Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS): Et forskningsverktøy og en fremvoksende terapi for kroniske nevromuskulære 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

Evoked Potential Operant Conditioning System hjelper vitenskapelig undersøkelse av sensorimotorisk funksjon og kan administrere målrettet neurobehavioral trening som kan påvirke sensorimotorisk rehabilitering i nevromuskulære lidelser. Denne artikkelen beskriver dens evner og illustrerer dens anvendelse i å modifisere en enkel spinal refleks for å oppnå varig forbedring i motorisk funksjon.

Abstract

Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS) er et programvareverktøy som implementerer protokoller for operantly condition stimulus-utløst muskelrespons hos personer med nevromuskulære lidelser, som igjen kan forbedre sensorimotorisk funksjon når den brukes riktig. EPOCS overvåker tilstanden til spesifikke målmuskler - for eksempel fra overflateelektromyografi (EMG) mens du står, eller fra gangsyklusmålinger mens du går på tredemølle - og utløser automatisk kalibrert stimulering når forhåndsdefinerte forhold er oppfylt. Det gir to former for tilbakemelding som gjør det mulig for en person å lære å modulere den målrettede banens spenning. For det første overvåker den kontinuerlig pågående EMG-aktivitet i målmuskelen, og veileder personen til å produsere et konsistent aktivitetsnivå som er egnet for kondisjonering. For det andre gir den umiddelbar tilbakemelding av responsstørrelsen etter hver stimulering og indikerer om den har nådd målverdien.

For å illustrere bruken beskriver denne artikkelen en protokoll der en person kan lære å redusere størrelsen på Hoffmann-refleksen - den elektrisk fremkalte analogen til spinal strekkrefleksen - i soleusmuskelen. Down-condition denne banens spenning kan forbedre gange hos personer med spastisk gang på grunn av ufullstendig ryggmargsskade. Artikkelen viser hvordan du setter opp utstyret; hvordan plassere stimulerende og opptakselektroder; og hvordan du bruker den frie programvaren til å optimalisere elektrodeplassering, måle rekrutteringskurven for direkte motor- og refleksresponser, måle responsen uten operant kondisjonering, kondisjonere refleksen og analysere de resulterende dataene. Det illustrerer hvordan refleksen endres over flere økter og hvordan gange forbedres. Det diskuterer også hvordan systemet kan brukes på andre typer fremkalte responser og til andre typer stimulering, for eksempel motorfremkalte potensialer for transkraniell magnetisk stimulering; hvordan det kan løse ulike kliniske problemer; og hvordan det kan støtte forskningsstudier av sensorimotorisk funksjon i helse og sykdom.

Introduction

I løpet av det siste tiåret har målrettede nevroplastisitetsstrategier dukket opp som en ny tilnærming til rehabilitering av nevrologiske funksjonsnedsettelser 1,2. En slik strategi er operant betinging av et fremkalt potensial. Dette innebærer gjentatte ganger å fremkalle elektrofysiologiske responser som kan måles ikke-invasivt - for eksempel ved elektroencefalografi (EEG) eller overflateelektromyografi (EMG) - og gi personen umiddelbar tilbakemelding på størrelsen på hvert svar i forhold til et kriterienivå satt av terapeuten eller etterforskeren. Over tid trener denne protokollen personen til å øke eller redusere responsen, og kan følgelig målrette gunstig forandring til et sentralnervesystemsted som er viktig i en oppførsel som bevegelse eller rekkevidde og forståelse. Den målrettede endringen fordeler ytelsen og muliggjør i tillegg bedre praksis som fører til utbredt fordelaktig endring som forbedrer hele oppførselen. For eksempel, hos personer med ufullstendig ryggmargsskade (iSCI) der klonus svekker bevegelse, forbedrer operant kondisjonering som reduserer Hoffmann-refleksen i soleusmuskelen i ett ben lokomotorisk muskelaktivitet i begge ben, og øker dermed ganghastigheten og gjenoppretter høyre / venstre trinnsymmetri 1,3,4,5 . Et annet eksempel er parret pulsstimulering, som varig kan øke størrelsen på det motorfremkalte potensialet (MEP) til transkraniell magnetisk stimulering, og dermed forbedre rekkevidde-og-grip-funksjonen hos personer med kronisk hånd- og armhemming etter iSCI6.

Implementering av slike protokoller krever spesialprogramvare som må utføre flere funksjoner. Spesielt må den kontinuerlig anskaffe, behandle og lagre elektrofysiologiske signaler; det må kontinuerlig overvåke tilstanden i nervesystemet og utløse stimulering på riktig måte under stramme sanntidsbegrensninger; den må gi kontinuerlig tilbakemelding øyeblikk for øyeblikk, tilbakemelding fra prøveperiode til prøve og tilbakemelding fra økt til økt; det må gi et brukergrensesnitt for å veilede oppsett og innstilling av etterforskeren eller terapeuten; og til slutt må den lagre og organisere signaldata og metainformasjon i et standardisert format.

Det fremkalte potensielle operant condition system (EPOCS) er vårt svar på dette enestående behovet. Under panseret er programvaren basert på BCI2000, en åpen kildekode nevroteknologiplattform som brukes i hundrevis av laboratorier rundt om i verden 7,8. I EPOCS er BCI2000s vanlige brukergrensesnitt skjult og erstattet av et strømlinjeformet grensesnitt som er optimalisert for fremkalte potensielle operant condition-protokoller.

