Artykuł metodologiczny

Wywołany potencjalny system warunkowania instrumentalnego (EPOCS): narzędzie badawcze i nowa terapia przewlekłych zaburzeń nerwowo-mięśniowych

3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/63736

⸱

25 sierpnia 2022

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

System Warunkowania Instrumentalnego Potencjału Wywołanego pomaga w badaniach naukowych nad funkcjami sensomotorycznymi i może prowadzić ukierunkowany trening neurobehawioralny, który może wpływać na rehabilitację sensomotoryczną w zaburzeniach nerwowo-mięśniowych. W artykule opisano jego możliwości i zilustrowano jego zastosowanie w modyfikacji prostego odruchu rdzeniowego w celu osiągnięcia trwałej poprawy funkcji motorycznych.

Streszczenie

Wywołany Potencjalny System Warunkowania Instrumentalnego (EPOCS) to narzędzie programowe, które implementuje protokoły do instrumentalnego warunkowania reakcji mięśniowych wywołanych bodźcem u osób z zaburzeniami nerwowo-mięśniowymi, co z kolei może poprawić funkcje sensomotoryczne, jeśli jest odpowiednio stosowane. EPOCS monitoruje stan określonych mięśni docelowych—np. z elektromiografii powierzchniowej (EMG) podczas stania lub z pomiarów cyklu chodu podczas chodzenia na bieżni—i automatycznie uruchamia skalibrowaną stymulację, gdy spełnione są wcześniej zdefiniowane warunki. Zapewnia dwie formy informacji zwrotnej, które umożliwiają osobie nauczenie się modulowania pobudliwości docelowej ścieżki. Po pierwsze, w sposób ciągły monitoruje bieżącą aktywność EMG w mięśniu docelowym, prowadząc osobę do wytworzenia stałego poziomu aktywności odpowiedniego do kondycjonowania. Po drugie, zapewnia natychmiastową informację zwrotną o wielkości odpowiedzi po każdej stymulacji i wskazuje, czy osiągnęła ona wartość docelową.

Aby zilustrować jego zastosowanie, ten artykuł opisuje protokół, dzięki któremu osoba może nauczyć się zmniejszać rozmiar odruchu Hoffmanna-elektrycznie wywoływany odpowiednik odruchu rozciągania kręgosłupa—w mięśniu płaszczkowatym. Zmniejszenie pobudliwości tej ścieżki może poprawić chodzenie u osób ze spastycznym chodem z powodu niepełnego urazu rdzenia kręgowego. W artykule pokazano, jak skonfigurować sprzęt; jak umieścić elektrody stymulujące i rejestrujące; oraz jak korzystać z darmowego oprogramowania do optymalizacji rozmieszczenia elektrod, pomiaru krzywej rekrutacji bezpośrednich reakcji motorycznych i odruchowych, pomiaru odpowiedzi bez warunkowania instrumentalnego, warunkowania odruchu i analizy uzyskanych danych. Ilustruje, jak odruch zmienia się w ciągu wielu sesji i jak poprawia się chodzenie. Omówiono również, w jaki sposób system może być stosowany do innych rodzajów reakcji wywołanych i do innych rodzajów stymulacji, np. motorycznych potencjałów wywołanych do przezczaszkowej stymulacji magnetycznej; w jaki sposób może rozwiązać różne problemy kliniczne; i w jaki sposób może wspierać badania naukowe nad funkcjami sensomotorycznymi w zdrowiu i chorobie.

Wprowadzenie

W ciągu ostatniej dekady ukierunkowane strategie neuroplastyczności wyłoniły się jako nowe podejście do rehabilitacji zaburzeń neurologicznych1,2. Jedną z takich strategii jest warunkowanie instrumentalne potencjału wywołanego. Polega ono na wielokrotnym wywoływaniu odpowiedzi elektrofizjologicznych, które można zmierzyć nieinwazyjnie – na przykład za pomocą elektroencefalografii (EEG) lub powierzchniowej elektromiografii (EMG) – i przekazywaniu osobie natychmiastowej informacji zwrotnej o wielkości każdej odpowiedzi w stosunku do poziomu krytycznego ustalonego przez terapeutę lub badacza. Z czasem protokół ten uczy osobę zwiększania lub zmniejszania odpowiedzi i może w konsekwencji ukierunkować korzystną zmianę w obszarze ośrodkowego układu nerwowego, który jest istotny dla danej czynności, takiej jak lokomocja czy sięganie i chwytanie. Ukierunkowana zmiana poprawia sprawność, a dodatkowo umożliwia lepszy trening, co prowadzi do rozległych korzystnych zmian poprawiających całą czynność. Na przykład u osób z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego (iSCI), u których klonus upośledza lokomocję, warunkowanie instrumentalne redukujące odruch Hoffmanna w mięśniu płaszczkowatym jednej nogi poprawia aktywność mięśni lokomotorycznych w obu nogach, zwiększając tym samym prędkość chodu i przywracając symetrię kroków prawych i lewych1,3,4,5. Innym przykładem jest stymulacja podwójnym impulsem, która może trwale zwiększyć wielkość potencjału wywołanego ruchowo (MEP) w odpowiedzi na przezczaszkową stymulację magnetyczną, poprawiając tym samym funkcję sięgania i chwytania u osób z przewlekłym upośledzeniem funkcji ręki i ramienia po iSCI6.

Wdrażanie takich protokołów wymaga specjalistycznego oprogramowania, które musi pełnić wiele funkcji. W szczególności musi ono nieprzerwanie pozyskiwać, przetwarzać i zapisywać sygnały elektrofizjologiczne; musi stale monitorować stan układu nerwowego i odpowiednio wyzwalać stymulację przy zachowaniu rygorystycznych ograniczeń czasu rzeczywistego; musi zapewniać ciągłą informację zwrotną w każdym momencie, po każdej próbie oraz po każdej sesji; musi oferować interfejs użytkownika prowadzący badacza lub terapeutę przez proces konfiguracji i strojenia; i w końcu musi przechowywać oraz organizować dane sygnałowe i metainformacje w ustandaryzowanym formacie.

System warunkowania instrumentalnego potencjałów wywołanych (EPOCS) jest naszą odpowiedzią na tę palącą potrzebę. W warstwie technicznej oprogramowanie opiera się na BCI2000, platformie neurotechnologicznej o otwartym kodzie źródłowym, która jest wykorzystywana w setkach laboratoriów na całym świecie7,8. W systemie EPOCS standardowy interfejs użytkownika BCI2000 został ukryty i zastąpiony uproszczonym interfejsem, zoptymalizowanym pod kątem protokołów warunkowania instrumentalnego potencjałów wywołanych.

