Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Det fremkaldte potentielle operant konditioneringssystem (EPOCS): Et forskningsværktøj og en ny terapi til kroniske neuromuskulære lidelser

Published: August 25, 2022 doi: 10.3791/63736
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1, 1, 1,2, 3, 1, 1,2,4, 3
1National Center for Adaptive Neurotechnologies, Stratton VA Medical Center, 2Electrical & Computer Engineering Department, State University of New York at Albany, 3College of Health Professions, Medical University of South Carolina, 4Department of Biomedical Sciences, State University of New York at Albany

Summary

Det fremkaldte potentielle operant konditioneringssystem hjælper videnskabelig undersøgelse af sensorimotorisk funktion og kan administrere målrettet neurobehavioral træning, der kan påvirke sensorimotorisk rehabilitering i neuromuskulære lidelser. Denne artikel beskriver dens evner og illustrerer dens anvendelse til at ændre en simpel rygrefleks for at opnå varig forbedring af motorfunktionen.

Abstract

Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS) er et softwareværktøj, der implementerer protokoller til operant konditionering stimulus-udløste muskelresponser hos mennesker med neuromuskulære lidelser, hvilket igen kan forbedre sensorimotorisk funktion, når det anvendes korrekt. EPOCS overvåger tilstanden af specifikke målmuskler – f.eks. fra overfladeelektromyografi (EMG), mens de står, eller fra gangcyklusmålinger, mens du går på et løbebånd – og udløser automatisk kalibreret stimulering, når foruddefinerede betingelser er opfyldt. Det giver to former for feedback, der gør det muligt for en person at lære at modulere den målrettede vejs spænding. For det første overvåger den løbende EMG-aktivitet i målmusklen og guider personen til at producere et ensartet aktivitetsniveau, der er egnet til konditionering. For det andet giver den øjeblikkelig feedback om responsstørrelsen efter hver stimulering og angiver, om den har nået målværdien.

For at illustrere brugen beskriver denne artikel en protokol, hvorigennem en person kan lære at reducere størrelsen af Hoffmann-refleksen - den elektrisk fremkaldte analog af spinal stretchrefleksen - i soleusmusklen. Down-konditionering af denne vejs excitabilitet kan forbedre gang hos mennesker med spastisk gang på grund af ufuldstændig rygmarvsskade. Artiklen demonstrerer, hvordan man opsætter udstyret; hvordan man placerer stimulerende og optagende elektroder; og hvordan man bruger den gratis software til at optimere elektrodeplacering, måle rekrutteringskurven for direkte motor- og refleksresponser, måle responsen uden operant konditionering, konditionere refleksen og analysere de resulterende data. Det illustrerer, hvordan refleksen ændrer sig over flere sessioner, og hvordan gang forbedres. Det diskuterer også, hvordan systemet kan anvendes på andre former for fremkaldte reaktioner og på andre former for stimulering, f.eks. motoriske fremkaldte potentialer til transkraniel magnetisk stimulering; hvordan det kan løse forskellige kliniske problemer; og hvordan det kan understøtte forskningsundersøgelser af sensorimotorisk funktion i sundhed og sygdom.

Introduction

I løbet af det sidste årti er målrettede neuroplasticitetsstrategier opstået som en ny tilgang til rehabilitering af neurologiske svækkelser 1,2. En sådan strategi er operant konditionering af et fremkaldt potentiale. Dette indebærer gentagne gange at fremkalde elektrofysiologiske reaktioner, der kan måles ikke-invasivt - for eksempel ved elektroencefalografi (EEG) eller overfladeelektromyografi (EMG) - og give personen øjeblikkelig feedback om størrelsen af hvert respons i forhold til et kriterieniveau fastsat af terapeuten eller efterforskeren. Over tid træner denne protokol personen til at øge eller mindske deres respons og kan derfor målrette gavnlig ændring til et centralnervesystemsted, der er vigtigt i en adfærd som bevægelse eller rækkevidde. Den målrettede ændring gavner ydeevnen og muliggør desuden bedre praksis, der fører til udbredt gavnlig ændring, der forbedrer hele adfærden. For eksempel hos mennesker med ufuldstændig rygmarvsskade (iSCI), hvor clonus forringer bevægelse, forbedrer operant konditionering, der reducerer Hoffmann-refleksen i soleusmusklen i det ene ben, bevægelsesmuskelaktiviteten i begge ben og derved øger ganghastigheden og genopretter højre / venstre trinsymmetri 1,3,4,5 . Et andet eksempel er stimulering med parret puls, som varigt kan øge størrelsen af det motoriske fremkaldte potentiale (MEP) til transkraniel magnetisk stimulering og derved forbedre rækkevidde-og-greb-funktionen hos mennesker med kronisk hånd- og armforringelse efter iSCI6.

Implementering af sådanne protokoller kræver speciel software, der skal udføre flere funktioner. Specifikt skal det løbende erhverve, behandle og gemme elektrofysiologiske signaler; det skal løbende overvåge nervesystemets tilstand og udløse stimulering på passende vis under stramme realtidsbegrænsninger det skal give kontinuerlig øjeblik-for-øjeblik feedback, trial-by-trial feedback og session-by-session feedback; det skal give en brugergrænseflade til at guide opsætning og tuning af efterforskeren eller terapeuten; og endelig skal den gemme og organisere signaldata og metainformation i et standardiseret format.

Det fremkaldte potentielle operant konditioneringssystem (EPOCS) er vores svar på dette enestående behov. Under emhætten er softwaren baseret på BCI2000, en open source neuroteknologiplatform, der bruges i hundredvis af laboratorier rundt om i verden 7,8. I EPOCS er BCI2000's sædvanlige brugergrænseflade skjult og erstattet af en strømlinet grænseflade, der er optimeret til fremkaldte potentielle operante konditioneringsprotokoller.

Den aktuelle artikel og den ledsagende video illustrerer brugen af EPOCS i en bestemt protokol: operant konditionering for at reducere størrelsen af Hoffmann (H-) refleksen i soleusmusklen. Dette svar er den elektrisk fremkaldte analog af knæ-jerk stretchrefleksen. H-refleks down-conditioning har vist sig at reducere virkningen af clonus på og derved forbedre bevægelse hos dyr med iSCI 9,10,11,12,13 og hos mennesker med iSCI, multipel sklerose eller slagtilfælde5,14,15. Det kan anvendes uden bivirkninger hos dyr og mennesker med eller uden neurologisk skade16,17.

Den operante konditioneringsprotokol fungerer ved at udføre flere forsøg, der hver varer flere sekunder. Hændelsesforløbet for et forsøg er vist skematisk i figur 1 med tal, der angiver følgende funktioner:

1. Kontinuerlig baggrund EMG registreres fra bipolære overfladeelektroder over målmusklen (soleus) og dens antagonist (tibialis anterior). Baggrundsniveauet vurderes som den gennemsnitlige korrigerede værdi af det højpasfiltrerede signal i et glidende vindue.