Den nåværende artikkelen og den tilhørende videoen illustrerer bruken av EPOCS i en bestemt protokoll: operant kondisjonering for å redusere størrelsen på Hoffmann (H-) refleksen i soleusmuskelen. Denne responsen er den elektrisk fremkalte analogen til kne-jerk strekkrefleksen. H-reflex down-conditioning har vist seg å redusere virkningen av klonus på, og dermed forbedre, bevegelse hos dyr med iSCI 9,10,11,12,13 og hos mennesker med iSCI, multippel sklerose eller hjerneslag5,14,15. Det kan brukes uten uønskede bivirkninger hos dyr og mennesker med eller uten nevrologisk skade16,17.

Den operant kondisjoneringsprotokollen fungerer ved å utføre flere forsøk, hver varer i flere sekunder. Sekvensen av hendelser i en prøve er vist skjematisk i figur 1, med tall som angir følgende funksjoner:

1. Kontinuerlig bakgrunn EMG registreres fra bipolare overflateelektroder over målmuskelen (soleus) og dens antagonist (tibialis anterior). Bakgrunnsnivået evalueres som den gjennomsnittlige utbedrede verdien av det høypassfiltrerte signalet i et skyvevindu.

2. Bakgrunn EMG-nivå i målmuskelen vises som høyden på en stang, kontinuerlig oppdatert på deltakerens skjerm. Dette hjelper deltakeren til å holde aktiviteten innenfor et spesifisert område (klekket område).

3. Programvaren vurderer riktig øyeblikk for elektrisk stimulering og utløser stimulatoren tilsvarende. Hovedkriteriene er at minst 5 s må ha gått siden forrige stimulering, og at bakgrunnsnivået i EMG må ha holdt seg i det angitte området kontinuerlig i 2 s.

4. En konstant strømstimulator leverer en elektrisk puls transkutant til tibialnerven (typisk monofasisk, med 1 ms varighet).

5. Den resulterende stimuluslåste responsen registreres. Programvaren beregner størrelsene på to komponenter av spesiell interesse: den tidligere M-bølgen, som reflekterer muskelaktivering som følge av direkte stimulering av motoraksonet; og den senere H-refleksen, som reflekterer signalet som sendes gjennom en refleksbue i ryggmargen 18,19,20,21,22. EPOCS refererer til disse som henholdsvis referanserespons og målrespons.

6. H-refleksstørrelse for den aktuelle studien vises som høyden på en andre stolpe, i forhold til et ønsket kriterienivå som definerer en vellykket eller mislykket prøve. For down-condition er baren mørkegrønn hvis H-refleksstørrelsen falt under kriteriet, eller lys rød hvis den ikke gjorde det (omvendt for oppkondisjonering). Samtidig oppdateres den numeriske visningen av den kumulative suksessraten tilsvarende. Sammen gir disse grafiske skjermelementene den umiddelbare positive eller negative forsterkningen som operant condition er avhengig av23.

Figure 1
Figur 1: Skjematisk illustrasjon av EPOCS' kjernefunksjonalitet under nedkondisjonering av soleus H-refleksen. Deltakeren ser på en stor skjerm som viser bakgrunns-EMG-nivået, den siste H-refleksstørrelsen, antall forsøk som er fullført så langt i den nåværende kjøringen på 75, og den løpende andelen vellykkede forsøk for kjøringen. Hendelsesforløpet i ett forsøk er betegnet med tallene 1-6, som beskrevet i innledningen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

En human H-reflex condition-protokoll består vanligvis av 6 baseline-økter, etterfulgt av 24-30 kondisjoneringsøkter fordelt over 10 uker med en hastighet på 3 økter / uke, og flere oppfølgingsøkter i løpet av de påfølgende 3-6 månedene14,16. Hver økt varer 60-90 min.

For å støtte denne protokollen, så vel som andre relaterte protokoller, har EPOCS fem forskjellige driftsformer, hver betjent av en av fanene i hovedvinduet, med tittelen Stimulus Test, Voluntary Contraction, Recruitment Curve, Control Trials og Training Trials.

I stimulustestmodus utløser programvaren en stimulus hvert par sekunder, ikke nødvendigvis betinget av tilstanden til målmuskelen. Responssignalene vises på skjermen etter hver stimulus. Dette gjør det mulig for operatøren å verifisere kvaliteten på elektrodeforbindelsene og EMG-signalet; for å optimalisere posisjonen til stimulerende og opptakselektroder; og å etablere individets responsmorfologi.

I frivillig kontraksjonsmodus måler og viser programvaren bakgrunnen EMG-nivå mens deltakeren oppfordres til å trekke sammen muskelen så mye som mulig, i fravær av elektrisk stimulering. I noen protokoller er EMG-nivået ved maksimal frivillig sammentrekning (MVC) en nyttig referanse for å sette bakgrunnen for EMG-kriteriene. I protokollen som er demonstrert her, er dette ikke nødvendig, da en stabil stående stilling standardiserer aktiviteten til soleusmuskelen tilstrekkelig.

I rekrutteringskurvemodus er stimulering betinget av at bakgrunns-EMG-nivået (vises kontinuerlig på skjermen) forblir i riktig område; responssignaler vises på skjermen etter hver stimulus; og sekvensen av svar kan analyseres på slutten av en løp. Dette gjør det mulig for operatøren å bestemme starten og slutten av tidsintervallene der svarene av interesse vises; å bestemme forholdet mellom stimuleringsintensitet og responsstørrelse, både før og etter kondisjoneringskjøringen; og for å bestemme stimuleringsintensiteten som skal brukes til kondisjonering.