Niniejszy artykuł wraz z towarzyszącym mu filmem ilustrują zastosowanie EPOCS w jednym konkretnym protokole: warunkowaniu instrumentalnym w celu zmniejszenia amplitudy odruchu Hoffmanna (H-) w mięśniu płaszczkowatym. Odpowiedź ta jest elektrycznie wywołanym analogiem odruchu rozciągnięcia w kolanie. Wykazano, że wygaszanie odruchu H zmniejsza wpływ klonusa na lokomocję i w ten sposób ją poprawia u zwierząt z iSCI9,10,11,12,13 oraz u ludzi z iSCI, stwardnieniem rozsianym lub po udarze5,14,15. Metodę tę można stosować bez niepożądanych skutków ubocznych u zwierząt i ludzi, zarówno z obrażeniami neurologicznymi, jak i bez nich16,17.

Protokół warunkowania instrumentalnego polega na przeprowadzeniu wielu prób, z których każda trwa kilka sekund. Sekwencja zdarzeń w jednej próbie została przedstawiona schematycznie na Rysunku 1, gdzie liczby oznaczają następujące funkcje:

1. Ciągłe tło EMG jest rejestrowane z bipolarnych elektrod powierzchniowych umieszczonych nad mięśniem docelowym (płaszczkowatym) oraz jego antagonistą (mięśniem piszczelowym przednim). Poziom tła jest oceniany jako średnia wartość prostowana sygnału przefiltrowanego filtrem górnoprzepustowym w przesuwnym oknie.

2. Poziom EMG w spoczynku w docelowym mięśniu jest przedstawiony jako wysokość słupka, który jest stale aktualizowany na ekranie uczestnika. Pomaga to uczestnikowi utrzymać aktywność w określonym zakresie (obszar kreskowany).

3. Oprogramowanie określa odpowiedni moment na stymulację elektryczną i odpowiednio uruchamia stymulator. Głównymi kryteriami są: upływ co najmniej 5 s od poprzedniej stymulacji oraz utrzymywanie się poziomu tła EMG w określonym zakresie przez ciągłe 2 s.

4. Stymulator prądu stałego dostarcza impuls elektryczny przezskórnie do nerwu piszczelowego (zazwyczaj jednofazowy, o czasie trwania 1 ms).

5. Rejestrowana jest wynikająca z tego odpowiedź zsynchronizowana ze bodźcem. Oprogramowanie oblicza wielkości dwóch szczególnie istotnych komponentów: wcześniejszej fali M, odzwierciedlającej aktywację mięśni wynikającą z bezpośredniej stymulacji aksonu ruchowego, oraz późniejszego odruchu H, odzwierciedlającego sygnał przekazany przez łuk odruczowy w rdzeniu kręgowym18,19,20,21,22. EPOCS określa je odpowiednio jako odpowiedź referencyjną (reference response) i odpowiedź docelową (target response).

6. Wielkość odruchu H dla bieżącej próby jest wyświetlana jako wysokość drugiego słupka w odniesieniu do pożądanego poziomu kryterialnego, który definiuje sukces lub niepowodzenie próby. W przypadku kondycjonowania w dół, słupek jest ciemnozielony, jeśli wielkość odruchu H spadła poniżej kryterium, lub jaskrawoczerwony, jeśli tak się nie stało (odwrotnie w przypadku kondycjonowania w górę). Jednocześnie aktualizowany jest numeryczny wyświetlacz skumulowanego wskaźnika sukcesu. Razem te graficzne elementy wyświetlania zapewniają natychmiastowe wzmocnienie pozytywne lub negatywne, na którym opiera się kondycjonowanie instrumentalne23.

Warunkowanie instrumentalne potencjałów wywołanych, schemat wielkości odruchu EMG, układ eksperymentalny elektrofizjologiczny.
Rysunek 1: Schematyczna ilustracja podstawowej funkcjonalności EPOCS podczas warunkowania obniżającego odruch H mięśnia soleus. Uczestnik obserwuje duży ekran monitora, który wyświetla tło poziomu EMG, wielkość ostatniego odruchu H, liczbę prób wykonanych do tej pory w bieżącej serii 75 prób oraz bieżącą proporcję udanych prób w serii. Sekwencja zdarzeń w jednej próbie jest oznaczona numerami 1-6, zgodnie z opisem w części Wstęp. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Protokół warunkowania odruchu H u ludzi zazwyczaj składa się z 6 sesji bazowych, po których następuje 24-30 sesji warunkujących rozłożonych na 10 tygodni w tempie 3 sesji/tydzień, oraz kilku sesji kontrolnych w ciągu kolejnych 3-6 miesięcy14,16. Każda sesja trwa 60-90 min.

Aby obsługiwać niniejszy protokół, jak i inne powiązane procedury, system EPOCS posiada pięć odrębnych trybów pracy, z których każdy jest dostępny w jednej z kart głównego okna, zatytułowanych: Stimulus Test, Voluntary Contraction, Recruitment Curve, Control Trials oraz Training Trials.

W trybie Testu Stymulacji (Stimulus Test) oprogramowanie wyzwala bodziec co kilka sekund, niekoniecznie zależnie od stanu mięśnia docelowego. Sygnały odpowiedzi są wyświetlane na ekranie po każdym bodźcu. Pozwala to operatorowi na zweryfikowanie jakości połączeń elektrod oraz sygnału EMG, optymalizację położenia elektrod stymulujących i rejestrujących, a także określenie morfologii odpowiedzi danej osoby.

W trybie skurczu dobrowolnego (Voluntary Contraction) oprogramowanie mierzy i wyświetla poziom tła EMG, podczas gdy uczestnik jest zachęcany do jak najsilniejszego skurczu mięśnia, bez zastosowania stymulacji elektrycznej. W niektórych protokołach poziom EMG podczas maksymalnego skurczu dobrowolnego (MVC) stanowi przydatny punkt odniesienia do ustalenia kryteriów tła EMG. W protokole zaprezentowanym w niniejszym materiale nie jest to konieczne, ponieważ stabilna postawa stojąca w wystarczającym stopniu standaryzuje aktywność mięśnia płaszczkowatego.

W trybie krzywej rekrutacji stymulacja jest uzależniona od utrzymania poziomu tła EMG (wyświetlanego w sposób ciągły na ekranie) w odpowiednim zakresie; sygnały odpowiedzi są wyświetlane na ekranie po każdym bodźcu, a sekwencja odpowiedzi może zostać przeanalizowana po zakończeniu serii pomiarowej. Pozwala to operatorowi na wyznaczenie początku i końca przedziałów czasowych, w których pojawiają się interesujące odpowiedzi; określenie zależności między intensywnością stymulacji a wielkością odpowiedzi, zarówno przed, jak i po seriach warunkujących, oraz ustalenie intensywności stymulacji, która zostanie zastosowana podczas warunkowania.

W trybie Prób Kontrolnych stymulacja jest uzależniona od poziomu tła EMG (wyświetlanego w sposób ciągły na ekranie), jednak nie podaje się informacji zwrotnej o docelowej wielkości odpowiedzi. Możliwa jest analiza sekwencji i rozkładu wielkości odpowiedzi. Tryb ten może być wykorzystywany do gromadzenia pomiarów bazowych wielkości odpowiedzi lub jako warunek kontrolny do porównania z warunkowaniem operacyjnym w eksperymentalnym schemacie badań typu crossover lub międzyosobniczego. Może on służyć jako podstawa do ustalenia kryterium wydajności dla warunkowania operacyjnego na początku każdej sesji.