2. Baggrund EMG-niveau i målmusklen vises som højden på en stang, der løbende opdateres på deltagerens skærm. Dette hjælper deltageren med at holde aktiviteten inden for et bestemt interval (udklækket region).

3. Softwaren vurderer det passende tidspunkt for elektrisk stimulering og udløser stimulatoren i overensstemmelse hermed. Hovedkriterierne er, at der skal være gået mindst 5 s siden den tidligere stimulering, og at baggrunds-EMG-niveauet skal have været i det angivne interval kontinuerligt i 2 s.

4. En konstantstrømsstimulator leverer en elektrisk puls transkutant til tibialnerven (typisk monofasisk, med 1 ms varighed).

5. Det resulterende stimuluslåste respons registreres. Softwaren beregner størrelserne af to komponenter af særlig interesse: den tidligere M-bølge, som afspejler muskelaktivering som følge af direkte stimulering af motoraksonen; og den senere H-refleks, som reflekterer signalet videresendt gennem en refleksbue i rygmarven 18,19,20,21,22. EPOCS henviser til disse som henholdsvis referencerespons og målrespons.

6. H-refleksstørrelse for det aktuelle forsøg vises som højden på en anden bjælke i forhold til et ønsket kriterieniveau, der definerer et vellykket eller mislykket forsøg. For down-conditioning er stangen mørkegrøn, hvis H-refleksstørrelsen faldt under kriteriet, eller lys rød, hvis den ikke gjorde det (omvendt for up-conditioning). Samtidig opdateres den numeriske visning af den kumulative succesrate i overensstemmelse hermed. Tilsammen giver disse grafiske displayelementer den umiddelbare positive eller negative forstærkning, som operant konditionering er afhængig af23.

Figure 1
Figur 1: Skematisk illustration af EPOCS' kernefunktionalitet under down-conditioning af soleus H-refleksen. Deltageren ser en stor skærm, der viser baggrunds-EMG-niveauet, den seneste H-refleksstørrelse, antallet af forsøg, der er gennemført indtil videre i den nuværende kørsel på 75, og den løbende andel af vellykkede forsøg til kørslen. Rækkefølgen af begivenheder i et forsøg er betegnet med tallene 1-6, som beskrevet i indledningen. Klik her for at se en større version af denne figur.

En human H-reflekskonditioneringsprotokol består typisk af 6 baseline-sessioner efterfulgt af 24-30 konditioneringssessioner fordelt over 10 uger med en hastighed på 3 sessioner / uge og flere opfølgningssessioner i løbet af de efterfølgende 3-6 måneder14,16. Hver session varer 60-90 min.

For at understøtte denne protokol såvel som andre relaterede protokoller har EPOCS fem forskellige driftsformer, der hver betjenes af en af fanerne i hovedvinduet med titlen Stimulus Test, Voluntary Contraction, Recruitment Curve, Control Trials og Training Trials.

I stimulustesttilstand udløser softwaren en stimulus hvert par sekunder, ikke nødvendigvis betinget af målmuskulaturens tilstand. Responssignalerne vises på skærmen efter hver stimulus. Dette gør det muligt for operatøren at verificere kvaliteten af elektrodeforbindelserne og EMG-signalet; at optimere placeringen af de stimulerende og optagende elektroder; og at etablere individets responsmorfologi.

I frivillig kontraktionstilstand måler og viser softwaren baggrunds-EMG-niveauet, mens deltageren opfordres til at trække musklen sammen så meget som muligt i mangel af elektrisk stimulering. I nogle protokoller er EMG-niveauet ved maksimal frivillig sammentrækning (MVC) en nyttig reference til fastsættelse af baggrunds-EMG-kriterierne. I protokollen demonstreret her er dette ikke nødvendigt, da en stabil stående kropsholdning standardiserer soleusmuskulaturens aktivitet tilstrækkeligt.

I rekrutteringskurvetilstand er stimulering betinget af, at baggrunds-EMG-niveauet (vises kontinuerligt på skærmen) forbliver i det korrekte interval; responssignaler vises på skærmen efter hver stimulus; og rækkefølgen af svar kan analyseres i slutningen af en kørsel. Dette gør det muligt for operatøren at bestemme starten og slutningen af de tidsintervaller, hvor svarene af interesse vises; at bestemme forholdet mellem stimuleringsintensitet og responsstørrelse, både før og efter konditioneringsløbene; og for at bestemme stimuleringsintensiteten, der skal bruges til konditionering.

I Control Trials-tilstand er stimulering betinget af baggrunds-EMG-niveauet (vises kontinuerligt på skærmen), men der gives ingen feedback om målresponsstørrelsen. Sekvensen og fordelingen af responsstørrelser kan analyseres. Denne tilstand kan bruges til at indsamle baseline-målinger af responsstørrelse eller som en kontrolbetingelse til sammenligning med operantkonditionering i et crossover- eller mellemforsøgseksperimentelt design. Det kan tjene som grundlag for fastsættelse af præstationskriteriet for operant konditionering i begyndelsen af hver session.

Endelig er stimulering i træningsforsøgstilstand betinget af baggrunds-EMG-niveauet (vist kontinuerligt på skærmen), og trial-by-trial-forstærkning tilvejebringes også ved at vise målresponsstørrelsen som beskrevet ovenfor og vist i figur 1. Dette er den tilstand, hvor operant konditionering udføres.

Det næste afsnit vil guide læseren gennem de fem tilstande ved at demonstrere protokollen til nedkonditionering af soleus H-refleksen hos en voksen deltager uden neurologisk skade.

Protocol

Alle procedurer, der er beskrevet her, blev godkendt af det institutionelle gennemgangsudvalg for Stratton VA Medical Center (godkendelsesnummer 1584762-9). Deltageren i videoen gav informeret samtykke til brugen af deres billede og EMG-signaler i denne publikation.

BEMÆRK: Udtrykkene med fed skrift angiver etiketter, der skal være synlige på hardwaren og/eller i softwarens grafiske brugergrænseflade.

1. Software opsætning

  1. Gå til https://neurotechcenter.org/epocs for at få instruktioner om at få det nyeste softwareinstallationsprogram. Installer softwaren ved hjælp af det downloadede installationsprogram.
  2. Sørg for, at de nødvendige drivere og producentens software er installeret til digitaliseringen. Sørg især for, at NI-DAQmx-installationen inkluderer 64-bit support.
  3. Start NI-MAX-applikationen, vælg den enhed, der skal bruges under Enheder og grænseflader, og sørg for, at dens navn er Dev1. Sørg derefter for, at afkrydsningsfeltet Linjetilstand for port 0 linje 7 ikke er markeret (nulstillet) under Konfigurer > starttilstande. Nul også det tilsvarende Tristate-afkrydsningsfelt, hvis der er et.
  4. Brug værktøjet Tilføj eller fjern programmer til at fjerne al unødvendig software, der med mellemrum kan forbruge processorressourcer i baggrunden, da dette kan føre til fejl i signalbehandling i realtid. Sørg for at fjerne eventuelle softwareopdaterings-/fejlfindingspakker fra computerens producent, da disse har været kendt for at forårsage alvorlige ydelsesproblemer.
    BEMÆRK: Ovenstående softwareopsætningstrin skal kun udføres én gang for en given hardwarekonfiguration.

