New tools for cognitive and motor rehabilitation: development and clinical validation

Abstract

Nervous system disorders are associated with cognitive and motor deficits, and are responsible for the highest disability rates and global burden of disease. Their recovery paths are vulnerable and dependent on the effective combination of plastic brain tissue properties, with complex, lengthy and expensive neurorehabilitation programs. This work explores two lines of research, envisioning sustainable solutions to improve treatment of cognitive and motor deficits. Both projects were developed in parallel and shared a new sensible approach, where low-cost technologies were integrated with common clinical operative procedures. The aim was to achieve more intensive treatments under specialized monitoring, improve clinical decision-making and increase access to healthcare. The first project (articles I – III) concerned the development and evaluation of a web-based cognitive training platform (COGWEB), suitable for intensive use, either at home or at institutions, and across a wide spectrum of ages and diseases that impair cognitive functioning. It was tested for usability in a memory clinic setting and implemented in a collaborative network, comprising 41 centers and 60 professionals. An adherence and intensity study revealed a compliance of 82.8% at six months and an average of six hours/week of continued online cognitive training activities. The second project (articles IV – VI) was designed to create and validate an intelligent rehabilitation device to administer proprioceptive stimuli on the hemiparetic side of stroke patients while performing ambulatory movement characterization (SWORD). Targeted vibratory stimulation was found to be well tolerated and an automatic motor characterization system retrieved results comparable to the first items of the Wolf Motor Function Test. The global system was tested in a randomized placebo controlled trial to assess its impact on a common motor rehabilitation task in a relevant clinical environment (early post-stroke). The number of correct movements on a hand-to-mouth task was increased by an average of 7.2/minute while the probability to perform an error decreased from 1:3 to 1:9. Neurorehabilitation and neuroplasticity are shifting to more neuroscience driven approaches. Simultaneously, their final utility for patients and society is largely dependent on the development of more effective technologies that facilitate the dissemination of knowledge produced during the process. The results attained through this work represent a step forward in that direction. Their impact on the quality of rehabilitation services and public health is discussed according to clinical, technological and organizational perspectives. Such a process of thinking and oriented speculation has led to the debate of subsequent hypotheses, already being explored in novel research paths.

As doenças do sistema nervoso estão associadas a défices cognitivos e motores, sendo responsáveis pelas maiores taxas de incapacidade e impacto global. A sua recuperação é difícil e depende em simultâneo da plasticidade cerebral e de programas de neurorreabilitação complexos, longos e dispendiosos. Este trabalho explora duas linhas de investigação, que visam soluções sustentáveis para melhoria do tratamento de défices cognitivos e motores. Ambos os projetos foram desenvolvidos em paralelo, partilhando uma abordagem assisada onde se combinam tecnologias de baixo custo com processos clínicos comuns. O objetivo era obter tratamentos mais intensivos e supervisionados, melhorar o processo de decisão clínica e eliminar barreiras no acesso aos cuidados de saúde. O primeiro projeto (artigos I – III) permitiu o desenvolvimento e avaliação de uma plataforma online para treino cognitivo (COGWEB), adequada para uso intensivo, em casa ou instituições, e num largo espectro de idades e doenças com envolvimento das funções cognitivas. A sua usabilidade foi testada numa consulta de memória, sendo de seguida implementada numa rede colaborativa que envolveu 41 centros e 60 profissionais. A taxa de adesão aos planos de treino cognitivo online foi 82,8% aos 6 meses, verificando-se uma intensidade média de 6 horas/semana. O segundo projeto (artigos IV – VI) originou a construção e validação de um dispositivo de reabilitação inteligente para doentes com acidente vascular cerebral (AVC). Permite estímulos proprioceptivos no lado hemiparético, enquanto caracteriza o movimento tridimensional em ambulatório (SWORD). A estimulação vibratória foi bem tolerada pelos doentes e um sistema automático de caracterização motora revelou resultados comparáveis aos de uma escala utilizada frequentemente na prática clínica. O sistema integrado foi testado num ensaio clínico randomizado e controlado com placebo para avaliação do impacto numa tarefa de reabilitação motora na fase subaguda após AVC. O número de movimentos correctos numa tarefa mão-boca aumentou em média 7,2/minuto, enquanto a probabilidade de ocorrência de erro se reduziu de 1:3 para 1:9. A neurorreabilitação e a neuroplasticidade têm incorporado abordagens de múltiplos domínios das neurociências. Em simultâneo, a sua utilidade para os doentes e sociedade está dependente do desenvolvimento de tecnologias mais eficazes que facilitem também a disseminação do conhecimento entretanto produzido. Os resultados obtidos através do presente trabalho representam um passo adicional nessa direcção. O seu impacto na qualidade dos serviços de reabilitação e saúde pública são discutidos segundo perspectivas clínica, tecnológica e organizacional. Este processo de reflexão foi gerador de novas hipóteses, algumas já em exploração através de linhas de investigação específicas.