Система вызванного потенциального оперантного обусловливания (EPOCS): исследовательский инструмент и новая терапия хронических нервно-мышечных расстройств

Краткое содержание

Система обусловленности вызванным потенциалом операнта помогает научному исследованию сенсомоторной функции и может управлять целенаправленной нейроповеденческой тренировкой, которая может повлиять на сенсомоторную реабилитацию при нервно-мышечных расстройствах. В этой статье описываются его возможности и иллюстрируется его применение в модификации простого спинального рефлекса для достижения длительного улучшения двигательной функции.

Аннотация

Система вызванного потенциального оперантного кондиционирования (EPOCS) представляет собой программный инструмент, который реализует протоколы для оперантно обусловленных стимулом мышечных реакций у людей с нервно-мышечными расстройствами, которые, в свою очередь, могут улучшить сенсомоторную функцию при соответствующем применении. EPOCS контролирует состояние конкретных мышц-мишеней — например, из поверхностной электромиографии (ЭМГ) стоя или из измерений цикла походки во время ходьбы по беговой дорожке — и автоматически запускает калиброванную стимуляцию при выполнении заранее определенных условий. Он обеспечивает две формы обратной связи, которые позволяют человеку научиться модулировать возбудимость целевого пути. Во-первых, он непрерывно контролирует текущую активность ЭМГ в целевой мышце, направляя человека к выработке постоянного уровня активности, подходящего для кондиционирования. Во-вторых, он обеспечивает немедленную обратную связь о размере ответа после каждой стимуляции и указывает, достиг ли он целевого значения.

Чтобы проиллюстрировать его использование, в этой статье описывается протокол, с помощью которого человек может научиться уменьшать размер рефлекса Гофмана — электрически вызванного аналога рефлекса растяжения позвоночника — в камбаловидной мышце. Возбудимость этого пути может улучшить ходьбу у людей со спастической походкой из-за неполной травмы спинного мозга. В статье показано, как настроить оборудование; как разместить стимулирующие и записывающие электроды; и как использовать свободное программное обеспечение для оптимизации размещения электродов, измерения кривой набора прямых двигательных и рефлекторных реакций, измерения реакции без оперантного обусловливания, кондиции рефлекса и анализа полученных данных. Он иллюстрирует, как рефлекс изменяется в течение нескольких сеансов и как улучшается ходьба. В нем также обсуждается, как система может быть применена к другим видам вызванных реакций и к другим видам стимуляции, например, двигательным вызванным потенциалам к транскраниальной магнитной стимуляции; как он может решать различные клинические проблемы; и как он может поддержать исследования сенсомоторной функции в здоровье и болезнях.

Введение

За последнее десятилетие целевые стратегии нейропластичности стали новым подходом к реабилитации неврологических нарушений ^1,2. Одной из таких стратегий является оперантное обусловливание вызванного потенциала. Это влечет за собой многократное возникновение электрофизиологических реакций, которые могут быть измерены неинвазивно - например, с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) или поверхностной электромиографии (ЭМГ) - и предоставление человеку немедленной обратной связи о размере каждого ответа относительно уровня критерия, установленного терапевтом или исследователем. Со временем этот протокол обучает человека увеличивать или уменьшать свою реакцию и, следовательно, может нацеливать полезные изменения на сайт центральной нервной системы, который важен в поведении, таком как передвижение или охват. Целенаправленное изменение приносит пользу производительности и, кроме того, позволяет улучшить практику, которая приводит к широко распространенным полезным изменениям, которые улучшают все поведение. Например, у людей с неполной травмой спинного мозга (iSCI), у которых клонус ухудшает передвижение, оперантное обусловливание, снижающее рефлекс Гофмана в камбаловидной мышце одной ноги, улучшает двигательную мышечную активность в обеих ногах, тем самым увеличивая скорость ходьбы и восстанавливая симметрию правого/левого шага 1,3,4,5 . Другим примером является стимуляция парным импульсом, которая может длительно увеличивать размер моторно-вызванного потенциала (MEP) до транскраниальной магнитной стимуляции, тем самым улучшая функцию охвата и захвата у людей с хроническими нарушениями рук и рук после iSCI⁶.

