诱发电位操作性条件反射系统（EPOCS）：一种用于慢性神经肌肉疾病研究的工具及新兴治疗方法

摘要

诱发电位操作性条件反射系统有助于对感觉运动功能进行科学研究，并可实施有针对性的神经行为训练，从而影响神经肌肉疾病中的感觉运动康复。本文介绍了该系统的功能，并举例说明其在调节简单脊髓反射以实现运动功能持久改善方面的应用。

摘要

诱发电位操作性条件反射系统（Evoked Potential Operant Conditioning System, EPOCS）是一种软件工具，用于实施针对神经肌肉障碍患者刺激触发的肌肉反应的操作性条件反射训练方案，适当应用时可改善感觉运动功能。EPOCS 监测特定目标肌肉的状态—例如，来自站立时的表面肌电图（EMG），或来自在跑步机上行走时的步态周期测量—当预设条件满足时，自动触发校准后的刺激。该系统提供两种反馈形式，帮助个体学会调节目标通路的兴奋性。首先，它持续监测目标肌肉的实时肌电活动，指导个体产生适合进行条件化训练的稳定活动水平。其次，它在每次刺激后立即反馈反应幅度，并提示该反应是否达到目标值。

为说明其应用，本文描述了一种可通过该方法学习减小霍夫曼反射（Hoffmann reflex）幅度的实验方案—脊髓牵张反射的电刺激诱发模拟形式—在比目鱼肌中。降低该通路的兴奋性可改善因不完全性脊髓损伤导致痉挛步态患者的行走能力。本文演示了如何设置设备、放置刺激和记录电极，以及如何使用免费软件优化电极位置，测量直接运动反应和反射反应的募集曲线，测量未经操作性条件调节时的反应，进行反射的条件调节，并分析所得数据。文章展示了反射在多次训练 session 中的变化以及行走功能的改善情况。此外，还讨论了该系统如何应用于其他类型的诱发电位和其他类型的刺激，例如经颅磁刺激诱发的运动诱发电位；如何解决多种临床问题；以及如何支持健康与疾病状态下感觉运动功能的研究。

引言

在过去十年中，靶向神经可塑性策略已成为康复神经系统功能障碍的一种新方法^1,2。其中一种策略是诱发电位的操作性条件反射。该方法包括反复诱发可无创测量的电生理反应——例如，通过脑电图（EEG）或表面肌电图（EMG）进行测量——并向受试者提供关于每次反应幅度相对于治疗师或研究人员设定的标准水平的即时反馈。随着时间推移，该方案可训练个体增强或减弱其电生理反应，从而靶向性地改变中枢神经系统中对行走或伸手抓握等行为至关重要的区域。这种靶向性改变有助于提升行为表现，同时促进更有效的练习，进而引发广泛的有益改变，整体改善行为功能。例如，在不完全性脊髓损伤（iSCI）患者中，阵挛会损害行走能力，而通过操作性条件反射降低一条腿腓肠肌的Hoffmann反射，可改善双侧腿部的行走相关肌肉活动，从而提高行走速度并恢复左右步态的对称性^1,3,4,5。另一个例子是成对脉冲刺激，该方法可持久性地增大经颅磁刺激诱发的运动诱发电位（MEP）幅度，从而改善因不完全性脊髓损伤导致慢性手部和上肢功能障碍患者的伸手抓握功能⁶。

实施此类协议需要具备多种功能的专用软件。具体而言，该软件必须能够持续采集、处理和保存电生理信号；必须能够在严格的时间限制下持续监测神经系统的状态，并适时触发刺激；必须提供实时的逐时刻反馈、逐次试验反馈以及逐次会话反馈；必须提供用户界面，以指导研究者或治疗师进行系统设置和参数调节；最后，还必须以标准化格式存储和管理信号数据及元信息。

诱发电位操作性条件反射系统（EPOCS）是我们针对这一迫切需求提出的解决方案。该软件的底层基于BCI2000，这是一个开源的神经技术平台，已被全球数百个实验室所采用^7,8。在EPOCS中，BCI2000原有的用户界面被隐藏，并替换为一个经过优化的简化界面，专为诱发电位操作性条件反射实验方案而设计。

