Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Det framkallade potentiella operantkonditioneringssystemet (EPOCS): Ett forskningsverktyg och en framväxande terapi för kroniska neuromuskulära störningar

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 hjälper vetenskaplig undersökning av sensorimotorisk funktion och kan administrera riktad neurobeteendeträning som kan påverka sensorimotorisk rehabilitering vid neuromuskulära störningar. Denna artikel beskriver dess kapacitet och illustrerar dess tillämpning vid modifiering av en enkel ryggradsreflex för att uppnå varaktig förbättring av motorfunktionen.

Abstract

Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS) är ett mjukvaruverktyg som implementerar protokoll för operant konditionering av stimulansutlösta muskelsvar hos personer med neuromuskulära störningar, vilket i sin tur kan förbättra sensorimotorisk funktion när den appliceras på rätt sätt. EPOCS övervakar tillståndet för specifika målmuskler - t.ex. från ytelektromyografi (EMG) medan du står eller från gångcykelmätningar när du går på ett löpband - och utlöser automatiskt kalibrerad stimulering när fördefinierade villkor är uppfyllda. Det ger två former av feedback som gör det möjligt för en person att lära sig att modulera den riktade vägens excitabilitet. För det första övervakar den kontinuerligt pågående EMG-aktivitet i målmuskeln och vägleder personen att producera en konsekvent aktivitetsnivå som är lämplig för konditionering. För det andra ger den omedelbar feedback om svarsstorleken efter varje stimulering och indikerar om den har nått målvärdet.

För att illustrera dess användning beskriver den här artikeln ett protokoll genom vilket en person kan lära sig att minska storleken på Hoffmann-reflexen-den elektriskt framkallade analogen av ryggradssträckreflexen-i soleusmuskeln. Nedkonditionering av denna vägs excitabilitet kan förbättra promenader hos personer med spastisk gång på grund av ofullständig ryggmärgsskada. Artikeln visar hur du ställer in utrustningen; hur man placerar stimulerande och inspelningselektroder; och hur man använder den fria programvaran för att optimera elektrodplaceringen, mäta rekryteringskurvan för direkta motor- och reflexsvar, mäta svaret utan operant konditionering, konditionera reflexen och analysera resulterande data. Det illustrerar hur reflexen förändras under flera sessioner och hur promenaden förbättras. Den diskuterar också hur systemet kan tillämpas på andra typer av framkallade svar och på andra typer av stimulering, t.ex. motoriska framkallade potentialer till transkraniell magnetisk stimulering; hur det kan ta itu med olika kliniska problem; och hur det kan stödja forskningsstudier av sensorimotorisk funktion vid hälsa och sjukdom.

Introduction

Under det senaste decenniet har riktade neuroplasticitetsstrategier dykt upp som ett nytt tillvägagångssätt för rehabilitering av neurologiska funktionsnedsättningar 1,2. En sådan strategi är operant konditionering av en framkallad potential. Detta innebär att upprepade gånger framkalla elektrofysiologiska svar som kan mätas icke-invasivt - till exempel genom elektroencefalografi (EEG) eller ytelektromyografi (EMG) - och ge personen omedelbar feedback om storleken på varje svar i förhållande till en kriterienivå som fastställts av terapeuten eller utredaren. Med tiden tränar detta protokoll personen att öka eller minska sitt svar och kan följaktligen rikta fördelaktig förändring till en plats i centrala nervsystemet som är viktig i ett beteende som rörelse eller räckvidd och grepp. Den riktade förändringen gynnar prestanda och möjliggör dessutom bättre praxis som leder till omfattande fördelaktig förändring som förbättrar hela beteendet. Till exempel, hos personer med ofullständig ryggmärgsskada (iSCI) hos vilka klonus försämrar rörelse, förbättrar operant konditionering som minskar Hoffmann-reflexen i soleusmuskeln i ett ben lokomotorisk muskelaktivitet i båda benen, vilket ökar gånghastigheten och återställer höger / vänster stegsymmetri 1,3,4,5 . Ett annat exempel är parmonterad pulsstimulering, som varaktigt kan öka storleken på den motorframkallade potentialen (MEP) till transkraniell magnetisk stimulering och därigenom förbättra räckvidds- och greppfunktionen hos personer med kronisk hand- och armnedsättning efter iSCI6.

Implementering av sådana protokoll kräver specialprogramvara som måste utföra flera funktioner. Specifikt måste den kontinuerligt förvärva, bearbeta och spara elektrofysiologiska signaler; Den skall kontinuerligt övervaka nervsystemets tillstånd och på lämpligt sätt utlösa stimulering under snäva realtidsbegränsningar. Den måste tillhandahålla kontinuerlig ögonblick-för-ögonblick-feedback, feedback från prövning för prövning och feedback session för session. Det måste tillhandahålla ett användargränssnitt för att vägleda utredarens eller terapeutens inställning och inställning. och slutligen måste den lagra och organisera signaldata och metainformation i ett standardiserat format.

Det framkallade potentiella operantkonditioneringssystemet (EPOCS) är vårt svar på detta enastående behov. Under huven är programvaran baserad på BCI2000, en öppen källkodsplattform för neuroteknik som används i hundratals laboratorier runt om i världen 7,8. I EPOCS döljs BCI2000: s vanliga användargränssnitt och ersätts av ett strömlinjeformat gränssnitt som är optimerat för framkallade potentiella operantkonditioneringsprotokoll.