2. Opsætning af hardware

  1. Konfigurer digitaliseringen til at koordinere input og output som beskrevet nedenfor.
    1. Brug et kort stykke solid-core isoleret ledning til at lappe fjederterminalen til digital udgangsport 0 linje 7 (mærket P0.7- eller muligvis DIO7 på ældre udstyr) til fjederterminalen til USER-udgang .
    2. Fastgør et BNC-tee-stik til hun/han/hun-tee til USER-udgangen . Tilslut USER-udgangen til stimulatorens eksterne triggerindgangsport.
    3. Tilslut det første og andet forstærkede EMG-signalkabel til henholdsvis den første og anden analoge indgangskanal på dataindsamlingskortet. Disse er mærket AI0 og AI1 - eller muligvis ACH0 og ACH1 på ældre udstyr. Opret en ekstra forbindelse fra USER-udgangen tilbage til den tredje analoge indgangskanal (mærket AI2 eller ACH2).
  2. Konfigurer konstantstrømsstimulatoren som beskrevet nedenfor.
    BEMÆRK: For at gøre protokollen generaliserbar til en række stimulatormærker og modeller beskriver denne artikel manuel stimulusintensitetskontrol i stedet for at udnytte muligheden for automatisk styring af de særlige stimulatormodeller.
    1. Tænd stimulatoren, og konfigurer den til at levere 1 ms monofasiske impulser. For DS8R-modellen skal du sikre dig, at stimulusintensiteten styres af frontpanelet eller USB-grænsefladen, ikke via den bageste analoge indgang. Tilslut det lange udgangskab, og tilslut det til snapledningerne, der fastgøres til de stimulerende elektrodepuder.
  3. Konfigurer den analoge forstærker til at levere mindst to EMG-kanaler som beskrevet nedenfor.
    1. Tænd forstærkeren. Sørg for, at alle kanals GAIN-værdier er på deres standardværdi på 500, og at de tilsvarende VARIABLE knapper er drejet til deres minimumsværdi på 1.
    2. Tilslut den bærbare enhed til forstærkeren ved hjælp af det lange kabel. Indsæt to firkantede 9 V batterier i den bærbare enheds batteripakke. Spænd den bærbare enhed og batteripakken rundt om deltagerens talje.

3. Forberedelse af stimulerings- og optagelseselektroder

  1. Brug tidligere noterede landemærker eller målinger til at genskabe tidligere deltagerspecifikke elektrodepositioner så tæt som muligt. Forbered huden, hvor elektroderne vil blive fastgjort ved at tørre med alkoholpuder for at fjerne overskydende olie, og tør derefter af med et papirhåndklæde for at fjerne død hud.
  2. Fastgør stimuleringselektroderne i position for at stimulere tibialnerven præcist med minimal effekt på den fælles peroneale nerve. Brug den større (22 mm x 35 mm) elektrode som anode og placer den i toppen af popliteal fossa, hvor iskiasnerven forgrener sig til tibial og almindelig peroneal nerve. Placer katoden (22 mm x 22 mm) ved knæets fold direkte under anoden med en 3-4 cm adskillelse mellem elektrodecentre.
  3. Fastgør EMG-optageelektroderne i en bipolar montage ved målmusklen (soleus) som følger.
    1. For at bestemme den korrekte placering skal du først finde gastrocnemiusmusklen ved at palpere, mens deltageren veksler mellem at stå på tæerne og stå naturligt.
    2. Placer den første elektrode direkte under den distale kant af gastrocnemius muskelmaven. Placer den anden elektrode under den første med en afstand på 5 cm mellem elektrodecentre. Hold begge elektroder på linje med akillessenen.
  4. Fastgør EMG-optageelektroderne i en bipolar montage ved antagonistmusklen (tibialis anterior). For at gøre dette skal du identificere musklen ved at palpere, mens deltageren løfter (dorsiflexes) tæerne. Placer elektroderne på muskelmaven, ca. 1/3 af vejen ned fra fibulært hoved til ankel, med en 5 cm lodret adskillelse mellem elektrodecentre.
  5. Fastgør en jordelektrode ved patellaen.
  6. Tilslut EMG-forstærkerledningerne som følger. Sæt den grøntapede aktive elektrode i kanal 1 på den bærbare enhed, og tilslut de røde klip til målmuskelelektroderne (soleus) og den grønne klemme til jordelektroden. Sæt den sorttapede aktive elektrode i kanal 2 på den bærbare enhed, og tilslut klemmerne til antagonist-muskelelektroderne (tibialis anterior).
  7. Tilslut batteriet til den bærbare enhed.
  8. Tilslut stimuleringssnapledningerne til stimuleringselektroderne.