本文及其配套视频介绍了一种特定方案中EPOCS的使用方法：通过操作性条件反射来减小腓肠肌的霍夫曼（H-）反射幅度。该反应是电刺激诱发的膝跳牵张反射的类似物。H-反射的下调训练已被证明可减轻脊髓损伤动物^{9,10,11,12,13}以及脊髓损伤、多发性硬化或中风患者^5,14,15的阵挛影响，从而改善其运动功能。该方法在有或无神经系统损伤的动物和人类中应用均未发现不良副作用^16,17。

操作性条件反射实验方案通过执行多次试验来实现，每次试验持续数秒。单次试验的事件序列如图1所示，图中数字表示以下功能：

1. 使用双极表面电极记录目标肌肉（比目鱼肌）及其拮抗肌（胫骨前肌）的持续背景肌电图。背景水平通过滑动窗口内高通滤波信号的整流平均值进行评估。

2. 目标肌肉中的背景肌电水平以条形图的高度显示，并在参与者的屏幕上持续更新。这有助于参与者将肌肉活动保持在指定范围内（阴影区域）。

3. 软件判断电刺激的合适时机，并相应触发刺激器。主要标准为：距离上一次刺激至少已过去5秒，且背景肌电水平必须在规定范围内持续保持2秒。

4. 恒流刺激器通过皮肤向胫神经输送电脉冲（通常为单相，持续时间为1 ms）。

5. 记录由此产生的刺激锁定反应。软件会计算两个特定成分的幅度：较早出现的M波，反映的是运动轴突直接受刺激引起的肌肉激活；以及较晚出现的H反射，反映的是通过脊髓内反射弧传递的信号^{18,19,20,21,22}。EPOCS 将这两者分别称为参考反应和目标反应。

6. 当前试验的H反射幅度以第二个条形的高度显示，相对于预设的标准水平，该标准用于定义试验成功或失败。在下降条件化中，若H反射幅度低于标准，则条形显示为深绿色，否则显示为亮红色（上升条件化则相反）。同时，累积成功率的数字显示也会相应更新。这些图形显示元素共同提供了即时的正向或负向强化，这是操作性条件反射所依赖的基础²³。

图1：EPOCS在腓肠肌H反射下调节过程中的核心功能示意图。 受试者面对一个大屏幕显示器，屏幕上显示背景肌电（EMG）水平、最近一次H反射的幅度、当前75次试验中已完成的试验次数，以及本组试验中成功试验所占的实时比例。单次试验中的事件顺序用数字1-6表示，具体描述见引言部分。请点击此处查看该图的放大版本。

人类H反射条件化实验方案通常包括6次基线期实验，随后在10周内每周进行3次、共24至30次的条件化实验，并在之后的3至6个月内进行多次随访实验^14,16。每次实验持续60至90分钟。

为了支持本方案及其他相关方案，EPOCS 具有五种不同的操作模式，每种模式由其主窗口中的一个标签页提供，分别为“刺激测试”、“自主收缩”、“募集曲线”、“对照试验”和“训练试验”。

在刺激测试模式下，软件每隔几秒触发一次刺激，不一定依赖于目标肌肉的状态。每次刺激后，屏幕会显示反应信号。这使得操作者能够验证电极连接和肌电图信号的质量，优化刺激电极和记录电极的位置，并确定个体的反应形态。

在自主收缩模式下，软件会测量并显示参与者在无电刺激的情况下尽可能用力收缩肌肉时的背景肌电水平。在某些实验方案中，最大自主收缩（MVC）时的肌电水平可作为设定背景肌电标准的有用参考。但在本演示的实验方案中，此步骤并非必要，因为稳定的站立姿势已足以标准化腓肠肌的活动水平。

在招募曲线模式下，刺激的施加取决于背景肌电图水平（在屏幕上持续显示）是否保持在正确范围内；每次刺激后，反应信号会显示在屏幕上；并且可以在一次运行结束后分析反应序列。这使得操作者能够确定感兴趣反应出现的时间区间的起始和结束；确定在条件刺激前后刺激强度与反应幅度之间的关系；以及确定用于条件刺激的刺激强度。

在对照试验模式下，刺激的给予取决于背景肌电水平（在屏幕上持续显示），但不会提供关于目标反应幅度的反馈信息。可对反应幅度的序列和分布进行分析。该模式可用于获取反应幅度的基线测量值，或作为交叉设计或被试间实验设计中与操作性条件反射进行比较的对照条件。此外，该模式还可作为每轮实验开始时设定操作性条件反射性能标准的依据。

最后，在训练试验模式下，刺激取决于背景肌电水平（在屏幕上持续显示），并且通过显示目标反应幅度，逐次试验提供强化，如上所述及图1所示。该模式用于进行操作性条件反射。

