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Arm Ability Training (AAT) has been specifically designed to promote manual dexterity recovery for stroke patients who have mild to moderate arm paresis. The motor control problems that these patients suffer from relate to a lack of efficiency in terms of the sensorimotor integration needed for dexterity. Various sensorimotor arm and hand abilities such as speed of selective movements, the capacity to make precise goal-directed arm movements, coordinated visually guided movements, steadiness, and finger dexterity all contribute to our “dexterity” in daily life. All these abilities are deficient in stroke patients who have mild to moderate paresis causing focal disability. The AAT explicitly and repetitively trains all these sensorimotor abilities at the individual's performance limit with eight different tasks; it further implements various task difficulty levels and integrates augmented feedback in the form of intermittent knowledge of results. The evidence from two randomized controlled trials indicates the clinical effectiveness of the AAT with regard to the promotion of “dexterity” recovery and the reduction of focal disability in stroke patients with mild to moderate arm paresis. In addition, the effects have been shown to be superior to time-equivalent “best conventional therapy.” Further, studies in healthy subjects showed that the AAT induced substantial sensorimotor learning. The observed learning dynamics indicate that different underlying sensorimotor arm and hand abilities are trained. Capacities strengthened by the training can, in part, be used by both arms. Non-invasive brain stimulation experiments and functional magnetic resonance imaging data documented that at an early stage in the training cortical sensorimotor network areas are involved in learning induced by the AAT, yet differentially for the tasks trained. With prolonged training over 2 to 3 weeks, subcortical structures seem to take over. While behavioral similarities in training responses have been observed in healthy volunteers and patients, training-induced functional re-organization in survivors of a subcortical stroke uniquely involved the ipsilesional premotor cortex as an adaptive recruitment of this secondary motor area. Thus, training-induced plasticity in healthy and brain-damaged subjects are not necessarily the same.
Objective: To characterize a socially active humanoid robot’s therapeutic interaction as a therapeutic assistant when providing arm rehabilitation (i.e., arm basis training (ABT) for moderate-to-severe arm paresis or arm ability training (AAT) for mild arm paresis) to stroke survivors when using the digital therapeutic system Evidence-Based Robot-Assistant in Neurorehabilitation (E-BRAiN) and to compare it to human therapists’ interaction.
Methods: Participants and therapy: Seventeen stroke survivors receiving arm rehabilitation (i.e., ABT [n = 9] or AAT [n = 8]) using E-BRAiN over a course of nine sessions and twenty-one other stroke survivors receiving arm rehabilitation sessions (i.e., ABT [n = 6] or AAT [n = 15]) in a conventional 1:1 therapist–patient setting. Analysis of therapeutic interaction: Therapy sessions were videotaped, and all therapeutic interactions (information provision, feedback, and bond-related interaction) were documented offline both in terms of their frequency of occurrence and time used for the respective type of interaction using the instrument THER-I-ACT. Statistical analyses: The therapeutic interaction of the humanoid robot, supervising staff/therapists, and helpers on day 1 is reported as mean across subjects for each type of therapy (i.e., ABT and AAT) as descriptive statistics. Effects of time (day 1 vs. day 9) on the humanoid robot interaction were analyzed by repeated-measures analysis of variance (rmANOVA) together with the between-subject factor type of therapy (ABT vs. AAT). The between-subject effect of the agent (humanoid robot vs. human therapist; day 1) was analyzed together with the factor therapy (ABT vs. AAT) by ANOVA.
Main results and interpretation: The overall pattern of the therapeutic interaction by the humanoid robot was comprehensive and varied considerably with the type of therapy (as clinically indicated and intended), largely comparable to human therapists’ interaction, and adapted according to needs for interaction over time. Even substantially long robot-assisted therapy sessions seemed acceptable to stroke survivors and promoted engaged patients’ training behavior.
Conclusion: Humanoid robot interaction as implemented in the digital system E-BRAiN matches the human therapeutic interaction and its modification across therapies well and promotes engaged training behavior by patients. These characteristics support its clinical use as a therapeutic assistant and, hence, its application to support specific and intensive restorative training for stroke survivors.