4. Brug af EPOCS-softwaren

  1. Placer skærmen således, at både efterforsker og emne (eller terapeut og patient) kan se det tydeligt.
  2. Start en EPOCS-session.
    BEMÆRK: En session defineres som et besøg på laboratoriet eller klinikken, der typisk varer 60-90 minutter.
    1. Dobbeltklik på EPOCS-ikonet for at starte programmet. Indtast deltager-id-koden (eller vælg fra listen over tidligere anvendte id'er).
    2. Hvis dette er en fortsættelse af en eksisterende session, f.eks. hvis softwaren skulle genstartes efter en afbrydelse, skal du trykke på Fortsæt session. Dette vil kun være tilgængeligt, hvis en session for den angivne deltager er startet inden for de sidste 3 timer.
    3. Ellers skal du trykke på Start ny session. Dette opretter en ny datamappe, dato- og tidsstemplet og markeret med deltager-id'et.
  3. Kontroller elektrodens placering og kontaktkvalitet, og juster efter behov.
    1. Sørg for, at fanen Stimulustest vises.
    2. I Indstillinger > stimulering skal du konfigurere min. intervallet for stimulustest til 3 s. Bemærk, at dette er konfigureret separat fra min. intervallet for normal brug, som typisk vil være længere, omkring 5 s. Lad Digitimer Link-indstillingen være deaktiveret.
      BEMÆRK: Når den er aktiveret, tillader Digitimer Link-indstillingen softwarekontrol af stimuleringsintensiteten, når du bruger visse stimulatormodeller. Den nuværende protokol demonstrerer i stedet manuel kontrol af stimulusintensitet, som kan anvendes på tværs af flere stimulatormærker og modeller.
    3. På stimulatorens kontrolpanel skal du indstille stimulusintensiteten til 5 mA og aktivere stimulering.
    4. Bed deltageren om at stå, med deres hænder delvist støtte deres vægt på en rollator, hvis det er nødvendigt.
    5. Advar deltageren om at forvente stimulering, og tryk derefter på Start for at starte en ny kørsel (dvs. for at starte optagelse af signaler kontinuerligt til en ny fil). Kørsler nummereres sekventielt, og deres filer overskriver aldrig hinanden.
    6. Hver gentagelse af stimulering kaldes en prøve. De EMG-svar, der fremkaldes i hvert forsøg, vises straks. Vurder M-bølgen og H-refleksen fremkaldt i målmusklen (det øvre, blå spor) og antagonistmusklen (det nederste, røde spor). Forøg om nødvendigt strømmen gradvist til 10 mA eller mere, indtil svarene vises tydeligt.
    7. For at finde det optimale sted at stimulere (dvs. den placering, der giver den største H-refleks), skal du sammenligne de fremkaldte potentialer efter at have flyttet katoden en fuld elektrodebredde medialt og derefter sideværts efterfulgt af en halv elektrodebredde medialt og derefter sideværts og til sidst med en fuld elektrodebredde op og derefter ned.
    8. Marker, noter og fotografer elektrodernes position for at hjælpe med omplacering i fremtidige sessioner. Hvis det er muligt, lav en gipsafstøbning af læggen og bagsiden af knæet og lav huller i støbningen, der gør det muligt at påføre mærkerne nøjagtigt igen.
    9. Når de optimale positioner for elektroderne er fundet, skal du udskifte de omplacerede elektroder med friske elektroder.
  4. For soleuskonditionering skal du springe fanen Frivillig sammentrækning over.
  5. Mål de maksimale M-bølge- og H-refleksstørrelser (M.max og H.max) ved at kortlægge rekrutteringskurven, dvs. forholdet mellem stimulusintensitet og respons. Mål rekrutteringskurven som følger, før og efter kontrol- eller træningsforsøgene i hver session. I den første session skal du bruge rekrutteringskurven til at styre valget af en passende stimuleringsintensitet til brug under hele konditioneringsprocessen.
    1. Skift til fanen Rekrutteringskurve .
    2. I Indstillinger > EMG skal du konfigurere de intervaller, som EMG-værdierne for mål- og antagonistbaggrund skal holde sig inden for for at muliggøre stimulering. For soleus, forudsat at den maksimale frivillige sammentrækning ikke er blevet målt, skal du blot sikre, at intervallerne omfatter de EMG-niveauer, der genereres af naturligt vægtbærende under stående. Indstil baggrundsholdvarigheden til 2 s for at diktere, hvor længe deltageren kontinuerligt skal holde EMG inden for rækkevidde for at udløse hver stimulus.
      BEMÆRK: De øvre eller nedre grænser kan stå tomme, hvis der ikke skal indføres tilsvarende begrænsninger.
    3. Aktivér stimulatoren, og indstil intensiteten til den minimumsværdi, der skal bruges til måling af rekrutteringskurve: 5 mA. (Denne værdi er et eksempel og bør vælges fra sag til sag-se diskussion.)
    4. Hvis dette er deltagerens første session, skal du give dem mulighed for at øve sig i at holde EMG i det korrekte interval i den krævede varighed som beskrevet nedenfor.
      1. Mens deltageren står, skal du trykke på Start. Demonstrer for deltageren, hvordan baggrunds-EMG-niveauet i målmusklen vises i realtid som stangens højde mod et skraveret område, der viser målområdet.
      2. Forklar deltageren, at aktiviteten fra begge muskler (mål og antagonist) skal være inden for deres krævede intervaller for at dreje stangen fra en lys rød til en mørkere grøn (selvom antagonistaktivitetsniveauet ikke vises direkte).
      3. For at justere baggrundsområderne skal du trykke på Stop efterfulgt af Indstillinger; indtast derefter de nye numre, tryk på OK og derefter Start igen. Tryk på Stop , når øvelseskørslen er færdig.
    5. For at måle rekrutteringskurven skal du trykke på Start, mens deltageren står. Hvis H-refleksen allerede er synlig ved den valgte startintensitet, skal du gradvist reducere strømmen, indtil H-refleksen ikke længere ses. Tryk derefter på Stop , og tryk igen på Start for at starte kørslen.
    6. Vær meget opmærksom på tælleren Trials Completed . Efter hver fjerde forsøg øges stimuleringsintensiteten manuelt med 2 mA. (Denne værdi er et eksempel og bør vælges fra sag til sag-se diskussion.) Fortsæt, indtil M-bølgestørrelsen når et plateau, forudsat at deltageren ikke rapporterer ubehag. Tryk på Stop , når du er færdig, og inviter deltageren til at sætte sig ned for at hvile.
    7. Noter de stimulusintensitetsværdier, der bruges til hvert forsøg. Knyt alle skriftlige poster til kørselsnummeret, der vises øverst til højre i vinduet. I slutningen af en kørsel skal du indtaste disse oplysninger manuelt i sessionsloggen sammen med andre noter via fanen Log .
      BEMÆRK: Hvis stimuleringsintensiteten styres manuelt, registreres disse oplysninger ikke af softwaren.
    8. Tryk på knappen Analyse for at åbne analysevinduet og tillade definition af M- og H-bølgerne som følger. I den øverste rude i analysevinduet skal du undersøge stimuluslåst overlejring af målmuskelsignalerne fra hvert forsøg i den sidste kørsel.
    9. Brug musen til at justere begyndelsen og slutningen af de brune reference- og grønne målintervaller (i H-refleks-operantkonditioneringsprotokollen svarer disse til henholdsvis M-wave og H-reflex). Når intervallerne er korrekte, skal du trykke på de røde knapper Brug markerede tidspunkter for at gemme disse personlige intervalindstillinger til fremtidige analyser.
    10. I ruden Sekvens i den nederste halvdel af analysevinduet skal du vurdere den resulterende rekrutteringskurve. Juster indstillingerne for at se enten peak-to-peak eller middelkorrigeret amplitude og for at samle resultater fra på hinanden følgende forsøg. Da stimulusstrømmen blev øget hvert fjerde forsøg, skal du angive forsøg til pulje: 4. Optag den resulterende M max og Hmax.
    11. Hvis dette er deltagerens første session, skal du optimere målmuskel-EMG-optagelsesstederne som følger.
      1. Flyt soleuselektroderne medialt med en halv elektrodebredde (eller en fuld elektrodebredde, hvis musklen er bred nok). Gentag derefter ovenstående trin for at samle en fuld rekrutteringskurve og registrere den resulterende M max og Hmax.
      2. Flyt soleuselektroderne den samme afstand sideværts fra deres oprindelige position, og udfør igen en rekrutteringskurvemåling for at estimere M max og Hmax. Vedtag elektrodepositioneringen, der maksimerer Hmax, og markér, bemærk og fotografer deres positioner som i trin 4.3.8.
    12. Vælg en stimulusintensitet, der fremkalder en tæt på maksimal H-refleks - ideelt set på den stigende (venstre) hældning af H-refleksrekrutteringskurven - men med den begrænsning, at der skal være en synlig M-bølge. Indstil denne stimulusintensitetsværdi på stimulatoren, og noter den til fremtidige sessioner. Bemærk også den tilsvarende M-bølgestørrelse (se diskussion).
  6. Mål fordelingen af H-refleksstørrelser uden at give responsfeedback som følger.
    1. Skift til fanen Kontrolforsøg .
    2. Mens deltageren står, skal du trykke på Start. Som før skal du instruere deltageren om at bruge feedbacken fra den stigende og faldende bar for at opretholde niveauet af baggrundsmuskelaktivitet inden for det krævede interval.
    3. Hvis dette er en baseline eller opfølgningssession, skal du udføre 75 forsøg efter hinanden ved den valgte stimulusintensitet. Hvis dette er en konditioneringssession, skal du kun udføre 20 forsøg. Efter det foreskrevne antal prøveversioner skal du trykke på Stop for at afslutte kørslen.
    4. Presseanalyse. Som tidligere skal du vurdere overlejringen af trial-by-trial responsbølgeformer i det øverste panel og sekvensen af responsstørrelser nedenfor. En ny fane kaldet Distribution er også aktiveret som standard oven på Sekvens. Det viser fordelingen af H-refleksstørrelser med sammenfattende statistikker til højre.
    5. Tryk på Log Resultater for at føje oversigtsstatistikken til sessionsloggen.
    6. Hvis dette er en baseline-session, skal du gentage ovenstående trin for i alt 3 kørsler med hver 75 forsøg. Spring derefter til målingen af den afsluttende rekrutteringskurve i trin 4.8.
    7. Hvis dette er en konditioneringssession, skal du indstille målpercentilen til 66. Op- og nedkonditioneringskriterierne sammen med medianen vises ved de lodrette røde linjer. Vælg et kriterium for konditionering ved at trykke på knappen Op-tilstand eller Ned-tilstand . For denne protokol skal du trykke på Down-Condition. Denne handling logges automatisk, og analysevinduet lukkes.
      BEMÆRK: I en down-conditioning-protokol betyder en målpercentilværdi på 66, at et vellykket forsøg defineres som et, hvor responsstørrelsen er i de nederste 66% af den tidligere målte fordeling; Omvendt betyder succes i up-conditioning at producere en responsstørrelse i de øverste 66% af distributionen.
  7. Udfør operant konditionering som beskrevet nedenfor.
    1. Skift til fanen Træningsforsøg .
    2. Mens deltageren står, skal du trykke på Start.
    3. Hvis deltageren ikke har set det før, skal du henlede opmærksomheden på den nye feedbacklinje midt på skærmen. Forklar, at den viser den seneste H-refleksstørrelse i forhold til det udklækkede målområde. Hvis svaret falder inden for målområdet, tælles forsøget som vellykket, og bjælken bliver mørkegrøn. Hvis det falder uden for området, tælles forsøget som mislykket, og bjælken bliver lysere rød.
    4. Under hele løbet motiveres deltageren til at udføre så mange vellykkede forsøg som muligt. Antallet af udførte forsøg og andelen af forsøg, der indtil videre har været vellykkede i løbet, vises til højre på skærmen. Efter 75 prøveversioner skal du trykke på Stop for at afslutte kørslen.
    5. Tryk på knappen Analyse . Analysevinduet ser ud som for kontrolforsøg. Brug igen fanen Sekvens til at kontrollere, at M-bølgerne forblev konstante i den ønskede størrelse.
    6. Som før kan du med fanen Distribution valgt bruge knappen Down-Condition til at opdatere det operative konditioneringskriterium til næste kørsel. Gentag den operant konditioneringsprocedure 2x mere, i alt 3 kørsler med 75 forsøg hver.
  8. Ved afslutningen af sessionen skal du udføre en anden rekrutteringskurvemåling som i trin 4.5.1.-4.5.6.
  9. Afslut sessionen som beskrevet nedenfor.
    1. Indtast eventuelle yderligere sessionsnoter på fanen Log . Loggen gemmes automatisk, når den udfyldes i en datostemplet almindelig tekstfil i den sessionsspecifikke datamappe. Luk vinduet. Data og logfiler er allerede gemt.
    2. Hvis du vil besøge analysevinduet for tidligere registrerede data igen, skal du dobbeltklikke på ikonet EPOCS offlineanalyse og vælge datafilen for den kørsel, der skal analyseres. Vent på, at de rå signaler behandles (dette kan tage 1 minut eller mere).
      BEMÆRK: Data gemmes som .dat filer i BCI2000-format. Filnavnet angiver dato og klokkeslæt for sessionen, deltager-id'et, tilstanden (ST for stimulustest, VC for frivillig sammentrækning, RC for rekrutteringskurve, CT for kontrolforsøg og TT for træningsforsøg) og det sekventielle kørselsnummer.