下一节将通过演示在无神经系统损伤的成年受试者中降低腓肠肌H反射的实验方案，指导读者了解五种模式的操作过程。

方案

本文所述所有程序均经斯特拉顿退伍军人医疗中心机构审查委员会批准（批准编号 1584762-9）。视频中的参与者已签署知情同意书，同意将其影像和肌电图信号用于本出版物。

注意：加粗的术语表示应在硬件和/或软件图形用户界面中可见的标签。

1. 软件设置

1. 前往 https://neurotechcenter.org/epocs 获取最新软件安装程序的下载与安装说明，并使用下载的安装程序完成软件安装。
2. 确保已安装用于数据采集器的必要驱动程序及制造商提供的相关软件。特别需确认 NI-DAQmx 安装包包含对 64 位系统的支持。
3. 启动 NI-MAX 应用程序，在设备与接口下选择要使用的设备，并确保其名称为 Dev1。然后，在配置 > 上电状态中，取消勾选端口 0 第 7 通道的线路状态复选框（即置零）。如果存在相应的三态复选框，也应将其置零。
4. 通过使用添加或删除程序工具，卸载任何可能在后台间歇性占用处理器资源的非必要软件，因为这类软件可能导致实时信号处理过程中出现异常。请务必移除计算机制造商提供的任何软件更新或故障排查工具套件，这些工具已知会引起严重的性能问题。
   ​注意：上述软件设置步骤在给定硬件配置下仅需执行一次。

2. 硬件设置

1. 按照以下说明设置数字转换器，以协调输入和输出：
   1. 使用一段较短的实心绝缘导线，将数字输出端口 0 的第 7 通道（标记为 P0.7，或在较旧设备上可能标记为 DIO7）的弹簧端子连接至 USER 输出端子。
   2. 将一个母/公/母 BNC 分路接头连接到 USER 输出端。将 USER 输出端连接至刺激器的外部触发输入端口。
   3. 将第一和第二放大后的肌电（EMG）信号线分别连接至数据采集卡的第一和第二模拟输入通道。这些通道标记为 AI0 和 AI1，或在较旧设备上可能标记为 ACH0 和 ACH1。另从 USER 输出端引出一条附加连接线，接入第三个模拟输入通道（标记为 AI2 或 ACH2）。
2. 按照以下说明设置恒流刺激器。
   注意：为了使本方案适用于多种品牌和型号的刺激器，本文描述的是手动控制刺激强度 ，而非利用特定型号刺激器所支持的自动控制功能。
   1. 打开刺激器，并将其设置为输出 1 ms 的单相脉冲。对于 DS8R 型号，应确保刺激强度由前面板或 USB 接口控制，而不是通过后部的模拟输入端口控制。插入长输出电缆，并将其连接至将用于连接刺激电极片的卡扣式导联线。
3. 按照以下说明设置模拟放大器，以提供至少两个肌电（EMG）通道。
   1. 打开放大器。确保所有通道的 增益（GAIN） 值均处于默认值 500，且相应的 可调（VARIABLE） 旋钮已调至最小值 1。
   2. 使用长电缆将便携式单元连接至放大器。将两块 9 V 方形电池插入便携式单元的电池盒中。将便携式单元和电池盒绑在受试者的腰部。

3. 准备刺激和记录电极

1. 利用先前记录的解剖标志或测量数据，尽可能准确地重建受试者个体化的电极位置。在电极贴附部位，先用酒精棉片擦拭皮肤以去除多余油脂，再用纸巾擦干以去除死皮细胞。
2. 将刺激电极准确放置，以实现对胫神经的精准刺激，同时尽量减少对腓总神经的影响。使用较大的电极（22 mm × 35 mm）作为阳极，置于腘窝顶点 ，即坐骨神经分叉为胫神经和腓总神经的位置。将阴极（22 mm × 22 mm）置于膝关节皱褶处，正位于阳极下方，两电极中心之间相距 3–4 cm。
3. 在目标肌肉（比目鱼肌）处以双极导联方式连接肌电图（EMG）记录电极，具体步骤如下：
   1. 为确定正确位置，首先让受试者交替踮脚和自然站立，通过触诊定位腓肠肌。
   2. 将第一个电极置于腓肠肌肌腹远端边缘正下方，第二个电极置于第一个电极下方，两电极中心之间相距 5 cm。两个电极应与跟腱保持对齐。
4. 在拮抗肌（胫骨前肌）处以双极导联方式连接 EMG 记录电极。操作时，让受试者上抬（背屈）脚趾，通过触诊识别该肌肉。将电极置于肌腹处，位置约为从腓骨头至踝关节距离的下 1/3 处，两电极中心之间垂直间距为 5 cm。
5. 将接地电极贴附于髌骨处。
6. 按以下方式连接 EMG 放大器导联线：将绿色胶带标记的有源电极插入便携式设备的通道 1，并将红色夹子连接至目标肌肉电极（比目鱼肌），绿色夹子连接至接地电极；将黑色胶带标记的有源电极插入便携式设备的通道 2，并将夹子连接至拮抗肌电极（胫骨前肌）。
7. 将电池组连接至便携式设备。
8. 将刺激电极的按扣导联线连接至刺激电极。

