או הפחית את העוויתיוּת בידיהם של המטופלים ובזרועותיהם. מצאנו כי הטיפול היה יעיל יותר עבור מטופלים שהשיגו יותר מ-%80 דיוק. טיפול ממשק מוח-מחשב אף פעל שנים רבות אחרי שהמטופלים חוו שבץ. אחד המטופלים השתתף במחקר 31 שנים אחרי אירוע השבץ שעבר, ועדיין השתפר! תוצאות המחקר לימדו אותנו כי טיפול ממשק מוח-מחשב סייע למוחות של מטופלים ללמוד כיצד לשלוט טוב יותר בתנועותיהם.
עד כה, עבודתנו התמקדה בשיקום עבור הזרועות והידיים. בעתיד, נשתמש בטיפול ממשק מוח-מחשב עבור מטופלי שבץ עם השְׁפעות על רגליהם, במטרה לשפר את מהירות ההליכה שלהם. שבץ יכול להשפיע בעוצמה על אנשים בדרכים רבות, ולכן ישנוֹ צורך משמעותי לחקור דרכים חדשות לסייע לשורדי שבץ להתאושש. באמצעות מחקר ופיתוח נוספים מהקבוצה שלנו ומקבוצות אחרות, אנו מקווים לפתֵּח מכשירים ושיטות טיפול טובים יותר כך שמטופלים יוכלו שוב לבצע תנועות למטרות עבודה; הנאה; אירועים חברתיים ופעילויות יומיומיות.
מילון מונחים
המיספרות (Hemispheres): ↑ החצאים הימני והשמאלי של המוח. ההמיספרה השמאלית שולטת בתנועת הצד הימני של הגוף, ולהפך.
עוויתיות (Spasticity): ↑ הפרעה זו עשויה לכלול עוויתות (תנועות בלתי רצוניות), שרירים קשיחים או מכווצים, כאב ופעילות יֶתֶר של הרפלקסים. אנשים הסובלים מכך עלולים לחוות קשיים ביציבה, הליכה, פעילויות יומיום טיפוסיות ותנועות אחרות.
אלקטרואנצפלוגרם (EEG - Electroence-phalogram): ↑ שיטה למדידת הפעילות החשמלית הטבעית המיוצרת על ידי המוח. המדידה מתבצעת באמצעות שימוש באלקטרודות שממוקמות על ראש הנבדק.
אלקטרודות (Electrodes): ↑ חיישנים קטנים שמאתְּרים פעילות מוחית. אלקטרודות אלקטרואנצפלוגרף (המכשיר המשמש לרישום בבדיקת EEG), הן בדרך כלל דיסקים מתכתיים קטנים המחוברים לכובע שאותו חובש הנבדק. הם אינם חודרים את העור, ולא גורמים לכאב.
ממשק מוח-מחשב (BCI - Brain-Computer Interface): ↑ מערכת המשתמשת במדידות ישירות של פעילות מוחית במטרה לספֵּק תקשורת ושליטה בזמן אמת. מרבית ממשקי המוח-מחשב משתמשים באלקטרואנצפלוגרף כדי למדוד פעילות מוחית.
תפקוד תנועתי (Motor Function): ↑ היכולת להזיז חלקים של הגוף.
פלסטיות מוחית (Brain Plasticity): ↑ יכולתו המופלאה של המוח לשנות את עצמו כדי להסתגל למידע חדש ולמצבים חדשים, כמו למשל טיפול. יכולת זו מסייעת לאנשים להתאושש משבץ ומפגיעות אחרות.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מאמר המקור
↑Sebastián-Romagosa, M., Cho, W., Ortner, R., Murovec, N., Von Oertzen, T., Kamada, K., et al. 2020. Brain computer interface treatment for motor rehabilitation of upper extremity of stroke patients—a feasibility study. Front. Neurosci. 14:591435. doi: 10.3389/fnins.2020.591435
מקורות
[1] ↑ Pfurtscheller, G., and Aranibar, A. 1979. Evaluation of event-related desynchronization (ERD) preceding and following voluntary self paced movement. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 46:138–46. doi: 10.1016/0013-4694(79)90063-4
[2] ↑ Guger, C., Spataro, R., Allison, B., Heilinger, A., Ortner, R., Cho, W., et al. 2018. How can completely locked-in persons communicate with a brain–computer interface? Front. Young Minds 6:24. doi: 10.3389/frym.2018.00024
[3] ↑ Nam, C. S., Nijholt, A., and Lotte, F. (Eds.). 2018. Brain–Computer Interfaces Handbook: Technological and Theoretical Advances. New York, NY: CRC Press.
[4] ↑ Novak, D., Sigrist, R., and Riener, R. 2019. Brain-computer interface racing at the cybathlon 2016. Front. Young Minds 7:87. doi: 10.3389/frym.2019.00087
[5] ↑ Wolpaw, J. R., and Wolpaw, E. W. (Eds.). 2012. Brain-Computer Interfaces: Principles & Practice. Oxford: Oxford University Press.