Den aktuella artikeln och dess medföljande video illustrerar användningen av EPOCS i ett visst protokoll: operant konditionering för att minska storleken på Hoffmann (H-) reflexen i soleusmuskeln. Detta svar är den elektriskt framkallade analogen av den reflexmässiga stretchreflexen. H-reflex nedkonditionering har visat sig minska påverkan av klonus på, och därmed förbättra, rörelse hos djur med iSCI 9,10,11,12,13 och hos människor med iSCI, multipel skleros eller stroke5,14,15. Det kan appliceras utan negativa biverkningar hos djur och personer med eller utan neurologisk skada16,17.

Det operanta konditioneringsprotokollet fungerar genom att utföra flera försök, var och en varar i flera sekunder. Händelseförloppet för en prövning visas schematiskt i figur 1, med siffror som anger följande funktioner:

1. Kontinuerlig bakgrunds-EMG registreras från bipolära ytelektroder över målmuskeln (soleus) och dess antagonist (tibialis anterior). Bakgrundsnivån utvärderas som det genomsnittliga rektifierade värdet för den högpassfiltrerade signalen i ett skjutfönster.

2. Bakgrunds-EMG-nivå i målmuskeln visas som höjden på en stapel, kontinuerligt uppdaterad på deltagarens skärm. Detta hjälper deltagaren att hålla aktiviteten inom ett visst intervall (kläckt område).

3. Programvaran bedömer lämpligt ögonblick för elektrisk stimulering och utlöser stimulatorn i enlighet därmed. De viktigaste kriterierna är att minst 5 s måste ha förflutit sedan föregående stimulering och att bakgrunds-EMG-nivån måste ha legat inom det angivna intervallet kontinuerligt i 2 s.

4. En konstantströmsstimulator levererar en elektrisk puls transkutant till tibialnerven (vanligtvis monofasisk, med 1 ms varaktighet).

5. Det resulterande stimulanslåsta svaret registreras. Programvaran beräknar storleken på två komponenter av särskilt intresse: den tidigare M-vågen, som återspeglar muskelaktivering till följd av direkt stimulering av motoraxonen; och den senare H-reflexen, som återspeglar signalen som vidarebefordras genom en reflexbåge i ryggmärgen 18,19,20,21,22. EPOCS hänvisar till dessa som referenssvar respektive målrespons.

6. H-reflexstorlek för den aktuella prövningen visas som höjden på en andra stapel, i förhållande till en önskad kriterienivå som definierar en framgångsrik eller misslyckad prövning. För nedkonditionering är stången mörkgrön om H-reflexstorleken föll under kriteriet, eller ljusröd om den inte gjorde det (vice versa för uppkonditionering). Samtidigt uppdateras den numeriska visningen av den kumulativa framgångsgraden i enlighet med detta. Tillsammans ger dessa grafiska visningselement den omedelbara positiva eller negativa förstärkning som operant konditionering bygger på23.

Figure 1
Figur 1: Schematisk illustration av EPOCS kärnfunktionalitet under nedkonditionering av soleus H-reflex. Deltagaren tittar på en stor bildskärm som visar bakgrunds-EMG-nivån, den senaste H-reflexstorleken, antalet försök som hittills slutförts i den aktuella körningen på 75 och den löpande andelen framgångsrika försök för körningen. Sekvensen av händelser i en rättegång betecknas med siffrorna 1-6, som beskrivs i introduktionen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Ett humant H-reflexkonditioneringsprotokoll består vanligtvis av 6 baslinjesessioner, följt av 24-30 konditioneringssessioner spridda över 10 veckor med en hastighet av 3 sessioner / vecka och flera uppföljningssessioner under de efterföljande 3-6 månaderna14,16. Varje pass varar 60-90 min.

För att stödja detta protokoll såväl som andra relaterade protokoll har EPOCS fem distinkta driftsätt, var och en betjänad av en av flikarna i dess huvudfönster, med titeln Stimulus Test, Voluntary Contraction, Recruitment Curve, Control Trials och Training Trials.

I stimulanstestläge utlöser programvaran en stimulans med några sekunders mellanrum, inte nödvändigtvis beroende av målmuskelns tillstånd. Svarssignalerna visas på skärmen efter varje stimulans. Detta gör det möjligt för operatören att verifiera kvaliteten på elektrodanslutningarna och EMG-signalen; för att optimera positionen för de stimulerande och registrerande elektroderna; och att fastställa individens responsmorfologi.

I frivilligt kontraktionsläge mäter och visar programvaran bakgrunds-EMG-nivån medan deltagaren uppmuntras att dra ihop muskeln så mycket som möjligt, i avsaknad av elektrisk stimulering. I vissa protokoll är EMG-nivån vid maximal frivillig kontraktion (MVC) en användbar referens för att ställa in bakgrunds-EMG-kriterierna. I protokollet som demonstreras här är detta inte nödvändigt, eftersom en stabil stående hållning standardiserar soleusmuskelns aktivitet tillräckligt.

I rekryteringskurvläget är stimuleringen beroende av att bakgrunds-EMG-nivån (visas kontinuerligt på skärmen) förblir i rätt intervall; svarssignaler visas på skärmen efter varje stimulans; och svarssekvensen kan analyseras i slutet av en körning. Detta gör det möjligt för operatören att bestämma början och slutet av de tidsintervall där svaren av intresse visas. att bestämma förhållandet mellan stimuleringsintensitet och responsstorlek, både före och efter konditioneringskörningarna; och för att bestämma stimuleringsintensiteten som ska användas för konditionering.

