Summary
L'Evoked Potential Operant Conditioning System aiuta l'indagine scientifica della funzione sensomotoria e può somministrare un allenamento neurocomportamentale mirato che può influire sulla riabilitazione sensomotoria nei disturbi neuromuscolari. Questo articolo descrive le sue capacità e illustra la sua applicazione nel modificare un semplice riflesso spinale per ottenere un miglioramento duraturo della funzione motoria.
Abstract
L'Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS) è uno strumento software che implementa protocolli per condizionare operativamente le risposte muscolari innescate dallo stimolo nelle persone con disturbi neuromuscolari, che a loro volta possono migliorare la funzione sensomotoria se applicati in modo appropriato. EPOCS monitora lo stato di specifici muscoli bersaglio, ad esempio dall'elettromiografia di superficie (EMG) in piedi o dalle misurazioni del ciclo dell'andatura mentre si cammina su un tapis roulant, e attiva automaticamente la stimolazione calibrata quando vengono soddisfatte condizioni predefinite. Fornisce due forme di feedback che consentono a una persona di imparare a modulare l'eccitabilità del percorso mirato. In primo luogo, monitora continuamente l'attività EMG in corso nel muscolo bersaglio, guidando la persona a produrre un livello coerente di attività adatto al condizionamento. In secondo luogo, fornisce un feedback immediato sulla dimensione della risposta dopo ogni stimolazione e indica se ha raggiunto il valore target.
Per illustrare il suo utilizzo, questo articolo descrive un protocollo attraverso il quale una persona può imparare a ridurre le dimensioni del riflesso di Hoffmann, l'analogo elettricamente suscitato del riflesso di allungamento spinale, nel muscolo soleo. Down-condizionare l'eccitabilità di questo percorso può migliorare la deambulazione nelle persone con andatura spastica a causa di lesioni incomplete del midollo spinale. L'articolo dimostra come configurare l'apparecchiatura; come posizionare elettrodi stimolanti e di registrazione; e come utilizzare il software gratuito per ottimizzare il posizionamento degli elettrodi, misurare la curva di reclutamento delle risposte dirette del motore e dei riflessi, misurare la risposta senza condizionamento operante, condizionare il riflesso e analizzare i dati risultanti. Illustra come il riflesso cambia in più sessioni e come migliora la camminata. Discute anche come il sistema può essere applicato ad altri tipi di risposte evocate e ad altri tipi di stimolazione, ad esempio, potenziali evocazione motoria alla stimolazione magnetica transcranica; come può affrontare vari problemi clinici; e come può supportare studi di ricerca sulla funzione sensomotoria in salute e malattia.
Introduction
Negli ultimi dieci anni, le strategie mirate di neuroplasticità sono emerse come un nuovo approccio per la riabilitazione delle menomazioni neurologiche 1,2. Una di queste strategie è il condizionamento operante di un potenziale evocato. Ciò comporta l'ottenimento ripetuto di risposte elettrofisiologiche che possono essere misurate in modo non invasivo - ad esempio, mediante elettroencefalografia (EEG) o elettromiografia di superficie (EMG) - e dando alla persona un feedback immediato sulla dimensione di ciascuna risposta rispetto a un livello di criterio impostato dal terapeuta o dallo sperimentatore. Nel corso del tempo, questo protocollo allena la persona ad aumentare o diminuire la propria risposta e può, di conseguenza, indirizzare il cambiamento benefico a un sito del sistema nervoso centrale che è importante in un comportamento come la locomozione o la raggiungimento. Il cambiamento mirato avvantaggia le prestazioni e, inoltre, consente una migliore pratica che porta a un cambiamento benefico diffuso che migliora l'intero comportamento. Ad esempio, nelle persone con lesione incompleta del midollo spinale (iSCI) in cui il clono altera la locomozione, il condizionamento operante che riduce il riflesso di Hoffmann nel muscolo soleo di una gamba migliora l'attività muscolare locomotoria in entrambe le gambe, aumentando così la velocità di camminata e ripristinando la simmetria del passo destro / sinistro 1,3,4,5 . Un altro esempio è quello della stimolazione a impulsi accoppiati, che può aumentare in modo duraturo le dimensioni del potenziale evocato dal motore (MEP) alla stimolazione magnetica transcranica, migliorando così la funzione reach-and-grasp nelle persone con compromissione cronica della mano e del braccio dopo iSCI6.
L'implementazione di tali protocolli richiede software speciali che devono eseguire più funzioni. In particolare, deve acquisire, elaborare e salvare continuamente segnali elettrofisiologici; deve monitorare continuamente lo stato del sistema nervoso e attivare la stimolazione in modo appropriato sotto stretti vincoli in tempo reale; deve fornire un feedback continuo momento per momento, un feedback prova per prova e un feedback sessione per sessione; deve fornire un'interfaccia utente per guidare l'impostazione e la messa a punto da parte dello sperimentatore o del terapeuta; e, infine, deve memorizzare e organizzare i dati del segnale e le meta-informazioni in un formato standardizzato.
Il sistema di condizionamento operante a potenziale evocato (EPOCS) è la nostra risposta a questa eccezionale esigenza. Sotto il cofano, il software è basato su BCI2000, una piattaforma neurotecnologica open source che viene utilizzata in centinaia di laboratori in tutto il mondo 7,8. In EPOCS, l'interfaccia utente abituale di BCI2000 è nascosta e sostituita da un'interfaccia semplificata ottimizzata per i potenziali protocolli di condizionamento operante evocati.