Wreszcie, w trybie Prób Treningowych, stymulacja jest uzależniona od poziomu tła EMG (wyświetlanego stale na ekranie), a wzmocnienie w każdej próbie jest zapewnione poprzez wyświetlanie docelowej wielkości odpowiedzi, jak opisano powyżej i pokazano na Rysunku 1. Jest to tryb, w którym przeprowadza się warunkowanie instrumentalne.

Kolejna sekcja przeprowadzi czytelnika przez pięć trybów, demonstrując protokół obniżania odruchu H mięśnia soleus u dorosłego uczestnika bez urazów neurologicznych.

Protokół

Wszystkie opisane tutaj procedury zostały zatwierdzone przez instytucjonalną komisję rewizyjną Centrum Medycznego Stratton VA (numer zatwierdzenia 1584762-9). Uczestnik filmu wyraził świadomą zgodę na wykorzystanie jego wizerunku i sygnałów EMG w tej publikacji.

UWAGA: Terminy pogrubione oznaczają etykiety, które powinny być widoczne na sprzęcie i/lub w graficznym interfejsie użytkownika oprogramowania.

1. Konfiguracja oprogramowania

  1. Przejdź do https://neurotechcenter.org/epocs, aby uzyskać instrukcje dotyczące uzyskiwania najnowszego instalatora oprogramowania. Zainstaluj oprogramowanie za pomocą pobranego instalatora.
  2. Upewnij się, że dla digitizera są zainstalowane niezbędne sterowniki i oprogramowanie producenta. W szczególności należy upewnić się, że instalacja NI-DAQmx obejmuje obsługę 64-bitów.
  3. Uruchom aplikację NI-MAX, wybierz urządzenie, które ma być używane w obszarze Urządzenia i interfejsy, i upewnij się, że jego nazwa to Dev1. Następnie w obszarze Configure > Power-up States (Konfiguruj stany zasilania) upewnij się, że pole wyboru Line State (stan linii) dla portu 0 wiersza 7 jest odznaczone (wyzerowane). Wyzeruj również odpowiednie pole wyboru Tristate, jeśli takie istnieje.
  4. Za pomocą narzędzia Dodaj lub usuń programy usuń wszelkie niepotrzebne oprogramowanie, które może sporadycznie zużywać zasoby procesora w tle, ponieważ może to prowadzić do zakłóceń w przetwarzaniu sygnału w czasie rzeczywistym. Upewnij się, że usunąłeś wszelkie pakiety aktualizacji oprogramowania/narzędzi do rozwiązywania problemów dostarczone przez producenta komputera, ponieważ wiadomo, że powodują one poważne problemy z wydajnością.
    UWAGA: Powyższe kroki konfiguracji oprogramowania należy wykonać tylko raz dla danej konfiguracji sprzętowej.

2. Konfiguracja sprzętu

  1. Skonfiguruj digitizer tak, aby koordynował wejście i wyjście zgodnie z poniższym opisem.
    1. Za pomocą krótkiego kawałka izolowanego drutu z rdzeniem stałym przymocuj zacisk sprężynowy dla cyfrowego portu wyjściowego 0 linii 7 (oznaczony P0.7-lub ewentualnie DIO7 na starszym sprzęcie) do zacisku sprężynowego dla wyjścia USER.
    2. Podłącz żeńskie/męskie/żeńskie złącze trójnikowe BNC do wyjścia USER. Podłącz wyjście USER do zewnętrznego portu wejściowego wyzwalacza stymulatora.
    3. Podłącz pierwszy i drugi amplifikowany sygnałowy EMG odpowiednio do pierwszego i drugiego analogowego kanału wejściowego karty akwizycji danych. Są one oznaczone jako AI0 i AI1-lub ewentualnie ACH0 i ACH1 na starszym sprzęcie. Wykonaj dodatkowe połączenie z wyjścia USER z powrotem do trzeciego analogowego kanału wejściowego (oznaczonego AI2 lub ACH2).
  2. Ustaw stymulator prądu stałego zgodnie z poniższym opisem.
    UWAGA: Aby protokół można było uogólnić na różne marki i modele stymulatorów, w tym artykule opisano ręczną kontrolę intensywności bodźca, zamiast korzystania z opcji automatycznego sterowania określonymi modelami stymulatorów.
    1. Włącz stymulator i skonfiguruj go tak, aby dostarczał impulsy jednofazowe o długości 1 ms. W przypadku modelu DS8R należy upewnić się, że intensywność bodźca jest kontrolowana przez panel przedni lub interfejs USB, a nie przez tylne wejście analogowe. Podłącz długi wyjściowy i podłącz go do przewodów zatrzaskowych, które będą przymocowane do elektrod stymulujących.
  3. Skonfiguruj wzmacniacz analogowy tak, aby dostarczał co najmniej dwa kanały EMG, jak opisano poniżej.
    1. Włącz wzmacniacz. Upewnij się, że wszystkie wartości wzmocnienia kanału mają domyślną wartość 500, a odpowiednie pokrętła VARIABLE są ustawione na minimalną wartość 1.
    2. Podłącz jednostkę przenośną do amplifier za pomocą długiego. Włóż dwie kwadratowe baterie 9 V do akumulatora urządzenia przenośnego. Przymocuj przenośną jednostkę i akumulator wokół talii uczestnika.

3. Przygotowanie elektrod stymulacyjnych i rejestrujących

  1. Wykorzystaj wcześniej zanotowane punkty orientacyjne lub pomiary, aby jak najdokładniej odtworzyć poprzednie pozycje elektrod specyficzne dla uczestnika. Przygotuj skórę w miejscu, do którego zostaną przymocowane elektrody, przecierając wacikami nasączonymi alkoholem, aby usunąć nadmiar oleju, a następnie wytrzyj ręcznikiem papierowym, aby usunąć martwy naskórek.
  2. Zamocuj elektrody stymulacyjne w odpowiedniej pozycji, aby precyzyjnie stymulować nerw piszczelowy, przy minimalnym wpływie na wspólny nerw strzałkowy. Użyj większej elektrody (22 mm x 35 mm) jako anody i umieść ją na wierzchołku dołu podkolanowego, gdzie nerw kulszowy rozgałęzia się na nerwy piszczelowe i strzałkowe. Umieść katodę (22 mm x 22 mm) w zgięciu kolana, bezpośrednio pod anodą, z zachowaniem 3-4 cm odstępu między środkami elektrod.
  3. Przymocuj elektrody rejestrujące EMG w montażu bipolarnym do mięśnia docelowego (płaszczkowatego) w następujący sposób.
    1. Aby określić prawidłową lokalizację, najpierw znajdź mięsień brzuchaty łydki poprzez badanie palpacyjne, podczas gdy uczestnik na przemian stoi na palcach i stoi naturalnie.
    2. Umieść pierwszą elektrodę bezpośrednio pod dystalną granicą brzucha mięśnia brzuchatego łydki. Umieść drugą elektrodę poniżej pierwszej, zachowując odstęp 5 cm między środkami elektrod. Utrzymuj obie elektrody w jednej linii ze ścięgnem Achillesa.
  4. Przymocuj elektrody rejestrujące EMG w montażu bipolarnym do mięśnia antagonistycznego (piszczelowego przedniego). Aby to zrobić, zidentyfikuj mięsień poprzez badanie palpacyjne, podczas gdy uczestnik unosi (zgina grzbietowo) palce u stóp. Umieść elektrody na brzuchu mięśniowym, około 1/3 drogi w dół od głowy kości strzałkowej do kostki, zachowując 5 cm pionową separację między środkami elektrod.
  5. Przymocuj elektrodę uziemiającą do rzepki.
  6. Podłącz EMG amplifier przewody w następujący sposób. Podłącz oklejoną na zielono elektrodę aktywną do kanału 1 w urządzeniu przenośnym i podłącz czerwone zaciski do elektrod mięśni docelowych (płaszczkowate), a zielony zacisk do elektrody uziemiającej. Podłącz oklejoną czarną taśmą elektrodę aktywną do kanału 2 w urządzeniu przenośnym i podłącz zaciski do elektrod mięśni antagonistycznych (piszczel przednia).
  7. Podłącz akumulator do urządzenia przenośnego.
  8. Podłącz przewody zatrzaskowe do elektrod stymulacyjnych.

