An outlook of early rehabilitation of stroke patients using VR technologies

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Among all the latest technologies, virtual reality (virtual reality, VR) can be a powerful and promising tool for achieving the main goals of rehabilitation. It has been experimentally proven that rehabilitation based on virtual technologies is able to recreate a realistic perception and corresponding reaction in a patient, thereby improving the quality of cognitive and motor rehabilitation with the least cost. However, the success of such rehabilitation depends mainly on the technologies and techniques used by doctors.

This study is devoted to the important problem — application of virtual reality technologies in patients with acute impairment of cerebral circulation at the stage of early rehabilitation. We focus on the neurophysiological aspects of the VR technology application and the mechanisms of the brain’s neuroplasticity during application of virtual reality. The characteristic features of modern approaches to application of virtual reality are highlighted. Also, a novel concept is proposed for the modern VR-technology application in intensive care unit patients. In conclusion, we discuss the possibilities of VR-technologies application, allowing for the simulation of any situation, as well as a possibility of synchronous playback of a music track with walking simulation in ICU patients in the acute period of stroke at the stage of early rehabilitation.

About the authors

Marina V. Petrova

Federal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: mail@petrovamv.ru
ORCID iD: 0000-0003-4272-0957
SPIN-code: 9132-4190

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, 777/1 Lytkino, 141534 Moscow region

Olga V. Ryzhova

Federal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Author for correspondence.
Email: dr.origa@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-7461-4222
SPIN-code: 8980-4019

junior researcher

Russian Federation, 777/1 Lytkino, 141534 Moscow region

Dmitrii V. Cheboksarov

Federal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: dcheboksarov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9462-6423
SPIN-code: 2056-9908
Scopus Author ID: 56741338900
ResearcherId: O-9579-2015

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, 777/1 Lytkino, 141534 Moscow region

Irina V. Saenko

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: isayenko@mail.ru

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Moscow

Victoria S. Sueva

N.V. Sklifosovsky Research Institute for Emergency Medicine

Email: victoriasueva@gmail.com

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Moscow

Sergey S. Petrikov

N.V. Sklifosovsky Research Institute for Emergency Medicine

Email: petrikovss@sklif.mos.ru
ORCID iD: 0000-0003-3292-8789
SPIN-code: 7873-3673