4. 使用 EPOCS 软件

1. 调整显示器位置，确保研究者与受试者（或治疗师与患者）均能清晰看到屏幕。
2. 启动 EPOCS 会话。
   注意：一次会话定义为在实验室或诊所的一次访问，通常持续 60–90 分钟。
   1. 双击 EPOCS 图标以启动程序。输入参与者 ID 编码（或从先前使用过的 ID 列表中选择）。
   2. 如果这是已有会话的延续（例如，因中断后需重新启动软件），请按 Continue Session。此选项仅在指定参与者最近 3 小时内已开始过会话时可用。
   3. 否则，请按 Start New Session。这将创建一个新的数据文件夹，带有日期和时间戳，并标记参与者 ID。
3. 验证电极位置和接触质量，并根据需要进行调整。
   1. 确保显示 Stimulus Test 选项卡。
   2. 在 Settings > Stimulation 中，将 Min. Interval for Stimulus Test 设置为 3 秒。请注意，该设置独立于 Min. Interval for Normal Usage，后者通常更长，约为 5 秒。保持 Digitimer Link 设置为禁用状态。
      注意：启用 Digitimer Link 选项后，可在使用某些刺激器型号时通过软件控制刺激强度。本方案则演示手动控制刺激强度，适用于多种品牌和型号的刺激器。
   3. 在刺激器控制面板上，将刺激强度设为 5 mA 并启用刺激功能。
   4. 要求参与者站立，必要时可用助行器部分支撑体重。
   5. 提醒参与者即将开始刺激，然后按 Start 开始新运行（即开始连续记录信号至新文件）。运行将按顺序编号，其文件不会相互覆盖。
   6. 每次刺激重复称为一次试验。每次试验中诱发的肌电图（EMG）反应会立即显示。评估目标肌肉（上方蓝色迹线）和拮抗肌（下方红色迹线）中诱发的 M 波和 H 反射。如有必要，逐步将电流增加至 10 mA 或更高，直至反应清晰可见。
   7. 为找到最佳刺激位置（即产生最大 H 反射的位置），在将阴极向内侧和外侧各移动一个完整电极宽度后，再分别移动半个电极宽度，最后向上和向下各移动一个完整电极宽度，比较每次移动后诱发的电位。
   8. 标记、记录并拍摄电极位置，以便在后续会话中准确定位。如有可能，制作小腿和膝后部的石膏模型，并在模型上打孔，以便精确复现标记位置。
   9. 一旦确定电极的最佳位置，用新电极替换已重新定位的电极。
4. 进行比目鱼肌条件化时，跳过 Voluntary Contraction 选项卡。
5. 通过绘制募集曲线（即刺激强度与反应之间的关系）测量最大 M 波和 H 反射幅度（M_max 和 H_max）。在每次会话的对照或训练试验前后按以下步骤测量募集曲线。在首次会话中，利用募集曲线指导选择整个条件化过程中合适的刺激强度。
   1. 切换到 Recruitment Curve 选项卡。
   2. 在 Settings > EMG 中，设置目标肌和拮抗肌背景 EMG 值必须保持在内的范围，以允许刺激触发。对于比目鱼肌，若未测量最大自主收缩，只需确保范围涵盖站立时自然负重产生的 EMG 水平。将 Background Hold Duration 设为 2 秒，表示参与者必须持续保持 EMG 在范围内多长时间才能触发每次刺激。
      注意：若无需施加相应限制，可将上限或下限留空。
   3. 启用刺激器并将强度设为募集曲线测量中使用的最小值：5 mA。（此值仅为示例，应根据具体情况选择——见讨论部分。）
   4. 如果是参与者的首次会话，请允许其按以下说明练习在规定时间内将 EMG 保持在正确范围内。
      1. 在参与者站立状态下，按 Start。向参与者演示目标肌的背景 EMG 水平如何实时显示为条形图高度，背景阴影区域表示目标范围。
      2. 向参与者解释，只有当两块肌肉（目标肌和拮抗肌）的活动均处于所需范围内时，条形图才会从亮红色变为深绿色（尽管拮抗肌活动水平不会直接显示）。
      3. 如需调整背景范围，先按 Stop ，再按 Settings；输入新数值，按 OK，然后再次按 Start 。练习运行结束后按 Stop 。
   5. 为测量募集曲线，在参与者站立状态下按 Start。如果在选定的起始强度下 H 反射已可见，则逐渐降低电流直至 H 反射消失。然后按 Stop ，再次按 Start 开始运行。
   6. 密切关注 Trials Completed 计数器。每完成四次试验后，手动将刺激强度增加 2 mA。（此值仅为示例，应根据具体情况选择——见讨论部分。）继续增加强度，直到 M 波幅度达到平台期，前提是参与者未报告不适。完成后按 Stop ，并请参与者坐下休息。
   7. 记录每次试验所用的刺激强度值。将任何书面记录与窗口右上角显示的运行编号关联。在任何运行结束后，通过 Log 选项卡手动将此信息及其他备注输入会话日志。
      注意：若刺激强度为手动控制，软件不会自动记录该信息。