I kontrollförsöksläget är stimuleringen beroende av bakgrunds-EMG-nivån (visas kontinuerligt på skärmen), men ingen feedback ges om målresponsstorleken. Sekvensen och fördelningen av svarsstorlekar kan analyseras. Detta läge kan användas för att samla in baslinjemätningar av responsstorlek, eller som ett kontrollvillkor för jämförelse mot operant konditionering i en crossover- eller mellan-ämnesexperimentell design. Det kan tjäna som grund för att ställa in prestandakriteriet för operant konditionering i början av varje session.

Slutligen, i träningsförsöksläge, är stimuleringen beroende av bakgrunds-EMG-nivån (visas kontinuerligt på skärmen), och trial-by-trial-förstärkning tillhandahålls också genom att visa målresponsstorleken, som beskrivs ovan och visas i figur 1. Detta är det läge där operant konditionering utförs.

Nästa avsnitt kommer att vägleda läsaren genom de fem lägena genom att demonstrera protokollet för nedkonditionering av soleus H-reflexen hos en vuxen deltagare utan neurologisk skada.

Protocol

Alla förfaranden som beskrivs här godkändes av den institutionella granskningsnämnden för Stratton VA Medical Center (godkännandenummer 1584762-9). Deltagaren i videon gav informerat samtycke till användningen av deras bild- och EMG-signaler i denna publikation.

Termerna i fetstil anger etiketter som ska vara synliga på maskinvaran och/eller i programvarans grafiska användargränssnitt.

1. Installation av programvara

  1. Gå till https://neurotechcenter.org/epocs för instruktioner om hur du skaffar den senaste programvaruinstallatören. Installera programvaran med det nedladdade installationsprogrammet.
  2. Se till att nödvändiga drivrutiner och tillverkarens programvara är installerade för digitaliseraren. Se särskilt till att NI-DAQmx-installationen innehåller 64-bitars stöd.
  3. Starta NI-MAX-programmet, välj den enhet som ska användas under Enheter och gränssnitt och se till att dess namn är Dev1. Under Konfigurera > startlägen ser du sedan till att kryssrutan Radtillstånd för port 0 rad 7 är avmarkerad (nollställd). Nollställ också motsvarande Tristate-kryssruta , om det finns en.
  4. Använd verktyget Lägg till eller ta bort program för att ta bort all onödig programvara som ibland kan förbruka processorresurser i bakgrunden, eftersom detta kan leda till fel i signalbehandling i realtid. Se till att ta bort alla programuppdaterings-/felsökningssviter som tillhandahålls av datorns tillverkare, eftersom dessa har varit kända för att orsaka allvarliga prestandaproblem.
    Stegen för programvaruinstallation ovan behöver bara utföras en gång för en viss maskinvarukonfiguration.

2. Installation av maskinvara

  1. Ställ in digitaliseraren för att samordna indata och utdata enligt beskrivningen nedan.
    1. Använd en kort bit solid kärnisolerad tråd, lappa fjäderterminalen för digital utgångsport 0 linje 7 (märkt P0.7- eller möjligen DIO7 på äldre utrustning) till fjäderterminalen för USER-utgång .
    2. Anslut en BNC-tee-kontakt för hona/hane/hona till USER-utdata . Anslut USER-utgången till stimulatorns externa triggeringångsport.
    3. Anslut de första och andra förstärkta EMG-signalkablarna till de första respektive andra analoga ingångskanalerna på datainsamlingskortet. Dessa är märkta AI0 och AI1-eller möjligen ACH0 och ACH1 på äldre utrustning. Gör en ytterligare anslutning från USER-utgången tillbaka till den tredje analoga ingångskanalen (märkt AI2 eller ACH2).
  2. Ställ in konstantströmsstimulatorn enligt beskrivningen nedan.
    OBS: För att göra protokollet generaliserbart till en mängd olika stimulatormärken och modeller beskriver den här artikeln manuell stimulansintensitetskontroll snarare än att dra nytta av alternativet för automatisk styrning av de specifika stimulatormodellerna.
    1. Slå på stimulatorn och konfigurera den så att den levererar 1 ms monofasiska pulser. För DS8R-modellen, se till att stimulansintensiteten styrs av frontpanelen eller USB-gränssnittet, inte via den bakre analoga ingången. Anslut den långa utgångskabeln och anslut den till snäppkablarna som fästs på de stimulerande elektrodkuddarna.
  3. Ställ in den analoga förstärkaren för att leverera minst två EMG-kanaler enligt beskrivningen nedan.
    1. Slå på förstärkaren. Se till att alla kanal-GAIN-värden har standardvärdet 500 och att motsvarande VARIABEL-rattar vrids till sitt minimivärde på 1.
    2. Anslut den bärbara enheten till förstärkaren med den långa kabeln. Sätt i två fyrkantiga 9 V-batterier i den bärbara enhetens batteripaket. Spänn fast den bärbara enheten och batteripaketet runt deltagarens midja.