I Control Trials-modus er stimulering betinget av bakgrunns-EMG-nivået (vises kontinuerlig på skjermen), men det gis ingen tilbakemelding om målresponsstørrelsen. Sekvensen og fordelingen av responsstørrelser kan analyseres. Denne modusen kan brukes til å samle baseline målinger av responsstørrelse, eller som en kontrollbetingelse for sammenligning mot operant betinging i en crossover eller mellom eksperimentell design. Det kan tjene som grunnlag for å sette ytelseskriteriet for operant kondisjonering i begynnelsen av hver økt.

Til slutt, i Training Trials-modus, er stimulering betinget av bakgrunns-EMG-nivået (vises kontinuerlig på skjermen), og forsterkning fra forsøk til forsøk er også gitt ved å vise målresponsstørrelsen, som beskrevet ovenfor og vist i figur 1. Dette er modusen der operant condition utføres.

Den neste delen vil lede leseren gjennom de fem modusene ved å demonstrere protokollen for nedkondisjonering av soleus H-refleksen hos en voksen deltaker uten nevrologisk skade.

Protocol

Alle prosedyrer beskrevet her ble godkjent av det institusjonelle vurderingsstyret for Stratton VA Medical Center (godkjenningsnummer 1584762-9). Deltakeren i videoen ga informert samtykke til bruk av deres bilde og EMG-signaler i denne publikasjonen.

MERK: Begrepene i fet skrift indikerer etiketter som skal være synlige på maskinvaren og/eller i programvarens grafiske brukergrensesnitt.

1. Oppsett av programvare

  1. Gå til https://neurotechcenter.org/epocs for instruksjoner om hvordan du får tak i den nyeste programvareinstallatøren. Installer programvaren ved hjelp av det nedlastede installasjonsprogrammet.
  2. Forsikre deg om at nødvendige drivere og produsentens programvare er installert for digitaliseringsenheten. Sørg spesielt for at NI-DAQmx-installasjonen inkluderer 64-biters støtte.
  3. Start NI-MAX-applikasjonen, velg enheten som skal brukes under Enheter og grensesnitt, og sørg for at navnet er Dev1. Kontroller deretter at avmerkingsboksen Linjetilstand for port 0 linje 7 ikke er merket av (nullstilt) under Konfigurer > oppstartstilstander. Nullstill også den tilsvarende Tristate-avmerkingsboksen, hvis det er en.
  4. Bruk verktøyet Legg til eller fjern programmer til å fjerne unødvendig programvare som i perioder kan forbruke prosessorressurser i bakgrunnen, da dette kan føre til feil i signalbehandling i sanntid. Sørg for å fjerne eventuelle programvareoppdaterings-/feilsøkingspakker som leveres av datamaskinens produsent, da disse har vært kjent for å forårsake alvorlige ytelsesproblemer.
    MERK: Programvareoppsettstrinnene ovenfor trenger bare å utføres én gang for en gitt maskinvarekonfigurasjon.

2. Oppsett av maskinvare

  1. Sett opp digitaliseringsenheten for å koordinere inngang og utgang som beskrevet nedenfor.
    1. Bruk et kort stykke solid-core isolert ledning, patch fjærterminalen for digital utgangsport 0 linje 7 (merket P0.7- eller muligens DIO7 på eldre utstyr) til fjærterminalen for USER-utgang .
    2. Koble en BNC-t-tee-kontakt for kvinne/mann/kvinne til USER-utgangen . Koble USER-utgangen til den eksterne utløserinngangsporten til stimulatoren.
    3. Koble de første og andre forsterkede EMG-signalkablene til henholdsvis den første og andre analoge inngangskanalen på datainnsamlingskortet. Disse er merket AI0 og AI1-eller eventuelt ACH0 og ACH1 på eldre utstyr. Opprett en ekstra tilkobling fra USER-utgangen tilbake til den tredje analoge inngangskanalen (merket AI2 eller ACH2).
  2. Sett opp konstantstrømstimulatoren som beskrevet nedenfor.
    MERK: For å gjøre protokollen generaliserbar til en rekke stimulatormerker og modeller, beskriver denne artikkelen manuell stimulusintensitetskontroll i stedet for å dra nytte av muligheten for automatisk kontroll av de spesielle stimulatormodellene.
    1. Slå på stimulatoren og konfigurer den til å levere 1 ms monofasiske pulser. For DS8R-modellen må du sørge for at stimulusintensiteten styres av frontpanelet eller USB-grensesnittet, ikke via den bakre analoge inngangen. Koble til den lange utgangskabelen og koble den til snap-ledningene som festes til de stimulerende elektrodeputene.
  3. Sett opp den analoge forsterkeren til å levere minst to EMG-kanaler som beskrevet nedenfor.
    1. Slå på forsterkeren. Forsikre deg om at alle kanal-GAIN-verdier har standardverdien på 500, og at de tilsvarende VARIABLE-knappene er vendt til minimumsverdien 1.
    2. Koble den bærbare enheten til forsterkeren ved hjelp av den lange kabelen. Sett inn to firkantede 9 V-batterier i den bærbare enhetens batteripakke. Spenn den bærbare enheten og batteripakken rundt deltakerens midje.

