Neural activity and pain variation in a spinal cord injury patient during brain-machine interface control

Abstract

Spinal cord injury (SCI) is associated with a high prevalence of pain. Research indicates that specific EEG activity patterns may be associated with chronic pain, suggesting that therapies targeting EEG activity modulation could improve pain management. Brain-Machine Interfaces (BMI) may help repair capacities lost due to neurologic injury and generate beneficial neuroplastic effects, suggesting an immersive potential for neurorehabilitation. Recently, it has been shown that the use of a multimodal BMI in a patient with spinal cord injury led to a variable reduction in pain levels. In the present case study, the relation between the levels of pain, reported in three different scales, and the physiological signals, registered through EEG, in a SCI patient using a BCI, were analyzed. The results indicated that modulation of neuronal activity occurred in the delta and theta frequency bands in two electrodes associated with the sensorimotor cortex and occipital area. In these same electrodes, it was observed that the variation in pain was correlated with activity in the delta and beta frequency bands, suggesting that these could potentially serve as biomarkers of pain levels.

A lesão da medula espinal está associada a uma alta prevalência de dor crónica. Vários estudos indicam que padrões específicos de atividade neuronal registada por eletroencefalografia (EEG) podem estar associados à dor, sugerindo que terapias capazes de modular a mesma possam melhorar o controlo da dor. As Interfaces Cérebro-Máquina (ICM) podem ajudar a recuperar capacidades perdidas devido a lesões neurológicas e gerar efeitos neuroplásticos benéficos, tendo potencial na neuroreabilitação. Recentemente, foi demonstrada que a utilização de uma ICM multimodal num paciente com lesão medular resultou numa redução variável nos níveis de dor. No presente estudo, foi analisada a relação entre os níveis de dor, relatados em três diferentes escalas, e os sinais fisiológicos registados por EEG num paciente com lesão medular ao longo de sessões de ICM. Os resultados indicaram que ocorreu modelação da atividade neuronal nas bandas de frequências delta e teta em dois elétrodos associados ao córtex sensoriomotor e área occipital. Nestes mesmos elétrodos verificou-se que a variação da dor estava correlacionada com atividade nas bandas de frequência delta e beta, podendo estas vir potencialmente servir como um biomarcador da dos níveis de dor.