5. Udførelse af flere gentagne sessioner

  1. Planlæg i alt 6 baseline-sessioner, 24 konditioneringssessioner (eller 30 for personer med neurologisk svækkelse) og 4 opfølgningssessioner. Planlæg basis- og konditioneringssessionerne med en hastighed på 3 sessioner / uge, hver session varer ikke længere end 90 minutter. Sørg for, at alle sessioner udføres på samme tid af dagen for at minimere virkningerne af daglig variation.
  2. I hver af de 6 baseline-sessioner skal du gennemføre en indledende rekrutteringskurvekørsel, 3 kørsler med 75 kontrolforsøg og en endelig rekrutteringskurvekørsel.
  3. I hver af de 24 (eller 30) konditioneringssessioner skal du gennemføre en indledende rekrutteringskurvekørsel, 1 kørsel med 20 kontrolforsøg, 3 kørsler med 75 træningsforsøg og en endelig rekrutteringskurvekørsel.
  4. Udfør 4 opfølgningssessioner på 10-14 dage, 1 måned, 2 måneder og 3 måneder efter den sidste konditioneringssession. Afhængigt af undersøgelsens mål kan disse være identiske med baseline-sessioner eller med konditioneringssessioner.

Representative Results

Figur 2 viser effektiviteten af ovenstående protokol til måling af M-bølge og H-refleks rekrutteringskurver og til måling af fordelingen af H-refleksstørrelser ved konstant stimuleringsintensitet. Det illustrerer også den samlede effektivitet af multisessionsprotokollen til at ændre H-refleksstørrelsen hos neurologisk uhindrede deltagere og til at forbedre lokomotorisk funktion hos deltagere med ufuldstændig rygmarvsskade.