Es gibt Hinweise darauf, dass das Kleinhirn an affektiven und kognitiven Verarbeitungsprozessen und an Arbeitsgedächtnisleistungen beteiligt ist. In dieser Arbeit wurden 8 Patienten mit Kleinhirninsulten (Durchschnittsalter 61,25 Jahre), die in der neurologischen Klinik der Universitätsmedizin Greifswald behandelt wurden und 7 Patienten mit peripher neurologischen Erkrankungen (Durchschnittsalter 56,71 Jahre), bei denen eine Kleinhirnläsion ausgeschlossen worden war, untersucht. Zur Beurteilung veränderter neuronaler Aktivitäten wurde eine 129-Kanal-Elektroenzephalographie-Studie (EEG) verwendet und mithilfe der Interpretation ereigniskorrelierter Potentiale (EKP) verschiedene affektive und kognitive Verarbeitungsprozesse analysiert. In der Teilstudie 1 wurde die frühe Verarbeitung visuell-affektiver Stimuli, in der Teilstudie 2 affektive und kognitive Verarbeitungsprozesse während der Präsentation visueller Stimuli, in der Teilstudie 3 affektive und kognitive Verarbeitungsprozesse während der Präsentation visueller und akustischer Stimuli und in der Teilstudie 4 die späte Verarbeitung visuell-affektiver Stimuli untersucht. Zur Untersuchung der affektiven Verarbeitungsprozesse wurden Bilder verschiedenen emotionalen Inhaltes (angenehm, neutral, unangenehm) und Erregungsstufe (schwach bis stark erregend) aus dem Katalog des International Affective Picture System (IAPS) verwendet. Es wurden Bilder in schneller 333ms (Teilstudien 1 bis 3) oder in langsamer Abfolge von 1000ms (Teilstudie 4) präsentiert. Zur Untersuchung kognitiver Verarbeitungsprozesse wurden die IAPS-Bilder bearbeitet. Für die Teilstudie 2 wurden sie mit Linien (horizontal/vertikal) überlagert und für die Teilstudie 3 mit Tönen (hoch/tief) synchronisiert. Linien und Töne unterschieden sich in ihrer Wahrscheinlichkeit des Auftretens, wobei die seltenen Reize als Zielreize dienten, welche von den Probanden mitgezählt werden mussten. Es wurden durch dieses Studiendesign folgende ereigniskorrelierte Potentiale gemessen: Die EPN, die visuelle P200 und P300, die akustische P300 und das LPP. Bezüglich der frühen und späten Verarbeitung visuell-affektiver Stimuli konnten folgende Daten erhoben werden. In der Teilstudie 1 lösten in der Läsionsgruppe nur stark erregend angenehme vs. neutrale Bilder eine EPN aus. Ein signifikanter Gruppeneffekt bestand jedoch nicht. In der Teilstudie 2 war weder für schwach noch für starke erregend affektive vs. neutrale Bilder eine EPN in der Läsions- und Kontrollgruppe nachweisbar. In der Teilstudie 3 konnte zwar nur in der Kontrollgruppe für stark erregend angenehme vs. neutrale Bilder eine EPN nachgewiesen werden, die Gruppen unterschieden sich jedoch nicht signifikant voneinander. In der Teilstudie 4 lösten weder schwach noch stark erregend affektive Bilder ein LPP in der Läsionsgruppe aus. Ein signifikanter Gruppeneffekt bestand nicht, trotz nachweisbaren LPPs in der Kontrollgruppe für schwach erregend angenehme und stark erregend affektive vs. neutrale Bilder. Bezogen auf kognitive Verarbeitungsprozesse konnte in beiden Gruppen in der Teilstudie 2 eine visuelle P300 nach der Präsentation seltener Zielreize nachgewiesen werden. Die Läsionsgruppe wies dagegen eine signifikante visuelle P200 nach Präsentation von Zielreizen gegenüber der Kontrollgruppe auf. Eine akustische P300 (P3b) war in der Teilstudie 3 nach der Präsentation akustischer Zielreize in keiner Gruppe nachweisbar. Dagegen bestand in der Kontrollgruppe eine signifikant stärkere P3a. Die Ergebnisse zeigen, dass Patienten mit einer Kleinhirnläsion keine Beeinträchtigung in der frühen oder späten Verarbeitung visuell-affektiver Stimuli aufweisen. Sie sind in der Lage, eine Bottom-up-Prozessierung visuell-affektiver Stimuli durchzuführen und sie nach ihrer Motivationsrelevanz einzuordnen. Patienten mit einer Kleinhirnläsion unterscheiden sich nicht signifikant in ihrer neuronalen Aktivität gegenüber der Kontrollgruppe während intra- und crossmodaler Verarbeitungsprozesse von visuell-affektiven Stimuli während visueller oder akustischer Aufgaben. Die in vielen Studien beobachteten affektiven Auffälligkeiten bei Patienten mit einer Kleinhirnischämie sind daher auf spätere Verarbeitungs- und Ausführungsprozesse von Emotionen zurückzuführen, welche einer kognitiven und somit Top-down-Kontrolle unterliegen. Patienten mit einer Kleinhirnläsion benötigen allerdings mehr Arbeitsgedächtnisleistung, um die gestellte visuell-kognitive Aufgabe zu absolvieren. Des Weiteren weisen sie Beeinträchtigungen in supramodalen kognitiven Verarbeitungsprozessen auf. Je schwieriger die kognitiven Anforderungen sind, umso mehr weisen Patienten mit einer Kleinhirnläsion Beeinträchtigungen in Form veränderter neuronaler Aktivität auf. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf hin, dass das Kleinhirn vor allem an kognitiven und weniger an affektiven Verarbeitungsprozessen beteiligt ist.