Contrôle pavlovien de la microstimulation intraspinale pour produire la marche sur le sol

Résumé

Objectif : Les technologies de neuromodulation sont de plus en plus utilisées pour améliorer la fonction après une lésion neuronale. Pour parvenir à une relation symbiotique entre le dispositif et l'utilisateur, le dispositif doit augmenter la fonction restante et s'adapter de manière indépendante aux changements quotidiens de la fonction. L'objectif de cette étude était de développer des stratégies de contrôle prédictif pour produire une marche sur le sol dans un modèle de lésion de la moelle épinière par hémisection (LM) en utilisant la microstimulation intraspinale (ISMS).

Approach: Eight cats were anaesthetized and placed in a sling over a walkway. The residual function of a hemisection SCI was mimicked by manually moving one hind-limb through the walking cycle. ISMS targeted motor networks in the lumbosacral enlargement to activate muscles in the other, presumably 'paralyzed' limb, using low levels of current (<130 μA). Four people took turns to move the 'intact' limb, generating four different walking styles. Two control strategies, which used ground reaction force and angular velocity information about the manually moved 'intact' limb to control the timing of the transitions of the 'paralyzed' limb through the step cycle, were compared. The first strategy used thresholds on the raw sensor values to initiate transitions. The second strategy used reinforcement learning and Pavlovian control to learn predictions about the sensor values. Thresholds on the predictions were then used to initiate transitions.

Principaux résultats : Les deux stratégies de contrôle ont permis de produire une marche alternée sur le sol. Les transitions basées sur les valeurs brutes des capteurs ont nécessité un réglage manuel des seuils pour chaque personne afin de produire la marche, alors que le contrôle pavlovien ne l'a pas fait. L'apprentissage s'est produit rapidement pendant la marche : les prédictions des signaux des capteurs ont été apprises rapidement, initiant des transitions correctes après ≤4 pas. Le contrôle pavlovien était résilient aux différents styles de marche et aux différents chats, et récupérait des erreurs induites pendant la marche.

Importance : Ce travail démontre, pour la première fois, que le contrôle pavlovien peut augmenter la fonction restante et faciliter la marche personnalisée avec des exigences de réglage minimales.