Figur 2A viser et skærmbillede af analysevinduet efter en kørsel udført i rekrutteringskurvetilstand under H-refleks operant konditionering (se protokoltrin 4.5.). I den nederste halvdel af vinduet ( sekvensruden ) viser den vandrette akse prøvenummer - derfor øges stimulusintensiteten fra venstre mod højre. H-refleksstørrelse (grønne cirkler) stiger derefter falder som en funktion af stimulusintensitet, mens M-bølgestørrelse (brune trekanter) stiger og derefter mætter. Figur 2B viser et skærmbillede af analysevinduet efter en kørsel udført i Control Trials eller Training Trials-tilstand under H-refleks operant konditionering (se protokoltrin 4.6. og trin 4.7.). I det nederste panel (ruden "Fordeling") letter histogrammet af H-refleksstørrelser valget af et passende kriterieniveau til efterfølgende op- eller nedkonditionering. I figur 2C er H-refleksstørrelse hos neurologisk uhindrede deltagere plottet som en funktion af sessionsnummer på tværs af 6 baseline-sessioner, 24 konditioneringssessioner og 4 opfølgningssessioner. Data blev indsamlet fra 15 deltagere (8 mænd, 7 kvinder), hvoraf 2 deltog i både op- og nedkonditioneringsarme. Deltagerne var i alderen 21-55 år. Alle deltagere gav informeret samtykke. Protokollen blev godkendt af institutional review board (IRB) i New York State Department of Health (godkendelsesnummer 05-058). Thompson et al.16 giver yderligere detaljer. Figur 2D viser den gavnlige effekt af soleus H-refleks down-conditioning hos deltagere med kronisk nedsat underekstremitet efter ufuldstændig rygmarvsskade. Vellykket konditionering var forbundet med en forbedring af gangsymmetri og i ganghastighed i forhold til baseline. Data blev indsamlet fra 13 deltagere (9 mænd, 4 kvinder) i alderen 28-68 år, der gav informeret samtykke. Protokollen blev godkendt af IRB på Helen Hayes Hospital (godkendelsesnummer 07-07). Thompson et al.14 giver yderligere detaljer.

Figure 2
Figur 2: Repræsentative resultater . (A) Skærmbillede af vinduet til analyse af rekrutteringskurven. (B) Skærmbillede af analysevinduet Kontrolforsøg eller Træningsforsøg. (C) Kontrasterende virkninger af op- og nedkonditionering af soleus H-refleksen hos uskadte deltagere. Røde opadgående trekanter viser gennemsnitlig H-refleksstørrelse fra N = 6 succesfuldt opkonditionerede deltagere (ud af 8); blå nedadgående trekanter viser gennemsnitlige svar fra N = 8 succesfuldt nedbetingede deltagere (ud af 9). Fejllinjer angiver standardfejl. Dette billede er blevet ændret fra Thompson et al.16. (D) Terapeutisk virkning af soleus H-refleks down-conditioning på ganghastighed og gangsymmetri hos mennesker med kronisk funktionsnedsættelse efter ufuldstændig rygmarvsskade. Søjlerne kontrasterer resultater for N = 6 deltagere, hvis H-reflekser med succes blev nedkonditioneret mod N = 4 deltagere fra kontroltilstanden (ingen operant konditionering) og N = 3 deltagere, hvor down-conditioning-protokollen ikke reducerede refleksstørrelsen. Fejllinjer angiver standardfejl. Hver stjerne angiver en p-værdi under 0,05 på en parret t-test, der sammenligner præ- mod efterkonditioneringsmålinger. Dette billede er blevet ændret fra Thompson et al.14. Klik her for at se en større version af denne figur.

Discussion

Protokollen beskrevet ovenfor er egnet til at demonstrere soleus H-refleks down-conditioning hos en typisk voksen uden neurologisk svækkelse. De præcise parameterværdier kan variere fra person til person og især som en funktion af funktionsnedsættelse. Mens deltagerens rekrutteringskurve nåedeM-max ved en stimulerende strøm på omkring 25 mA i videoen, kan en anden person kræve 50 mA eller mere, så strømmen ville blive øget i større trin under rekrutteringskurvemåling. De kan også kræve en længere pulsvarighed. En tredje person kan være mere følsom og kræve mindre aktuelle indstillinger. Protokollen skal også tilpasses i henhold til den muskel, der konditioneres. For eksempel, når man målretter mod flexor carpi radialis muskel24,25, anvendes en lavere strømindstilling generelt; den frivillige kontraktionstilstand bør anvendes til at fastsætte en skala for baggrunds-EMG-grænserne; og der skal udvises større omhu både under optimering af elektrodeplacering og under optimering af kropsholdning, som derefter skal holdes konstant på tværs af forsøg.

Protokollen er følsom over for variationer i forholdet mellem stimulatorstrømindstilling og mængden af strøm, der faktisk leveres til nerven - dette kan påvirkes af små variationer i kropsholdning, hydrering af deltageren og udtørring af klæbeelektrodegelen. I H-reflekskonditionering kan dette problem afhjælpes ved at bruge M-bølgestørrelse som en indikator for effektiv stimuleringsintensitet. Det afspejler antallet af soleus motoneuron efferente axoner ophidset af stimulus. Hvis M-bølgestørrelsen holdes konstant, indebærer det således, at antallet af primære afferente axoner, der er ophidset af stimulus, dvs. de axoner, der fremkalder H-refleksen, også holdes konstante (se også Crone et al.26). Derfor kaldes denne M-bølge referencesvaret i softwaren. Af denne grund, trin 4.5.12. nævner, at målet M-bølgestørrelse skal registreres. Det er faktisk vigtigere at holde denne responsstørrelse nogenlunde konstant end at holde den nominelle strøm strengt konstant. Fanen Sekvens i analysevinduet tillader retrospektiv verifikation af M-bølgekonstans over hver kørsel; for soleus H-reflekskonditionering er dette ofte tilstrækkeligt til at rette eventuelle problemer. For større kontrol kan en anden skærm være tilsluttet computeren for at vise M-wave-analyser i realtid, der styrer manuel justering af forsøg for forsøg. Automatisering af denne kontrolopgave er et igangværende projekt27.

Daglig variation kan også påvirke en persons elektrofysiologiske reaktioner 28,29,30,31. Af denne grund anbefales det, at alle sessioner udføres på samme tidspunkt af dagen, dvs. inden for det samme 3 timers tidsvindue.

Succesen med operantkonditionering kan være følsom over for nøjagtigheden af det tidsinterval, som operatøren har valgt til at definere H-refleksen; Især bør intervallet ikke være for bredt. Detaljerede retningslinjer for korrekt intervaldefinition ligger uden for rammerne af den nuværende artikel. Dette er også en funktion, der vil blive automatiseret i fremtidige versioner af softwaren.