3. Förbereda stimulering och inspelning av elektroder

  1. Använd tidigare noterade landmärken eller mätningar för att återskapa tidigare deltagarspecifika elektrodpositioner så nära som möjligt. Förbered huden där elektroderna ska fästas genom att torka av med alkoholkuddar för att ta bort överflödig olja och torka sedan av med en pappershandduk för att ta bort död hud.
  2. Fäst stimuleringselektroderna i position för att stimulera tibialnerven exakt, med minimal effekt på den gemensamma peroneala nerven. Använd den större (22 mm x 35 mm) elektroden som anod och placera den vid toppen av poplitealfossan där ischiasnerven förgrenar sig till tibiala och vanliga peroneala nerver. Placera katoden (22 mm x 22 mm) vid knävecket, direkt under anoden, med en 3-4 cm separation mellan elektrodcentra.
  3. Fäst EMG-inspelningselektroderna i ett bipolärt montage vid målmuskeln (soleus) enligt följande.
    1. För att bestämma rätt plats, hitta först gastrocnemiusmuskeln genom att palpera medan deltagaren växlar mellan att stå på tårna och stå naturligt.
    2. Placera den första elektroden direkt under den distala gränsen för gastrocnemius muskelmage. Placera den andra elektroden under den första, med ett avstånd på 5 cm mellan elektrodcentra. Håll båda elektroderna i linje med hälsenan.
  4. Fäst EMG-inspelningselektroderna i ett bipolärt montage vid antagonistmuskeln (tibialis anterior). För att göra detta, identifiera muskeln genom att palpera medan deltagaren lyfter (dorsiflexes) tårna. Placera elektroderna på muskelmagen, cirka 1/3 av vägen ner från fibulärhuvudet till fotleden, med en 5 cm vertikal separation mellan elektrodcentra.
  5. Fäst en jordelektrod vid patella.
  6. Anslut EMG-förstärkarkablarna enligt följande. Anslut den gröntejpade aktiva elektroden till kanal 1 på den bärbara enheten och anslut de röda klämmorna till målmuskelelektroderna (soleus) och det gröna klämman till jordelektroden. Anslut den svarttejpade aktiva elektroden till kanal 2 på den bärbara enheten och anslut klämmorna till antagonistmuskelelektroderna (tibialis anterior).
  7. Anslut batteriet till den bärbara enheten.
  8. Anslut stimuleringssnäppet leder till stimuleringselektroderna.