4. Korzystanie z oprogramowania EPOCS

  1. Ustaw monitor w taki sposób, aby zarówno badacz, jak i osoba badana (lub terapeuta i pacjent) mogli go wyraźnie zobaczyć.
  2. Uruchamianie sesji EPOCS.
    UWAGA: Sesja jest definiowana jako jedna wizyta w laboratorium lub klinice, trwająca zazwyczaj 60-90 minut.
    1. Kliknij dwukrotnie ikonę EPOCS, aby uruchomić aplikację. Wprowadź kod identyfikacyjny uczestnika (lub wybierz z listy poprzednio używanych identyfikatorów).
    2. Jeśli jest to kontynuacja istniejącej sesji, np. jeśli oprogramowanie musiało zostać ponownie uruchomione po przerwie, naciśnij przycisk Kontynuuj sesję. Będzie to dostępne tylko wtedy, gdy sesja dla określonego uczestnika została rozpoczęta w ciągu ostatnich 3 godzin.
    3. W przeciwnym razie naciśnij Rozpocznij nową sesję. Spowoduje to utworzenie nowego folderu danych ze znacznikiem daty i godziny oraz oznaczonego identyfikatorem uczestnika.
  3. Sprawdź położenie elektrody i jakość styku i wyreguluj w razie potrzeby.
    1. Upewnij się, że wyświetlana jest karta Test bodźca.
    2. W Ustawieniach > Stymulacji skonfiguruj minimalny interwał dla testu bodźca na 3 s. Zwróć uwagę, że jest on konfigurowany oddzielnie od minimalnego interwału dla normalnego użytkowania, który zwykle będzie dłuższy, około 5 s. Pozostaw wyłączone ustawienie Digitimer Link.
      UWAGA: Po włączeniu opcja >Digitimer Link umożliwia programowe sterowanie intensywnością stymulacji podczas korzystania z niektórych modeli stymulatorów. Obecny protokół demonstruje natomiast ręczną kontrolę intensywności bodźca, która ma zastosowanie w wielu markach i modelach stymulatorów.
    3. Na panelu sterowania stymulatora ustaw intensywność bodźca na 5 mA i włącz stymulację.
    4. Poproś uczestnika, aby wstał, a jego ręce częściowo podtrzymywały jego ciężar ciała na chodziku, jeśli to konieczne.
    5. Ostrzeż uczestnika, aby spodziewał się stymulacji, a następnie naciśnij Start, aby rozpocząć nowy przebieg (tj. aby rozpocząć ciągłe nagrywanie sygnałów do nowego pliku). Przebiegi będą numerowane sekwencyjnie, a ich pliki nigdy nie będą się nawzajem nadpisywać.
    6. Każde powtórzenie stymulacji nazywa się próbą. Odpowiedzi EMG uzyskane w każdym badaniu są wyświetlane natychmiast. Oceń załamek M i odruch H wywołane w mięśniu docelowym (górny, niebieski ślad) i mięśniu antagonistycznym (dolny, czerwony ślad). W razie potrzeby stopniowo zwiększaj prąd do 10 mA lub więcej, aż odpowiedzi pojawią się wyraźnie.
    7. Aby znaleźć optymalne miejsce do stymulacji (tj. miejsce, które daje największy odruch H), porównaj potencjały wywołane po przesunięciu katody o pełną szerokość elektrody przyśrodkowo, a następnie w bok, następnie o połowę szerokości elektrody przyśrodkowo, a następnie na bok, a na końcu o pełną szerokość elektrody w górę, a następnie w dół.
    8. Oznacz, zanotuj i sfotografuj położenie elektrod, aby ułatwić zmianę położenia w przyszłych sesjach. Jeśli to możliwe, wykonaj gips łydki i tylnej części kolana oraz wykonaj otwory w gipsie, które umożliwią precyzyjne ponowne nałożenie śladów.
    9. Po znalezieniu optymalnych pozycji elektrod należy wymienić przestawione elektrody na świeże elektrody.
  4. W przypadku kondycjonowania płaszczkowatego pomiń zakładkę Dobrowolny skurcz.
  5. Zmierz maksymalne rozmiary załamka M i odruchu H (Mmax i Hmax), przedstawiając krzywą rekrutacji, tj. związek między intensywnością bodźca a reakcją. Zmierz krzywą rekrutacji w następujący sposób, przed i po próbach kontrolnych lub szkoleniowych podczas każdej sesji. Podczas pierwszej sesji wykorzystaj krzywą rekrutacji, aby pokierować wyborem odpowiedniej intensywności stymulacji do stosowania w całym procesie warunkowania.
    1. Przejdź do zakładki Krzywa rekrutacji.
    2. W Ustawieniach > EMG skonfiguruj zakresy, w których muszą pozostać wartości EMG tła celu i antagonisty, aby umożliwić stymulację. W przypadku mięśnia płaszczkowatego, zakładając, że maksymalny dobrowolny skurcz nie został zmierzony, po prostu upewnij się, że zakresy obejmują poziomy EMG generowane przez naturalne obciążenie podczas stania. Ustaw czas trwania zatrzymania w tle na 2 s, aby określić, jak długo uczestnik musi stale utrzymywać EMG w zasięgu, aby wyzwolić każdy bodziec.
      UWAGA: Górne lub dolne limity mogą pozostać puste, jeśli nie ma być nałożone odpowiednie ograniczenie.
    3. Włącz stymulator i ustaw intensywność na minimalną wartość, która ma być używana do pomiaru krzywej rekrutacji: 5 mA. (Ta wartość jest przykładowa i powinna być wybierana indywidualnie dla każdego przypadku - patrz dyskusja.)
    4. Jeśli jest to pierwsza sesja uczestnika, pozwól mu ćwiczyć utrzymywanie EMG w odpowiednim zakresie przez wymagany czas, jak opisano poniżej.
      1. Gdy uczestnik stoi, naciśnij przycisk Start. Zademonstruj uczestnikowi, w jaki sposób poziom tła EMG w mięśniu docelowym jest wyświetlany w czasie rzeczywistym jako wysokość słupka w stosunku do zacienionego obszaru, który pokazuje zakres docelowy.
      2. Wyjaśnij uczestnikowi, że aktywność obu mięśni (docelowego i antagonistycznego) musi mieścić się w wymaganych zakresach, aby zmienić pasek z jaskrawoczerwonego na ciemniejszy zielony (chociaż poziom aktywności antagonisty nie jest pokazany bezpośrednio).
      3. Aby dostosować zakresy tła, naciśnij Stop, a następnie Ustawienia; następnie wprowadź nowe liczby, naciśnij OK, a następnie Rozpocznij ponownie. Naciśnij Stop po zakończeniu treningu treningowego.
    5. Aby zmierzyć krzywą rekrutacji, gdy uczestnik stoi, naciśnij Start. Jeśli odruch H jest już widoczny przy wybranym natężeniu początkowym, stopniowo zmniejszaj prąd, aż odruch H przestanie być widoczny. Następnie naciśnij przycisk Stop i ponownie naciśnij przycisk Start, aby rozpocząć bieg.
    6. Zwróć szczególną uwagę na licznik ukończonych prób. Po każdych czterech próbach ręcznie zwiększ intensywność stymulacji o 2 mA. (Ta wartość jest przykładowa i powinna być wybierana indywidualnie dla każdego przypadku - patrz dyskusja.) Kontynuuj, aż rozmiar fali M osiągnie plateau, pod warunkiem, że uczestnik nie zgłasza dyskomfortu. Po zakończeniu naciśnij przycisk Stop i zaproś uczestnika, aby usiadł i odpoczął.
    7. Zanotuj wartości intensywności bodźca użyte w każdej próbie. Skojarz wszystkie zapisane rekordy z numerem uruchomienia wyświetlanym w prawym górnym rogu okna. Na koniec każdego uruchomienia wprowadź te informacje ręcznie do dziennika sesji, wraz z innymi notatkami, za pośrednictwem karty Dziennik.