3. Forberede stimulering og opptak av elektroder

  1. Bruk tidligere nevnte landemerker eller målinger for å gjenskape tidligere deltakerspesifikke elektrodeposisjoner så nært som mulig. Forbered huden der elektrodene skal festes ved å tørke med alkoholputer for å fjerne overflødig olje, og tørk deretter med et papirhåndkle for å fjerne død hud.
  2. Fest stimuleringselektrodene på plass for å stimulere tibialnerven nøyaktig, med minimal effekt på den vanlige peroneale nerven. Bruk den større (22 mm x 35 mm) elektroden som anode og plasser den på toppen av popliteal fossa hvor isjiasnerven forgrener seg til tibial og vanlige peroneale nerver. Plasser katoden (22 mm x 22 mm) ved kneets brett, rett under anoden, med en 3-4 cm separasjon mellom elektrodesentrene.
  3. Fest EMG-opptakselektrodene i en bipolar montasje ved målmuskelen (soleus) som følger.
    1. For å bestemme riktig plassering, finn først gastrocnemiusmuskelen ved å palpere mens deltakeren veksler mellom å stå på tærne og stå naturlig.
    2. Plasser den første elektroden rett under den distale grensen til gastrocnemius muskelmage. Plasser den andre elektroden under den første, med en avstand på 5 cm mellom elektrodesentrene. Hold begge elektrodene på linje med akillessenen.
  4. Fest EMG-opptakselektrodene i en bipolar montasje ved antagonistmuskelen (tibialis anterior). For å gjøre dette, identifiser muskelen ved å palpere mens deltakeren løfter (dorsiflexes) tærne. Plasser elektrodene på muskelmagen, ca. 1/3 av veien ned fra fibularhodet til ankelen, med en 5 cm vertikal separasjon mellom elektrodesentrene.
  5. Fest en jordelektrode på patellaen.
  6. Koble til EMG-forsterkerledningene som følger. Koble den grønntapede aktive elektroden til kanal 1 på den bærbare enheten og koble de røde klipsene til målmuskelelektrodene (soleus) og den grønne klipsen til jordelektroden. Koble den svarttapede aktive elektroden til kanal 2 på den bærbare enheten og koble klipsene til antagonist-muskelelektrodene (tibialis anterior).
  7. Koble batteripakken til den bærbare enheten.
  8. Koble stimuleringsledningene til stimuleringselektrodene.

