Pilot study: Neuromuscular function in healthy participants and subacute stroke patients following an associative BCI intervention assessed by HD-EMG
Translated title
Pilot studie: Den neuromuskulære funktion hos raske og subakutte stroke patienter før og efter en associativ BCI intervention ved brug af HD-EMG
Authors
Magnúsdóttir, Berglind ; Madsen, Josefine Vad Birkholm
Term
5. Term (Master thesis)
Education
Publication year
2023
Abstract
Dette pilotstudie undersøgte, om en associativ hjerne-computer-interface (BCI), hvor en visuelt udløst, viljestyret håndledsbevægelse parres med tidsmæssigt matchet perifer elektrisk stimulation, ændrer den neuromuskulære funktion målt med høj-densitets elektromyografi (HD-EMG). Vi inkluderede 11 raske voksne og 4 subakutte apopleksipatienter (3 i intervention, 1 i sham). De raske gennemførte én aktiv og én sham-session. Patienterne gennemførte 12 sessioner over fire uger; HD-EMG blev optaget tidligt (session 2) og sent (session 11). Under målingerne blev et 64-kanals HD-EMG-gitter placeret over extensor carpi radialis (en af håndleddets strækkemuskler) på den dominante eller paretiske arm for at registrere muskelaktivitet før og efter en BCI-session. Maksimal frivillig kontraktion (MVC) blev målt og brugt til at fastsætte delmål ved 20% og 50% MVC, med tre kontrollerede kraft-ramper på hvert niveau. Udfaldsmål omfattede MVC, kraftvariabilitet (koefficient for variation, CV), samlet antal motoriske enheder (MU), rekrutteringstærskel (RT; den kraft, hvor en MU begynder at fyre) og fyringsfrekvens (DR; MU’ers fyringsrate). Hos de raske gav en enkelt aktiv BCI-session ingen signifikante præ-post ændringer i MVC, kraft-CV, MU-antal, RT eller DR. Blandt patienterne øgede alle kraften og blev bedre til at holde kraften stabil. DR ændrede sig uensartet. RT steg mellem tidlig og sen session hos to i interventionen og hos sham-patienten; den sidste interventionspatient havde varierende RT. Samlet tydede resultaterne på, at kraftforbedringerne ikke primært skyldtes højere DR, og der blev observeret forbedringer i MU’ers fyringsadfærd. Konklusion: En enkelt associativ BCI-session gav ingen målbare ændringer i neuromuskulær funktion hos raske, hvilket antyder, at eventuelle sådanne mekanismer kræver mere end én session. Hos subakutte apopleksipatienter sås øget styrke og bedre kraftstabilitet over fire uger, med blandede ændringer i MU-rekruttering og fyring. Større studier er nødvendige for generelle konklusioner. Dette er det første pilotstudie, der følger HD-EMG-ændringer hos subakutte apopleksipatienter under fire ugers associativ BCI.
This pilot study examined whether an associative brain–computer interface (BCI), which pairs a visually cued voluntary wrist movement with timed peripheral electrical stimulation, alters neuromuscular function as measured by high-density electromyography (HD-EMG). We studied 11 healthy adults and 4 subacute stroke patients (3 intervention, 1 sham). Healthy participants completed one active and one sham session. Stroke patients completed 12 sessions over four weeks; HD-EMG was recorded early (session 2) and late (session 11). During assessments, a 64-channel HD-EMG grid placed over the extensor carpi radialis (a wrist extensor muscle) on the dominant or paretic arm recorded muscle activity before and after a BCI session. Maximal voluntary contraction (MVC) was measured and used to set submaximal targets at 20% and 50% MVC, with three graded force ramps at each level. Outcome measures included MVC, force variability (coefficient of variation, CV), total number of motor units (MUs), recruitment threshold (RT; the force at which an MU starts firing), and discharge rate (DR; the MU firing rate). In healthy adults, a single active BCI session did not produce significant pre-post changes in MVC, force CV, MU count, RT, or DR. Among stroke patients, all showed gains in force and a better ability to keep force steady. DR changes were inconsistent. RT increased between early and late sessions in two intervention patients and in the sham patient; the remaining intervention patient showed variable RT. Overall, the force improvements did not appear to be primarily driven by higher DR, and improvements in MU firing behavior were observed. Conclusion: A single associative BCI session did not measurably change neuromuscular function in healthy adults, suggesting that if such mechanisms contribute to BCI benefits, they may require more than one session. In subacute stroke, strength and steadiness improved over four weeks, with mixed MU recruitment and discharge patterns. Larger studies are needed to draw general conclusions. This is the first pilot to track HD-EMG changes in subacute stroke during four weeks of associative BCI.
[This summary has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Documents