Реализация таких протоколов требует специального программного обеспечения, которое должно выполнять несколько функций. В частности, он должен непрерывно получать, обрабатывать и сохранять электрофизиологические сигналы; он должен постоянно контролировать состояние нервной системы и надлежащим образом вызывать стимуляцию в условиях жестких ограничений в режиме реального времени; он должен обеспечивать непрерывную поминутную обратную связь, обратную связь от испытания к испытанию и обратную связь от сеанса к сессии; он должен предоставлять пользовательский интерфейс для руководства настройкой и настройкой исследователем или терапевтом; и, наконец, он должен хранить и систематизировать сигнальные данные и метаинформацию в стандартизированном формате.

Вызванная потенциальная система оперантного обусловливания (EPOCS) является нашим ответом на эту выдающуюся потребность. Под капотом программное обеспечение основано на BCI2000, нейротехнологической платформе с открытым исходным кодом, которая используется в сотнях лабораторий по всему миру ^7,8. В EPOCS обычный пользовательский интерфейс BCI2000 скрыт и заменен оптимизированным интерфейсом, оптимизированным для вызванных потенциальных протоколов оперантного обусловливания.

Текущая статья и сопровождающее ее видео иллюстрируют использование EPOCS в одном конкретном протоколе: оперантное обусловливание для уменьшения размера рефлекса Гофмана (H-) в камбаловидной мышце. Эта реакция является электрически вызванным аналогом рефлекса растяжения коленного рывка. Было показано, что H-рефлекторное понижение уменьшает влияние клонуса на локомоцию и, таким образом, улучшает локомоцию у животных с iSCI ^{9,10,11,12,13} и у людей с iSCI, рассеянным склерозом или инсультом ^5,14,15. Его можно применять без побочных эффектов у животных и людей с неврологическими травмами или без них^16,17.

Протокол оперантного обусловливания функционирует путем выполнения нескольких испытаний, каждое из которых длится несколько секунд. Последовательность событий одного испытания схематически показана на рисунке 1, с числами, обозначающими следующие функции:

1. Непрерывная фоновая ЭМГ регистрируется от биполярных поверхностных электродов над мышцей-мишенью (камбалой) и ее антагонистом (большеберцовая кпереди). Уровень фона оценивается как среднее выпрямленное значение сигнала с высокой фильтрацией в скользящем окне.

2. Фоновый уровень ЭМГ в целевой мышце показан как высота штанги, постоянно обновляемая на экране участника. Это помогает участнику удерживать действие в пределах заданного диапазона (заштрихованной области).

3. Программное обеспечение определяет подходящий момент для электрической стимуляции и соответственно запускает стимулятор. Основным критерием является то, что с момента предыдущей стимуляции должно пройти не менее 5 с и что фоновый уровень ЭМГ должен оставаться в указанном диапазоне непрерывно в течение 2 с.

4. Стимулятор постоянного тока подает электрический импульс чрескожно к большеберцовому нерву (обычно монофазный, длительностью 1 мс).

5. Регистрируется результирующая реакция, заблокированная стимулом. Программное обеспечение вычисляет размеры двух компонентов, представляющих особый интерес: более ранней М-волны, которая отражает активацию мышц в результате прямой стимуляции двигательного аксона; и более поздний Н-рефлекс, который отражает сигнал, передаваемый через рефлекторную дугу в спинном мозге 18,19,20,21,22. EPOCS относится к ним как к эталонному ответу и целевому ответу, соответственно.

6. Размер H-рефлекса для текущего исследования отображается как высота второго бара относительно желаемого уровня критерия, который определяет успешное или неудачное испытание. Для нисходящего кондиционирования полоса темно-зеленая, если размер H-рефлекса упал ниже критерия, или ярко-красная, если это не так (наоборот для ап-кондиционирования). Одновременно соответствующим образом обновляется числовое отображение кумулятивного коэффициента успешности. Вместе эти графические элементы отображения обеспечивают немедленное положительное или отрицательное подкрепление, на которое опирается оперантное обусловливание²³.