   8. 按 Analysis 按钮打开分析窗口，并按以下方式定义 M 波和 H 波。在分析窗口的上部窗格中，检查最近一次运行中各次试验目标肌信号的刺激锁定叠加图。
   9. 使用鼠标调整棕色参考区间和绿色目标区间的起止点（在 H 反射操作条件化方案中，分别对应 M 波和 H 反射）。当区间正确后，按红色 Use Marked Timings 按钮，保存这些个性化区间设置以供未来分析使用。
   10. 在分析窗口下半部分的 Sequence 窗格中，评估所得的募集曲线。调整设置以查看峰峰值或整流均值幅度，并对连续试验结果进行合并。由于刺激电流每四次试验增加一次，因此将 Trials to Pool: 设为 4。记录所得的 M_max 和 H_max。
   11. 如果是参与者的首次会话，请按以下方式优化目标肌 EMG 记录位置。
       1. 将比目鱼肌电极向内侧移动半个电极宽度（或若肌肉足够宽，可移动一个完整电极宽度）。然后重复上述步骤，获取完整的募集曲线，并记录所得的 M_max 和 H_max。
       2. 将比目鱼肌电极从原始位置向外侧移动相同距离，再次进行募集曲线测量以估算 M_max 和 H_max。采用能使 H_max 最大的电极位置，并按步骤 4.3.8 的方法标记、记录并拍摄其位置。
   12. 选择一个能诱发接近最大 H 反射的刺激强度——理想情况下位于 H 反射募集曲线的上升支（左侧斜坡）——但需满足存在可见 M 波的条件。将此刺激强度值设置在刺激器上，并记录以供后续会话使用。同时记录相应的 M 波幅度（见讨论部分）。
6. 在不提供反馈的情况下测量 H 反射幅度的分布，步骤如下。
   1. 切换到 Control Trials 选项卡。
   2. 在参与者站立状态下按 Start。如前所述，指导参与者利用条形图的升降反馈，将背景肌肉活动水平维持在所需范围内。
   3. 如果是基线或随访会话，在选定刺激强度下连续进行 75 次试验。如果是条件化会话，则仅进行 20 次试验。完成规定次数后，按 Stop 结束运行。
   4. 按 Analysis。与之前相同，评估上方面板中逐次试验反应波形的叠加图以及下方的 Sequence 反应幅度序列。默认情况下，Sequence 上方还会激活一个名为 Distribution 的新选项卡，显示 H 反射幅度的分布情况，右侧附有汇总统计信息。
   5. 按 Log Results 将汇总统计信息追加到会话日志中。
   6. 如果是基线会话，请重复上述步骤，共完成 3 组各 75 次试验的运行。然后跳至步骤 4.8 的结束时募集曲线测量。
   7. 如果是条件化会话，将 Target Percentile 设为 66。上升和下降条件化的标准水平以及中位数由垂直红线标示。通过按 Up-Condition 或 Down-Condition 按钮选择条件化标准。本方案中按 Down-Condition。此操作将自动记录，分析窗口将关闭。
      注意：在下降条件化方案中，Target Percentile 值为 66 表示成功试验定义为反应幅度处于先前测量分布的最低 66% 内；相反，在上升条件化中，成功意味着产生处于分布最高 66% 内的反应幅度。
7. 按以下说明进行操作性条件化。
   1. 切换到 Training Trials 选项卡。
   2. 在参与者站立状态下按 Start。
   3. 如果参与者此前未见过，请引导其注意屏幕中央的新反馈条。解释该条显示最近一次 H 反射幅度相对于带斜线的目标范围的位置。若反应落在目标范围内，则该次试验计为成功，条形图为深绿色；若落在范围外，则计为失败，条形图为亮红色。
   4. 在整个运行过程中，鼓励参与者尽可能多地完成成功试验。屏幕上右侧显示已完成的试验次数及当前成功试验的比例。完成 75 次试验后，按 Stop 结束运行。
   5. 按 Analysis 按钮。分析窗口外观与对照试验时相同。再次使用 Sequence 选项卡验证 M 波是否持续保持在所需大小。
   6. 如前所述，在选中 Distribution 选项卡的情况下，使用 Down-Condition 按钮更新下一次运行的操作性条件化标准。再重复操作性条件化过程 2 次，共完成 3 组各 75 次试验的运行。
8. 在会话结束时，按照步骤 4.5.1–4.5.6 再次进行募集曲线测量。
9. 按以下步骤结束会话。
   1. 在 Log 选项卡中输入任何额外的会话备注。日志会自动保存为带时间戳的纯文本文件，存储在特定会话的数据目录中。关闭窗口。数据和日志均已保存。
   2. 如需重新查看先前记录数据的分析窗口，双击 EPOCS Offline Analysis 图标，选择要分析的运行数据文件。等待原始信号处理完成（可能需要 1 分钟或更长时间）。
      ​注意：数据以 BCI2000 格式保存为 .dat 文件。文件名包含会话的日期和时间、参与者 ID、模式（ST 表示刺激测试，VC 表示自主收缩，RC 表示募集曲线，CT 表示对照试验，TT 表示训练试验）以及顺序运行编号。

5. 进行多次重复实验

1. 共安排6次基线期会话、24次条件化会话（对于神经系统受损者为30次）以及4次随访会话。基线期和条件化会话的频率为每周3次，每次会话持续时间不超过90分钟。所有会话应安排在每天的同一时间进行，以尽量减少昼夜节律变化的影响。
2. 在每次基线期会话中，进行一次初始的募集曲线测试、3轮各75次的对照试验，以及一次最终的募集曲线测试。
3. 在每次条件化会话（24次或30次）中，进行一次初始的募集曲线测试、1轮20次的对照试验、3轮各75次的训练试验，以及一次最终的募集曲线测试。
4. 在最后一次条件化会话后的10至14天、1个月、2个月和3个月时，分别进行4次随访会话。根据研究目标的不同，这些会话可与基线期会话相同，也可与条件化会话相同。

结果

图2展示了上述方案在测量M波和H反射募集曲线以及在恒定刺激强度下H反射幅度分布方面的有效性。同时，该图也说明了多阶段方案在改变神经系统正常受试者H反射幅度以及改善不完全性脊髓损伤受试者行走功能方面的整体有效性。

图2A 显示了在H反射操作性条件反射过程中以募集曲线模式运行后分析窗口的截图（参见实验方案步骤4.5）。窗口下半部分（序列面板）中，横轴表示试验序号——因此刺激强度从左到右逐渐增加。H反射幅度（绿色圆圈）随刺激强度先上升后下降，而M波幅度（棕色三角形）则先上升后趋于饱和。图2B 显示了在H反射操作性条件反射过程中以对照试验或训练试验模式运行后的分析窗口截图（参见实验方案步骤4.6和步骤4.7）。在下方面板（“分布”面板）中，H反射幅度的直方图有助于为后续的增强或抑制条件反射选择合适的判定阈值。图2C 展示了神经功能正常参与者在6次基线会话、24次条件反射会话和4次随访会话期间，H反射幅度随会话次数变化的趋势图。数据来自15名参与者（8名男性，7名女性），其中2人同时参与了增强和抑制条件反射两个组别。参与者年龄为21–55岁。所有参与者均签署知情同意书。该研究方案经纽约州卫生部机构审查委员会（IRB）批准（批准号05-058）。Thompson等¹⁶ 提供了更多细节。图2D 展示了在脊髓不完全损伤后出现慢性下肢功能障碍的参与者中，腓肠肌H反射抑制性条件反射的有益效果。成功实现条件反射与步态对称性及行走速度相对于基线的改善相关。数据来自13名参与者（9名男性，4名女性），年龄为28–68岁，均签署知情同意书。该研究方案经Helen Hayes医院机构审查委员会（IRB）批准（批准号07-07）。Thompson等¹⁴ 提供了更多细节。

图 2：代表性结果。（A）招募曲线分析窗口的截图。（B）对照试验或训练试验分析窗口的截图。（C）在未受伤参与者中，腓肠肌H反射向上和向下调节的对比效应。红色向上的三角形表示成功实现向上调节的8名参与者中的6名（N = 6）的平均H反射幅度；蓝色向下的三角形表示成功实现向下调节的9名参与者中的8名（N = 8）的平均反应。误差线表示标准误。该图像改编自Thompson等人的研究¹⁶。（D）在脊髓损伤后慢性功能障碍患者中，腓肠肌H反射向下调节对行走速度和步态对称性的治疗效果。柱状图对比了三组参与者的结果：H反射成功实现向下调节的6名参与者（N = 6）、对照条件（无操作性调节）下的4名参与者（N = 4），以及向下调节方案未能减小反射幅度的3名参与者（N = 3）。误差线表示标准误。每个星号表示在配对t检验中，调节前与调节后测量值比较的p值低于0.05。该图像改编自Thompson等人的研究¹⁴。请点击此处查看此图的放大版本。

讨论

上述方案适用于在无神经功能障碍的典型成人中演示比目鱼肌H反射的向下调节。具体参数值可能因人而异，尤其取决于功能障碍的程度。视频中受试者的招募曲线在刺激电流约为25 mA时达到M_max，而另一名受试者可能需要50 mA甚至更高电流，因此在测量招募曲线时应以更大的步长增加电流；他们也可能需要更长的脉冲持续时间。第三位受试者可能更为敏感，需要更低的电流设置。该方案还需根据所调节的肌肉进行相应调整。例如，在针对桡侧腕屈肌进行调节时^24,25，通常使用较低的电流设置；应采用自主收缩模式来设定背景肌电图（EMG）阈值范围；在优化电极放置位置和体位时需格外谨慎，且一旦确定体位后，必须在所有试验过程中保持恒定。

该方案对刺激器电流设定值与实际传递至神经的电流量之间的关系变化较为敏感——这种变化可能受受试者体位、水合状态以及粘性电极凝胶干燥程度的微小差异影响。在H反射条件化实验中，可通过使用M波幅值作为有效刺激强度的指标来缓解这一问题。M波幅值反映了刺激所激活的腓肠肌运动神经元传出轴突的数量。因此，若M波幅值保持恒定，则意味着刺激所激活的初级传入轴突（即引发H反射的轴突）数量也保持恒定（另见Crone等²⁶）。基于此，该M波在软件中被称为参考反应。正因如此，步骤4.5.12中提到应记录目标M波幅值。实际上，保持该反应幅值大致恒定比严格保持名义电流恒定更为重要。分析窗口中的“序列”选项卡可对每次运行过程中M波的恒定性进行回顾性验证；对于腓肠肌H反射条件化实验，这通常足以纠正任何问题。若需更精确的控制，可将第二台显示器连接至计算机，以实时显示M波分析数据，指导逐次试验的手动调整。该控制任务的自动化目前仍在研发中²⁷。

昼夜节律变化也可能影响个体的电生理反应^28,29,30,31。因此，建议所有实验均在一天中的同一时间段内进行，即在相同的3小时时间窗口内完成。

操作性条件反射的成功可能对操作者用于定义H反射的时间间隔的准确性较为敏感；尤其需要注意的是，该时间间隔不应过宽。正确设定时间间隔的具体指导原则不在本文讨论范围之内。此功能将在软件的后续版本中实现自动化。

该方案中的关键步骤是第 4.5.6 步，操作者需在每完成固定次数的试验后，手动逐步增加刺激器电流。在此过程中若试验次数计数错误或电流调节旋钮调整不当，可能导致最终的募集曲线发生畸变。通过启用 Digitimer Link 选项，可针对某一特定型号的刺激器实现电流调节的自动化，从而降低人为操作错误的风险。