4. Bruke EPOCS-programvaren

  1. Plasser skjermen slik at både etterforskeren og subjektet (eller terapeuten og pasienten) kan se den tydelig.
  2. Start en EPOCS-økt.
    MERK: En økt er definert som ett besøk på laboratoriet eller klinikken, som vanligvis varer 60-90 minutter.
    1. Dobbeltklikk på EPOCS-ikonet for å starte programmet. Skriv inn deltaker-ID-koden (eller velg fra listen over tidligere brukte ID-er).
    2. Hvis dette er en fortsettelse av en eksisterende økt, for eksempel hvis programvaren måtte startes på nytt etter et avbrudd, trykker du på Fortsett økt. Dette vil bare være tilgjengelig hvis en økt for den angitte deltakeren har blitt startet i løpet av de siste 3 timene.
    3. Ellers trykker du på Start ny økt. Dette vil opprette en ny datamappe, dato- og tidsstemplet og merket med deltaker-ID.
  3. Kontroller elektrodeplasseringen og kontaktkvaliteten og juster etter behov.
    1. Kontroller at kategorien Stimulustest vises.
    2. I Innstillinger > Stimulering konfigurerer du Min. Intervall for stimulustest til 3 s. Merk at dette er konfigurert separat fra Min. -intervallet for normal bruk, som vanligvis vil være lengre, rundt 5 s. La Digitimer Link-innstillingen være deaktivert.
      MERK: Når det er aktivert, vil Digitimer Link-alternativet tillate programvarekontroll av stimuleringsintensiteten ved bruk av visse stimulatormodeller. Den nåværende protokollen demonstrerer i stedet manuell kontroll av stimulusintensitet, som er anvendelig på tvers av flere stimulatormerker og modeller.
    3. På stimulatorkontrollpanelet setter du stimulusintensiteten til 5 mA og aktiverer stimulering.
    4. Be deltakeren om å stå, med hendene delvis som støtter vekten på en rullator om nødvendig.
    5. Advar deltakeren om å forvente stimulering, og trykk deretter på Start for å starte en ny kjøring (dvs. for å starte opptak av signaler kontinuerlig til en ny fil). Kjøringer vil bli nummerert sekvensielt, og filene deres vil aldri overskrive hverandre.
    6. Hver repetisjon av stimulering kalles en prøve. EMG-svarene som fremkalles i hver studie, vises umiddelbart. Vurder M-bølgen og H-refleksen fremkalt i målmuskelen (det øvre, blå sporet) og antagonistmuskelen (det nedre, røde sporet). Øk om nødvendig strømmen gradvis til 10 mA eller mer, til svarene vises tydelig.
    7. For å finne den optimale plasseringen for stimulering (dvs. stedet som gir den største H-refleksen), sammenlign de fremkalte potensialene etter å ha flyttet katoden en full elektrodebredde medialt og deretter lateralt, etterfulgt av en halv elektrodebredde medialt og deretter lateralt, og til slutt med en full elektrodebredde opp og deretter ned.
    8. , noter og fotografer elektrodens posisjon for å hjelpe reposisjonering i fremtidige økter. Hvis mulig, lag en gipsavstøpning av kalven og baksiden av kneet og lag hull i støpningen som gjør at merkene kan påføres nøyaktig på nytt.
    9. Når de optimale posisjonene for elektrodene er funnet, erstatter du de omplasserte elektrodene med ferske elektroder.
  4. For soleus condition, hopp over kategorien Frivillig sammentrekning .
  5. Mål maksimale M-bølge- og H-refleksstørrelser (M.max og H.max) ved å kartlegge rekrutteringskurven, dvs. forholdet mellom stimulusintensitet og respons. Mål rekrutteringskurven som følger, før og etter kontroll- eller treningsforsøkene i hver økt. I den første økten bruker du rekrutteringskurven til å veilede valget av en passende stimuleringsintensitet for bruk gjennom hele kondisjoneringsprosessen.
    1. Bytt til kategorien Rekrutteringskurve .
    2. I Innstillinger > EMG konfigurerer du områdene som EMG-verdiene for mål- og antagonistbakgrunn må holde seg innenfor for å muliggjøre stimulering. For soleus, forutsatt at den maksimale frivillige sammentrekningen ikke er målt, må du bare sørge for at områdene omfatter EMG-nivåene som genereres av naturlig vektbærende under stående. Sett bakgrunnsvarigheten til 2 s for å diktere hvor lenge deltakeren kontinuerlig må holde EMG innenfor rekkevidde for å utløse hver stimulus.
      MERK: De øvre eller nedre grensene kan stå tomme hvis ingen tilsvarende begrensning skal pålegges.
    3. Aktiver stimulatoren og sett intensiteten til minimumsverdien som skal brukes i måling av rekrutteringskurve: 5 mA. (Denne verdien er et eksempel og bør velges fra sak til sak- se diskusjon.)
    4. Hvis dette er deltakerens første økt, la dem øve på å holde EMG i riktig område i ønsket varighet som beskrevet nedenfor.
      1. Mens deltakeren står, trykker du på Start. Demonstrer for deltakeren hvordan bakgrunns-EMG-nivået i målmuskelen vises i sanntid som høyden på stangen mot et skyggelagt område som viser målområdet.
      2. Forklar deltakeren at aktiviteten fra begge musklene (mål og antagonist) må være innenfor de nødvendige områdene for å snu linjen fra en lys rød til en mørkere grønn (selv om antagonistaktivitetsnivået ikke vises direkte).
      3. For å justere bakgrunnsområdene, trykk på Stopp etterfulgt av Innstillinger; skriv deretter inn de nye tallene , trykk OK og deretter Start på nytt. Trykk på Stopp når øvelseskjøringen er ferdig.
    5. For å måle rekrutteringskurven, med deltakeren stående, trykk på Start. Hvis H-refleksen allerede er synlig ved den valgte startintensiteten, må du gradvis redusere strømmen til H-refleksen ikke lenger er sett. Trykk deretter på Stopp og trykk igjen på Start for å starte kjøringen.
    6. Følg nøye med på Trials Completed-telleren . Etter hver fjerde forsøk, øk stimuleringsintensiteten manuelt med 2 mA. (Denne verdien er et eksempel og bør velges fra sak til sak- se diskusjon.) Fortsett til M-bølgestørrelsen når et platå, forutsatt at deltakeren ikke rapporterer ubehag. Trykk på Stopp når du er ferdig, og inviter deltakeren til å sette seg ned for å hvile.
    7. Noter stimulusintensitetsverdiene som brukes for hver studie. Knytt eventuelle skriftlige poster til kjørenummeret som vises øverst til høyre i vinduet. På slutten av en kjøring, skriv inn denne informasjonen manuelt i øktloggen, sammen med andre notater, via Logg-fanen .