Рисунок 1: Схематическая иллюстрация основной функциональности EPOCS при понижении H-рефлекса камбалы. Участник просматривает большой экран монитора, который показывает фоновый уровень ЭМГ, самый последний размер H-рефлекса, количество испытаний, завершенных до сих пор в текущем пробеге 75, и текущую долю успешных испытаний для запуска. Последовательность событий в одном испытании обозначается числами 1-6, как описано во Введении. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Протокол H-рефлекторного кондиционирования человека обычно состоит из 6 базовых сеансов, за которыми следуют 24-30 сеансов кондиционирования, распределенных в течение 10 недель со скоростью 3 сеанса в неделю, и несколько последующих сеансов в течение последующих 3-6 месяцев^14,16. Каждый сеанс длится 60-90 минут.

Для поддержки этого протокола, а также других связанных с ним протоколов EPOCS имеет пять различных режимов работы, каждый из которых обслуживается одной из вкладок его главного окна, озаглавленного «Тест стимулов, добровольное сокращение», «Кривая набора», «Контрольные испытания» и «Учебные испытания».

В режиме Stimulus Test программное обеспечение запускает стимул каждые несколько секунд, не обязательно в зависимости от состояния целевой мышцы. Ответные сигналы отображаются на экране после каждого стимула. Это позволяет оператору проверить качество соединений электродов и сигнал ЭМГ; оптимизировать положение стимулирующих и регистрирующих электродов; и установить морфологию реакции индивида.

В режиме добровольного сокращения программное обеспечение измеряет и показывает фоновый уровень ЭМГ, в то время как участнику рекомендуется максимально сократить мышцу при отсутствии электрической стимуляции. В некоторых протоколах уровень ЭМГ при максимальном добровольном сокращении (MVC) является полезным ориентиром для установки фоновых критериев ЭМГ. В показанном здесь протоколе в этом нет необходимости, так как стабильная осанка в достаточной степени стандартизирует деятельность камбаловидной мышцы.

В режиме «Кривая набора» стимуляция зависит от фонового уровня ЭМГ (непрерывно отображаемого на экране), остающегося в правильном диапазоне; ответные сигналы отображаются на экране после каждого раздражителя; и последовательность ответов может быть проанализирована в конце прогона. Это позволяет оператору определить начало и конец временных интервалов, в которых появляются интересующие ответы; определить взаимосвязь между интенсивностью стимуляции и размером реакции, как до, так и после обусловливания пробежек; и определить интенсивность стимуляции, которая будет использоваться для кондиционирования.

В режиме контрольных испытаний стимуляция зависит от фонового уровня ЭМГ (постоянно отображается на экране), но не дается никакой обратной связи о размере целевого ответа. Может быть проанализирована последовательность и распределение размеров ответа. Этот режим может быть использован для сбора базовых измерений размера отклика или в качестве контрольного условия для сравнения с оперантным обусловливанием в кроссовере или экспериментальном проекте между субъектами. Он может служить основой для установки критерия производительности для оперантного обусловливания в начале каждого сеанса.

Наконец, в режиме учебных испытаний стимуляция зависит от фонового уровня ЭМГ (постоянно показанного на экране), а подкрепление в каждом испытании также обеспечивается путем демонстрации целевого размера ответа, как описано выше и показано на рисунке 1. Это режим, в котором выполняется оперантное обусловливание.

Следующий раздел проведет читателя через пять режимов, демонстрируя протокол для понижения H-рефлекса камбалы у взрослого участника без неврологической травмы.

Протокол

Все процедуры, описанные здесь, были одобрены институциональным наблюдательным советом Медицинского центра Stratton VA (номер одобрения 1584762-9). Участник видео дал информированное согласие на использование своего изображения и сигналов ЭМГ в данной публикации.

ПРИМЕЧАНИЕ: Термины, выделенные жирным шрифтом, обозначают метки, которые должны быть видны на аппаратном обеспечении и/или в графическом интерфейсе пользователя программного обеспечения.