MD, Dr. Sci. (Med.), Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences

Russian Federation, Moscow

References

  1. Iosa M, Morone G, Fusco A, et al. Seven capital devices for the future of stroke rehabilitation. Stroke Res Treat. 2012;2012:187965. doi: 10.1155/2012/187965
  2. Morone G, Paolucci S, Mattia D, et al. The 3Ts of the new millennium neurorehabilitation gym: Therapy, technology, translationality. Expert Rev Med Devices. 2016;13(9):785–787. doi: 10.1080/17434440.2016.1218275
  3. Laver KE, Lange B, George S, et al. Virtual reality for stroke rehabilitation. Cochrane Database Syst Rev. 2017;11(11):CD008349. doi: 10.1002/14651858.CD008349.pub4
  4. Kleim JA, Jones TA. Principles of experience-dependent neural plasticity: Implications for rehabilitation after brain damage. J Speech Lang Hear Res. 2008;51(1):S225–S239. doi: 10.1044/1092-4388(2008/018)
  5. Kim YM, Yun GJ, Song YJ, Young HE. The effect of virtual reality training on unilateral spatial neglect in stroke patients. Ann Rehabilitation Med. 2011;35(3):309–315. doi: 10.5535/arm.2011.35.3.309
  6. De Luca R, Buono VL, Leo A, et al. Use of virtual reality in improving poststroke neglect: Promising neuropsychological and neurophysiological findings from a case study. Appl Neuropsychol Adult. 2017;26(1):96–100. doi: 10.1080/23279095.2017.1363040
  7. CalabrJ RS, Naro A, Russo M, et al. The role of virtual reality in improving motor performance as revealed by EEG: A randomized clinical trial. J Neuroeng Rehabil. 2017;14(1):53. doi: 10.1186/s12984-017-0268-4
  8. Russo M, de Luca R, Naro A, et al. Does body shadow improve the efficacy of virtual reality-based training with BTS NIRVANA? A pilot study. Medicine (Baltimore). 2017;96(38):e8096. doi: 10.1097/MD.0000000000008096
  9. Sofroniew NJ, Vlasov YA, Hires SA, et al. Neural coding in barrel cortex during whisker-guided locomotion. Elife. 2015;(4):e12559. doi: 10.7554/eLife.12559
  10. Bagce HF, Saleh S, Adamovich SV, Tunik E. Visuomotor gain distortion alters online motor performance and enhances primary motor cortex excitability in patients with stroke. Neuromodulation. 2012;15(4):361Y366. doi: 10.1111/j.1525-1403.2012.00467.x
  11. Billinhurst M, Weghorst S. The use of sketch maps to measure cognitive maps virtual of environments. In: Conference: Virtual Reality Annual International Symposium (VRAIS ‘95). University of Washington, Seattle, WA; 1995. doi: 10.1109/VRAIS.1995.512478
  12. Witmer BG, Singer MJ. Measuring presence in virtual environments: A presence questionnaire. Presence: Teleoperators Virtual Environments. 1998;7(3):225–240.
  13. Slater M, Usoh M. Representations systems, perceptual position, and presence in virtual environments. Presence: Teleoperators Virtual Environments. 1993;2(3):221–233. doi: 10.1162/pres.1993.2.3.221
  14. Palmer SE, Schloss KB. An ecological valence theory of human color preference. Proceedings National Academy Sci. 2010; 107(19):8877–8882. doi: 10.1073/pnas.0906172107
  15. Franklin A, Bevis L, Ling Y, Hurlbert A. Biological components of colour preference in infancy. Developmental Sci. 2009;13(2):346–354. doi: 10.1111/j.1467-7687.2009.00884.x
  16. Racey C, Franklin A, Bird CM. The processing of color preference in the brain. NeuroImage. 2019;(191):529–536. doi: 10.1016/j.neuroimage.2019.02.041
  17. Ikeda T, Matsuyoshi D, Sawamoto N, et al. Color harmony represented by activity in the medial orbitofrontal cortex and amygdala. Front Hum Neurosci. 2015;(9):382. doi: 10.3389/fnhum.2015.00382
  18. Johnson SC, Schmitz TW, Kawahara-Baccus TN, et al. The cerebral response during subjective choice with and without self-reference. J Cognitive Neurosci. 2005;17(12):1897–1906. doi: 10.1162/089892905775008607
  19. Anatomy 3D atlas. Learn human anatomy in 3D [Internet]. Available from: https://anatomy3datlas.com. Accessed: 15.04.2023.
  20. Liu Y, Li M, Zhang X, et al. Hierarchical representation for chromatic processing across macaque V1, V2, and V4. Neuron. 2020;108(3):538–550.e5. doi: 10.1016/j.neuron.2020.07.037
  21. Raichle ME. The brain’s default mode network. Ann Rev Neurosci. 2015;38(1):433–447. doi: 10.1146/annurev-neuro-071013-014030
  22. Smallwood J, Bernhardt BC, Leech R. The default mode network in cognition: A topographical perspective. Nature Rev Neurosci. 2021;22(8):503–513. doi: 10.1038/s41583-021-00474-4
  23. Novikova KV. Psychological correction of the neuropsychic state of people who have suffered a stroke in a sensory room. Psychologist. 2021;(2):1–19. (In Russ). doi: 10.25136/2409-8701.2021.2.35461
  24. Schumacher GI, Eliseev VV, Bykadorov AV. The use of chromotherapy in persons engaged in intensive mental labor. Saratov Sci Med J. 2012;8(2):567–570. (In Russ).
  25. Thaut MH. Rhythm, music and the brain: Scientific foundations and clinical applications. New York: Routledge; 2005. 247 р.
  26. Leins AK, Spintge R, Thaut M. Music therapy in medical and neurological rehabilitation settings. In: Hallam S, Cross I, Thaut M, ed. The Oxford handbook of music psychology. Oxford, New York: Oxford University Press; 2011. P. 526–536.
  27. Altenmüller E, Schlaug G. Neurologic music therapy: The beneficial effects of music making on neurorehabilitation. Acoust Sci Technol. 2013;34(1):5–12. doi: 10.1250/ast.34.5
  28. Tomaino CM. Music and limbic system. In: Bejjani F, ed. Current research in arts and medicine. Chicago: A Capella Books; 1993. Р. 393–398.
  29. Schlaug G. Music, musicians, and brain plasticity. In: Hallam S, Cross I, Thaut M, ed. The Oxford handbook of music psychology. Oxford, New York: Oxford University Press; 2011. Р. 197–207.
  30. Blood AJ, Zatorre RJ. Intensely pleasurable responses to music correlate with activity in brain regions implicated in reward and emotion. Proc Natl Acad Sci USA. 2001;98(20):11818–11823. doi: 10.1073/pnas.191355898
  31. Brown S, Martinez MJ, Parsons LM. Passive music listening spontaneously engages limbic and paralimbic systems. Neuroreport. 2004;15(13):2033–2037. doi: 10.1097/00001756-200409150-00008
  32. Menon V, Levitin DJ. The rewards of music listening: Response and physiological connectivity of the mesolimbic system. Neuroimage. 2005;28(1):175–184. doi: 10.1016/j.neuroimage.2005.05.053
  33. Koelsch S, Fritz TV, Cramon DY, et al. Investigating emotion with music: An fMRI study. Hum Brain Mapp. 2006;27(3):239–250. doi: 10.1002/hbm.20180
  34. Ashby FG, Isen AM, Turken AU. A neuropsychological theory of positive affect and its influence on cognition. Psychol Rev. 1999;106(3):529–550. doi: 10.1037/0033-295x.106.3.529
  35. Janata P, Tillmann B, Bharucha JJ. Listening to polyphonic music recruits domain-general attention and working memory circuits. Cogn Affect Behav Neurosci. 2002;2(2):121–140. doi: 10.3758/cabn.2.2.121
  36. Peretz I, Zatorre RJ. Brain organization for music processing. Annu Rev Psychol. 2005;(56):89–114. doi: 10.1146/annurev.psych.56.091103.070225
  37. Thompson WF, Schellenberg EG, Husain G. Arousal, mood, and the Mozart effect. Psychol Sci. 2001;12(3):248–251. doi: 10.1111/1467-9280.00345
  38. Schellenberg EG, Nakata T, Hunter PG, Tamoto S. Exposure to music and cognitive performance: Tests of children and adults. Psychol Music. 2007;35(1):5–19. doi: 10.1177/0305735607068885
  39. Thompson RG, Moulin CJ, Hayre S, Jones RW. Music enhances category fluency in healthy older adults and Alzheimer’s disease patients. Exp Aging Res. 2005;31(1):91–99. doi: 10.1080/03610730590882819
  40. Foster NA, Valentine ER. The effect of auditory stimulation on autobiographical recall in dementia. Exp Aging Res. 2001;27(3): 215–228. doi: 10.1080/036107301300208664
  41. Hommel M, Peres B, Pollak P, et al. Effects of passive tactile and auditory stimuli on left visual neglect. Arch Neurol. 1990;47(5): 573–576. doi: 10.1001/archneur.1990.00530050097018
  42. Sarkamo T, Tervaniemi M, Laitinen S, et al. Music listening enhances cognitive recovery and mood after middle cerebral artery stroke. Brain. 2008;131(3):866–876. doi: 10.1093/brain/awn013
  43. Racette A, Bard C, Peretz I. Making non-fluent aphasics speak: Sing along! Brain. 2006;129(Pt 10):2571–2584. doi: 10.1093/brain/awl250
  44. Callan DE, Tsytsarev V, Hanakawa T, et al. Song and speech: Brain regions involved with perception and covert production. Neuroimage. 2006;31(3):1327–1342. doi: 10.1016/j.neuroimage.2006.01.036
  45. Dé monet JF, Thierry G, Cardebat D. Renewal of the neurophysiology of language: Functional neuroimaging. Physiol Rev. 2005;85(1):49–95. doi: 10.1152/physrev.00049.2003
  46. Witte OW. Lesion-induced plasticity as a potential mechanism for recovery and rehabilitative training. Curr Opin Neurol. 1998;11(6): 655–662. doi: 10.1097/00019052-199812000-00008
  47. Kreisel SH, Bazner H, Hennerici MG. Pathophysiology of stroke rehabilitation: Temporal aspects of neuro-functional recovery. Cerebrovasc Dis. 2006;21(1-2):6–17. doi: 10.1159/000089588
  48. Engineer ND, Percaccio CR, Pandya PK, et al. Environmental enrichment improves response strength, threshold, selectivity, and latency of auditory cortex neurons. J Neurophysiol. 2004;92(1):73–82. doi: 10.1152/jn.00059.2004
  49. Chikahisa S, Sei H, Morishima M, et al. Exposure to music in the perinatal period enhances learning performance and alters BDNF/TrkB signaling in mice as adults. Behav Brain Res. 2006;169(2):312–319. doi: 10.1016/j.bbr.2006.01.021
  50. Kim H, Lee MH, Chang HK, et al. Influence of prenatal noise and music on the spatial memory and neurogenesis in the hippocampus of developing rats. Brain Dev. 2006;28(2):109–114. doi: 10.1016/j.braindev.2005.05.008
  51. Angelucci F, Ricci E, Padua L, et al. Music exposure differentially alters the levels of brain-derived neurotrophic factor and nerve growth factor in the mouse hypothalamus. Neurosci Lett. 2007; 429(2-3):152–155. doi: 10.1016/j.neulet.2007.10.005
  52. Xu F, Cai R, Xu J, et al. Early music exposure modifies GluR2 protein expression in rat auditory cortex and anterior cingulate cortex. Neurosci Lett. 2007;420(2):179–183. doi: 10.1016/j.neulet.2007.05.005
  53. Angelucci F, Fiore M, Ricci E, et al. Investigating the neurobiology of music: Brain-derived neurotrophic factor modulation in the hippocampus of young adult mice. Behav Pharmacol. 2007; 18(5-6):491–496. doi: 10.1097/FBP.0b013e3282d28f50
  54. Centonze D, Rossi S, Tortiglione A, et al. Synaptic plasticity during recovery from permanent occlusion of the middle cerebral artery. Neurobiol Dis. 2007;27(1):44–53. doi: 10.1016/j.nbd.2007.03.012
  55. Schabitz WR, Steigleder T, Cooper-Kuhn CM, et al. Intravenous brain-derived neurotrophic factor enhances poststroke sensorimotor recovery and stimulates neurogenesis. Stroke. 2007;38(7): 2165–2172. doi: 10.1161/STROKEAHA.106.477331.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».