Et kritisk trin i protokollen er trin 4.5.6., hvor operatøren manuelt øger stimulatorstrømmen gentagne gange efter hvert fast antal forsøg. Forkert optælling af forsøgene her eller forkert justering af den aktuelle urskive kan føre til forvrængning af den resulterende rekrutteringskurve. Denne mulighed for brugerfejl kan afhjælpes ved at aktivere Digitimer Link-indstillingen, som tillader automatisering af den aktuelle justering for en bestemt stimulatormodel.

Denne artikel har fokuseret på H-reflekskonditionering, da den er den mest fuldt udviklede af de potentielle kliniske anvendelser af EPOCS. Den eksisterende software hjælper forskere i de igangværende bestræbelser på at finpudse denne protokol mod bred klinisk formidling32. Ud over H-reflekskonditionering kan EPOCS også anvendes i sin nuværende form på en bredere vifte af stimuleringsmetoder og fremkaldte reaktioner. For eksempel kan det lige så godt udløse en mekanisk enhed, der fremkalder en strækrefleks, som også kan konditioneres33,34,35. Tilgangen kan tilpasses en persons funktionsnedsættelser; i en person forbedrer down-conditioning soleus H-refleksen bevægelse ved at reducere spastisk hyperrefleksi14; i en anden, up-conditioning tibialis anterior MEP forbedrer bevægelse ved at lindre fodfald36.

Mens der arbejdes på at producere en kommerciel implementering af protokollen, vil den originale software blive opretholdt parallelt som et forskningsværktøj for at give den nødvendige fleksibilitet til at udvide området for målrettet neuroplasticitet. Denne fleksibilitet muliggøres af modulariteten og udvidelsesmulighederne for den udbredte og veletablerede BCI2000-softwareplatform, som EPOCS er baseret på. Det betyder, at systemet med minimal indgriben fra en softwareingeniør kan omkonfigureres til en endnu bredere vifte af forskningsformål. For eksempel kan den konfigureres til at optage yderligere biosignalkanaler eller yderligere sensorer til senere analyse (f.eks. Fodkontakter og bevægelsessporingssensorer) til konditionering under bevægelse. Det kan også programmeres til at overveje yderligere udløsningskriterier for stimulering (f.eks. kun udløsning af stimulering i en bestemt del af gangcyklussen) eller til at udløse yderligere forstærkningsstimuli ved vellykkede eller mislykkede forsøg. Eksempler på tilpasningsfiler leveres.

Målrettet neuroplasticitet er stadig i sin vorden. Dens endnu uudforskede veje forventes at give store fordele både for at udvikle nye terapeutiske tilgange (som diskuteret ovenfor) og for at belyse sygdommens naturlige historie og mekanismerne for centralnervesystemets funktion i både sundhed og sygdom 2,32,37. Vi er derfor forpligtet til at opretholde og støtte EPOCS som et vigtigt redskab til at realisere dette terapeutiske og videnskabelige potentiale.

Disclosures

JRW og AKT er opfindere på tre patenter relateret til H-reflekskonditionering. De øvrige forfattere har ingen konkurrerende økonomiske interesser eller interessekonflikter at rapportere.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af NIH (NIBIB) P41EB018783 (JRW), NIH (NINDS) R01NS114279 (AKT), NIH (NINDS) U44NS114420 (I. Clements, AKT, JRW), NYS SCIRB C33279GG & C32236GG (JRW), NIH (NICHD) P2C HD086844 (S. Kautz), Doscher Neurorehabilitation Research Program (AKT) og Stratton Albany VA Medical Center.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Alcohol swabs any For application to skin
BNC cable (long) x 1 any Male BNC to male BNC, long enough to reach from digitizer to stimulator
BNC cable (medium) x 2 any Male BNC to male BNC, long enough to reach from amplifier to digitizer
BNC cable (short) x 1 any Male BNC to male BNC, short (to patch between two digitizer ports)
BNC tee connector any Female-male-female BNC splitter
Computer Lenovo ThinkStation P340 A wide range of computing hardware is suitable, especially if using a USB digitizer (no PCI slots needed).  Must run Windows 7+. Include standard keyboard & mouse.
Constant-current stimulator Digitimer Ltd. DS8R The DS8R enjoys EPOCS automation support. If controlled manually,  other constant-current stimulators may be used provided they have an external TTL trigger and can achieve a pulse duration of 1 ms or more.
Digitizer (option A) National Instruments USB-6212 USB digitizer with integrated BNC connectors.
Digitizer (option B) National Instruments PCIe-6321 PCIe digitizer—requires desktop computer with a free PCI slot, also cable and BNC terminal block (below)
Digitizer cable (for option B only) National Instruments SHC68-68-EPM Connects PCIe digitizer to BNC terminal block
Digitizer terminal block (for option B only) National Instruments BNC-2090A 19-inch-rack-mountable BNC terminal block
EMG amplifier system Bortec Biomedical Ltd. AMT-8 Analog amplifier + portable unit + long transmission cable + battery pack + two 500-gain active electrode leads (1 bipolar, 1 bipolar with ground)
Monitor any Large enough for the participant to see clearly from the intended viewing distance.
NeuroPlus electrodes (22 x 22 mm) x 6 Vermont Medical Inc. A10040-60 Disposable self-adhesive silver/silver-chloride 22 x 22 mm surface-EMG electrodes. 6 needed per session (11 on participant's first session)
NeuroPlus electrode (22 x 35 mm) x 1 Vermont Medical Inc. A10041-60 Disposable self-adhesive silver/silver-chloride 22 x 35 mm surface-EMG electrode. 1 needed per session.
Snap lead x 2 any EDR1220 Leads for stimulating electrodes: 1.5mm DIN to button snap
Wire any 8–10 cm length of single-core insulated wire