1. Настройка программного обеспечения

1. Перейдите в https://neurotechcenter.org/epocs для получения инструкций по получению последней версии установщика программного обеспечения. Установите программное обеспечение с помощью загруженного установщика.
2. Убедитесь, что для дигитайзера установлены необходимые драйверы и программное обеспечение производителя. В частности, убедитесь, что установка NI-DAQmx включает поддержку 64-разрядных систем.
3. Запустите приложение NI-MAX, выберите устройство для использования в разделе Устройства и интерфейсы и убедитесь, что его имя Dev1. Затем в разделе Настройка > состояний включения питания убедитесь, что флажок Состояние строки для порта 0 строки 7 снят (обнулен). Кроме того, обнулите соответствующий флажок Tristate , если он есть.
4. С помощью средства «Установка и удаление программ» удалите все ненужное программное обеспечение, которое может периодически потреблять ресурсы процессора в фоновом режиме, так как это может привести к сбоям в обработке сигналов в режиме реального времени. Обязательно удалите все наборы средств обновления программного обеспечения или устранения неполадок, предоставленные производителем компьютера, так как они, как известно, вызывают серьезные проблемы с производительностью.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Описанные выше шаги по настройке программного обеспечения необходимо выполнить только один раз для данной конфигурации оборудования.

2. Настройка оборудования

1. Настройте дигитайзер для координации ввода и вывода, как описано ниже.
   1. Используя короткий кусок провода с твердой изоляцией, закрепите пружинную клемму для цифрового выходного порта 0 линии 7 (с маркировкой P0.7 или, возможно, DIO7 на старом оборудовании) к пружинной клемме для выхода USER .
   2. Подключите женский/мужской/женский разъем BNC tee к выходу USER . Подключите выход USER к внешнему входному порту триггера стимулятора.
   3. Подключите первый и второй усиленные сигнальные кабели ЭМГ к первому и второму аналоговым входным каналам карты сбора данных соответственно. Они помечены AI0 и AI1 или, возможно, ACH0 и ACH1 на старом оборудовании. Выполните дополнительное подключение от выхода USER обратно в третий аналоговый входной канал (с пометкой AI2 или ACH2).
2. Настройте стимулятор постоянного тока, как описано ниже.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы сделать протокол обобщаемым для различных марок и моделей стимуляторов, в этой статье описывается ручное управление интенсивностью стимулов, а не использование опции автоматического управления конкретными моделями стимуляторов.
   1. Включите стимулятор и настройте его на подачу монофазных импульсов 1 мс. Для модели DS8R убедитесь, что интенсивность стимула контролируется передней панелью или интерфейсом USB, а не через задний аналоговый вход. Подключите длинный выходной кабель и подключите его к защелкивающимся проводам, которые будут прикреплены к стимулирующим электродным прокладкам.
3. Настройте аналоговый усилитель для подачи по крайней мере двух каналов ЭМГ, как описано ниже.
   1. Включите усилитель. Убедитесь, что все значения GAIN канала имеют значение по умолчанию 500, а соответствующие ручки VARIABLE повернуты к минимальному значению 1.
   2. Подключите портативный блок к усилителю с помощью длинного кабеля. Вставьте две квадратные батареи 9 В в аккумуляторную батарею портативного устройства. Пристегните переносной блок и аккумуляторную батарею вокруг талии участника.

3. Подготовка стимуляции и запись электродов

1. Используйте любые ранее отмеченные ориентиры или измерения, чтобы как можно точнее воссоздать предыдущие положения электродов, специфичных для участника. Подготовьте кожу, к которой будут прикреплены электроды, протирая спиртовыми прокладками, чтобы удалить лишнее масло, затем протрите бумажным полотенцем, чтобы удалить мертвую кожу.
2. Прикрепите стимулирующие электроды в нужном положении, чтобы точно стимулировать большеберцовый нерв, с минимальным воздействием на общий малоберцовый нерв. Используйте более крупный (22 мм х 35 мм) электрод в качестве анода и поместите его на вершине подколенной ямки, где седалищный нерв разветвляется на большеберцовые и общие малоберцовые нервы. Поместите катод (22 мм х 22 мм) в складку колена, непосредственно под анодом, с разделением 3-4 см между электродными центрами.
3. Прикрепите электроды записи ЭМГ в биполярном монтаже к целевой мышце (камбале) следующим образом.
   1. Чтобы определить правильное местоположение, сначала найдите икроножную мышцу путем пальпации, в то время как участник чередует стояние на пальцах ног и естественное стояние.
   2. Поместите первый электрод непосредственно под дистальную границу икроножной мышцы живота. Поместите второй электрод ниже первого, с расстоянием 5 см между электродными центрами. Держите оба электрода на одной линии с ахилловым сухожилием.
4. Прикрепите электроды записи ЭМГ в биполярном монтаже к мышце-антагонисту (передней большеберцовой кости). Для этого определите мышцу, пальпируя, пока участник поднимает (дорсифлексы) пальцы ног. Поместите электроды на мышечный живот, примерно на 1/3 пути вниз от малоберцовой головки до лодыжки, с вертикальным разделением 5 см между электродными центрами.
5. Прикрепите заземляющий электрод к коленной чашечке.
6. Подключите провода усилителя ЭМГ следующим образом. Подключите активный электрод с зеленой лентой к каналу 1 на переносном устройстве и подключите красные зажимы к электродам мышц-мишеней (камбале), а зеленый зажим — к электроду земли. Подключите активный электрод с черной лентой к каналу 2 на переносном устройстве и подключите зажимы к электродам мышц-антагонистов (спереди большеберцовой кости).
7. Подключите аккумуляторную батарею к портативному устройству.
8. Подключение стимулирующей оснастки приводит к стимулирующим электродам.