      MERK: Hvis stimuleringsintensiteten styres manuelt, registreres ikke denne informasjonen av programvaren.
    8. Trykk på Analyse-knappen for å åpne analysevinduet og tillate definisjon av M- og H-bølgene som følger. I den øvre ruten i analysevinduet undersøker du stimuluslåst overlegg av målmuskelsignalene fra hvert forsøk i siste kjøring.
    9. Bruk musen til å justere begynnelsen og slutten av den brune referansen og de grønne målintervallene (i H-reflex operant condition-protokollen tilsvarer disse henholdsvis M-wave og H-reflex). Når intervallene er riktige, trykker du på de røde knappene Bruk merkede tidsberegninger for å lagre disse personlige intervallinnstillingene for fremtidige analyser.
    10. I Sekvens-ruten i nedre halvdel av analysevinduet vurderer du den resulterende rekrutteringskurven. Juster innstillingene for å vise enten topp-til-topp eller middelkorrigert amplitude og for å samle resultater fra påfølgende forsøk. Siden stimulusstrømmen ble økt hver fjerde forsøk, spesifiser Forsøk til basseng: 4. Registrer den resulterende M max og Hmax.
    11. Hvis dette er deltakerens første økt, optimaliser målmuskel-EMG-opptaksstedene som følger.
      1. Flytt soleuselektrodene medialt med en halv elektrodebredde (eller en full elektrodebredde hvis muskelen er bred nok). Gjenta deretter trinnene ovenfor for å samle en full rekrutteringskurve og registrere den resulterende M max og Hmax.
      2. Flytt soleuselektrodene samme avstand sideveis fra sin opprinnelige posisjon, og utfør igjen en rekrutteringskurvemåling for å estimere M max og Hmax. Ta i bruk elektrodeposisjoneringen som maksimerer Hmax og, noter og fotografer posisjonene deres som i trinn 4.3.8.
    12. Velg en stimulusintensitet som fremkaller en nær maksimal H-refleks - ideelt sett på den stigende (venstre) skråningen av H-refleksrekrutteringskurven - men med begrensningen at det må være en synlig M-bølge. Sett denne stimulusintensitetsverdien på stimulatoren og noter den for fremtidige økter. Legg også merke til den tilsvarende M-bølgestørrelsen (se diskusjon).
  6. Mål fordelingen av H-refleksstørrelser uten å gi tilbakemelding som følger.
    1. Bytt til kategorien Kontrollforsøk .
    2. Mens deltakeren står, trykker du på Start. Som før, instruer deltakeren om å bruke tilbakemeldingene fra den stigende og fallende stangen for å opprettholde nivået på bakgrunnsmuskelaktivitet innenfor det nødvendige området.
    3. Hvis dette er en baseline eller oppfølgingsøkt, utfør 75 studier etter hverandre ved den valgte stimulusintensiteten. Hvis dette er en kondisjoneringsøkt, utfør bare 20 forsøk. Etter det foreskrevne antallet forsøk, trykk på Stopp for å avslutte kjøringen.
    4. Presseanalyse. Som tidligere, vurder overlegget av responsbølgeformer fra forsøk til forsøk i det øvre panelet og sekvensen av responsstørrelser nedenfor. En ny fane kalt Distribusjon er også aktivert som standard, på toppen av Sekvens. Den viser fordelingen av H-refleksstørrelser, med sammendragsstatistikk til høyre.
    5. Trykk på Logg resultater for å legge til sammendragsstatistikken i øktloggen.
    6. Hvis dette er en baseline-økt, gjentar du trinnene ovenfor i totalt 3 kjøringer med 75 prøveversjoner hver. Gå deretter til målingen av sluttrekrutteringskurven i trinn 4.8.
    7. Hvis dette er en kondisjoneringsøkt, setter du målpersentilen til 66. Opp- og nedkondisjoneringskriterienivåene, sammen med medianen, vises med de vertikale røde linjene. Velg et kriterium for kondisjonering ved å trykke på knappen Opp-tilstand eller Ned-tilstand. For denne protokollen trykker du på Down-Condition. Denne handlingen logges automatisk, og analysevinduet lukkes.
      MERK: I en nedkondisjoneringsprotokoll betyr en målpersentilverdi på 66 at en vellykket prøve er definert som en der responsstørrelsen er i bunnen 66% av den tidligere målte fordelingen; Omvendt, i up-condition, betyr suksess å produsere en responsstørrelse i topp 66% av distribusjonen.
  7. Utfør operant betinging som beskrevet nedenfor.
    1. Bytt til Treningsforsøk-fanen .
    2. Mens deltakeren står, trykker du på Start.
    3. Hvis deltakeren ikke har sett den før, kan du gjøre oppmerksom på den nye tilbakemeldingslinjen midt på skjermen. Forklar at den viser den nyeste H-refleksstørrelsen i forhold til det klekkede målområdet. Hvis svaret faller innenfor målområdet, telles prøveversjonen som vellykket, og linjen vil være mørkegrønn. Hvis den faller utenfor området, telles prøveversjonen som mislykket, og linjen blir lysere rød.
    4. Gjennom hele løpet, motivere deltakeren til å utføre så mange vellykkede forsøk som mulig. Antall utførte forsøk og andelen forsøk som har vært vellykket i løpet så langt, vises til høyre på skjermen. Etter 75 forsøk trykker du på Stopp for å avslutte kjøringen.
    5. Trykk på Analyse-knappen . Analysevinduet ser ut som det gjorde for kontrollforsøk. Igjen, bruk kategorien Sekvens for å bekrefte at M-bølgene forble konstante i ønsket størrelse.
    6. Som før, med kategorien Distribusjon valgt, bruker du Down-Condition-knappen til å oppdatere operant condition-kriteriet for neste kjøring. Gjenta operant condition prosedyren 2x mer, for totalt 3 løp på 75 forsøk hver.
  8. På slutten av økten, utfør en annen rekrutteringskurvemåling som i trinn 4.5.1.-4.5.6.
  9. Fullfør økten som beskrevet nedenfor.
    1. Skriv inn eventuelle ekstra øktnotater i Logg-fanen . Loggen lagres automatisk når den fylles ut i en datostemplet ren tekstfil i den øktspesifikke datakatalogen. Lukk vinduet. Data og logger er allerede lagret.
    2. Hvis du vil gå tilbake til analysevinduet for tidligere registrerte data, dobbeltklikker du på ikonet EPOCS Frakoblet analyse og velger datafilen for kjøringen som skal analyseres. Vent til råsignalene blir behandlet (dette kan ta 1 min eller mer).
      MERK: Data lagres som .dat filer i BCI2000-format. Filnavnet angir dato og klokkeslett for økten, deltaker-ID, modus (ST for stimulustest, VC for frivillig sammentrekning, RC for rekrutteringskurve, CT for kontrollforsøk og TT for treningsforsøk) og sekvensielt kjørenummer.