      UWAGA: Jeśli intensywność stymulacji jest kontrolowana ręcznie, informacje te nie zostaną zarejestrowane przez oprogramowanie.
    8. Naciśnij przycisk Analiza, aby otworzyć okno analizy i umożliwić zdefiniowanie fal M i H w następujący sposób. W górnym okienku okna analizy sprawdź zablokowaną przez bodziec nakładkę sygnałów mięśnia docelowego z każdej próby w ostatnim przebiegu.
    9. Użyj myszki, aby dostosować początek i koniec brązowego przedziału odniesienia i zielonego celu (w protokole kondycjonowania instrumentalnego H-reflex odpowiadają one odpowiednio M-wave i H-reflex). Gdy interwały są prawidłowe, naciśnij czerwone przyciski Użyj oznaczonych czasów, aby zapisać te spersonalizowane ustawienia interwałów do przyszłych analiz.
    10. W okienku Sekwencja w dolnej połowie okna analizy oceń wynikową krzywą rekrutacji. Dostosuj ustawienia, aby wyświetlić amplitudę międzyszczytową lub średnią wyprostowaną oraz połączyć wyniki z kolejnych prób. Ponieważ prąd stymulacyjny był zwiększany co cztery próby, określ próby do puli: 4. Zapisz wynikowe Mmax i Hmax.
    11. Jeśli jest to pierwsza sesja uczestnika, zoptymalizuj lokalizacje zapisu EMG mięśnia docelowego w następujący sposób.
      1. Przesuń elektrody płaszczkowate przyśrodkowo o połowę szerokości elektrody (lub o pełną szerokość elektrody, jeśli mięsień jest wystarczająco szeroki). Następnie powtórz powyższe kroki, aby zebrać pełną krzywą rekrutacji i zapisać wynikowe Mmax i Hmax.
      2. Przesuń elektrody płaszczkowate na tę samą odległość w bok od ich pierwotnego położenia i ponownie wykonaj pomiar krzywej rekrutacji, aby oszacować Mmax i Hmax. Zastosuj położenie elektrody, które maksymalizujeH max i oznacz, zanotuj i sfotografuj ich pozycje, jak w kroku 4.3.8.
    12. Wybierz intensywność bodźca, która wywołuje odruch H bliski maksimum - najlepiej na rosnącym (lewoskrętnym) nachyleniu krzywej rekrutacji H-odruchu - ale z ograniczeniem, że musi być widoczny załamek M. Ustaw tę wartość intensywności bodźca na stymulatorze i zanotuj ją na przyszłe sesje. Zwróć również uwagę na odpowiedni rozmiar fali M (patrz dyskusja).
  6. Zmierz rozkład rozmiarów H-reflex bez udzielania odpowiedzi zwrotnej w następujący sposób.
    1. Przejdź do zakładki Próby kontrolne.
    2. Gdy uczestnik stoi, naciśnij przycisk Start. Tak jak poprzednio, poinstruuj uczestnika, aby wykorzystał informację zwrotną dostarczaną przez wznoszący się i opadający drążek, aby utrzymać poziom aktywności mięśni tła w wymaganym zakresie.
    3. Jeśli jest to sesja wyjściowa lub kontrolna, należy wykonać 75 prób z rzędu przy wybranej intensywności bodźca. Jeśli jest to sesja kondycjonująca, wykonaj tylko 20 prób. Po upływie zalecanej liczby prób naciśnij przycisk Stop, aby zakończyć przebieg.
    4. Analiza prasy. Tak jak poprzednio, oceń nakładanie się przebiegów odpowiedzi próba po próbie w górnym panelu i sekwencja rozmiarów odpowiedzi poniżej. Nowa zakładka o nazwie Dystrybucja jest również domyślnie aktywowana, oprócz Sekwencji. Pokazuje rozkład rozmiarów H-reflex, z podsumowaniem statystyk po prawej stronie.
    5. Naciśnij przycisk Log Results (Wyniki dziennika), aby dołączyć statystyki podsumowujące do dziennika sesji.
    6. Jeśli jest to sesja bazowa, powtórz powyższe kroki, aby uzyskać łącznie 3 serie po 75 prób każdy. Następnie przejdź do pomiaru zamykającej krzywej rekrutacji w kroku 4.8.
    7. Jeśli jest to sesja kondycjonowania, ustaw percentyl docelowy na 66. Poziomy kryterium kondycjonowania w górę i w dół, wraz z medianą, są oznaczone pionowymi czerwonymi liniami. Wybierz kryterium kondycjonowania, naciskając przycisk Up-Condition lub Down-Condition. Dla tego protokołu naciśnij Down-Condition. Ta akcja zostanie automatycznie zarejestrowana, a okno analizy zostanie zamknięte.
      UWAGA: W protokole kondycjonowania w dół wartość percentyla docelowego wynosząca 66 oznacza, że udana próba jest definiowana jako taka, w której rozmiar odpowiedzi mieści się w dolnych 66% poprzednio zmierzonego rozkładu; I odwrotnie, w up-conditioningu sukces oznacza wygenerowanie rozmiaru odpowiedzi w górnych 66% rozkładu.
  7. Przeprowadź kondycjonowanie instrumentalne zgodnie z poniższym opisem.
    1. Przejdź do zakładki Wersje próbne treningu.
    2. Gdy uczestnik stoi, naciśnij przycisk Start.
    3. Jeśli uczestnik nie widział go wcześniej, zwróć jego uwagę na nowy pasek opinii na środku ekranu. Wyjaśnij, że pokazuje on najnowszą wielkość refleksu H w stosunku do zakreskowanego zakresu celu. Jeśli odpowiedź mieści się w zakresie docelowym, próba zostanie policzona jako pomyślna, a pasek będzie ciemnozielony. Jeśli wypadnie poza zakres, próba zostanie policzona jako nieudana, a pasek będzie jaśniejszy czerwony.
    4. Przez cały bieg motywuj uczestnika do wykonania jak największej liczby udanych prób. Liczba przeprowadzonych prób i odsetek prób, które zakończyły się sukcesem w dotychczasowym przebiegu, są wyświetlane po prawej stronie ekranu. Po 75 próbach naciśnij przycisk Stop, aby zakończyć bieg.
    5. Naciśnij przycisk Analiza. Okno analizy wygląda tak samo, jak w przypadku prób kontrolnych. Ponownie użyj zakładki Sekwencja, aby sprawdzić, czy fale M pozostały stałe w żądanym rozmiarze.
    6. Tak jak poprzednio, po wybraniu karty Dystrybucja użyj przycisku Warunek w dół, aby zaktualizować kryterium warunkowania instrumentalnego dla następnego uruchomienia. Powtórz procedurę kondycjonowania instrumentalnego jeszcze 2 razy, co daje w sumie 3 serie po 75 prób każdy.
  8. Na koniec sesji wykonaj kolejny pomiar krzywej rekrutacji, jak w krokach 4.5.1.-4.5.6.
  9. Zakończ sesję zgodnie z poniższym opisem.
    1. Wpisz wszelkie dodatkowe notatki z sesji na karcie Dziennik. Dziennik jest zapisywany automatycznie po jego wypełnieniu w zwykłym pliku tekstowym ze znacznikiem daty w katalogu danych specyficznych dla sesji. Zamknij okno. Dane i dzienniki zostaną już zapisane.
    2. Aby powrócić do okna analizy dla poprzednio zarejestrowanych danych, kliknij dwukrotnie ikonę EPOCS Offline Analysis i wybierz plik danych dla przebiegu, który ma zostać przeanalizowany. Poczekaj na przetworzenie surowych sygnałów (może to potrwać 1 minutę lub dłużej).
      UWAGA: Dane są zapisywane jako pliki .dat w BCI2000 formacie. Nazwa pliku wskazuje datę i godzinę sesji, identyfikator uczestnika, tryb (ST dla testu bodźca, VC dla dobrowolnego skurczu, RC dla krzywej rekrutacji, CT dla prób kontrolnych i TT dla prób treningowych) oraz sekwencyjny numer serii.