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Thompson, A. K., Wolpaw, J. R. Targeted neuroplasticity for rehabilitation. Progress in Brain Research. 218, 157-172 (2015).
  2. Wolpaw, J. R. What can the spinal cord teach us about learning and memory. Neuroscientist. 16 (5), 532-549 (2010).
  3. Thompson, A. K., Pomerantz, F. R., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of a spinal reflex can improve locomotion after spinal cord injury in humans. Journal of Neuroscience. 33 (6), 2365-2375 (2013).
  4. Chen, Y., et al. Locomotor impact of beneficial or nonbeneficial H-reflex conditioning after spinal cord injury. Journal of Neurophysiology. 111 (6), 1249-1258 (2014).
  5. Thompson, A. K., Wolpaw, J. R. H-reflex conditioning during locomotion in people with spinal cord injury. Journal of Physiology. 599 (9), 2453-2469 (2021).
  6. Bunday, K. L., Perez, M. A. Motor recovery after spinal cord injury enhanced by strengthening corticospinal synaptic transmission. Current Biology. 22 (24), 2355-2361 (2012).
  7. Schalk, G., McFarland, D., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. BCI2000: a general-purpose brain-computer interface (BCI) system. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 51 (6), 1034-1043 (2004).
  8. Schalk, G., Mellinger, J. A Practical Guide to Brain-Computer Interfacing with BCI2000. , Springer. London, UK. (2010).
  9. Wolpaw, J. R., Braitman, D. J., Seegal, R. F. Adaptive plasticity in primate spinal stretch reflex: initial development. Journal of Neurophysiology. 50 (6), 1296-1311 (1983).
  10. Wolpaw, J. R. Operant conditioning of primate spinal reflexes: The H-reflex. Journal of Neurophysiology. 57 (2), 443-459 (1987).
  11. Chen, X. Y., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of H-reflex in freely moving rats. Journal of Neurophysiology. 73 (1), 411-415 (1995).
  12. Chen, Y., et al. Operant conditioning of H-reflex can correct a locomotor abnormality after spinal cord injury in rats. Journal of Neuroscience. 26 (48), 12537-12543 (2006).
  13. Chen, X. Y., Chen, L., Chen, Y., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of reciprocal inhibition in rat soleus muscle. Journal of Neurophysiology. 96 (4), 2144-2150 (2006).
  14. Thompson, A. K., Pomerantz, F. R., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of a spinal reflex can improve locomotion after spinal cord injury in humans. Journal of Neuroscience. 33 (6), 2365-2375 (2013).
  15. Thompson, A. K., Favale, B. M., Velez, J., Falivena, P. Operant up-conditioning of the tibialis anterior motor-evoked potential in multiple sclerosis: feasibility case studies. Neural Plasticity. , 4725393 (2018).
  16. Thompson, A. K., Chen, X. Y., Wolpaw, J. R. Acquisition of a simple motor skill: Task-dependent adaptation plus long-term change in the human soleus H-reflex. Journal of Neuroscience. 29 (18), 5784-5792 (2009).
  17. Makihara, Y., Segal, R. L., Wolpaw, J. R., Thompson, A. K. Operant conditioning of the soleus H-reflex does not induce long-term changes in the gastrocnemius H-reflexes and does not disturb normal locomotion in humans. Journal of Neurophysiology. 112 (6), 1439-1446 (2014).
  18. Hoffmann, P. Beitrag zur Kenntnis der menschlichen Reflexe mit besonderer Berücksichtigung der elektrischen Erscheinungen. Archiv für Anatomie, Physiologie und Wissenschaftliche Medicin. 1, 223-246 (1910).
  19. Magladery, J. W., McDougal, D. B. Electrophysiological studies of nerve and reflex activity in normal man, I: Identification of certain reflexes in the electromyogram and the conduction velocity of peripheral nerve fibers. Bulletin of the Johns Hopkins Hospital. 86, 265-289 (1950).
  20. Zehr, E. P. Considerations for use of the Hoffmann reflex in exercise studies. European Journal of Applied Physiology. 86 (5), 455-468 (2002).
  21. Misiaszek, J. E. The H-reflex as a tool in neurophysiology: Its limitations and uses in understanding nervous system function. Muscle & Nerve. 28 (2), 144-160 (2003).
  22. Pierrot Deseilligny, E., Burke, D. The Circuitry of the Human Spinal Cord: Its Role in Motor Control and Movement Disorders. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2012).
  23. Skinner, B. F. The Behavior of Organisms: An Experimental Analysis. , Appleton-Century-Crofts. New York, USA. (1938).
  24. Eftekhar, A., Norton, J. J. S., McDonough, C. M., Wolpaw, J. R. Retraining reflexes: Clinical translation of spinal reflex operant conditioning. Neurotherapeutics. 15 (3), 669-683 (2018).
  25. Norton, J., et al. Operant condition of the flexor carpi radialis H-reflex. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 101 (12), 145-146 (2020).
  26. Crone, C., Johnsen, L. L., Hultborn, H., Orsnes, G. B. Amplitude of the maximum motor response (Mmax) in human muscles typically decreases during the course of an experiment. Experimental Brain Research. 124 (2), 265-270 (1999).
  27. Devetzoglou-Toliou, S., et al. Recursive PID controller for automatically adjusting M-wave size during H-reflex operant conditioning. International IEEE/EMBS Conference on Neural Engineering. 10, 1079-1082 (2021).
  28. Wolpaw, J. R., Seegal, R. F. Diurnal rhythm in the spinal stretch reflex. Brain Research. 244 (2), 365-369 (1982).
  29. Chen, X. Y., Wolpaw, J. R. Circadian rhythm in rat H-reflex. Brain Research. 648 (1), 167-170 (1994).
  30. Carp, J. S., Tennissen, A. M., Chen, X. Y., Wolpaw, J. R. Diurnal H-reflex variation in mice. Experimental Brain Research. 168 (4), 517-528 (2006).
  31. Lagerquist, O., Zehr, E. P., Baldwin, E. R., Klakowicz, P. M., Collins, D. F. Diurnal changes in the amplitude of the Hoffmann reflex in the human soleus but not in the flexor carpi radialis muscle. Experimental Brain Research. 170, 1-6 (2006).
  32. Thompson, A. K., Wolpaw, J. R. Operant conditioning of spinal reflexes: From basic science to clinical therapy. Frontiers in Integrative Neuroscience. 8, 25 (2014).
  33. Segal, R. L., Wolf, S. L. Operant conditioning of spinal stretch reflexes in patients with spinal cord injuries. Experimental Neurology. 130 (2), 202-213 (1994).
  34. Wolf, S. L., Segal, R. L. Reducing human biceps brachii spinal stretch reflex magnitude. Journal of Neurophysiology. 75 (4), 1637-1646 (1996).
  35. Mrachacz-Kersting, N., et al. Acquisition of a simple motor skill: Task-dependent adaptation and long-term changes in the human soleus stretch reflex. Journal of Neurophysiology. 122 (1), 435-446 (2019).
  36. Thompson, A. K., et al. Operant conditioning of the motor-evoked potential and locomotion in people with and without chronic incomplete spinal cord injury. Journal of Neurophysiology. 121 (3), 853-866 (2019).
  37. Thompson, A. K., et al. Effects of sensorimotor rhythm modulation on the human flexor carpi radialis H-reflex. Frontiers in Neuroscience. 12, 505 (2018).

Tags

Neurovidenskab udgave 186
Det fremkaldte potentielle operant konditioneringssystem (EPOCS): Et forskningsværktøj og en ny terapi til kroniske neuromuskulære lidelser
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hill, N. J., Gupta, D., Eftekhar,… More

Hill, N. J., Gupta, D., Eftekhar, A., Brangaccio, J. A., Norton, J. J. S., McLeod, M., Fake, T., Wolpaw, J. R., Thompson, A. K. The Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS): A Research Tool and an Emerging Therapy for Chronic Neuromuscular Disorders. J. Vis. Exp. (186), e63736, doi:10.3791/63736 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter