Het Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS): een onderzoeksinstrument en een opkomende therapie voor chronische neuromusculaire aandoeningen

Samenvatting

Het Evoked Potential Operant Conditioning System helpt wetenschappelijk onderzoek naar de sensomotorische functie en kan gerichte neurogedragstraining toedienen die van invloed kan zijn op sensomotorische revalidatie bij neuromusculaire aandoeningen. Dit artikel beschrijft de mogelijkheden en illustreert de toepassing ervan bij het wijzigen van een eenvoudige spinale reflex om een blijvende verbetering van de motorische functie te bereiken.

Samenvatting

Het Evoked Potential Operant Conditioning System (EPOCS) is een softwaretool die protocollen implementeert voor het opererend conditioneren van stimulus-geactiveerde spierreacties bij mensen met neuromusculaire aandoeningen, die op hun beurt de sensomotorische functie kunnen verbeteren wanneer ze op de juiste manier worden toegepast. EPOCS bewaakt de toestand van specifieke doelspieren - bijvoorbeeld van oppervlakte-elektromyografie (EMG) tijdens het staan, of van loopcyclusmetingen tijdens het lopen op een loopband - en activeert automatisch gekalibreerde stimulatie wanneer aan vooraf gedefinieerde voorwaarden wordt voldaan. Het biedt twee vormen van feedback die een persoon in staat stellen om te leren de prikkelbaarheid van het beoogde pad te moduleren. Ten eerste controleert het continu de voortdurende EMG-activiteit in de doelspier, waardoor de persoon wordt begeleid om een consistent activiteitsniveau te produceren dat geschikt is voor conditionering. Ten tweede geeft het onmiddellijke feedback van de responsgrootte na elke stimulatie en geeft het aan of het de streefwaarde heeft bereikt.

Om het gebruik ervan te illustreren, beschrijft dit artikel een protocol waarmee een persoon kan leren om de grootte van de Hoffmann-reflex - het elektrisch opgewekte analoog van de spinale stretchreflex - in de soleusspier te verkleinen. Down-conditioning van de prikkelbaarheid van dit pad kan het lopen verbeteren bij mensen met spastische gang als gevolg van onvolledige dwarslaesie. Het artikel demonstreert hoe de apparatuur moet worden ingesteld; hoe stimulerende en opnemende elektroden te plaatsen; en hoe de vrije software te gebruiken om de plaatsing van elektroden te optimaliseren, de rekruteringscurve van directe motor- en reflexresponsen te meten, de respons te meten zonder operante conditionering, de reflex te conditioneren en de resulterende gegevens te analyseren. Het illustreert hoe de reflex verandert gedurende meerdere sessies en hoe het lopen verbetert. Het bespreekt ook hoe het systeem kan worden toegepast op andere soorten opgeroepen reacties en op andere soorten stimulatie, bijvoorbeeld motorisch opgewekte potentialen voor transcraniële magnetische stimulatie; hoe het verschillende klinische problemen kan aanpakken; en hoe het onderzoek naar de sensomotorische functie in gezondheid en ziekte kan ondersteunen.

Inleiding

In het afgelopen decennium zijn gerichte neuroplasticiteitsstrategieën naar voren gekomen als een nieuwe benadering voor de revalidatie van neurologische aandoeningen ^1,2. Een van die strategieën is operante conditionering van een opgeroepen potentieel. Dit houdt in dat herhaaldelijk elektrofysiologische reacties worden opgewekt die niet-invasief kunnen worden gemeten - bijvoorbeeld door elektro-encefalografie (EEG) of oppervlakte-elektromyografie (EMG) - en de persoon onmiddellijk feedback geven over de grootte van elke respons ten opzichte van een criteriumniveau dat door de therapeut of onderzoeker is vastgesteld. Na verloop van tijd traint dit protocol de persoon om zijn reactie te verhogen of te verlagen en kan het bijgevolg gunstige verandering richten op een plaats van het centrale zenuwstelsel die belangrijk is in een gedrag zoals voortbeweging of bereik-en-grijper. De gerichte verandering komt de prestaties ten goede en maakt bovendien betere praktijken mogelijk die leiden tot wijdverspreide gunstige verandering die het hele gedrag verbetert. Bijvoorbeeld, bij mensen met onvolledige dwarslaesie (iSCI) bij wie clonus de voortbeweging schaadt, verbetert operante conditionering die de Hoffmann-reflex in de soleusspier van één been vermindert de locomotorische spieractiviteit in beide benen, waardoor de loopsnelheid toeneemt en de rechts/linker stapsymmetrie wordt hersteld 1,3,4,5 . Een ander voorbeeld is dat van gepaarde pulsstimulatie, die de grootte van het motorisch opgewekte potentieel (MEP) voor transcraniële magnetische stimulatie blijvend kan vergroten, waardoor de reach-and-grasp-functie bij mensen met chronische hand- en armstoornissen na iSCI⁶ wordt verbeterd.

Het implementeren van dergelijke protocollen vereist speciale software die meerdere functies moet uitvoeren. In het bijzonder moet het continu elektrofysiologische signalen verwerven, verwerken en opslaan; het moet de toestand van het zenuwstelsel voortdurend monitoren en stimulatie op passende wijze activeren onder strikte realtimebeperkingen; het moet continue feedback van moment tot moment, trial-by-trial feedback en sessie-voor-sessie feedback bieden; het moet een gebruikersinterface bieden om de installatie en afstemming door de onderzoeker of therapeut te begeleiden; en ten slotte moet het signaalgegevens en meta-informatie opslaan en organiseren in een gestandaardiseerd formaat.

Het evoked potential operant conditioning system (EPOCS) is ons antwoord op deze uitstekende behoefte. Onder de motorkap is de software gebaseerd op BCI2000, een open-source neurotechnologieplatform dat wordt gebruikt in honderden laboratoria over de hele wereld ^7,8. In EPOCS is de gebruikelijke gebruikersinterface van BCI2000 verborgen en vervangen door een gestroomlijnde interface die is geoptimaliseerd voor opgeroepen potentiële operante conditioneringsprotocollen.

Het huidige artikel en de bijbehorende video illustreren het gebruik van EPOCS in één bepaald protocol: operante conditionering om de Hoffmann (H-) reflex in de soleusspier te verkleinen. Deze reactie is het elektrisch opgewekte analoog van de knie-schokrekreflex. Van H-reflex down-conditionering is aangetoond dat het de impact van clonus op de voortbeweging vermindert en daardoor verbetert bij dieren met iSCI 9,10,11,12,13 en bij mensen met iSCI, multiple sclerose of beroerte ^5,14,15. Het kan zonder nadelige bijwerkingen worden toegepast bij dieren en mensen met of zonder neurologisch letsel^16,17.

Het operante conditioneringsprotocol functioneert door meerdere proeven uit te voeren, die elk enkele seconden duren. De volgorde van gebeurtenissen van één studie wordt schematisch weergegeven in figuur 1, waarbij cijfers de volgende functies aangeven:

1. Continue achtergrond-EMG wordt geregistreerd van bipolaire oppervlakte-elektroden over de doelspier (soleus) en zijn antagonist (tibialis anterior). Het achtergrondniveau wordt geëvalueerd als de gemiddelde gecorrigeerde waarde van het hoogdoorlaatfiltersignaal in een schuifvenster.

2. Achtergrond EMG-niveau in de doelspier wordt weergegeven als de hoogte van een balk, continu bijgewerkt op het scherm van de deelnemer. Dit helpt de deelnemer om de activiteit binnen een bepaald bereik (gearceerd gebied) te houden.

3. De software beoordeelt het juiste moment voor elektrische stimulatie en activeert de stimulator dienovereenkomstig. De belangrijkste criteria zijn dat ten minste 5 s moet zijn verstreken sinds de vorige stimulatie en dat het achtergrond-EMG-niveau gedurende 2 s continu in het opgegeven bereik moet zijn gebleven.

4. Een constante-stroomstimulator levert een elektrische puls transcutaan aan de tibiale zenuw (meestal monofasisch, met een duur van 1 ms).

5. De resulterende stimulus-locked respons wordt geregistreerd. De software berekent de grootte van twee componenten van bijzonder belang: de eerdere M-golf, die spieractivatie weerspiegelt als gevolg van directe stimulatie van het motorische axon; en de latere H-reflex, die het signaal weerkaatst dat wordt doorgegeven via een reflexboog in het ruggenmerg 18,19,20,21,22. EPOCS verwijst hiernaar als respectievelijk de referentierespons en de doelrespons.

6. De H-reflexgrootte voor de huidige studie wordt weergegeven als de hoogte van een tweede balk, ten opzichte van een gewenst criteriumniveau dat een succesvolle of mislukte studie definieert. Voor down-conditionering is de balk donkergroen als de H-reflexgrootte onder het criterium viel, of felrood als dat niet het geval was (vice versa voor up-conditioning). Tegelijkertijd wordt de numerieke weergave van het cumulatieve slagingspercentage dienovereenkomstig bijgewerkt. Samen zorgen deze grafische weergave-elementen voor de onmiddellijke positieve of negatieve versterking waarop operante conditionering vertrouwt²³.

Figuur 1: Schematische illustratie van de kernfunctionaliteit van EPOCS tijdens downconditionering van de soleus H-reflex. De deelnemer bekijkt een groot monitorscherm met het emg-achtergrondniveau, de meest recente H-reflexgrootte, het aantal tot nu toe voltooide proeven in de huidige run van 75 en het lopende aandeel van succesvolle proeven voor de run. De opeenvolging van gebeurtenissen in één studie wordt aangeduid met de getallen 1-6, zoals beschreven in de Inleiding. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Een humaan H-reflex conditioneringsprotocol bestaat meestal uit 6 baselinesessies, gevolgd door 24-30 conditioneringssessies verspreid over 10 weken met een snelheid van 3 sessies / week, en verschillende follow-upsessies gedurende de daaropvolgende 3-6 maanden^14,16. Elke sessie duurt 60-90 min.

Om dit protocol en andere gerelateerde protocollen te ondersteunen, heeft EPOCS vijf verschillende werkingswijzen, elk bediend door een van de tabbladen van het hoofdvenster, getiteld Stimulus Test, Voluntary Contraction, Recruitment Curve, Control Trials en Training Trials.

In de Stimulus Test-modus activeert de software om de paar seconden een stimulus, niet noodzakelijkerwijs afhankelijk van de toestand van de doelspier. De responssignalen worden na elke stimulus op het scherm weergegeven. Hierdoor kan de operator de kwaliteit van de elektrodeverbindingen en het EMG-signaal controleren; om de positie van de stimulerende en opnemende elektroden te optimaliseren; en om de responsmorfologie van het individu vast te stellen.

In de vrijwillige contractiemodus meet en toont de software het emg-niveau op de achtergrond, terwijl de deelnemer wordt aangemoedigd om de spier zoveel mogelijk samen te trekken, bij afwezigheid van elektrische stimulatie. In sommige protocollen is het EMG-niveau bij maximale vrijwillige contractie (MVC) een nuttige referentie voor het vaststellen van de achtergrond-EMG-criteria. In het hier gedemonstreerde protocol is dit niet nodig, omdat een stabiele staande houding de activiteit van de soleusspier voldoende standaardiseert.

In de Recruitment Curve-modus is stimulatie afhankelijk van het EMG-achtergrondniveau (continu weergegeven op het scherm) dat in het juiste bereik blijft; responssignalen worden na elke stimulus op het scherm weergegeven; en de volgorde van reacties kan aan het einde van een run worden geanalyseerd. Hierdoor kan de operator het begin en einde bepalen van de tijdsintervallen waarin de reacties van belang verschijnen; om de relatie tussen stimulatie-intensiteit en responsgrootte te bepalen, zowel voor als na de conditioneringsruns; en om de stimulatie-intensiteit te bepalen die moet worden gebruikt voor conditionering.

In de Control Trials-modus is stimulatie afhankelijk van het EMG-niveau op de achtergrond (continu weergegeven op het scherm), maar er wordt geen feedback gegeven over de grootte van de doelrespons. De volgorde en verdeling van responsgroottes kan worden geanalyseerd. Deze modus kan worden gebruikt om nulmetingen van de responsgrootte te verzamelen, of als een controlevoorwaarde voor vergelijking met operante conditionering in een crossover of tussen proefpersonen experimenteel ontwerp. Het kan dienen als basis voor het vaststellen van het prestatiecriterium voor operante conditionering aan het begin van elke sessie.

Ten slotte is stimulatie in de trainingsproefmodus afhankelijk van het EMG-niveau op de achtergrond (continu op het scherm weergegeven) en wordt versterking per proef ook geleverd door de doelresponsgrootte weer te geven, zoals hierboven beschreven en weergegeven in figuur 1. Dit is de modus waarin operante conditionering wordt uitgevoerd.

De volgende sectie leidt de lezer door de vijf modi door het protocol te demonstreren voor het downconditioneren van de soleus H-reflex bij een volwassen deelnemer zonder neurologisch letsel.

Protocol

Alle hier beschreven procedures zijn goedgekeurd door de institutionele beoordelingscommissie van het Stratton VA Medical Center (goedkeuringsnummer 1584762-9). De deelnemer aan de video gaf geïnformeerde toestemming voor het gebruik van hun beeld- en EMG-signalen in deze publicatie.

OPMERKING: De vetgedrukte termen geven labels aan die zichtbaar moeten zijn op de hardware en/of in de grafische gebruikersinterface van de software.

1. Software instellen

1. Ga naar https://neurotechcenter.org/epocs voor instructies over het verkrijgen van het nieuwste software-installatieprogramma. Installeer de software met behulp van het gedownloade installatieprogramma.
2. Zorg ervoor dat de benodigde stuurprogramma's en de software van de fabrikant zijn geïnstalleerd voor de digitizer. Zorg er met name voor dat de NI-DAQmx-installatie 64-bits ondersteuning biedt.
3. Start de NI-MAX-toepassing, selecteer het apparaat dat moet worden gebruikt onder Apparaten en interfaces en zorg ervoor dat de naam Dev1 is. Controleer vervolgens onder > opstartstatus configureren of het selectievakje Regelstatus voor poort 0, regel 7, niet is aangevinkt (nul). Zet ook het bijbehorende selectievakje Tristate op nul, als dat er is.
4. Verwijder met het onderdeel Software onnodige software die met tussenpozen processorbronnen op de achtergrond kan verbruiken, omdat dit kan leiden tot storingen in de realtime signaalverwerking. Zorg ervoor dat u alle software-update-/probleemoplossersuites verwijdert die door de fabrikant van de computer worden geleverd, omdat bekend is dat deze ernstige prestatieproblemen veroorzaken.
   OPMERKING: De bovenstaande stappen voor het instellen van de software hoeven slechts één keer te worden uitgevoerd voor een bepaalde hardwareconfiguratie.

2. Hardware instellen

1. Stel de digitizer in om invoer en uitvoer te coördineren zoals hieronder beschreven.
   1. Gebruik een kort stukje solid-core geïsoleerde draad om de veeraansluiting voor digitale uitgangspoort 0 lijn 7 (gemarkeerd als P0.7- of mogelijk DIO7 op oudere apparatuur) te patchen naar de veerterminal voor USER-uitvoer .
   2. Bevestig een vrouwelijke/mannelijke/vrouwelijke BNC-T-kabel aan de USER-uitgang . Sluit de USER-uitgang aan op de externe triggeringangspoort van de stimulator.
   3. Sluit de eerste en tweede versterkte EMG-signaalkabels aan op respectievelijk het eerste en tweede analoge ingangskanaal van de data-acquisitiekaart. Deze zijn gemarkeerd met AI0 en AI1- of mogelijk ACH0 en ACH1 op oudere apparatuur. Maak een extra verbinding van de USER-uitgang terug naar het derde analoge ingangskanaal (gemarkeerd als AI2 of ACH2).
2. Stel de constantestroomstimulator in zoals hieronder beschreven.
   OPMERKING: Om het protocol generaliseerbaar te maken voor een verscheidenheid aan stimulatormerken en -modellen, beschrijft dit artikel handmatige stimulusintensiteitsregeling in plaats van gebruik te maken van de optie voor automatische regeling van de specifieke stimulatormodellen.
   1. Schakel de stimulator in en configureer deze om monofasische pulsen van 1 ms te leveren. Voor het DS8R-model moet u ervoor zorgen dat de stimulusintensiteit wordt geregeld door het voorpaneel of de USB-interface, niet via de analoge ingang aan de achterzijde. Sluit de lange uitgangskabel aan en sluit deze aan op de klikkabels die aan de stimulerende elektrodepads worden bevestigd.
3. Stel de analoge versterker in om ten minste twee EMG-kanalen te leveren zoals hieronder beschreven.
   1. Zet de versterker aan. Zorg ervoor dat alle gain-waarden van het kanaal de standaardwaarde 500 hebben en dat de bijbehorende VARIABELE-knoppen worden gedraaid naar hun minimumwaarde van 1.
   2. Sluit de draagbare unit aan op de versterker met behulp van de lange kabel. Plaats twee vierkante 9 V-batterijen in de batterij van de draagbare eenheid. Draag de draagbare eenheid en het batterijpakket om de taille van de deelnemer.

3. Stimulatie voorbereiden en elektroden opnemen

1. Gebruik eerder genoteerde oriëntatiepunten of metingen om eerdere deelnemerspecifieke elektrodeposities zo goed mogelijk na te bootsen. Bereid de huid voor waar de elektroden zullen worden bevestigd door af te vegen met alcoholpads om overtollige olie te verwijderen en veeg vervolgens af met een papieren handdoek om dode huid te verwijderen.
2. Bevestig de stimulatie-elektroden in positie om de tibiale zenuw nauwkeurig te stimuleren, met minimaal effect op de gemeenschappelijke peroneuszenuw. Gebruik de grotere (22 mm x 35 mm) elektrode als anode en plaats deze aan de top van de popliteale fossa waar de heupzenuw zich vertakt in tibiale en gemeenschappelijke peroneuszenuwen. Plaats de kathode (22 mm x 22 mm) in de plooi van de knie, direct onder de anode, met een scheiding van 3-4 cm tussen elektrodecentra.
3. Bevestig de EMG-opname-elektroden in een bipolaire montage als volgt op de doelspier (soleus).
   1. Om de juiste locatie te bepalen, zoek je eerst de gastrocnemiusspier door te palperen terwijl de deelnemer afwisselend op zijn tenen staat en op natuurlijke wijze staat.
   2. Plaats de eerste elektrode direct onder de distale rand van de gastrocnemius spierbuik. Plaats de tweede elektrode onder de eerste, met een afstand van 5 cm tussen de elektrodecentra. Houd beide elektroden in lijn met de achillespees.
4. Bevestig de EMG-opname-elektroden in een bipolaire montage aan de antagonistenspier (tibialis anterior). Om dit te doen, identificeert u de spier door te palperen terwijl de deelnemer zijn tenen optilt (dorsiflexen). Plaats de elektroden op de spierbuik, ongeveer 1/3 van de weg naar beneden van de fibulaire kop naar de enkel, met een verticale scheiding van 5 cm tussen elektrodecentra.
5. Bevestig een grondelektrode aan de patella.
6. Sluit de EMG-versterkerkabels als volgt aan. Sluit de groen getapete actieve elektrode aan op kanaal 1 op de draagbare eenheid en sluit de rode clips aan op de doelspierelektroden (soleus) en de groene clip op de grondelektrode. Sluit de zwart getapete actieve elektrode aan op kanaal 2 op de draagbare eenheid en sluit de clips aan op de antagonist-spierelektroden (tibialis anterior).
7. Sluit de batterij aan op de draagbare eenheid.
8. Sluit de stimulatie snap leads aan op de stimulatie-elektroden.

4. De EPOCS-software gebruiken

1. Plaats de monitor zo dat zowel de onderzoeker als het onderwerp (of de therapeut en patiënt) het duidelijk kunnen zien.
2. Start een EPOCS-sessie.
   OPMERKING: Een sessie wordt gedefinieerd als één bezoek aan het laboratorium of de kliniek, meestal 60-90 minuten.
   1. Dubbelklik op het EPOCS-pictogram om de toepassing te starten. Voer de id-code van de deelnemer in (of kies uit de lijst met eerder gebruikte id's).
   2. Als dit een voortzetting is van een bestaande sessie, bijvoorbeeld als de software opnieuw moest worden gestart na een onderbreking, drukt u op Sessie voortzetten. Dit is alleen beschikbaar als er in de afgelopen 3 uur een sessie voor de opgegeven deelnemer is gestart.
   3. Druk anders op Nieuwe sessie starten. Hiermee wordt een nieuwe gegevensmap gemaakt, met een datum- en tijdstempel en gemarkeerd met de deelnemers-ID.
3. Controleer de locatie van de elektrode en de contactkwaliteit en pas deze indien nodig aan.
   1. Zorg ervoor dat het tabblad Stimulustest wordt weergegeven.
   2. Configureer in Instellingen > Stimulatie het min. interval voor stimulustest op 3 s. Merk op dat dit afzonderlijk is geconfigureerd van het min. interval voor normaal gebruik, dat meestal langer zal zijn, ongeveer 5 s. Laat de instelling Digitimer Link uitgeschakeld.
      OPMERKING: Indien ingeschakeld, zou de Digitimer Link-optie softwarecontrole van de stimulatie-intensiteit mogelijk maken bij het gebruik van bepaalde stimulatormodellen. Het huidige protocol demonstreert in plaats daarvan handmatige controle van de stimulusintensiteit, die van toepassing is op meerdere stimulatormerken en -modellen.
   3. Stel op het bedieningspaneel van de stimulator de stimulusintensiteit in op 5 mA en schakel stimulatie in.
   4. Vraag de deelnemer om te gaan staan, met hun handen gedeeltelijk ondersteunend op een rollator indien nodig.
   5. Waarschuw de deelnemer om stimulatie te verwachten en druk vervolgens op Start om een nieuwe run te starten (d.w.z. om continu signalen op te nemen in een nieuw bestand). Runs worden sequentieel genummerd en hun bestanden zullen elkaar nooit overschrijven.
   6. Elke herhaling van stimulatie wordt een proef genoemd. De EMG-reacties die in elke studie worden uitgelokt, worden onmiddellijk weergegeven. Beoordeel de M-golf en H-reflex opgewekt in de doelspier (het bovenste, blauwe spoor) en de antagonistenspier (het onderste, rode spoor). Verhoog indien nodig de stroom geleidelijk tot 10 mA of meer, totdat de antwoorden duidelijk verschijnen.
   7. Om de optimale locatie voor stimuleren te vinden (d.w.z. de locatie die de grootste H-reflex oplevert), vergelijkt u de opgeroepen potentialen na het mediaal verplaatsen van de kathode een volledige elektrodebreedte mediaal en vervolgens lateraal, gevolgd door een halve elektrode-breedte mediaal en dan lateraal, en ten slotte door een volledige elektrodebreedte omhoog en dan omlaag.
   8. Markeer, noteer en fotografeer de positie van de elektroden om de herpositionering in toekomstige sessies te vergemakkelijken. Maak indien mogelijk een gipsafgietsel van het kalf en de achterkant van de knie en maak gaten in het gips waardoor de markeringen precies opnieuw kunnen worden aangebracht.
   9. Zodra de optimale posities voor de elektroden zijn gevonden, vervangt u de verplaatste elektroden door verse elektroden.
4. Sla voor soleusconditionering het tabblad Vrijwillige contractie over.
5. Meet de maximale M-golf- en H-reflexgroottes (M_.max en H_.max) door de rekruteringscurve in kaart te brengen, d.w.z. de relatie tussen stimulusintensiteit en respons. Meet de rekruteringscurve als volgt, voor en na de controle- of trainingsproeven in elke sessie. Gebruik in de eerste sessie de rekruteringscurve om de selectie van een geschikte stimulatie-intensiteit voor gebruik tijdens het conditioneringsproces te begeleiden.
   1. Ga naar het tabblad Wervingscurve .
   2. Configureer in Instellingen > EMG de bereiken waarbinnen de EMG-waarden van het doel en de antagonist binnen moeten blijven om stimulatie mogelijk te maken. Voor de soleus, ervan uitgaande dat de maximale vrijwillige contractie niet is gemeten, moet u er eenvoudigweg voor zorgen dat de bereiken de EMG-niveaus omvatten die worden gegenereerd door natuurlijke gewichtsdragen tijdens het staan. Stel de duur van de achtergrondblokkering in op 2 s om te bepalen hoe lang de deelnemer het EMG continu binnen bereik moet houden om elke stimulus te activeren.
      OPMERKING: De boven- of ondergrenzen mogen leeg worden gelaten als er geen overeenkomstige beperking hoeft te worden opgelegd.
   3. Schakel de stimulator in en stel de intensiteit in op de minimumwaarde die moet worden gebruikt bij het meten van de rekruteringscurve: 5 mA. (Deze waarde is een voorbeeld en moet van geval tot geval worden gekozen, zie de discussie.)
   4. Als dit de eerste sessie van de deelnemer is, laat ze dan oefenen om het EMG in het juiste bereik te houden voor de vereiste duur zoals hieronder beschreven.
      1. Terwijl de deelnemer staat, drukt u op Start. Demonstreer aan de deelnemer hoe het achtergrond-EMG-niveau in de doelspier in realtime wordt weergegeven als de hoogte van de balk tegen een gearceerd gebied dat het doelbereik toont.
      2. Leg de deelnemer uit dat de activiteit van beide spieren (doelwit en antagonist) binnen hun vereiste bereik moet liggen om de balk van felrood naar donkerder groen te draaien (hoewel het activiteitsniveau van de antagonist niet direct wordt weergegeven).
      3. Als u de achtergrondbereiken wilt aanpassen, drukt u op Stoppen gevolgd door Instellingen; voer vervolgens de nieuwe nummers in, druk op OK en vervolgens op Opnieuw starten . Druk op Stoppen wanneer de oefenrun is voltooid.
   5. Om de wervingscurve te meten, waarbij de deelnemer staat, drukt u op Start. Als de H-reflex al zichtbaar is bij de gekozen startintensiteit, verlaag dan geleidelijk de stroom totdat de H-reflex niet meer wordt gezien. Druk vervolgens op Stoppen en druk nogmaals op Start om de run te starten.
   6. Let goed op de Trials Completed-teller . Verhoog na elke vier onderzoeken handmatig de stimulatie-intensiteit met 2 mA. (Deze waarde is een voorbeeld en moet van geval tot geval worden gekozen, zie de discussie.) Ga door totdat de M-golfgrootte een plateau bereikt, op voorwaarde dat de deelnemer geen ongemak meldt. Druk op Stop als je klaar bent en nodig de deelnemer uit om te gaan zitten om uit te rusten.
   7. Noteer de stimulusintensiteitswaarden die voor elke studie worden gebruikt. Koppel alle geschreven records aan het uitvoeringsnummer dat in de rechterbovenhoek van het venster wordt weergegeven. Voer deze informatie aan het einde van een run handmatig in het sessielogboek in, samen met eventuele andere notities, via het tabblad Logboek .
      OPMERKING: Als de stimulatie-intensiteit handmatig wordt geregeld, wordt deze informatie niet door de software geregistreerd.
   8. Druk op de knop Analyse om het analysevenster te openen en de definitie van de M- en H-golven als volgt toe te staan. Bekijk in het bovenste deelvenster van het analysevenster de stimulus-vergrendelde overlay van de doelspiersignalen van elke proef in de laatste run.
   9. Gebruik de muis om het begin en einde van de bruine referentie- en groene doelintervallen aan te passen (in het H-reflex operant conditioneringsprotocol komen deze overeen met respectievelijk M-golf en H-reflex). Wanneer de intervallen correct zijn, drukt u op de rode knoppen Gemarkeerde timing gebruiken om deze gepersonaliseerde intervalinstellingen op te slaan voor toekomstige analyses.
   10. Beoordeel in het deelvenster Volgorde in de onderste helft van het analysevenster de resulterende wervingscurve. Pas de instellingen aan om piek-tot-piek of gemiddelde gerectificeerde amplitude weer te geven en om resultaten van opeenvolgende onderzoeken te poolen. Aangezien de stimulusstroom om de vier onderzoeken werd verhoogd, specificeer trials to pool: 4. Noteer de resulterende M_max en H_max.
   11. Als dit de eerste sessie van de deelnemer is, optimaliseer dan de EMG-opnamelocaties van de doelspier als volgt.
       1. Verplaats de soleuselektroden mediaal met een halve elektrodebreedte (of een volledige elektrodebreedte als de spier breed genoeg is). Herhaal vervolgens de bovenstaande stappen om een volledige wervingscurve te verzamelen en de resulterende M_max en H_max.
       2. Verplaats de soleus-elektroden op dezelfde afstand zijdelings van hun oorspronkelijke positie en voer opnieuw een rekruteringscurvemeting uit om M_max en H_max te schatten. Gebruik de elektrodepositionering die H_max maximaliseert en markeer, noteer en fotografeer hun posities zoals in stap 4.3.8.
   12. Kies een stimulusintensiteit die een bijna maximale H-reflex oproept - idealiter op de stijgende (linker) helling van de H-reflexrekruteringscurve - maar met de beperking dat er een zichtbare M-golf moet zijn. Stel deze stimulusintensiteitswaarde in op de stimulator en noteer deze voor toekomstige sessies. Let ook op de bijbehorende M-golfgrootte (zie discussie).
6. Meet de verdeling van H-reflexgroottes zonder responsfeedback als volgt te geven.
   1. Ga naar het tabblad Proefversies van beheer.
   2. Terwijl de deelnemer staat, drukt u op Start. Instrueer de deelnemer net als voorheen om de feedback van de stijgende en dalende balk te gebruiken om het niveau van achtergrondspieractiviteit binnen het vereiste bereik te houden.
   3. Als dit een baseline- of follow-upsessie is, voer dan 75 onderzoeken achter elkaar uit met de gekozen stimulusintensiteit. Als dit een conditioneringssessie is, voer dan slechts 20 onderzoeken uit. Druk na het voorgeschreven aantal proeven op Stoppen om de run te beëindigen.
   4. Persanalyse. Beoordeel net als voorheen de overlay van trial-by-trial responsgolfvormen in het bovenste paneel en de volgorde van responsgroottes hieronder. Een nieuw tabblad genaamd Distributie is ook standaard geactiveerd, bovenop Sequence. Het toont de verdeling van H-reflexgroottes, met samenvattende statistieken aan de rechterkant.
   5. Druk op Logboekresultaten om de overzichtsstatistieken aan het sessielogboek toe te voegen.
   6. Als dit een basissessie is, herhaal dan de bovenstaande stappen voor een totaal van 3 runs van elk 75 onderzoeken. Ga vervolgens naar de afsluitende wervingscurvemeting in stap 4.8.
   7. Als dit een conditioneringssessie is, stelt u het doelpercentage in op 66. De op- en neergaande conditioneringscriteriumniveaus, samen met de mediaan, worden weergegeven door de verticale rode lijnen. Selecteer een criterium voor conditionering door op de knop Omhoog of Omlaag-voorwaarde te drukken. Druk voor dit protocol op Down-Condition. Deze actie wordt automatisch geregistreerd en het analysevenster wordt gesloten.
      OPMERKING: In een downconditioneringsprotocol betekent een doelpercentielwaarde van 66 dat een succesvolle studie wordt gedefinieerd als een studie waarbij de responsgrootte zich in de onderste 66% van de eerder gemeten verdeling bevindt; omgekeerd betekent succes bij up-conditioning het produceren van een responsgrootte in de top 66% van de distributie.
7. Voer operante conditionering uit zoals hieronder beschreven.
   1. Ga naar het tabblad Trainingsproeven .
   2. Terwijl de deelnemer staat, drukt u op Start.
   3. Als de deelnemer het nog niet eerder heeft gezien, vestigt hij zijn of haar aandacht op de nieuwe feedbackbalk in het midden van het scherm. Leg uit dat het de meest recente H-reflexgrootte toont ten opzichte van het uitgekomen doelbereik. Als de respons binnen het doelbereik valt, wordt de proef als succesvol geteld en is de balk donkergroen. Als het buiten het bereik valt, wordt de proef als mislukt geteld en is de balk helderder rood.
   4. Motiveer de deelnemer tijdens de run om zoveel mogelijk succesvolle proeven uit te voeren. Het aantal uitgevoerde proeven en het aandeel van de proeven dat tot nu toe succesvol was in de uitvoering, worden rechts op het scherm weergegeven. Druk na 75 proeven op Stop om de run te beëindigen.
   5. Druk op de knop Analyse . Het analysevenster ziet er hetzelfde uit als voor controleproeven. Gebruik opnieuw het tabblad Volgorde om te controleren of de M-golven constant bleven op de gewenste grootte.
   6. Net als voorheen gebruikt u, met het tabblad Distributie geselecteerd, de knop Voorwaarde omlaag om het operante conditioneringscriterium bij te werken voor de volgende uitvoering. Herhaal de operante conditioneringsprocedure 2x meer, voor een totaal van 3 runs van elk 75 onderzoeken.
8. Voer aan het einde van de sessie nog een wervingscurvemeting uit zoals in stap 4.5.1.-4.5.6.
9. Voltooi de sessie zoals hieronder beschreven.
   1. Typ eventuele aanvullende sessienotities op het tabblad Logboek . Het logboek wordt automatisch opgeslagen wanneer het wordt ingevuld in een tekstbestand met datumstempel in de sessiespecifieke gegevensmap. Sluit het venster. Gegevens en logboeken zijn al opgeslagen.
   2. Als u het analysevenster voor eerder opgenomen gegevens opnieuw wilt bekijken, dubbelklikt u op het pictogram EPOCS Offline Analysis en selecteert u het gegevensbestand voor de te analyseren run. Wacht tot de onbewerkte signalen zijn verwerkt (dit kan 1 minuut of langer duren).
      OPMERKING: Gegevens worden opgeslagen als .dat bestanden in BCI2000-indeling. De bestandsnaam geeft de datum en tijd van de sessie, de deelnemers-ID, de modus (ST voor stimulustest, VC voor vrijwillige contractie, RC voor rekruteringscurve, CT voor controleproeven en TT voor trainingsproeven) en het sequentiële runnummer aan.

5. Meerdere herhalingssessies uitvoeren

1. Plan in totaal 6 baselinesessies, 24 conditioneringssessies (of 30, voor mensen met neurologische stoornissen) en 4 vervolgsessies. Plan de basislijn- en conditioneringssessies met een snelheid van 3 sessies / week, waarbij elke sessie niet langer dan 90 minuten duurt. Zorg ervoor dat alle sessies op hetzelfde tijdstip van de dag worden uitgevoerd om de effecten van dagelijkse variatie te minimaliseren.
2. Voer in elk van de 6 basislijnsessies een eerste wervingscurverun , 3 runs van 75 control trials en een laatste Recruitment Curve-run uit.
3. Voer in elk van de 24 (of 30) conditioneringssessies een eerste Recruitment Curve-run uit, 1 run van 20 Control Trials, 3 runs van 75 Training Trials en een laatste Recruitment Curve-run .
4. Voer 4 vervolgsessies uit op 10-14 dagen, 1 maand, 2 maanden en 3 maanden na de laatste conditioneringssessie. Afhankelijk van de doelen van het onderzoek, kunnen deze identiek zijn aan baselinesessies of aan conditioneringssessies.

Resultaten

Figuur 2 toont de effectiviteit van het bovenstaande protocol bij het meten van M-golf- en H-reflexrekruteringscurven en bij het meten van de verdeling van H-reflexgroottes bij constante stimulatie-intensiteit. Het illustreert ook de algehele effectiviteit van het multi-sessie protocol bij het veranderen van de H-reflexgrootte bij neurologisch onaangepaste deelnemers en bij het verbeteren van de locomotorische functie bij deelnemers met onvolledige dwarslaesie.

Figuur 2A toont een screenshot van het analysevenster na een run uitgevoerd in recruitment curve modus tijdens H-reflex operant conditionering (zie protocol stap 4.5.). In de onderste helft van het venster (het deelvenster Volgorde ) toont de horizontale as het proefnummer, waardoor de stimulusintensiteit van links naar rechts toeneemt. H-reflexgrootte (groene cirkels) stijgt en daalt dan als functie van de stimulusintensiteit, terwijl de M-golfgrootte (bruine driehoeken) stijgt en vervolgens verzadigt. Figuur 2B toont een screenshot van het analysevenster na een run uitgevoerd in Control Trials of Training Trials-modus tijdens H-reflex operant conditionering (zie protocol stap 4.6. en stap 4.7.). In het onderste paneel (het deelvenster "Distributie") vergemakkelijkt het histogram van H-reflexgrootten de selectie van een geschikt criteriumniveau voor daaropvolgende up- of down-conditionering. In figuur 2C wordt de H-reflexgrootte bij neurologisch onaangepaste deelnemers uitgezet als een functie van het sessienummer over 6 basislijnsessies, 24 conditioneringssessies en 4 follow-upsessies. Gegevens werden verzameld van 15 deelnemers (8 mannen, 7 vrouwen) van wie er 2 deelnamen aan zowel up- als down-conditioneringsarmen. Deelnemers waren 21-55 jaar oud. Alle deelnemers gaven geïnformeerde toestemming. Het protocol werd goedgekeurd door de institutional review board (IRB) van het New York State Department of Health (goedkeuringsnummer 05-058). Thompson et ^al.16 geven verdere details. Figuur 2D toont het gunstige effect van soleus H-reflex down-conditionering bij deelnemers met chronische stoornissen in de onderste ledematen na onvolledige dwarslaesie. Succesvolle conditionering was geassocieerd met een verbetering van de loopsymmetrie en in loopsnelheid ten opzichte van de uitgangswaarde. Gegevens werden verzameld van 13 deelnemers (9 mannen, 4 vrouwen) in de leeftijd van 28-68 jaar, die geïnformeerde toestemming gaven. Het protocol is goedgekeurd door de IRB van Helen Hayes Hospital (goedkeuringsnummer 07-07). Thompson et ^al.14 geven verdere details.

Figuur 2: Representatieve resultaten. (A) Schermafbeelding van het analysevenster van de wervingscurve. (B) Schermafbeelding van het analysevenster Controleproeven of Trainingsproeven. (C) Contrasterende effecten van up- en down-conditionering van de soleus H-reflex bij niet-gewonde deelnemers. Rode opwaartse driehoeken tonen de gemiddelde H-reflexgrootte van N = 6 met succes up-geconditioneerde deelnemers (van de 8); blauwe neerwaartse driehoeken tonen gemiddelde reacties van N = 8 met succes gedownconditioneerde deelnemers (van de 9). Foutbalken duiden op standaardfouten. Deze afbeelding is aangepast van Thompson et ^al.16. (D) Therapeutisch effect van soleus H-reflex down-conditionering op loopsnelheid en loopsymmetrie bij mensen met chronische stoornissen na onvolledige dwarslaesie. De balken contrasteren resultaten voor N = 6 deelnemers van wie de H-reflexen met succes werden gedownconditioneerd tegen N = 4 deelnemers van de controleconditie (geen operante conditionering) en N = 3 deelnemers bij wie het down-conditioneringsprotocol de reflexgrootte niet kon verminderen. Foutbalken duiden op standaardfouten. Elk sterretje geeft een p-waarde aan van minder dan 0,05 op een gepaarde t-test waarbij pre- met postconditioneringsmetingen worden vergeleken. Deze afbeelding is aangepast van Thompson et ^al.14. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

Het hierboven beschreven protocol is geschikt voor het aantonen van soleus H-reflex down-conditionering bij een typische volwassene zonder neurologische stoornissen. De precieze parameterwaarden kunnen van persoon tot persoon verschillen en met name als functie van een beperking. Terwijl de wervingscurve van de deelnemer M_max bereikte bij een stimulerende stroom van ongeveer 25 mA in de video, kan een andere persoon 50 mA of meer nodig hebben, zodat de stroom in grotere stappen zou worden verhoogd tijdens het meten van de wervingscurve. Ze kunnen ook een langere pulsduur vereisen. Een derde persoon kan gevoeliger zijn en kleinere huidige instellingen vereisen. Het protocol moet ook worden aangepast aan de spier die wordt geconditioneerd. Bijvoorbeeld, bij het richten van de flexor carpi radialis spier^24,25, wordt over het algemeen een lagere stroominstelling gebruikt; de vrijwillige contractiemodus moet worden gebruikt om een schaal voor de achtergrond-EMG-limieten vast te stellen; en er moet meer zorg worden besteed, zowel tijdens de optimalisatie van de plaatsing van de elektrode als tijdens de optimalisatie van de houding, die vervolgens constant moet worden gehouden tijdens proeven.

Het protocol is gevoelig voor variaties in de relatie tussen de instelling van de stimulatorstroom en de hoeveelheid stroom die daadwerkelijk aan de zenuw wordt geleverd - dit kan worden beïnvloed door kleine variaties in houding, hydratatie van de deelnemer en uitdroging van de kleefelektrodegel. Bij H-reflex conditionering kan dit probleem worden verzacht door M-golfgrootte te gebruiken als indicator voor effectieve stimulatie-intensiteit. Het weerspiegelt het aantal soleus motoneuron efferent axonen opgewonden door de stimulus. Dus als de M-golfgrootte constant wordt gehouden, impliceert dit dat het aantal primaire afferente axonen dat door de stimulus wordt geëxciteerd, d.w.z. de axonen die de H-reflex opwekken, ook constant wordt gehouden (zie ook Crone et ^al.26). Vandaar dat deze M-golf in de software de referentierespons wordt genoemd. Om deze reden, stap 4.5.12. vermeldt dat de M-golfgrootte van het doel moet worden geregistreerd. Het is eigenlijk belangrijker om deze responsgrootte ongeveer constant te houden dan om de nominale stroom strikt constant te houden. Het tabblad Volgorde van het analysevenster maakt retrospectieve verificatie van M-golfconstantie over elke run mogelijk; voor soleus H-reflex conditionering is dit vaak voldoende om eventuele problemen te verhelpen. Voor meer controle kan een tweede monitor op de computer worden aangesloten om real-time M-wave-analyses weer te geven die de handmatige aanpassing per proef begeleiden. Automatisering van deze besturingstaak is een lopend project²⁷.

Dagelijkse variatie kan ook van invloed zijn op de elektrofysiologische responsen van een persoon 28,29,30,31. Om deze reden wordt aanbevolen dat alle sessies op hetzelfde tijdstip van de dag worden uitgevoerd, d.w.z. binnen hetzelfde tijdvenster van 3 uur.

Het succes van operante conditionering kan gevoelig zijn voor de nauwkeurigheid van het tijdsinterval dat door de operator is gekozen om de H-reflex te definiëren; in het bijzonder mag het interval niet te breed zijn. Gedetailleerde richtlijnen voor de juiste intervaldefinitie vallen buiten het bestek van het huidige artikel. Dit is ook een functie die in toekomstige versies van de software zal worden geautomatiseerd.