5. Wykonywanie wielu powtarzających się sesji

  1. Zaplanuj łącznie 6 sesji wyjściowych, 24 sesje kondycjonujące (lub 30 dla osób z zaburzeniami neurologicznymi) i 4 sesje kontrolne. Zaplanuj sesje podstawowe i kondycyjne w tempie 3 sesji tygodniowo, z których każda trwa nie dłużej niż 90 minut. Zadbaj o to, aby wszystkie sesje odbywały się o tej samej porze dnia, aby zminimalizować skutki zmienności dobowej.
  2. W każdej z 6 sesji bazowych przeprowadź wstępną przebieg krzywej rekrutacji, 3 serie po 75 prób kontrolnych i końcowy przebieg krzywej rekrutacji.
  3. W każdej z 24 (lub 30) sesji kondycyjnych przeprowadź wstępny przebieg krzywej rekrutacji, 1 serię 20 prób kontrolnych, 3 serie po 75 prób treningowych i końcowy przebieg krzywej rekrutacji.
  4. Przeprowadź 4 sesje kontrolne po 10-14 dniach, 1 miesiącu, 2 miesiącach i 3 miesiącach od ostatniej sesji kondycjonującej. W zależności od celów badania, mogą one być identyczne z sesjami wyjściowymi lub sesjami kondycjonującymi.

Wyniki

Rysunek 2 przedstawia skuteczność powyższego protokołu w pomiarze krzywych rekrutacji fali M oraz odruchu H, a także w pomiarze rozkładu wielkości odruchu H przy stałym natężeniu stymulacji. Ilustruje on również ogólną skuteczność protokołu wielosesyjnego w zmianie wielkości odruchu H u osób bez zaburzeń neurologicznych oraz w poprawie funkcji lokomocyjnej u uczestników z niepełnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego.

Rysunek 2A przedstawia zrzut ekranu okna analizy po serii wykonanej w trybie krzywej rekrutacji (Recruitment Curve) podczas warunkowania operacyjnego odruchu H (patrz krok protokołu 4.5.). W dolnej połowie okna (panel Sekwencja), oś pozioma pokazuje numer próby — w związku z czym intensywność bodźca wzrasta od lewej do prawej strony. Wielkość odruchu H (zielone kółka) rośnie, a następnie spada w zależności od intensywności bodźca, podczas gdy wielkość fali M (brązowe trójkąty) rośnie, a następnie osiąga poziom nasycenia. Rysunek 2B przedstawia zrzut ekranu okna analizy po serii wykonanej w trybie prób kontrolnych (Control Trials) lub prób treningowych (Training Trials) podczas warunkowania operacyjnego odruchu H (patrz krok protokołu 4.6. i krok 4.7.). W dolnym panelu (panel „Rozkład”) histogram wielkości odruchu H ułatwia wybór odpowiedniego poziomu kryterium dla następnego warunkowania w górę lub w dół. Na Rysunku 2C wielkość odruchu H u uczestników bez zaburzeń neurologicznych przedstawiono jako funkcję numeru sesji w ciągu 6 sesji bazowych, 24 sesji warunkowania i 4 sesji obserwacyjnych. Dane zebrano od 15 uczestników (8 mężczyzn, 7 kobiet), z których 2 brali udział zarówno w ramieniu warunkowania w górę, jak i w dół. Wiek uczestników wynosił od 21 do 55 lat. Wszyscy uczestnicy wyrazili świadomą zgodę. Protokół został zatwierdzony przez instytucjonalną komisję bioetyczną (IRB) Departamentu Zdrowia Stanu Nowy Jork (numer zatwierdzenia 05-058). Dalsze szczegóły podają Thompson i wsp.16. Rysunek 2D pokazuje korzystny efekt warunkowania w dół odruchu H mięśnia soleus u uczestników z przewlekłymi zaburzeniami kończyn dolnych po niepełnym uszkodzeniu rdzenia kręgowego. Skuteczne warunkowanie wiązało się z poprawą symetrii chodu i prędkości chodzenia w stosunku do wartości bazowej. Dane zebrano od 13 uczestników (9 mężczyzn, 4 kobiety) w wieku od 28 do 68 lat, którzy wyrazili świadomą zgodę. Protokół został zatwierdzony przez IRB szpitala Helen Hayes (numer zatwierdzenia 07-07). Dalsze szczegóły podają Thompson i wsp.14.