5. Utføre flere gjentatte økter

  1. Planlegg totalt 6 baseline økter, 24 condition økter (eller 30, for personer med nevrologisk svekkelse), og 4 oppfølging økter. Planlegg basis- og kondisjoneringsøktene med en hastighet på 3 økter/uke, hver økt varer ikke lenger enn 90 minutter. Sørg for at alle økter skal gjennomføres på samme tid på dagen for å minimere effekten av daglig variasjon.
  2. I hver av de 6 basissesjonene gjennomfører du en innledende rekrutteringskurvekjøring, 3 kjøringer med 75 kontrollforsøk og en siste rekrutteringskurvekjøring.
  3. I hver av de 24 (eller 30) kondisjoneringsøktene gjennomfører du en innledende rekrutteringskurvekjøring, 1 løp med 20 kontrollforsøk, 3 løp med 75 treningsforsøk og en siste rekrutteringskurvekjøring.
  4. Gjennomfør 4 oppfølgingsøkter på 10-14 dager, 1 måned, 2 måneder og 3 måneder etter siste kondisjoneringsøkt. Avhengig av målene for studien, kan disse være identiske med baseline økter, eller til condition økter.

Representative Results

Figur 2 viser effektiviteten av ovennevnte protokoll ved måling av M-bølge- og H-refleksrekrutteringskurver og ved måling av fordelingen av H-refleksstørrelser ved konstant stimuleringsintensitet. Det illustrerer også den generelle effektiviteten av multi-session-protokollen ved endring av H-refleksstørrelsen hos nevrologisk uhemmede deltakere og i å forbedre lokomotorisk funksjon hos deltakere med ufullstendig ryggmargsskade.

Figur 2A viser et skjermbilde av analysevinduet etter en kjøring utført i rekrutteringskurvemodus under H-reflex operant betinging (se protokolltrinn 4.5.). I den nedre halvdelen av vinduet ( Sekvens-ruten ) viser den vannrette aksen prøvetallet – derfor øker stimulusintensiteten fra venstre til høyre. H-refleksstørrelse (grønne sirkler) stiger og faller deretter som en funksjon av stimulusintensitet, mens M-bølgestørrelse (brune trekanter) stiger og metter. Figur 2B viser et skjermbilde av analysevinduet etter en kjøring utført i kontrollforsøk eller treningsforsøksmodus under H-reflex operant-kondisjonering (se protokolltrinn 4.6. og trinn 4.7.). I det nedre panelet ("Distribusjon"-ruten) gjør histogrammet for H-refleksstørrelser det enklere å velge et passende kriterienivå for etterfølgende opp- eller nedkondisjonering. I figur 2C er H-refleksstørrelse hos nevrologisk uhemmede deltakere plottet som en funksjon av øktnummer over 6 baseline-økter, 24 kondisjoneringsøkter og 4 oppfølgingsøkter. Data ble samlet inn fra 15 deltakere (8 menn, 7 kvinner) hvorav 2 deltok i både opp- og nedkondisjoneringsarmer. Deltakerne var i alderen 21-55 år. Alle deltakerne ga informert samtykke. Protokollen ble godkjent av institutional review board (IRB) i New York State Department of Health (godkjenningsnummer 05-058). Thompson et al.16 gir ytterligere detaljer. Figur 2D viser gunstig effekt av soleus H-reflex down-condition hos deltakere med kronisk nedsatt underekstremitet etter ufullstendig ryggmargsskade. Vellykket kondisjonering var assosiert med en forbedring i gangsymmetri og ganghastighet i forhold til baseline. Data ble samlet inn fra 13 deltakere (9 menn, 4 kvinner) i alderen 28-68 år, som ga informert samtykke. Protokollen ble godkjent av IRB av Helen Hayes Hospital (godkjenningsnummer 07-07). Thompson et al.14 gir ytterligere detaljer.

Figure 2
Figur 2: Representative resultater . (A) Skjermbilde av analysevinduet for rekrutteringskurven. (B) Skjermbilde av analysevinduet Control Trials eller Training Trials. (C) Kontrasterende effekter av opp- og nedkondisjonering av soleus H-refleksen hos ubesudlede deltakere. Røde oppadgående trekanter viser gjennomsnittlig H-refleksstørrelse fra N = 6 vellykkede oppkondisjonerte deltakere (av 8); blå nedadgående trekanter viser gjennomsnittlige svar fra N = 8 vellykkede nedkondisjonerte deltakere (av 9). Feilfelt angir standardfeil. Dette bildet er modifisert fra Thompson et al.16. (D) Terapeutisk effekt av soleus H-reflex down-conditioning på ganghastighet og gangsymmetri hos personer med kronisk svekkelse etter ufullstendig ryggmargsskade. Barene kontrasterer resultatene for N = 6 deltakere hvis H-reflekser ble vellykket nedkondisjonert mot N = 4 deltakere fra kontrolltilstanden (ingen operant betinging) og N = 3 deltakere der down-condition-protokollen ikke klarte å redusere refleksstørrelsen. Feilfelt angir standardfeil. Hver stjerne indikerer en p-verdi under 0,05 på en paret t-test som sammenligner pre- mot postkondisjoneringsmålinger. Dette bildet er modifisert fra Thompson et al.14. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

Protokollen beskrevet ovenfor er egnet til å demonstrere soleus H-reflex down-condition hos en typisk voksen uten nevrologisk svekkelse. De nøyaktige parameterverdiene kan variere fra person til person og spesielt som en funksjon av nedsatt funksjonsevne. Mens deltakerens rekrutteringskurve nådde Mmax ved en stimulerende strøm på rundt 25 mA i videoen, kan en annen person kreve 50 mA eller mer, slik at strømmen vil bli økt i større trinn under måling av rekrutteringskurve. De kan også kreve en lengre pulsvarighet. En tredje person kan være mer følsom og kreve mindre strøminnstillinger. Protokollen må også tilpasses i henhold til muskelen som blir kondisjonert. For eksempel, når du målretter flexor carpi radialis muskelen24,25, brukes vanligvis en lavere strøminnstilling; Den frivillige kontraksjonsmodusen bør brukes til å etablere en skala for bakgrunns-EMG-grensene; og større forsiktighet må utvises både under optimalisering av elektrodeplassering og under optimalisering av stillingen, som deretter må holdes konstant på tvers av forsøk.