Een cruciale stap in het protocol is stap 4.5.6., waarin de operator de stimulatorstroom herhaaldelijk handmatig verhoogt na elk vast aantal onderzoeken. Het verkeerd tellen van de proeven hier of het verkeerd aanpassen van de huidige wijzerplaat kan leiden tot vervorming van de resulterende wervingscurve. Deze mogelijkheid van gebruikersfouten kan worden beperkt door de optie Digitimer Link in te schakelen, waarmee de huidige aanpassing voor één bepaald stimulatormodel kan worden geautomatiseerd.

Dit artikel heeft zich gericht op H-reflex conditionering, omdat het de meest volledig ontwikkelde van de potentiële klinische toepassingen van EPOCS is. De bestaande software helpt onderzoekers bij de voortdurende inspanningen om dit protocol aan te scherpen in de richting van brede klinische verspreiding³². Naast H-reflexconditionering kan EPOCS in zijn huidige vorm ook worden toegepast op een breder scala aan stimulatiemethoden en opgeroepen reacties. Het kan bijvoorbeeld net zo goed een mechanisch apparaat activeren dat een rekreflex oproept, die ook^33,34,35 kan worden ^{geconditioneerd}. De aanpak is aanpasbaar aan de beperkingen van een individu; bij één persoon verbetert downconditionering van de soleus H-reflex de voortbeweging door spastische hyperreflexie te verminderen¹⁴; in een andere, up-conditioning de tibialis anterieure MEP verbetert de voortbeweging door voetval³⁶ te verlichten.

Terwijl de inspanningen aan de gang zijn om een commerciële implementatie van het protocol te produceren, zal de oorspronkelijke software parallel worden onderhouden als een onderzoeksinstrument om de nodige flexibiliteit te bieden om het gebied van gerichte neuroplasticiteit uit te breiden. Deze flexibiliteit wordt mogelijk gemaakt door de modulariteit en uitbreidbaarheid van het wijdverspreide en gevestigde BCI2000-softwareplatform, waarop EPOCS is gebaseerd. Dit betekent dat, met minimale tussenkomst van een software-engineer, het systeem opnieuw configureerbaar is voor een nog grotere verscheidenheid aan onderzoeksdoeleinden. Het kan bijvoorbeeld worden geconfigureerd om extra biosignale kanalen of extra sensoren vast te leggen voor latere analyse (bijv. Voetschakelaars en bewegingsvolgsensoren) voor conditionering tijdens voortbeweging. Het kan ook worden geprogrammeerd om aanvullende triggercriteria voor stimulatie te overwegen (bijvoorbeeld het activeren van stimulatie alleen op een bepaald deel van de loopcyclus) of om extra versterkingsstimuli te activeren bij succesvolle of mislukte onderzoeken. Er worden voorbeeldaanpassingsbestanden verstrekt.

Gerichte neuroplasticiteit staat nog in de kinderschoenen. De nog onontgonnen wegen zullen naar verwachting grote voordelen bieden, zowel voor het ontwikkelen van nieuwe therapeutische benaderingen (zoals hierboven besproken) als voor het ophelderen van de natuurlijke geschiedenis van ziekte en de mechanismen van de functie van het centrale zenuwstelsel in zowel gezondheid als ziekte ^2,32,37. We zijn daarom toegewijd aan het handhaven en ondersteunen van EPOCS als een belangrijk hulpmiddel voor het realiseren van dit therapeutische en wetenschappelijke potentieel.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Alcohol doekjes	alle		Voor aanbrenging op de huid
BNC-kabel (lang) x 1	alle		Mannelijke BNC naar mannelijke BNC, lang genoeg om van digitiser naar stimulator te reiken
BNC-kabel (middel) x 2	alle		Mannelijke BNC naar mannelijke BNC, lang genoeg om van versterker naar digitiser te reiken
BNC-kabel (kort) x 1	alle		Mannelijke BNC naar mannelijke BNC, kort (om tussen twee digitiserpoorten te patchen)
BNC-tee connector	alle		Vrouwelijk-mannelijk-vrouwelijk BNC-splitter
Computer	Lenovo	ThinkStation P340	Een breed scala aan computerhardware is geschikt, vooral als er een USB-digitiser wordt gebruikt (geen PCI-slots nodig).  Moet Windows 7+ draaien. Standaard toetsenbord && muis inbegrepen.
Constante-stroomstimulator	Digitimer Ltd.	DS8R	De DS8R geniet van EPOCS-automatiseringsondersteuning. Als handmatig bestuurd,  kunnen andere constante-stroomstimulatoren worden gebruikt, op voorwaarde dat ze een externe TTL-trigger hebben en een pulsduur van 1 ms of meer kunnen bereiken.
Digitiser (optie A)	National Instruments	USB-6212	USB-digitiser met geïntegreerde BNC-connectoren.
Digitiser (optie B)	National Instruments	PCIe-6321	PCIe-digitiser—vereist desktopcomputer met een vrije PCI-slot, ook kabel en BNC-klembord (hieronder)
Digitiser kabel (alleen voor optie B)	National Instruments	SHC68-68-EPM	Verbindt PCIe-digitiser met BNC-klembord
Digitiser klembord (alleen voor optie B)	National Instruments	BNC-2090A	19-inch-rack-monteerbare BNC-klembord
EMG-versterkersysteem	Bortec Biomedical Ltd.	AMT-8	Analoge versterker + draagbare eenheid + lange transmissiekabel + accupakket + twee 500-gain actieve elektrodeleidingen (1 bipolair, 1 bipolair met aarding)
Monitor	alle		Groot genoeg voor de deelnemer om duidelijk te zien vanaf de beoogde beschouwingsafstand.
NeuroPlus elektroden (22 x 22 mm) x 6	Vermont Medical Inc.	A10040-60	Wegwerp zelfklevende zilver/zilverchloride 22 x 22 mm oppervlakte-EMG-elektroden. 6 nodig per sessie (11 op de eerste sessie van de deelnemer)
NeuroPlus elektrode (22 x 35 mm) x 1	Vermont Medical Inc.	A10041-60	Wegwerp zelfklevende zilver/zilverchloride 22 x 35 mm oppervlakte-EMG-elektrode. 1 nodig per sessie.
Snap-lead x 2	alle	EDR1220	Leidingen voor stimulerende elektroden: 1.5mm DIN naar knoopsluiting
Draad	alle		8–10 cm lengte van eenaderige geïsoleerde draad