4. Användning av EPOCS-programvaran

  1. Placera monitorn så att både utredaren och ämnet (eller terapeuten och patienten) kan se den tydligt.
  2. Starta en EPOCS-session.
    OBS: En session definieras som ett besök på laboratoriet eller kliniken, vanligtvis varar 60-90 minuter.
    1. Dubbelklicka på EPOCS-ikonen för att starta programmet. Ange deltagarens ID-kod (eller välj från listan över tidigare använda ID).
    2. Om detta är en fortsättning på en befintlig session, t.ex. om programvaran måste startas om efter ett avbrott, tryck på Fortsätt session. Detta kommer endast att vara tillgängligt om en session för den angivna deltagaren har startats under de senaste 3 timmarna.
    3. Annars trycker du på Starta ny session. Detta skapar en ny datamapp, datum- och tidsstämplad och markerad med deltagar-ID.
  3. Kontrollera elektrodens placering och kontaktkvalitet och justera vid behov.
    1. Se till att fliken Stimulanstest visas.
    2. I Inställningar > stimulering konfigurerar du Min.-intervallet för stimulanstest till 3 s. Observera att detta konfigureras separat från minintervallet för normal användning, som vanligtvis är längre, cirka 5 s. Lämna inställningen Digitimer Link inaktiverad.
      OBS: När det är aktiverat skulle Digitimer Link-alternativet möjliggöra programvarukontroll av stimuleringsintensiteten vid användning av vissa stimulatormodeller. Det nuvarande protokollet visar istället manuell kontroll av stimulansintensitet, vilket är tillämpligt på flera stimulatormärken och modeller.
    3. På stimulatorns kontrollpanel ställer du in stimulansintensiteten till 5 mA och möjliggör stimulering.
    4. Be deltagaren att stå, med händerna som delvis stöder sin vikt på en rullator om det behövs.
    5. Varna deltagaren för att förvänta sig stimulering och tryck sedan på Start för att starta en ny körning (dvs. för att börja spela in signaler kontinuerligt till en ny fil). Körningar numreras sekventiellt och deras filer kommer aldrig att skriva över varandra.
    6. Varje upprepning av stimulering kallas en prövning. EMG-svaren som framkallas i varje studie visas omedelbart. Bedöm M-vågen och H-reflexen som framkallas i målmuskeln (det övre, blå spåret) och antagonistmuskeln (det nedre, röda spåret). Om det behövs, öka strömmen gradvis till 10 mA eller mer tills svaren visas tydligt.
    7. För att hitta den optimala platsen för stimulering (dvs. den plats som ger den största H-reflexen), jämför de framkallade potentialerna efter att ha flyttat katoden en full elektrodbredd medialt och sedan i sidled, följt av en halv elektrodbredd medialt och sedan i sidled, och slutligen av en full elektrodbredd upp och sedan ner.
    8. Markera, notera och fotografera elektrodernas position för att underlätta ompositionering i framtida sessioner. Gör om möjligt en gipsgjutning av vaden och baksidan av knäet och gör hål i gjutningen som gör att märkena kan appliceras exakt.
    9. När de optimala positionerna för elektroderna har hittats, byt ut de omplacerade elektroderna med färska elektroder.
  4. För soleuskonditionering, hoppa över fliken Frivillig kontraktion .
  5. Mät de maximala M-våg- och H-reflexstorlekarna (M.max och H.max) genom att kartlägga rekryteringskurvan, dvs. förhållandet mellan stimulansintensitet och respons. Mät rekryteringskurvan enligt följande, före och efter kontroll- eller träningsförsöken i varje session. I den första sessionen, använd rekryteringskurvan för att styra valet av en lämplig stimuleringsintensitet för användning under hela konditioneringsprocessen.
    1. Byt till fliken Rekryteringskurva .
    2. I Inställningar > EMG konfigurerar du de intervall som mål- och antagonistbakgrunds-EMG-värdena måste hålla sig inom för att möjliggöra stimulering. För soleus, förutsatt att den maximala frivilliga sammandragningen inte har mätts, se helt enkelt till att intervallen omfattar de EMG-nivåer som genereras av naturlig viktbärande under stående. Ställ in bakgrundshållningstiden till 2 s för att diktera hur länge deltagaren kontinuerligt måste hålla EMG inom intervallet för att utlösa varje stimulans.
      OBS: De övre eller nedre gränserna kan lämnas tomma om ingen motsvarande begränsning ska införas.
    3. Aktivera stimulatorn och ställ in intensiteten till det minimivärde som ska användas vid mätning av rekryteringskurvan: 5 mA. (Det här värdet är ett exempel och bör väljas från fall till fall-se-diskussion.)
    4. Om detta är deltagarens första session, låt dem öva på att hålla EMG i rätt intervall under önskad varaktighet enligt beskrivningen nedan.
      1. När deltagaren står trycker du på Start. Visa för deltagaren hur bakgrunds-EMG-nivån i målmuskeln visas i realtid som höjden på stapeln mot ett skuggat område som visar målintervallet.
      2. Förklara för deltagaren att aktiviteten från båda musklerna (mål och antagonist) måste ligga inom deras önskade intervall för att vrida stången från en ljusröd till en mörkare grön (även om antagonistens aktivitetsnivå inte visas direkt).
      3. För att justera bakgrundsintervallen, tryck på Stopp följt av Inställningar; Ange sedan de nya numren, tryck på OK och sedan på Starta igen. Tryck på Stopp när övningskörningen är klar.
    5. För att mäta rekryteringskurvan, med deltagaren stående, tryck på Start. Om H-reflexen redan är synlig vid den valda startintensiteten, minska gradvis strömmen tills H-reflexen inte längre ses. Tryck sedan på Stopp och tryck igen på Start för att starta körningen.
    6. Var uppmärksam på räknaren för slutförda prövningar . Efter var fjärde prövning, manuellt öka stimuleringsintensiteten med 2 mA. (Det här värdet är ett exempel och bör väljas från fall till fall-se-diskussion.) Fortsätt tills M-vågstorleken når en platå, förutsatt att deltagaren inte rapporterar obehag. Tryck på Stopp när du är klar och bjud in deltagaren att sitta ner för att vila.
    7. Anteckna de stimulansintensitetsvärden som används för varje prövning. Associera alla skrivna poster med körningsnumret som visas längst upp till höger i fönstret. I slutet av en körning anger du den här informationen manuellt i sessionsloggen, tillsammans med andra anteckningar, via fliken Logg .
      OBS: Om stimuleringsintensiteten styrs manuellt kommer denna information inte att registreras av programvaran.