L'articolo attuale e il suo video di accompagnamento illustrano l'uso di EPOCS in un particolare protocollo: il condizionamento operante per ridurre le dimensioni del riflesso di Hoffmann (H-) nel muscolo soleo. Questa risposta è l'analogo elettricamente suscitato del riflesso di allungamento istintivo. È stato dimostrato che il down-condizionamento del riflesso H riduce l'impatto del clono su, e quindi migliora, la locomozione negli animali con iSCI 9,10,11,12,13 e negli esseri umani con iSCI, sclerosi multipla o ictus5,14,15. Può essere applicato senza effetti collaterali avversi negli animali e nelle persone con o senza lesioni neurologiche16,17.
Il protocollo di condizionamento operante funziona eseguendo più prove, ciascuna della durata di diversi secondi. La sequenza di eventi di uno studio è mostrata schematicamente nella Figura 1, con numeri che indicano le seguenti funzioni:
1. L'EMG di fondo continuo viene registrato dagli elettrodi di superficie bipolari sul muscolo bersaglio (soleo) e sul suo antagonista (tibiale anteriore). Il livello di fondo viene valutato come valore medio rettificato del segnale filtrato passa-alto in una finestra scorrevole.
2. Il livello EMG di fondo nel muscolo bersaglio viene mostrato come l'altezza di una barra, continuamente aggiornata sullo schermo del partecipante. Ciò consente al partecipante di mantenere l'attività entro un intervallo specificato (regione tratteggiata).
3. Il software giudica il momento appropriato per la stimolazione elettrica e attiva lo stimolatore di conseguenza. I criteri principali sono che devono essere trascorsi almeno 5 s dalla stimolazione precedente e che il livello EMG di fondo deve essere rimasto nell'intervallo specificato ininterrottamente per 2 s.
4. Uno stimolatore a corrente costante eroga un impulso elettrico transcutaneo al nervo tibiale (tipicamente monofasico, con durata 1 ms).
5. Viene registrata la risposta risultante bloccata dallo stimolo. Il software calcola le dimensioni di due componenti di particolare interesse: la prima onda M, che riflette l'attivazione muscolare derivante dalla stimolazione diretta dell'assone motore; e il successivo riflesso H, che riflette il segnale trasmesso attraverso un arco riflesso nel midollo spinale 18,19,20,21,22. EPOCS si riferisce a questi come risposta di riferimento e risposta target, rispettivamente.
6. La dimensione H-reflex per la prova corrente viene visualizzata come l'altezza di una seconda barra, rispetto a un livello di criterio desiderato che definisce una prova riuscita o non riuscita. Per il down-conditioning, la barra è verde scuro se la dimensione H-reflex è scesa al di sotto del criterio, o rosso vivo se non lo ha fatto (viceversa per up-conditioning). Allo stesso tempo, la visualizzazione numerica del tasso di successo cumulativo viene aggiornata di conseguenza. Insieme, questi elementi grafici di visualizzazione forniscono l'immediato rinforzo positivo o negativo su cui si basa il condizionamento operante23.
Figura 1: Illustrazione schematica della funzionalità principale di EPOCS durante il down-conditioning del soleo H-reflex. Il partecipante visualizza un ampio schermo del monitor che mostra il livello EMG di sfondo, la dimensione H-reflex più recente, il numero di prove completate finora nella corsa corrente di 75 e la percentuale di prove di successo per la corsa. La sequenza di eventi in un processo è indicata dai numeri da 1 a 6, come descritto nell'Introduzione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Un protocollo di condizionamento H-riflesso umano consiste tipicamente di 6 sessioni basali, seguite da 24-30 sessioni di condizionamento distribuite su 10 settimane ad un ritmo di 3 sessioni / settimana e diverse sessioni di follow-up nei successivi 3-6 mesi14,16. Ogni sessione dura 60-90 min.
Per supportare questo protocollo e altri protocolli correlati, EPOCS ha cinque distinte modalità di funzionamento, ciascuna servita da una delle schede della sua finestra principale, intitolata Test di stimolo, Contrazione volontaria, Curva di reclutamento, Prove di controllo e Prove di addestramento.
In modalità Stimulus Test, il software attiva uno stimolo ogni pochi secondi, non necessariamente condizionato allo stato del muscolo bersaglio. I segnali di risposta vengono visualizzati sullo schermo dopo ogni stimolo. Ciò consente all'operatore di verificare la qualità delle connessioni degli elettrodi e del segnale EMG; ottimizzare la posizione degli elettrodi stimolanti e di registrazione; e per stabilire la morfologia della risposta dell'individuo.
In modalità Contrazione Volontaria, il software misura e mostra il livello EMG di fondo mentre il partecipante è incoraggiato a contrarre il muscolo il più possibile, in assenza di stimolazione elettrica. In alcuni protocolli, il livello EMG alla massima contrazione volontaria (MVC) è un riferimento utile per impostare i criteri EMG di fondo. Nel protocollo qui dimostrato, questo non è necessario, poiché una postura eretta stabile standardizza sufficientemente l'attività del muscolo soleo.
In modalità Recruitment Curve, la stimolazione dipende dal fatto che il livello EMG di fondo (mostrato continuamente sullo schermo) rimanga nell'intervallo corretto; i segnali di risposta vengono visualizzati sullo schermo dopo ogni stimolo; e la sequenza delle risposte può essere analizzata alla fine di una corsa. Ciò consente all'operatore di determinare l'inizio e la fine degli intervalli di tempo in cui compaiono le risposte di interesse; determinare la relazione tra intensità della stimolazione e dimensione della risposta, sia prima che dopo l'esecuzione del condizionamento; e per determinare l'intensità della stimolazione da utilizzare per il condizionamento.
In modalità Control Trials, la stimolazione dipende dal livello EMG di fondo (mostrato continuamente sullo schermo), ma non viene fornito alcun feedback sulla dimensione della risposta target. È possibile analizzare la sequenza e la distribuzione delle dimensioni delle risposte. Questa modalità può essere utilizzata per raccogliere misurazioni di base della dimensione della risposta, o come condizione di controllo per il confronto con il condizionamento operante in un disegno sperimentale crossover o tra soggetti. Può servire come base per impostare il criterio di prestazione per il condizionamento operante all'inizio di ogni sessione.
Infine, in modalità Training Trials, la stimolazione dipende dal livello EMG di fondo (mostrato continuamente sullo schermo) e il rinforzo prova per prova viene fornito anche mostrando la dimensione della risposta target, come descritto sopra e mostrato in Figura 1. Questa è la modalità in cui viene eseguito il condizionamento operante.
La prossima sezione guiderà il lettore attraverso le cinque modalità dimostrando il protocollo per il down-condizionamento del soleo H-reflex in un partecipante adulto senza lesioni neurologiche.
Protocol
Tutte le procedure qui descritte sono state approvate dal comitato di revisione istituzionale dello Stratton VA Medical Center (numero di approvazione 1584762-9). Il partecipante al video ha dato il consenso informato per l'uso della propria immagine e dei segnali EMG in questa pubblicazione.
NOTA: i termini in grassetto indicano etichette che devono essere visibili sull'hardware e/o nell'interfaccia utente grafica del software.
1. Configurazione del software
- Vai a https://neurotechcenter.org/epocs per istruzioni su come ottenere il programma di installazione software più recente. Installare il software utilizzando il programma di installazione scaricato.
- Assicurarsi che siano installati i driver e il software del produttore necessari per il digitalizzatore. In particolare, assicurarsi che l'installazione di NI-DAQmx includa il supporto a 64 bit.
- Avviare l'applicazione NI-MAX, selezionare il dispositivo da utilizzare in Devices and Interfaces e assicurarsi che il nome sia Dev1. Quindi, in Configura > stati di accensione, verificare che la casella di controllo Stato riga per la riga 7 della porta 0 sia deselezionata (azzerata). Inoltre, azzerare la casella di controllo Tristate corrispondente, se presente.
- Utilizzando lo strumento Installazione applicazioni , rimuovere qualsiasi software non necessario che potrebbe consumare in modo intermittente le risorse del processore in background, poiché ciò può causare problemi nell'elaborazione del segnale in tempo reale. Assicurati di rimuovere tutte le suite di aggiornamento / risoluzione dei problemi software fornite dal produttore del computer, poiché sono noti per causare seri problemi di prestazioni.
NOTA: i passaggi di configurazione del software sopra riportati devono essere eseguiti una sola volta per una determinata configurazione hardware.
2. Configurazione hardware
- Impostare il digitalizzatore per coordinare l'input e l'output come descritto di seguito.
- Utilizzando un breve pezzo di filo isolato a nucleo solido, applicare il terminale a molla per la porta di uscita digitale 0 linea 7 (contrassegnata P0.7 o possibilmente DIO7 su apparecchiature più vecchie) al terminale a molla per l'uscita USER .
- Collegare un connettore a T BNC femmina/maschio/femmina all'uscita USER . Collegare l'uscita USER alla porta di ingresso trigger esterna dello stimolatore.
- Collegare rispettivamente il primo e il secondo cavo di segnale EMG amplificato al primo e al secondo canale di ingresso analogico della scheda di acquisizione dati. Questi sono contrassegnati AI0 e AI1 - o possibilmente ACH0 e ACH1 su apparecchiature più vecchie. Effettuare una connessione aggiuntiva dall'uscita USER al terzo canale di ingresso analogico (contrassegnato AI2 o ACH2).
- Impostare lo stimolatore a corrente costante come descritto di seguito.
NOTA: per rendere il protocollo generalizzabile a una varietà di marche e modelli di stimolatori, questo articolo descrive il controllo manuale dell'intensità dello stimolo piuttosto che sfruttare l'opzione per il controllo automatico dei particolari modelli di stimolatori.- Accendere lo stimolatore e configurarlo per fornire impulsi monofasici da 1 ms. Per il modello DS8R, assicurarsi che l'intensità dello stimolo sia controllata dal pannello frontale o dall'interfaccia USB, non tramite l'ingresso analogico posteriore. Collegare il cavo di uscita lungo e collegarlo ai cavi a scatto che si collegheranno ai cuscinetti degli elettrodi stimolanti.
- Impostare l'amplificatore analogico in modo da fornire almeno due canali EMG come descritto di seguito.
- Accendere l'amplificatore. Assicurarsi che tutti i valori GAIN del canale siano al valore predefinito di 500 e che le manopole VARIABLE corrispondenti siano impostate sul valore minimo di 1.
- Collegare l'unità portatile all'amplificatore utilizzando il cavo lungo. Inserire due batterie quadrate da 9 V nel pacco batterie dell'unità portatile. Allacciare l'unità portatile e il pacco batteria intorno alla vita del partecipante.
3. Preparazione degli elettrodi di stimolazione e registrazione
- Utilizzare qualsiasi punto di riferimento o misurazione precedentemente annotato per ricreare il più fedelmente possibile le posizioni degli elettrodi specifiche dei partecipanti precedenti. Preparare la pelle dove verranno attaccati gli elettrodi strofinando con tamponi imbevuti di alcool per rimuovere l'olio in eccesso, quindi pulire con un tovagliolo di carta per rimuovere la pelle morta.
- Attaccare gli elettrodi di stimolazione in posizione per stimolare il nervo tibiale con precisione, con un effetto minimo sul nervo peroneo comune. Utilizzare l'elettrodo più grande (22 mm x 35 mm) come anodo e posizionarlo all'apice della fossa poplitea dove il nervo sciatico si dirama nei nervi tibiale e peroneo comune. Posizionare il catodo (22 mm x 22 mm) sulla piega del ginocchio, direttamente sotto l'anodo, con una separazione di 3-4 cm tra i centri degli elettrodi.
- Collegare gli elettrodi di registrazione EMG in un montaggio bipolare al muscolo bersaglio (soleo) come segue.
- Per determinare la posizione corretta, prima trova il muscolo gastrocnemio palpando mentre il partecipante si alterna tra stare in piedi sulle dita dei piedi e stare in piedi naturalmente.
- Posizionare il primo elettrodo direttamente sotto il bordo distale della pancia del muscolo gastrocnemio. Posizionare il secondo elettrodo sotto il primo, con una distanza di 5 cm tra i centri dell'elettrodo. Mantenere entrambi gli elettrodi in linea con il tendine di Achille.
- Collegare gli elettrodi di registrazione EMG in un montaggio bipolare al muscolo antagonista (tibiale anteriore). Per fare questo, identificare il muscolo palpando mentre il partecipante solleva (dorsiflessi) le dita dei piedi. Posizionare gli elettrodi sulla pancia muscolare, a circa 1/3 della strada che scende dalla testa del perone alla caviglia, con una separazione verticale di 5 cm tra i centri degli elettrodi.
- Attaccare un elettrodo di massa alla rotula.
- Collegare i cavi dell'amplificatore EMG come segue. Collegare l'elettrodo attivo con nastro verde al canale 1 dell'unità portatile e collegare le clip rosse agli elettrodi del muscolo bersaglio (soleo) e la clip verde all'elettrodo di terra. Collegare l'elettrodo attivo con nastro nero al canale 2 dell'unità portatile e collegare le clip agli elettrodi del muscolo antagonista (tibiale anteriore).
- Collegare il pacco batteria all'unità portatile.
- Collegare i cavi di stimolazione agli elettrodi di stimolazione.
4. Utilizzo del software EPOCS
- Posizionare il monitor in modo tale che sia lo sperimentatore che il soggetto (o il terapeuta e il paziente) possano vederlo chiaramente.
- Avviare una sessione EPOCS.
NOTA: Una sessione è definita come una visita al laboratorio o alla clinica, della durata tipica di 60-90 minuti.- Fare doppio clic sull'icona EPOCS per avviare l'applicazione. Inserisci il codice ID partecipante (o scegli dall'elenco degli ID utilizzati in precedenza).
- Se si tratta di una continuazione di una sessione esistente, ad esempio se il software deve essere riavviato dopo un'interruzione, premere Continua sessione. Questo sarà disponibile solo se una sessione per il partecipante specificato è stata avviata nelle ultime 3 ore.
- In caso contrario, premere Avvia nuova sessione. Questo creerà una nuova cartella di dati, contrassegnata con data e ora e contrassegnata con l'ID del partecipante.
- Verificare la posizione dell'elettrodo e la qualità del contatto e regolare se necessario.
- Assicurarsi che sia visualizzata la scheda Test di stimolo .
- In Impostazioni > stimolazione, configurare l'intervallo minimo per il test di stimolo su 3 s. Si noti che questo è configurato separatamente dall'intervallo minimo per l'utilizzo normale, che in genere sarà più lungo, circa 5 s. Lasciare disattivata l'impostazione Digitimer Link .
NOTA: Se abilitata, l'opzione Digitimer Link consente il controllo software dell'intensità della stimolazione quando si utilizzano determinati modelli di stimolatori. Il protocollo attuale dimostra invece il controllo manuale dell'intensità dello stimolo, che è applicabile a più marche e modelli di stimolatori. - Sul pannello di controllo dello stimolatore, impostare l'intensità dello stimolo su 5 mA e attivare la stimolazione.
- Chiedi al partecipante di stare in piedi, con le mani che sostengono parzialmente il loro peso su un deambulatore, se necessario.
- Avvertire il partecipante di aspettarsi una stimolazione, quindi premere Start per iniziare una nuova corsa (ad esempio, per iniziare a registrare continuamente i segnali in un nuovo file). Le esecuzioni saranno numerate in sequenza e i loro file non si sovrascriveranno mai a vicenda.
- Ogni ripetizione della stimolazione è chiamata prova. Le risposte EMG suscitate in ogni studio sono mostrate immediatamente. Valutare l'onda M e il riflesso H suscitati nel muscolo bersaglio (la traccia superiore blu) e nel muscolo antagonista (la traccia inferiore rossa). Se necessario, aumentare gradualmente la corrente fino a 10 mA o più, fino a quando le risposte appaiono chiaramente.
- Per trovare la posizione ottimale per la stimolazione (cioè, la posizione che produce il riflesso H più grande), confrontare i potenziali evocati dopo aver spostato il catodo di una larghezza completa dell'elettrodo medialmente e poi lateralmente, seguito da una larghezza di mezzo elettrodo medialmente e poi lateralmente, e infine da una larghezza completa dell'elettrodo su e poi giù.
- Contrassegnare, annotare e fotografare la posizione degli elettrodi per facilitare il riposizionamento nelle sessioni future. Se possibile, fare un calco in gesso del polpaccio e della parte posteriore del ginocchio e fare dei fori nel cast che consentano di riapplicare i segni con precisione.
- Una volta trovate le posizioni ottimali per gli elettrodi, sostituire gli elettrodi riposizionati con elettrodi nuovi.
- Per il condizionamento soleo, saltare la scheda Contrazione volontaria .
- Misurare le dimensioni massime dell'onda M e del riflesso H (M.max e H.max) tracciando la curva di reclutamento, cioè la relazione tra intensità dello stimolo e risposta. Misurare la curva di reclutamento come segue, prima e dopo le prove di controllo o di formazione in ogni sessione. Nella prima sessione, utilizzare la curva di reclutamento per guidare la selezione di un'intensità di stimolazione appropriata da utilizzare durante tutto il processo di condizionamento.
- Passare alla scheda Curva di reclutamento .
- In Impostazioni > EMG configurare gli intervalli entro i quali i valori EMG di sfondo di destinazione e antagonista devono rimanere per consentire la stimolazione. Per il soleo, supponendo che non sia stata misurata la massima contrazione volontaria, è sufficiente assicurarsi che gli intervalli comprendano i livelli EMG generati dal carico naturale durante la posizione eretta. Imposta la durata della sospensione in background su 2 s per determinare per quanto tempo il partecipante deve mantenere continuamente l'EMG nel raggio d'azione per innescare ogni stimolo.
NOTA: i limiti superiore o inferiore possono essere lasciati vuoti se non deve essere imposta alcuna restrizione corrispondente. - Attivare lo stimolatore e impostare l'intensità sul valore minimo da utilizzare nella misurazione della curva di reclutamento: 5 mA. (Questo valore è un esempio e dovrebbe essere scelto caso per caso, vedi discussione.)
- Se questa è la prima sessione del partecipante, consenti loro di esercitarsi a mantenere l'EMG nell'intervallo corretto per la durata richiesta come descritto di seguito.
- Con il partecipante in piedi, premere Start. Dimostrare al partecipante come il livello EMG di fondo nel muscolo bersaglio viene mostrato in tempo reale come l'altezza della barra rispetto a una regione ombreggiata che mostra l'intervallo target.
- Spiega al partecipante che l'attività di entrambi i muscoli (bersaglio e antagonista) deve rientrare negli intervalli richiesti per trasformare la barra da un rosso brillante a un verde più scuro (anche se il livello di attività dell'antagonista non è mostrato direttamente).
- Per regolare gli intervalli di sfondo, premere Stop seguito da Impostazioni; quindi, inserisci i nuovi numeri, premi OK, quindi Ricomincia . Premere Stop al termine dell'esecuzione delle prove.
- Per misurare la curva di reclutamento, con il partecipante in piedi, premere Start. Se il riflesso H è già visibile all'intensità iniziale scelta, diminuire gradualmente la corrente fino a quando il riflesso H non viene più visibile. Quindi, premere Stop e premere nuovamente Start per iniziare l'esecuzione.
- Prestare molta attenzione al contatore Prove completate . Dopo ogni quattro prove, aumentare manualmente l'intensità della stimolazione di 2 mA. (Questo valore è un esempio e dovrebbe essere scelto caso per caso, vedi discussione.) Continuare fino a quando la dimensione dell'onda M raggiunge un plateau, a condizione che il partecipante non riferisca disagio. Premi Stop quando hai finito e invita il partecipante a sedersi per riposare.
- Prendi nota dei valori di intensità dello stimolo utilizzati per ogni prova. Associare eventuali record scritti al numero di esecuzione visualizzato nella parte superiore destra della finestra. Al termine di qualsiasi esecuzione, immettere manualmente queste informazioni nel registro di sessione, insieme a qualsiasi altra nota, tramite la scheda Log .
NOTA: se l'intensità della stimolazione viene controllata manualmente, queste informazioni non verranno registrate dal software. - Premere il pulsante Analisi per aprire la finestra di analisi e consentire la definizione delle onde M e H come segue. Nel riquadro superiore della finestra di analisi, esaminare la sovrapposizione bloccata dallo stimolo dei segnali muscolari bersaglio di ciascuna prova nell'ultima esecuzione.
- Utilizzare il mouse per regolare l'inizio e la fine degli intervalli di riferimento marrone e target verde (nel protocollo di condizionamento operante H-reflex, questi corrispondono rispettivamente all'onda M e al riflesso H). Quando gli intervalli sono corretti, premere i pulsanti rossi Usa intervalli contrassegnati per salvare queste impostazioni di intervallo personalizzate per analisi future.
- Nel riquadro Sequenza nella metà inferiore della finestra di analisi, valutare la curva di reclutamento risultante. Regolare le impostazioni per visualizzare l'ampiezza da picco a picco o media rettificata e per raggruppare i risultati di prove consecutive. Poiché la corrente di stimolo è stata aumentata ogni quattro prove, specificare Trials to Pool: 4. Registrare i risultati M max e Hmax.
- Se questa è la prima sessione del partecipante, ottimizzare le posizioni di registrazione EMG del muscolo bersaglio come segue.
- Spostare gli elettrodi soleo medialmente di una larghezza di mezzo elettrodo (o di una larghezza completa dell'elettrodo se il muscolo è abbastanza largo). Quindi, ripeti i passaggi precedenti per raccogliere una curva di reclutamento completa e registrare i risultati di M max e Hmax.
- Spostare gli elettrodi soleus alla stessa distanza lateralmente dalla loro posizione originale ed eseguire nuovamente una misurazione della curva di reclutamento per stimare M max e Hmax. Adottare il posizionamento dell'elettrodo che massimizza Hmax e contrassegnare, annotare e fotografare le loro posizioni come nel passaggio 4.3.8.
- Scegli un'intensità di stimolo che susciti un riflesso H vicino al massimo, idealmente sulla pendenza ascendente (sinistra) della curva di reclutamento del riflesso H, ma con il vincolo che ci deve essere un'onda M visibile. Imposta questo valore di intensità dello stimolo sullo stimolatore e annotalo per le sessioni future. Inoltre, notare la dimensione dell'onda M corrispondente (vedi discussione).
- Misurare la distribuzione delle dimensioni H-reflex senza fornire un feedback di risposta come segue.
- Passare alla scheda Versioni di prova di controllo .
- Con il partecipante in piedi, premere Start. Come prima, istruire il partecipante a utilizzare il feedback fornito dalla barra ascendente e discendente per mantenere il livello di attività muscolare di fondo entro l'intervallo richiesto.
- Se si tratta di una sessione di base o di follow-up, eseguire 75 prove in successione all'intensità dello stimolo scelto. Se si tratta di una sessione di condizionamento, eseguire solo 20 prove. Dopo il numero prescritto di prove, premere Stop per terminare l'esecuzione.
- Analisi della stampa. Come in precedenza, valutare la sovrapposizione delle forme d'onda di risposta prova per prova nel pannello superiore e la sequenza delle dimensioni della risposta di seguito. Una nuova scheda chiamata Distribuzione è attivata per impostazione predefinita, sopra Sequenza. Mostra la distribuzione delle dimensioni H-reflex, con statistiche riassuntive sulla destra.
- Premere Risultati registro per aggiungere le statistiche di riepilogo al registro sessione.
- Se si tratta di una sessione di base, ripetere i passaggi precedenti per un totale di 3 esecuzioni di 75 prove ciascuna. Quindi, passare alla misurazione della curva di reclutamento di chiusura nel passaggio 4.8.
- Se si tratta di una sessione di condizionamento, impostare il percentile di destinazione su 66. I livelli dei criteri di condizionamento verso l'alto e verso il basso, insieme alla mediana, sono mostrati dalle linee rosse verticali. Selezionare un criterio per il condizionamento premendo il pulsante Up-Condition o Down-Condition. Per questo protocollo, premere Down-Condition. Questa azione verrà registrata automaticamente e la finestra di analisi verrà chiusa.
NOTA: in un protocollo di down-conditioning, un valore percentile target di 66 significa che uno studio di successo è definito come uno in cui la dimensione della risposta è nel 66% inferiore della distribuzione precedentemente misurata; Al contrario, nell'up-conditioning, il successo significa produrre una dimensione di risposta nel 66% superiore della distribuzione.
- Eseguire il condizionamento operante come descritto di seguito.
- Passare alla scheda Prove di allenamento .
- Con il partecipante in piedi, premere Start.
- Se il partecipante non l'ha mai visto prima, attira la sua attenzione sulla nuova barra di feedback al centro dello schermo. Spiega che mostra la dimensione del riflesso H più recente rispetto all'intervallo target tratteggiato. Se la risposta rientra nell'intervallo target, la prova verrà conteggiata come riuscita e la barra sarà verde scuro. Se non rientra nell'intervallo, la prova verrà conteggiata come non riuscita e la barra sarà di un rosso più luminoso.
- Durante la corsa, motivare il partecipante a eseguire il maggior numero possibile di prove di successo. Il numero di prove eseguite e la percentuale di prove che hanno avuto successo nell'esecuzione fino a quel momento sono mostrate sulla destra dello schermo. Dopo 75 prove, premere Stop per terminare la corsa.
- Premere il pulsante Analisi . La finestra di analisi ha lo stesso aspetto delle prove di controllo. Anche in questo caso, utilizzare la scheda Sequenza per verificare che le onde M siano rimaste costanti alla dimensione desiderata.
- Come in precedenza, con la scheda Distribuzione selezionata, utilizzare il pulsante Down-Condition per aggiornare il criterio di condizionamento operante per l'esecuzione successiva. Ripetere la procedura di condizionamento operante 2 volte di più, per un totale di 3 esecuzioni di 75 prove ciascuna.
- Alla fine della sessione, eseguire un'altra misurazione della curva di reclutamento come nei passaggi 4.5.1.-4.5.6.
- Completare la sessione come descritto di seguito.
- Digitare eventuali note di sessione aggiuntive nella scheda Registro . Il registro viene salvato automaticamente quando viene compilato in un file di testo normale con data contrassegnata nella directory dei dati specifica della sessione. Chiudere la finestra. I dati e i registri saranno già stati salvati.
- Per rivedere la finestra di analisi per i dati registrati in precedenza, fare doppio clic sull'icona Analisi offline EPOCS e selezionare il file di dati per l'esecuzione da analizzare. Attendere l'elaborazione dei segnali non elaborati (l'operazione potrebbe richiedere 1 minuto o più).
NOTA: i dati vengono salvati come file .dat in formato BCI2000. Il nome del file indica la data e l'ora della sessione, l'ID del partecipante, la modalità (ST per il test di stimolo, VC per la contrazione volontaria, RC per la curva di reclutamento, CT per le prove di controllo e TT per le prove di allenamento) e il numero di esecuzione sequenziale.
5. Esecuzione di più sessioni di ripetizione
- Pianificare un totale di 6 sessioni di base, 24 sessioni di condizionamento (o 30, per le persone con disabilità neurologica) e 4 sessioni di follow-up. Pianifica le sessioni di base e di condizionamento al ritmo di 3 sessioni a settimana, ogni sessione dura non più di 90 minuti. Organizzare che tutte le sessioni siano condotte alla stessa ora del giorno per ridurre al minimo gli effetti della variazione diurna.
- In ciascuna delle 6 sessioni di base, condurre una corsa iniziale della curva di reclutamento, 3 esecuzioni di 75 prove di controllo e un'esecuzione finale della curva di reclutamento.
- In ciascuna delle 24 (o 30) sessioni di condizionamento, condurre una corsa iniziale della curva di reclutamento, 1 esecuzione di 20 prove di controllo, 3 corse di 75 prove di addestramento e una corsa finale della curva di reclutamento.
- Condurre 4 sessioni di follow-up a 10-14 giorni, 1 mese, 2 mesi e 3 mesi dopo l'ultima sessione di condizionamento. A seconda degli obiettivi dello studio, questi possono essere identici alle sessioni basali o alle sessioni di condizionamento.
Representative Results
La Figura 2 mostra l'efficacia del protocollo di cui sopra nella misurazione delle curve di reclutamento dell'onda M e del riflesso H e nella misurazione della distribuzione delle dimensioni del riflesso H a intensità di stimolazione costante. Illustra inoltre l'efficacia complessiva del protocollo multi-sessione nel modificare la dimensione del riflesso H nei partecipanti neurologicamente non compromessi e nel migliorare la funzione locomotoria nei partecipanti con lesione del midollo spinale incompleta.
La Figura 2A mostra uno screenshot della finestra di analisi dopo un'esecuzione eseguita in modalità Curva di reclutamento durante il condizionamento operante H-reflex (vedere il passaggio del protocollo 4.5.). Nella metà inferiore della finestra (riquadro Sequenza ), l'asse orizzontale mostra il numero di prova, quindi l'intensità dello stimolo aumenta da sinistra a destra. La dimensione del riflesso H (cerchi verdi) aumenta e diminuisce in funzione dell'intensità dello stimolo, mentre la dimensione dell'onda M (triangoli marroni) aumenta e poi si satura. La Figura 2B mostra uno screenshot della finestra di analisi dopo un'esecuzione eseguita in modalità Control Trials o Training Trials durante il condizionamento operante H-reflex (vedere il passaggio del protocollo 4.6. e il passaggio 4.7.). Nel pannello inferiore (il riquadro "Distribuzione"), l'istogramma delle dimensioni H-reflex facilita la selezione di un livello di criterio appropriato per il successivo condizionamento verso l'alto o verso il basso. Nella Figura 2C, la dimensione del riflesso H nei partecipanti neurologicamente non compromessi è tracciata in funzione del numero di sessioni in 6 sessioni di base, 24 sessioni di condizionamento e 4 sessioni di follow-up. I dati sono stati raccolti da 15 partecipanti (8 maschi, 7 femmine) di cui 2 hanno partecipato a entrambi i bracci di condizionamento verso l'alto e verso il basso. I partecipanti avevano un'età compresa tra 21 e 55 anni. Tutti i partecipanti hanno dato il consenso informato. Il protocollo è stato approvato dall'institutional review board (IRB) del Dipartimento della Salute dello Stato di New York (numero di approvazione 05-058). Thompson et al.16 fornisce ulteriori dettagli. La figura 2D mostra l'effetto benefico del down-condizionamento soleo H-riflesso nei partecipanti con compromissione cronica degli arti inferiori a seguito di lesione incompleta del midollo spinale. Il successo del condizionamento è stato associato a un miglioramento della simmetria dell'andatura e della velocità di camminata rispetto al basale. I dati sono stati raccolti da 13 partecipanti (9 maschi, 4 femmine) di età compresa tra 28 e 68 anni, che hanno dato il consenso informato. Il protocollo è stato approvato dall'IRB dell'Helen Hayes Hospital (numero di approvazione 07-07). Thompson et al.14 fornisce ulteriori dettagli.
Figura 2: Risultati rappresentativi . (A) Schermata della finestra di analisi della curva di reclutamento. (B) Schermata della finestra di analisi delle prove di controllo o delle prove di addestramento. (C) Effetti contrastanti del condizionamento verso l'alto e verso il basso del riflesso H soleo nei partecipanti non feriti. I triangoli rossi verso l'alto mostrano la dimensione media del riflesso H da N = 6 partecipanti condizionati con successo (su 8); i triangoli blu verso il basso mostrano risposte medie da N = 8 partecipanti condizionati con successo (su 9). Le barre di errore indicano un errore standard. Questa immagine è stata modificata da Thompson et al.16. (D) Effetto terapeutico del down-conditioning del soleo H-reflex sulla velocità di deambulazione e sulla simmetria dell'andatura in persone con compromissione cronica a seguito di lesione del midollo spinale incompleta. I risultati di contrasto delle barre per N = 6 partecipanti i cui riflessi H sono stati condizionati con successo contro N = 4 partecipanti dalla condizione di controllo (nessun condizionamento operante) e N = 3 partecipanti in cui il protocollo di down-conditioning non è riuscito a ridurre le dimensioni del riflesso. Le barre di errore indicano un errore standard. Ogni asterisco indica un valore p inferiore a 0,05 su un test t accoppiato che confronta le misurazioni pre- con quelle post-condizionamento. Questa immagine è stata modificata da Thompson et al.14. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Discussion
Il protocollo sopra descritto è adatto per dimostrare il down-conditioning del riflesso H soleo in un adulto tipico senza compromissione neurologica. I valori precisi dei parametri possono variare da persona a persona e in particolare in funzione della menomazione. Mentre la curva di reclutamento del partecipante ha raggiunto Mmax a una corrente stimolante di circa 25 mA nel video, un'altra persona potrebbe richiedere 50 mA o più, quindi la corrente aumenterebbe in passi più grandi durante la misurazione della curva di reclutamento. Potrebbero anche richiedere una durata dell'impulso più lunga. Una terza persona potrebbe essere più sensibile e richiedere impostazioni correnti più piccole. Il protocollo deve anche essere adattato in base al muscolo che viene condizionato. Ad esempio, quando si prende di mira il muscolo flessore carpi radialis24,25, viene generalmente utilizzata un'impostazione di corrente inferiore; la modalità di contrazione volontaria dovrebbe essere utilizzata per stabilire una scala per i limiti EMG di fondo; e maggiore attenzione deve essere posta sia durante l'ottimizzazione del posizionamento degli elettrodi che durante l'ottimizzazione della postura, che deve poi essere mantenuta costante durante le prove.
Il protocollo è sensibile alle variazioni nella relazione tra l'impostazione della corrente dello stimolatore e la quantità di corrente effettivamente erogata al nervo, questo può essere influenzato da piccole variazioni nella postura, idratazione del partecipante e asciugatura del gel dell'elettrodo adesivo. Nel condizionamento H-riflesso, questo problema può essere mitigato utilizzando la dimensione dell'onda M come indicatore dell'intensità della stimolazione efficace. Riflette il numero di assoni efferenti del motoneurone soleo eccitati dallo stimolo. Quindi, se la dimensione dell'onda M è mantenuta costante, implica che anche il numero di assoni afferenti primari eccitati dallo stimolo, cioè gli assoni che provocano il riflesso H, sia mantenuto costante (vedi anche Crone et al.26). Quindi, questa onda M è indicata come la risposta di riferimento nel software. Per questo motivo, il passaggio 4.5.12. menziona che la dimensione dell'onda M target dovrebbe essere registrata. In realtà è più importante mantenere questa dimensione di risposta approssimativamente costante piuttosto che mantenere la corrente nominale rigorosamente costante. La scheda Sequenza della finestra di analisi consente la verifica retrospettiva della costanza dell'onda M in ogni run; per il condizionamento soleo H-reflex, questo è spesso sufficiente per correggere eventuali problemi. Per un maggiore controllo, è possibile collegare un secondo monitor al computer per visualizzare in tempo reale l'analisi delle onde M che guidano la regolazione manuale prova per prova. L'automazione di questo compito di controllo è un progetto in corso27.
La variazione diurna può anche influenzare le risposte elettrofisiologiche di una persona 28,29,30,31. Per questo motivo, si raccomanda che tutte le sessioni vengano eseguite alla stessa ora del giorno, cioè entro la stessa finestra temporale di 3 ore.
Il successo del condizionamento operante può essere sensibile alla precisione dell'intervallo di tempo scelto dall'operatore per definire il riflesso H; In particolare, l'intervallo non dovrebbe essere troppo ampio. Le linee guida dettagliate per la corretta definizione dell'intervallo esulano dallo scopo dell'articolo corrente. Questa è anche una funzione che sarà automatizzata nelle versioni future del software.
Un passaggio critico nel protocollo è il passo 4.5.6., in cui l'operatore aumenta manualmente la corrente dello stimolatore ripetutamente dopo ogni numero fisso di prove. Contare male le prove qui o regolare erroneamente il quadrante corrente può portare a distorsioni della curva di reclutamento risultante. Questa possibilità di errore dell'utente può essere mitigata abilitando l'opzione Digitimer Link, che consente l'automazione della regolazione della corrente per un particolare modello di stimolatore.
Questo articolo si è concentrato sul condizionamento H-riflesso, in quanto è la più sviluppata delle potenziali applicazioni cliniche di EPOCS. Il software esistente aiuta i ricercatori negli sforzi in corso per affinare questo protocollo verso un'ampia divulgazione clinica32. Oltre al condizionamento H-riflesso, EPOCS può anche essere applicato nella sua forma attuale a una più ampia varietà di metodi di stimolazione e risposte evocate. Ad esempio, può ugualmente innescare un dispositivo meccanico che suscita un riflesso di allungamento, che può anche essere condizionato33,34,35. L'approccio è adattabile alle menomazioni di un individuo; in una persona, il down-condizionamento del soleo H-reflex migliora la locomozione riducendo l'iperreflessia spastica14; in un altro, l'up-condizionamento del MEP anteriore tibiale migliora la locomozione alleviando la caduta del piede36.
Mentre sono in corso sforzi per produrre un'implementazione commerciale del protocollo, il software originale sarà mantenuto in parallelo come strumento di ricerca per fornire la flessibilità necessaria per espandere il campo della neuroplasticità mirata. Questa flessibilità è resa possibile dalla modularità ed estensibilità della diffusa e consolidata piattaforma software BCI2000, su cui si basa EPOCS. Ciò significa che, con un intervento minimo da parte di un ingegnere del software, il sistema è riconfigurabile per una varietà ancora più ampia di scopi di ricerca. Ad esempio, può essere configurato per registrare ulteriori canali di biosegnale o sensori aggiuntivi per analisi successive (ad esempio, interruttori a pedale e sensori di tracciamento del movimento) per il condizionamento durante la locomozione. Può anche essere programmato per prendere in considerazione ulteriori criteri di attivazione per la stimolazione (ad esempio, innescando la stimolazione solo in una particolare parte del ciclo dell'andatura) o per innescare ulteriori stimoli di rinforzo su prove riuscite o non riuscite. Vengono forniti file di personalizzazione di esempio.
La neuroplasticità mirata è ancora agli inizi. Ci si aspetta che le sue vie ancora inesplorate forniscano grandi benefici sia per lo sviluppo di nuovi approcci terapeutici (come discusso sopra) sia per chiarire la storia naturale della malattia e i meccanismi della funzione del sistema nervoso centrale sia nella salute che nella malattia 2,32,37. Siamo quindi impegnati a mantenere e sostenere EPOCS come strumento chiave per realizzare questo potenziale terapeutico e scientifico.
Disclosures
JRW e AKT sono inventori di tre brevetti relativi al condizionamento H-reflex. Gli altri autori non hanno interessi finanziari concorrenti o conflitti di interesse da segnalare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato da 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), The Doscher Neurorehabilitation Research Program (AKT) e 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 |
References
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