Modulacja odruchu H; wykresy; analiza statystyczna; porównanie prędkości chodzenia i symetrii odruchu.
Rycina 2: Reprezentatywne wyniki. (A) Zrzut ekranu okna analizy krzywej rekrutacji. (B) Zrzut ekranu okna analizy prób kontrolnych lub prób treningowych. (C) Przeciwstawne efekty warunkowania zwiększającego i zmniejszającego odruch H mięśnia soleus u nieuszkodzonych uczestników. Czerwone trójkąty skierowane w górę pokazują średnią wielkość odruchu H u N = 6 uczestników z pomyślnym warunkowaniem zwiększającym (z 8); niebieskie trójkąty skierowane w dół pokazują średnie odpowiedzi u N = 8 uczestników z pomyślnym warunkowaniem zmniejszającym (z 9). Słupki błędów oznaczają błąd standardowy. Obraz ten został zmodyfikowany na podstawie pracy Thompson et al.16. (D) Efekt terapeutyczny warunkowania zmniejszającego odruch H mięśnia soleus w zakresie prędkości chodzenia i symetrii chodu u osób z przewlekłymi zaburzeniami po niepełnym uszkodzeniu rdzenia kręgowego. Słupki zestawiają wyniki dla N = 6 uczestników, u których pomyślnie zastosowano warunkowanie zmniejszające odruch H, z N = 4 uczestnikami z grupy kontrolnej (brak warunkowania operacyjnego) oraz N = 3 uczestnikami, u których protokół warunkowania zmniejszającego nie doprowadził do redukcji wielkości odruchu. Słupki błędów oznaczają błąd standardowy. Każda gwiazdka oznacza wartość p poniżej 0.05 w sparowanym teście t porównującym pomiary przed i po warunkowaniu. Obraz ten został zmodyfikowany na podstawie pracy Thompson et al.14. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Dyskusja

Opisany powyżej protokół jest odpowiedni do zademonstrowania kondycjonowania w dół odruchu płaszczkowatego H u typowej osoby dorosłej bez zaburzeń neurologicznych. Dokładne wartości parametrów mogą się różnić w zależności od osoby, a w szczególności w funkcji upośledzenia. Podczas gdy krzywa rekrutacji uczestnika osiągnęłaM max przy stymulującym prądzie około 25 mA w filmie, inna osoba może wymagać 50 mA lub więcej, więc prąd zostanie zwiększony w większych krokach podczas pomiaru krzywej rekrutacji. Mogą również wymagać dłuższego czasu trwania impulsu. Trzecia osoba może być bardziej wrażliwa i wymagać mniejszych ustawień prądu. Protokół musi być również dostosowany do mięśnia, który jest kondycjonowany. Na przykład, gdy celuje się w mięsień zginacza nadgarstka promieniowego24,25, zwykle stosuje się niższe ustawienie prądu; tryb dobrowolnego skurczu powinien być stosowany w celu ustalenia skali dla limitów tła-EMG; Należy również zachować większą ostrożność zarówno podczas optymalizacji rozmieszczenia elektrod, jak i podczas optymalizacji postawy, która musi być następnie utrzymywana na stałym poziomie przez wszystkie próby.

Protokół jest wrażliwy na zmiany w zależności między ustawieniem prądu stymulatora a ilością prądu faktycznie dostarczanego do nerwu - mogą na to wpływać niewielkie różnice w postawie, nawodnieniu uczestnika i wysychaniu żelu elektrody adhezyjnej. W kondycjonowaniu H-refleks problem ten można złagodzić, wykorzystując rozmiar fali M jako wskaźnik efektywnej intensywności stymulacji. Odzwierciedla liczbę aksonów odprowadzających mięśnia płaszczkowatego motoneuronu wzbudzonych przez bodziec. Tak więc, jeśli rozmiar fali M jest utrzymywany na stałym poziomie, oznacza to, że liczba pierwotnych aksonów aferentnych wzbudzonych przez bodziec, tj. aksonów, które wywołują odruch H, jest również utrzymywana na stałym poziomie (patrz także Crone i wsp.26). W związku z tym ta fala M jest określana w oprogramowaniu jako odpowiedź referencyjna. Z tego powodu krok 4.5.12. wspomina, że należy zarejestrować docelowy rozmiar fali M. W rzeczywistości ważniejsze jest, aby utrzymać ten rozmiar odpowiedzi mniej więcej na stałym poziomie, niż aby prąd znamionowy był ściśle stały. Zakładka Sekwencja w oknie analizy umożliwia retrospektywną weryfikację stałości fali M w każdym przebiegu; w przypadku kondycjonowania mięśnia płaszczkowatego H-odruchu często wystarcza to do skorygowania wszelkich problemów. Aby uzyskać większą kontrolę, do komputera można podłączyć drugi monitor, aby wyświetlać analizę fal M w czasie rzeczywistym, które kierują ręczną regulacją próba po próbie. Automatyzacja tego zadania kontrolnego jest projektemw toku 27.

Zmienność dobowa może również wpływać na reakcje elektrofizjologiczne danej osoby 28,29,30,31. Z tego powodu zaleca się, aby wszystkie sesje były wykonywane o tej samej porze dnia, tj. w tym samym 3-godzinnym oknie czasowym.

Powodzenie kondycjonowania instrumentalnego może być zależne od dokładności przedziału czasu wybranego przez operatora do zdefiniowania odruchu H; W szczególności interwał nie powinien być zbyt szeroki. Szczegółowe wskazówki dotyczące prawidłowego definiowania interwałów wykraczają poza zakres niniejszego artykułu. Jest to również funkcja, która zostanie zautomatyzowana w przyszłych wersjach oprogramowania.

Krytycznym krokiem w protokole jest krok 4.5.6., w którym operator ręcznie zwiększa prąd stymulatora wielokrotnie po każdej ustalonej liczbie prób. Błędne liczenie prób w tym miejscu lub niewłaściwe ustawienie bieżącej tarczy może prowadzić do zniekształcenia wynikowej krzywej rekrutacji. Tę możliwość błędu użytkownika można złagodzić, włączając opcję Digitimer Link, która umożliwia automatyzację regulacji prądu dla jednego konkretnego modelu stymulatora.