    8. Tryck på analysknappen för att öppna analysfönstret och tillåta definition av M- och H-vågorna enligt följande. I den övre delen av analysfönstret undersöker du det stimulanslåsta överlägget av målmuskelsignalerna från varje försök i den senaste körningen.
    9. Använd musen för att justera början och slutet av den bruna referensen och det gröna målintervallet (i H-reflexoperantkonditioneringsprotokollet motsvarar dessa M-våg respektive H-reflex). När intervallen är korrekta trycker du på de röda knapparna Använd markerade tidpunkter för att spara dessa personliga intervallinställningar för framtida analyser.
    10. I fönstret Sekvens i den nedre halvan av analysfönstret utvärderar du den resulterande rekryteringskurvan. Justera inställningarna för att visa antingen topp-till-topp eller medelkorrigerad amplitud och för att samla resultat från på varandra följande försök. Eftersom stimulansströmmen ökades var fjärde prövning, ange Försök till pool: 4. Spela in det resulterande M max och Hmax.
    11. Om detta är deltagarens första session, optimera målmuskel-EMG-inspelningsplatserna enligt följande.
      1. Flytta soleuselektroderna medialt med en halv elektrodbredd (eller en full elektrodbredd om muskeln är tillräckligt bred). Upprepa sedan stegen ovan för att samla en fullständig rekryteringskurva och registrera det resulterande M max och Hmax.
      2. Flytta soleuselektroderna samma avstånd i sidled från sin ursprungliga position och utför återigen en rekryteringskurvmätning för att uppskatta M max och Hmax. Anta elektrodpositioneringen som maximerar Hmax och markera, notera och fotografera deras positioner som i steg 4.3.8.
    12. Välj en stimulansintensitet som framkallar en nära-till-maximal H-reflex-helst på den stigande (vänstra) lutningen av H-reflexrekryteringskurvan-men med begränsningen att det måste finnas en synlig M-våg. Ställ in detta stimulansintensitetsvärde på stimulatorn och notera det för framtida sessioner. Observera också motsvarande M-vågstorlek (se diskussion).
  6. Mät fördelningen av H-reflexstorlekar utan att ge responsåterkoppling enligt följande.
    1. Växla till fliken Kontrollera utvärderingsversioner .
    2. När deltagaren står trycker du på Start. Som tidigare, instruera deltagaren att använda feedbacken från den stigande och fallande stapeln för att upprätthålla nivån på bakgrundsmuskelaktiviteten inom det önskade intervallet.
    3. Om detta är en baslinje- eller uppföljningssession, utför 75 prövningar i följd vid den valda stimulansintensiteten. Om detta är en konditioneringssession, utför bara 20 försök. Efter det föreskrivna antalet försök trycker du på Stopp för att avsluta körningen.
    4. Pressanalys. Som tidigare bedömer du överlagringen av försök-för-försök-responsvågformer i den övre panelen och sekvensen av svarsstorlekar nedan. En ny flik som heter Distribution är också aktiverad som standard, ovanpå Sekvens. Den visar fördelningen av H-reflexstorlekar, med sammanfattande statistik till höger.
    5. Tryck på Loggresultat för att lägga till sammanfattningsstatistiken i sessionsloggen.
    6. Om det här är en baslinjesession upprepar du stegen ovan i totalt 3 körningar med 75 utvärderingsversioner vardera. Gå sedan vidare till mätningen av den avslutande rekryteringskurvan i steg 4.8.
    7. Om det här är en konditioneringssession anger du målpercentilen till 66. Upp- och nedkonditioneringskriterierna, tillsammans med medianen, visas av de vertikala röda linjerna. Välj ett villkor för konditionering genom att trycka på knappen Upp-Condition eller Down-Condition. För det här protokollet trycker du på Down-Condition. Den här åtgärden loggas automatiskt och analysfönstret stängs.
      OBS: I ett nedkonditioneringsprotokoll betyder ett målpercentilvärde på 66 att en framgångsrik prövning definieras som en där svarsstorleken ligger i botten 66% av den tidigare uppmätta fördelningen; Omvänt, i up-conditioning, innebär framgång att producera en svarsstorlek i topp 66% av distributionen.
  7. Utför operant konditionering enligt beskrivningen nedan.
    1. Växla till fliken Träningsprov.
    2. När deltagaren står trycker du på Start.
    3. Om deltagaren inte har sett det tidigare, uppmärksamma dem på det nya feedbackfältet mitt på skärmen. Förklara att den visar den senaste H-reflexstorleken i förhållande till det kläckta målområdet. Om svaret faller inom målintervallet räknas försöket som framgångsrikt och stapeln blir mörkgrön. Om det faller utanför intervallet räknas försöket som misslyckat och stapeln blir ljusare röd.
    4. Under hela körningen, motivera deltagaren att utföra så många framgångsrika försök som möjligt. Antalet utförda försök och andelen försök som hittills varit framgångsrika i körningen visas till höger på skärmen. Efter 75 försök trycker du på Stopp för att avsluta körningen.
    5. Tryck på analysknappen. Analysfönstret ser ut som det gjorde för kontrollförsök. Återigen, använd fliken Sekvens för att verifiera att M-vågorna förblev konstanta vid önskad storlek.
    6. Som tidigare, med fliken Distribution markerad, använd knappen Ned-villkor för att uppdatera operantkonditioneringsvillkoret för nästa körning. Upprepa operantkonditioneringsproceduren 2x mer, för totalt 3 körningar med 75 försök vardera.
  8. I slutet av sessionen utför du en annan rekryteringskurvmätning som i steg 4.5.1.-4.5.6.
  9. Avsluta sessionen enligt beskrivningen nedan.
    1. Skriv in eventuella ytterligare sessionsanteckningar på fliken Logg . Loggen sparas automatiskt när den fylls i i en datumstämplad oformaterad textfil i den sessionsspecifika datakatalogen. Stäng fönstret. Data och loggar har redan sparats.
    2. Om du vill gå tillbaka till analysfönstret för tidigare inspelade data dubbelklickar du på ikonen EPOCS Offlineanalys och väljer datafilen för körningen som ska analyseras. Vänta tills de råa signalerna behandlas (det kan ta 1 min eller mer).
      Data sparas som .dat filer i BCI2000-format. Filnamnet anger datum och tid för sessionen, deltagar-ID, läge (ST för stimulanstest, VC för frivillig kontraktion, RC för rekryteringskurva, CT för kontrollförsök och TT för träningsförsök) och sekventiellt körningsnummer.

