# Optimizing the restoration and rehabilitation of function using cortically-controlled FES following SCI

> **NIH NIH R01** · NORTHWESTERN UNIVERSITY · 2021 · $511,149

## Abstract

Despite the  long-­term promise  of  stem-­cell  and  other biological  approaches,  current options to  improve 
function  following  spinal  cord  injury  (SCI)  remain  quite  limited.  However,  brain  machine  interfaces  (BMIs)  that 
use  cortical  activity  to  drive  functional  electrical  stimulation  (FES)  of  muscles  or  the  spinal  cord  have  great 
promise  not  only  for  the  restoration  of  motor  ability  when  using  the  BMI,  but  also  for  improved  functional 
rehabilitation so that their performance is improved when the BMI is removed. The overall goal of our research 
is to identify strategies that maximize both of these potential strengths of cortically-­controlled FES.  
A system using cortical activity to drive stimulation of individual muscles might maximize the restoration 
of motor function: by enabling users to vary the amplitude and timing of individual muscles, movements can 
potentially be adapted as necessary to achieve task demands. Alternate strategies of producing movement, 
such as activation of muscle groups or of sites in the spinal cord producing limb flexion or extension, will 
reduce the range of possible movements. Although these strategies might be simpler to learn after SCI than 
control of individual muscles, they clearly limit the level of motor function that can be restored. 
In order to achieve the greatest functional rehabilitation, however, spinal stimulation might be a more 
promising strategy than muscle stimulation. Repeated spinal stimulation might maintain the function of spinal 
pathways involved in the production of movement and enable restoration of connections from descending 
systems through associative plasticity. Conversely, since muscle stimulation does not activate spinal pathways 
to produce movement, it might produce less functional rehabilitation. 
There is therefore a potential tradeoff between muscle and spinal stimulation: muscle stimulation enables 
high  levels  of  motor  ability  but  might  limit  functional  rehabilitation,  while  spinal  stimulation  might  enhance 
rehabilitation  but  limit  flexibility.  Our  research  will  investigate  this  tradeoff,  with  the  goal  of  designing  a  hybrid 
system  that  combines  spinal and  muscle  stimulation  to achieve high  levels  of  both  motor  ability  and  functional 
rehabilitation. 
 We  will  perform  these  experiments  in  rats,  implanting  electrodes  in  the  cortex  to  record  neural  activity 
and  in  the  spinal  cord  and  muscles  to  produce  movements.  We  will  then  train  rats  to  use  these  systems  after 
SCI, evaluating  whether  they  can  improve  motor ability and  functional  rehabilitation.  In  Aim 1,  we will  evaluate 
whether animals can produce high levels of motor ability with a system using cortical activity to control activation 
of  individual  muscles.  In  Aim  2,  we  will  evaluate  whether  animals  using  cortical  activity  to  control  activation  of 
spinal...

## Key facts

- **NIH application ID:** 10160969
- **Project number:** 5R01NS112535-03
- **Recipient organization:** NORTHWESTERN UNIVERSITY
- **Principal Investigator:** Matthew Tresch
- **Activity code:** R01 (R01, R21, SBIR, etc.)
- **Funding institute:** NIH
- **Fiscal year:** 2021
- **Award amount:** $511,149
- **Award type:** 5
- **Project period:** 2019-07-01 → 2024-04-30

## Primary source

NIH RePORTER: https://reporter.nih.gov/project-details/10160969

## Citation

> US National Institutes of Health, RePORTER application 10160969, Optimizing the restoration and rehabilitation of function using cortically-controlled FES following SCI (5R01NS112535-03). Retrieved via AI Analytics 2026-05-23 from https://api.ai-analytics.org/grant/nih/10160969. Licensed CC0.

---

*[NIH grants dataset](/datasets/nih-grants) · CC0 1.0*