W tym artykule skupiono się na kondycjonowaniu H-odruchowym, ponieważ jest to najpełniej rozwinięte z potencjalnych zastosowań klinicznych EPOCS. Istniejące oprogramowanie pomaga naukowcom w nieustannych wysiłkach zmierzających do udoskonalenia tego protokołu w kierunku szerokiego rozpowszechnienia klinicznego32. Poza warunkowaniem H-odruchowym, EPOCS może być również stosowany w swojej obecnej formie do szerszej gamy metod stymulacji i wywołanych reakcji. Na przykład, może równie dobrze uruchomić urządzenie mechaniczne, które wywołuje odruch rozciągania, który również może być uwarunkowany 33,34,35. Podejście to można dostosować do indywidualnych upośledzeń; u jednej osoby kondycjonowanie w dół odruchu płaszczkowatego H poprawia lokomocję poprzez zmniejszenie hiperrefleksji spastycznej14; w innym, kondycjonowanie w górę piszczela przednia MEP poprawia lokomocję, łagodząc opadanie stopy36.

Podczas gdy trwają prace nad komercyjną implementacją protokołu, oryginalne oprogramowanie będzie utrzymywane równolegle jako narzędzie badawcze, aby zapewnić niezbędną elastyczność do rozszerzenia dziedziny celowanej neuroplastyczności. Ta elastyczność jest możliwa dzięki modułowości i rozszerzalności szeroko rozpowszechnionej i ugruntowanej platformy oprogramowania BCI2000, na której opiera się EPOCS. Oznacza to, że przy minimalnej interwencji inżyniera oprogramowania system można ponownie skonfigurować do jeszcze szerszego zakresu celów badawczych. Na przykład można go skonfigurować tak, aby rejestrował dodatkowe kanały biosygnałowe lub dodatkowe czujniki do późniejszej analizy (np. przełączniki nożne i czujniki śledzenia ruchu) w celu kondycjonowania podczas poruszania się. Można go również zaprogramować tak, aby uwzględniał dodatkowe kryteria wyzwalania stymulacji (np. wyzwalanie stymulacji tylko w określonej części cyklu chodu) lub wyzwalał dodatkowe bodźce wzmacniające w przypadku udanych lub nieudanych prób. Dostępne są przykładowe pliki dostosowywania.

Ukierunkowana neuroplastyczność jest wciąż w powijakach. Oczekuje się, że jego niezbadane jeszcze możliwości przyniosą ogromne korzyści zarówno w opracowywaniu nowych podejść terapeutycznych (jak omówiono powyżej), jak i w wyjaśnianiu naturalnej historii choroby i mechanizmów funkcjonowania ośrodkowego układu nerwowego zarówno w zdrowiu, jak i chorobie 2,32,37. W związku z tym jesteśmy zaangażowani w utrzymanie i wspieranie EPOCS jako kluczowego narzędzia do realizacji tego potencjału terapeutycznego i naukowego.

Oświadczenia

JRW i AKT są wynalazcami trzech patentów związanych z kondycjonowaniem H-reflex. Pozostali autorzy nie mają konkurencyjnych interesów finansowych ani konfliktów interesów, które mogliby zgłaszać.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez NIH (NIBIB) P41EB018783 (JRW), NIH (NINDS) R01NS114279 (AKT), NIH (NINDS) U44NS114420 (I. Clements, AKT, JRW), NYS SCIRB C33279GG & C32236GG (JRW), NIH (NICHD) P2C HD086844 (S. Kautz), The Doscher Neurorehabilitation Research Program (AKT) oraz Stratton Albany VA Medical Center.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Waciki nasączone alkoholemdowolneDo aplikacji na skórę
BNC (długi) x 1dowolnyMęski BNC do męskiego BNC, wystarczająco długi, aby sięgać od digitizera do stymulatora
BNC (średni) x 2dowolneMęskie BNC do męskiego BNC, wystarczająco długie, aby sięgać od wzmacniacza do digitizera
BNC (krótki) x 1dowolnyMęski BNC na męski BNC, krótki (do łatania między dwoma portami digitizera)
Trójnik BNCdowolnyrozdzielacz BNC żeńsko-męsko-żeński
KomputerLenovoThinkStation P340Odpowiednia jest szeroka gama sprzętu komputerowego, zwłaszcza w przypadku korzystania z digitizera USB (nie są potrzebne gniazda PCI).  Musi być uruchomiony system Windows 7+. Dołącz standardową klawiaturę i mysz.
Stymulator stałoprądowyDigitimer Sp. z o.o.DS8RDS8R obsługuje automatyzację EPOCS. W przypadku sterowania ręcznego,  inne stymulatory stałoprądowe mogą być stosowane, pod warunkiem, że posiadają zewnętrzny wyzwalacz TTL i mogą osiągać czas trwania impulsu 1  ms lub więcej.
Digitizer (opcja A)National InstrumentsUSB-6212Digitizer USB ze zintegrowanymi złączami BNC.
Digitizer (opcja B)National InstrumentsPCIe-6321Digitizer PCIe— wymaga komputera stacjonarnego z wolnym gniazdem PCI, a także i listwy zaciskowej BNC (poniżej)
digitizera (tylko dla opcji B)National InstrumentsSHC68-68-EPMŁączy digitizer PCIe z listwą zaciskową BNC
Listwa zaciskowa digitizera (tylko dla opcji B)National InstrumentsBNC-2090A19-calowa listwa zaciskowa BNC do montażu w szafie
System wzmacniacza EMGBortec Biomedical Ltd.AMT-8Wzmacniacz analogowy + jednostka przenośna + długi transmisyjny + akumulator + dwa przewody elektrod aktywnych o zysku 500 (1 bipolarny, 1 bipolarny z masą)
Monitorujdowolnywystarczająco duży, aby uczestnik mógł wyraźnie widzieć z zamierzonej odległości oglądania.
Elektrody NeuroPlus (22  x  22  mm) x 6Vermont Medical Inc.A10040-60Jednorazowe samoprzylepne srebro/chlorek srebra 22  x  22  mm  elektrody powierzchniowe EMG. 6 potrzebnych na sesję (11 na pierwszej sesji uczestnika)
Elektroda NeuroPlus (22  x  35  mm) x 1Vermont Medical Inc.A10041-60Jednorazowa samoprzylepna elektroda EMG ze srebra/chlorku srebra 22 x 35 mm. Potrzebna 1 na sesję.
Przewód zatrzaskowy x 2dowolneEDR1220Przewody do elektrod stymulujących: 1,5 mm DIN do zatrzasku przycisku
Przewóddowolny8– Długość jednożyłowego izolowanego drutu o długości 10 cm

Bibliografia

  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).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Kondycjonowanie potencjałów wywołanychkondycjonowanie odruchu Hpowierzchniowa elektromiografiauszkodzenie rdzenia kręgowegokrzywa rekrutacjipotencjały wywołane ruchowopoprawa chodufunkcja sensoryczno-motoryczna
Wywołany potencjalny system warunkowania instrumentalnego (EPOCS): narzędzie badawcze i nowa terapia przewlekłych zaburzeń nerwowo-mięśniowych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.