Protokollen er følsom for variasjoner i forholdet mellom stimulatorstrøminnstilling og mengden strøm som faktisk leveres til nerven - dette kan påvirkes av små variasjoner i holdning, hydrering av deltakeren og uttørking av limelektrodegelen. Ved H-reflekskondisjonering kan dette problemet reduseres ved å bruke M-bølgestørrelse som en indikator på effektiv stimuleringsintensitet. Det gjenspeiler antall soleus motoneuron effeent axons opphisset av stimulansen. Således, hvis M-bølgestørrelsen holdes konstant, innebærer det at antall primære afferente aksoner opphisset av stimulansen, dvs. aksonene som fremkaller H-refleksen, også holdes konstant (se også Crone et al.26). Derfor er denne M-bølgen referert til som referanseresponsen i programvaren. Av denne grunn, trinn 4.5.12. nevner at målet M-bølge størrelse bør registreres. Det er faktisk viktigere å holde denne responsstørrelsen omtrent konstant enn å holde den nominelle strømmen strengt konstant. Sekvens-fanen i analysevinduet tillater retrospektiv verifisering av M-bølgekonstans over hvert løp; for soleus H-reflex kondisjonering er dette ofte tilstrekkelig til å rette opp eventuelle problemer. For større kontroll kan en ekstra skjerm kobles til datamaskinen for å vise M-wave-analyse i sanntid som styrer manuell justering fra prøveversjon til prøve. Automatisering av denne kontrolloppgaven er et pågående prosjekt27.

Døgnvariasjon kan også påvirke en persons elektrofysiologiske responser 28,29,30,31. Av denne grunn anbefales det at alle økter utføres på samme tid på dagen, dvs. innenfor samme 3-timers tidsvindu.

Suksessen til operant betinging kan være følsom for nøyaktigheten av tidsintervallet valgt av operatøren for å definere H-refleksen; Spesielt bør intervallet ikke være for bredt. Detaljerte retningslinjer for korrekt intervalldefinisjon ligger utenfor rammen av den aktuelle artikkelen. Dette er også en funksjon som vil bli automatisert i fremtidige versjoner av programvaren.

Et kritisk trinn i protokollen er trinn 4.5.6., der operatøren manuelt øker stimulatorstrømmen gjentatte ganger etter hvert faste antall forsøk. Feiltelling av forsøkene her eller feiljustering av gjeldende skive kan føre til forvrengning av den resulterende rekrutteringskurven. Denne muligheten for brukerfeil kan reduseres ved å aktivere Digitimer Link-alternativet, som tillater automatisering av gjeldende justering for en bestemt stimulatormodell.

Denne artikkelen har fokusert på H-reflex conditioning, da det er den mest fullt utviklede av de potensielle kliniske anvendelsene av EPOCS. Den eksisterende programvaren hjelper forskere i det pågående arbeidet med å finpusse denne protokollen mot bred klinisk formidling32. Utover H-reflekskondisjonering kan EPOCS også brukes i sin nåværende form på et bredere utvalg av stimuleringsmetoder og fremkalte responser. For eksempel kan det like godt utløse en mekanisk enhet som fremkaller en strekkrefleks, som også kan kondisjoneres33,34,35. Tilnærmingen er tilpasningsdyktig til individets funksjonsnedsettelser; hos en person forbedrer nedkondisjonering av soleus H-refleks bevegelse ved å redusere spastisk hyperrefleksi14; i en annen, up-condition tibialis anterior MEP forbedrer bevegelse ved å lindre fotfall36.

Mens arbeidet pågår for å produsere en kommersiell implementering av protokollen, vil den opprinnelige programvaren opprettholdes parallelt som et forskningsverktøy for å gi den nødvendige fleksibiliteten til å utvide feltet målrettet nevroplastisitet. Denne fleksibiliteten er muliggjort av modulariteten og utvidbarheten til den utbredte og veletablerte BCI2000-programvareplattformen, som EPOCS er basert på. Dette betyr at systemet, med minimal inngripen fra en programvareingeniør, kan konfigureres på nytt for et enda bredere utvalg av forskningsformål. For eksempel kan den konfigureres til å registrere flere biosignalkanaler eller tilleggssensorer for senere analyse (f.eks. Fotbrytere og bevegelsessporingssensorer) for kondisjonering under bevegelse. Det kan også programmeres til å vurdere ytterligere utløsende kriterier for stimulering (f.eks. Utløsende stimulering bare ved en bestemt del av gangsyklusen) eller for å utløse ytterligere forsterkningsstimuli ved vellykkede eller mislykkede forsøk. Eksempler på tilpasningsfiler er gitt.

Målrettet nevroplastisitet er fortsatt i sin barndom. Dens ennå uutforskede veier forventes å gi store fordeler både for å utvikle nye terapeutiske tilnærminger (som diskutert ovenfor) og for å belyse den naturlige sykdomshistorien og mekanismene for sentralnervesystemets funksjon i både helse og sykdom 2,32,37. Vi er derfor forpliktet til å opprettholde og støtte EPOCS som et viktig verktøy for å realisere dette terapeutiske og vitenskapelige potensialet.

Disclosures

JRW og AKT er oppfinnere på tre patenter knyttet til H-reflex conditioning. De andre forfatterne har ingen konkurrerende økonomiske interesser eller interessekonflikter å rapportere.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av 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) 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

Nevrovitenskap utgave 186
Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS): Et forskningsverktøy og en fremvoksende terapi for kroniske nevromuskulære 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