本文重点讨论了H反射的条件化训练，因为这是EPOCS潜在临床应用中发展最为成熟的一项。现有的软件有助于研究人员不断优化该方案，以推动其在临床上的广泛应用³²。除了H反射条件化训练之外，EPOCS在当前形式下也可应用于更多种类的刺激方法和诱发反应。例如，它同样可以触发能够引出牵张反射的机械装置，而这种反射也是可被条件化的^33,34,35。该方法可根据个体的损伤情况进行调整；在某些个体中，降低腓肠肌H反射可通过减轻痉挛性腱反射亢进从而改善行走能力¹⁴；而在另一些个体中，增强胫骨前肌的运动诱发电位（MEP）可通过缓解足下垂来改善行走功能³⁶。

尽管目前正在进行将该方案实现商业化的努力，但原始软件将继续作为研究工具并行维护，以提供扩展靶向神经可塑性领域所需的灵活性。这种灵活性得益于EPOCS所基于的广泛应用且成熟的BCI2000软件平台的模块化和可扩展性。这意味着，只需软件工程师进行极少的干预，该系统即可重新配置以适用于更广泛的研究目的。例如，系统可配置为记录额外的生物信号通道或附加传感器（如脚踏开关和运动追踪传感器），用于步行过程中的条件调控分析。此外，系统还可编程以设定额外的刺激触发条件（例如，仅在步态周期的特定阶段触发刺激），或在成功或失败的试验中触发额外的强化刺激。文中提供了示例自定义配置文件。

靶向神经可塑性仍处于起步阶段。其尚未探索的领域有望为开发新型治疗策略（如上所述）以及阐明疾病自然史和中枢神经系统在健康与疾病状态下的功能机制带来巨大裨益^2,32,37。因此，我们致力于将EPOCS作为实现这一治疗与科学潜力的关键工具加以维护和支持。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
酒精棉片	任何		用于皮肤涂抹
BNC 电缆（长）x 1	任何		公头BNC转公头BNC，长度足以从数字转换器连接至刺激器
BNC 电缆（中号）x 2	任何		BNC公对BNC公，长度足以从放大器连接到数字化仪
BNC 电缆（短） × 1	任何		BNC公对BNC公短连接线（用于连接两个数字化仪端口）
BNC T型连接器	任何		女-男-女 BNC 分路器
计算机	联想	ThinkStation P340	各种计算硬件均适用，尤其是使用USB数字采集器时（无需PCI插槽）。  必须运行 Windows 7 或更高版本。包含标准键盘 &和小鼠。
恒流刺激器	Digitimer Ltd.	DS8R	DS8R 支持 EPOCS 自动化控制。若进行手动控制，  其他恒流刺激器也可使用，前提是其具备外部TTL触发功能，并能达到1的脉冲持续时间 毫秒或更长时间。
数字转换器（选项 A）	国家仪器公司	USB-6212	带集成BNC连接器的USB数字转换器
数字转换器（选项 B）	国家仪器公司	PCIe-6321	PCIe 数字化仪—需要一台具有空闲 PCI 插槽的台式计算机，以及电缆和 BNC 接线端子块（见下文）
数位器电缆（仅限选项 B）	国家仪器公司	SHC68-68-EPM	将PCIe数字化仪连接至BNC接线端子块
数模转换器端子块（仅适用于选项 B）	国家仪器公司	BNC-2090A	19英寸机架安装式BNC端子块
肌电图放大系统	Bortec Biomedical Ltd.	AMT-8	模拟放大器 + 便携式单元 + 长传输电缆 + 电池组 + 两条500增益有源电极导线（1条双极，1条带接地双极）
监测	任何		足够大，以便参与者从预定的观看距离能够清晰看到。
NeuroPlus 电极（22 x 22 毫米）× 6	Vermont Medical Inc.	A10040-60	一次性自粘式银/氯化银 22 x 22 毫米 表面肌电图（surface-EMG）电极。每次实验需6个（参与者首次实验需11个）
NeuroPlus 电极（22 x 35 毫米）× 1	Vermont Medical Inc.	A10041-60	一次性自粘式银/氯化银表面肌电电极（22 × 35 mm），每次实验需1个。
快接头 × 2	任何	EDR1220	刺激电极导联：1.5mm DIN 转按扣式接头
导线	任何		8–10 cm 单芯绝缘导线