5. Utföra flera upprepade sessioner

  1. Schemalägg totalt 6 baslinjesessioner, 24 konditioneringssessioner (eller 30, för personer med neurologisk funktionsnedsättning) och 4 uppföljningssessioner. Schemalägg baslinje- och konditioneringssessionerna med en hastighet av 3 sessioner / vecka, varje session varar inte längre än 90 minuter. Ordna så att alla sessioner genomförs vid samma tidpunkt på dagen för att minimera effekterna av dygnsvariation.
  2. I var och en av de 6 baslinjesessionerna genomför du en första rekryteringskurva, 3 körningar med 75 kontrollförsök och en slutlig rekryteringskurva.
  3. I var och en av de 24 (eller 30) konditioneringssessionerna genomför du en första rekryteringskurva, 1 körning med 20 kontrollförsök, 3 körningar med 75 träningsförsök och en slutlig rekryteringskurva.
  4. Genomför 4 uppföljningssessioner vid 10-14 dagar, 1 månad, 2 månader och 3 månader efter den sista konditioneringssessionen. Beroende på målen för studien kan dessa vara identiska med baslinjesessioner eller med konditioneringssessioner.

Representative Results

Figur 2 visar effektiviteten av ovanstående protokoll vid mätning av M-våg- och H-reflexrekryteringskurvor och vid mätning av fördelningen av H-reflexstorlekar vid konstant stimuleringsintensitet. Det illustrerar också den övergripande effektiviteten av multisessionsprotokollet för att ändra H-reflexstorleken hos neurologiskt obehindrade deltagare och för att förbättra rörelsefunktionen hos deltagare med ofullständig ryggmärgsskada.

Figur 2A visar en skärmbild av analysfönstret efter en körning som utförts i rekryteringskurvaläge under H-reflexoperant konditionering (se protokollsteg 4.5.). I den nedre halvan av fönstret (fönstret Sekvens ) visar den vågräta axeln utvärderingsnummer – därför ökar stimulansintensiteten från vänster till höger. H-reflexstorlek (gröna cirklar) stiger och faller sedan som en funktion av stimulansintensitet, medan M-vågstorlek (bruna trianglar) stiger och sedan mättar. Bild 2B visar en skärmbild av analysfönstret efter en körning som utförts i läget Kontrollförsök eller Träningsförsök under H-reflexoperant konditionering (se protokollsteg 4.6. och steg 4.7.). I den nedre panelen (rutan "Distribution") underlättar histogrammet för H-reflexstorlekar valet av en lämplig kriterienivå för efterföljande upp- eller nedkonditionering. I figur 2C plottas H-reflexstorlek hos neurologiskt obehindrade deltagare som en funktion av sessionsnummer över 6 baslinjesessioner, 24 konditioneringssessioner och 4 uppföljningssessioner. Data samlades in från 15 deltagare (8 män, 7 kvinnor) varav 2 deltog i både upp- och nedkonditioneringsarmar. Deltagarna var i åldern 21-55 år. Alla deltagare gav informerat samtycke. Protokollet godkändes av den institutionella granskningsnämnden (IRB) vid New York State Department of Health (godkännandenummer 05-058). Thompson et al.16 ger ytterligare detaljer. Figur 2D visar den positiva effekten av soleus H-reflex nedkonditionering hos deltagare med kroniskt nedsatt njurfunktion efter ofullständig ryggmärgsskada. Framgångsrik konditionering var förknippad med en förbättring av gångsymmetri och gånghastighet i förhållande till baslinjen. Data samlades in från 13 deltagare (9 män, 4 kvinnor) i åldern 28-68 år, som gav informerat samtycke. Protokollet godkändes av IRB på Helen Hayes Hospital (godkännandenummer 07-07). Thompson et al.14 ger ytterligare detaljer.

Figure 2
Figur 2: Representativa resultat. (A) Skärmbild av analysfönstret för rekryteringskurvan. (B) Skärmbild av analysfönstret för kontrollförsök eller utbildningsförsök. (C) Kontrasterande effekter av upp- och nedkonditionering av soleus H-reflex hos oskadade deltagare. Röda uppåtgående trianglar visar genomsnittlig H-reflexstorlek från N = 6 framgångsrikt uppkonditionerade deltagare (av 8); blå nedåtgående trianglar visar genomsnittliga svar från N = 8 framgångsrikt nedkonditionerade deltagare (av 9). Felstaplar anger standardfel. Denna bild har modifierats från Thompson et al.16. (D) Terapeutisk effekt av soleus H-reflex nedkonditionering på gånghastighet och gångsymmetri hos personer med kronisk funktionsnedsättning efter ofullständig ryggmärgsskada. Staplarna kontrasterar resultat för N = 6 deltagare vars H-reflexer framgångsrikt nedkonditionerades mot N = 4 deltagare från kontrolltillståndet (ingen operant konditionering) och N = 3 deltagare i vilka nedkonditioneringsprotokollet misslyckades med att minska reflexstorleken. Felstaplar anger standardfel. Varje asterisk indikerar ett p-värde under 0,05 på ett parat t-test som jämför pre- mot efterkonditioneringsmätningar. Denna bild har modifierats från Thompson et al.14. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Protokollet som beskrivs ovan är lämpligt för att demonstrera soleus H-reflex nedkonditionering hos en typisk vuxen utan neurologisk försämring. De exakta parametervärdena kan variera från person till person och särskilt som en funktion av funktionsnedsättning. Medan deltagarens rekryteringskurva nådde Mmax vid en stimulerande ström på cirka 25 mA i videon, kan en annan person behöva 50 mA eller mer, så strömmen skulle ökas i större steg under rekryteringskurvans mätning. De kan också kräva en längre pulslängd. En tredje person kan vara känsligare och kräva mindre ströminställningar. Protokollet måste också anpassas efter muskeln som konditioneras. Till exempel, när man riktar in sig på flexor carpi radialis-muskeln24,25, används vanligtvis en lägre ströminställning; Läget för frivillig kontraktion bör användas för att fastställa en skala för bakgrunds-EMG-gränserna. och större försiktighet måste iakttas både under optimeringen av elektrodplaceringen och under optimeringen av hållningen, som sedan måste hållas konstant över försök.

Protokollet är känsligt för variationer i förhållandet mellan stimulatorströminställning och mängden ström som faktiskt levereras till nerven - detta kan påverkas av små variationer i hållning, hydrering av deltagaren och uttorkning av den självhäftande elektrodgelen. Vid H-reflexkonditionering kan detta problem mildras genom att använda M-vågstorlek som en indikator på effektiv stimuleringsintensitet. Det återspeglar antalet soleus motoneuron efferenta axoner upphetsade av stimulansen. Således, om M-vågstorleken hålls konstant, innebär det att antalet primära afferenta axoner som exciteras av stimulansen, dvs axonerna som framkallar H-reflexen, också hålls konstant (se även Crone et al.26). Därför kallas denna M-våg som referenssvaret i programvaran. Av denna anledning, steg 4.5.12. nämner att mål-M-vågstorleken ska registreras. Det är faktiskt viktigare att hålla denna svarsstorlek ungefär konstant än att hålla den nominella strömmen strikt konstant. Fliken Sekvens i analysfönstret möjliggör retrospektiv verifiering av M-vågbeständighet över varje körning. för soleus H-reflexkonditionering är detta ofta tillräckligt för att korrigera eventuella problem. För större kontroll kan en andra bildskärm anslutas till datorn för att visa M-wave-analyser i realtid som styr manuell justering av trial-by-trial. Automatisering av denna kontrolluppgift är ett pågående projekt27.

Dygnsvariation kan också påverka en persons elektrofysiologiska svar 28,29,30,31. Av denna anledning rekommenderas att alla sessioner utförs vid samma tid på dagen, dvs inom samma 3 timmars tidsfönster.

Framgången med operant konditionering kan vara känslig för noggrannheten i det tidsintervall som valts av operatören för att definiera H-reflexen; I synnerhet bör intervallet inte vara för brett. Detaljerade riktlinjer för korrekt intervalldefinition ligger utanför ramen för den aktuella artikeln. Detta är också en funktion som kommer att automatiseras i framtida versioner av programvaran.

Ett kritiskt steg i protokollet är steg 4.5.6., där operatören manuellt ökar stimulatorströmmen upprepade gånger efter varje fast antal försök. Felräkning av försöken här eller feljustering av den aktuella ratten kan leda till förvrängning av den resulterande rekryteringskurvan. Denna möjlighet till användarfel kan mildras genom att aktivera alternativet Digitimer Link, vilket möjliggör automatisering av den aktuella justeringen för en viss stimulatormodell.

Denna artikel har fokuserat på H-reflexkonditionering, eftersom den är den mest fullt utvecklade av de potentiella kliniska tillämpningarna av EPOCS. Den befintliga programvaran hjälper forskare i de pågående ansträngningarna att finslipa detta protokoll mot bred klinisk spridning32. Utöver H-reflexkonditionering kan EPOCS också tillämpas i sin nuvarande form på ett bredare utbud av stimuleringsmetoder och framkallade svar. Till exempel kan det lika bra utlösa en mekanisk anordning som framkallar en stretchreflex, som också kan konditioneras33,34,35. Tillvägagångssättet är anpassningsbart till en individs funktionsnedsättningar; hos en person förbättrar nedkonditionering av soleus H-reflex rörelse genom att minska spastisk hyperreflexi14; i en annan, up-konditionering tibialis främre MEP förbättrar rörelse genom att lindra fotfall36.

Medan ansträngningar pågår för att producera en kommersiell implementering av protokollet, kommer den ursprungliga programvaran att bibehållas parallellt som ett forskningsverktyg för att ge den nödvändiga flexibiliteten för att utöka området för riktad neuroplasticitet. Denna flexibilitet möjliggörs av modulariteten och utbyggbarheten hos den utbredda och väletablerade BCI2000-programvaruplattformen, som EPOCS bygger på. Detta innebär att systemet, med minimalt ingripande av en mjukvaruingenjör, kan konfigureras om för ett ännu bredare utbud av forskningsändamål. Till exempel kan den konfigureras för att spela in ytterligare biosignalkanaler eller ytterligare sensorer för senare analys (t.ex. fotomkopplare och rörelsespårningssensorer) för konditionering under rörelse. Det kan också programmeras att överväga ytterligare utlösande kriterier för stimulering (t.ex. utlösande stimulering endast vid en viss del av gångcykeln) eller att utlösa ytterligare förstärkningsstimuli vid framgångsrika eller misslyckade försök. Exempel på anpassningsfiler tillhandahålls.

Riktad neuroplasticitet är fortfarande i sin linda. Dess ännu outforskade vägar förväntas ge stora fördelar både för att utveckla nya terapeutiska metoder (som diskuterats ovan) och för att belysa sjukdomens naturliga historia och mekanismerna för centrala nervsystemets funktion i både hälsa och sjukdom 2,32,37. Vi är därför engagerade i att upprätthålla och stödja EPOCS som ett viktigt verktyg för att förverkliga denna terapeutiska och vetenskapliga potential.

Disclosures

JRW och AKT är uppfinnare på tre patent relaterade till H-reflexkonditionering. De andra författarna har inga konkurrerande ekonomiska intressen eller intressekonflikter att rapportera.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes 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), Doscher Neurorehabilitation Research Program (AKT) och 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

Neurovetenskap utgåva 186
Det framkallade potentiella operantkonditioneringssystemet (EPOCS): Ett forskningsverktyg och en framväxande terapi för kroniska neuromuskulära störningar
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