4. Использование программного обеспечения EPOCS

1. Расположите монитор таким образом, чтобы и исследователь, и субъект (или терапевт и пациент) могли ясно видеть его.
2. Запустите сеанс EPOCS.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Сеанс определяется как одно посещение лаборатории или клиники, обычно длящееся 60-90 минут.
   1. Дважды щелкните значок EPOCS , чтобы запустить приложение. Введите идентификационный код участника (или выберите из списка ранее использовавшихся идентификаторов).
   2. Если это продолжение существующего сеанса, например, если программное обеспечение пришлось перезапустить после перерыва, нажмите Продолжить сеанс. Это будет доступно только в том случае, если сессия для указанного участника была начата в течение последних 3 часов.
   3. В противном случае нажмите кнопку Начать новый сеанс. Это создаст новую папку данных, с отметками даты и времени и пометкой идентификатора участника.
3. Проверьте расположение электрода и качество контакта и отрегулируйте его по мере необходимости.
   1. Убедитесь, что отображается вкладка Тест стимулов .
   2. В разделе Параметры > стимуляции настройте минимальный интервал для теста стимула на 3 с. Обратите внимание, что он настраивается отдельно от минимального интервала для обычного использования, который обычно будет длиннее, около 5 с. Оставьте параметр Digitimer Link отключенным.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При включении опция Digitimer Link позволит программно контролировать интенсивность стимуляции при использовании определенных моделей стимуляторов. Вместо этого текущий протокол демонстрирует ручное управление интенсивностью стимула, которое применимо к нескольким маркам и моделям стимуляторов.
   3. На панели управления стимулятора установите интенсивность стимула на 5 мА и включите стимуляцию.
   4. Попросите участника встать, при необходимости руки частично поддерживая свой вес на ходунках.
   5. Предупредите участника, чтобы он ожидал стимуляции, затем нажмите Start , чтобы начать новый запуск (т. Е. Начать непрерывную запись сигналов в новый файл). Запуски будут пронумерованы последовательно, и их файлы никогда не будут перезаписывать друг друга.
   6. Каждое повторение стимуляции называется испытанием. Ответы ЭМГ, полученные в каждом испытании, показываются немедленно. Оценить М-волну и Н-рефлекс, возникающие в мышце-мишени (верхний, синий след) и мышце-антагонисте (нижний, красный след). При необходимости увеличивают ток постепенно до 10 мА и более, пока реакции не проявятся отчетливо.
   7. Чтобы найти оптимальное место для стимуляции (т.е. место, которое дает наибольший Н-рефлекс), сравните вызванные потенциалы после перемещения катода на полную ширину электрода медиально, а затем в боковом направлении, затем на половину электрода медиально, затем латерально, и, наконец, на полную ширину электрода вверх и вниз.
   8. Отметьте, обратите внимание и сфотографируйте положение электродов, чтобы помочь перепозиционированию в будущих сеансах. Если возможно, сделайте гипсовую повязку икры и задней части колена и сделайте отверстия в гипсе, которые позволят точно нанести следы.
   9. После того, как оптимальные положения для электродов были найдены, замените переставленные электроды свежими электродами.
4. Для кондиционирования камбалы пропустите вкладку Добровольное сокращение .
5. Измерение максимальных размеров М-волны и Н-рефлекса (М)_.max и Н_.max) путем построения кривой набора, т.е. взаимосвязи между интенсивностью стимула и реакцией. Измерьте кривую набора персонала следующим образом, до и после контрольных или учебных испытаний в каждой сессии. В первом сеансе используйте кривую набора, чтобы направлять выбор подходящей интенсивности стимуляции для использования на протяжении всего процесса кондиционирования.
   1. Перейдите на вкладку Кривая найма .
   2. В разделе Параметры > ЭМГ настройте диапазоны, в которых должны оставаться целевые и антагонистические фоновые значения ЭМГ, чтобы включить стимуляцию. Для камбалы, предполагая, что максимальное добровольное сокращение не было измерено, просто убедитесь, что диапазоны охватывают уровни ЭМГ, создаваемые естественной тягой во время стояния. Установите продолжительность фонового удержания на 2 с, чтобы определить, как долго участник должен постоянно держать ЭМГ в диапазоне, чтобы вызвать каждый стимул.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Верхний или нижний пределы могут быть оставлены пустыми, если соответствующее ограничение не должно быть введено.
   3. Включите стимулятор и установите интенсивность на минимальное значение, которое будет использоваться при измерении кривой набора: 5 мА. (Это значение является примером и должно выбираться в каждом конкретном случае — см. обсуждение.)
   4. Если это первая сессия участника, позвольте ему попрактиковаться в поддержании ЭМГ в правильном диапазоне в течение требуемой продолжительности, как описано ниже.
      1. Когда участник встанет, нажмите кнопку Пуск. Продемонстрируйте участнику, как фоновый уровень ЭМГ в целевой мышце отображается в режиме реального времени как высота бара на фоне затененной области, которая показывает целевой диапазон.
      2. Объясните участнику, что активность обеих мышц (мишени и антагониста) должна быть в пределах их требуемых диапазонов, чтобы превратить полосу из ярко-красного в более темно-зеленый (хотя уровень активности антагониста не показан напрямую).
      3. Чтобы настроить фоновые диапазоны, нажмите Стоп , а затем Настройки; затем введите новые цифры, нажмите OK, затем снова запустите . Нажмите стоп , когда тренировочный запуск будет завершен.
   5. Чтобы измерить кривую набора, когда участник стоит, нажмите кнопку Start. Если Н-рефлекс уже виден при выбранной начальной интенсивности, постепенно уменьшайте ток до тех пор, пока Н-рефлекс больше не будет виден. Затем нажмите стоп и снова нажмите кнопку Пуск , чтобы начать запуск.
   6. Обратите пристальное внимание на счетчик Завершенные испытания . После каждых четырех испытаний вручную увеличивайте интенсивность стимуляции на 2 мА. (Это значение является примером и должно выбираться в каждом конкретном случае — см. обсуждение.) Продолжайте до тех пор, пока размер М-волны не достигнет плато, при условии, что участник не сообщит о дискомфорте. Нажмите Stop , когда закончите, и предложите участнику сесть отдохнуть.
   7. Запишите значения интенсивности стимула, используемые для каждого испытания. Свяжите все записанные записи с номером выполнения, указанным в правом верхнем углу окна. В конце любого запуска введите эту информацию вручную в журнал сеансов вместе с любыми другими заметками через вкладку Журнал .
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если интенсивность стимуляции контролируется вручную, эта информация не будет записана программным обеспечением.
   8. Нажмите кнопку Анализ , чтобы открыть окно анализа и разрешить определение M- и H-волн следующим образом. В верхней панели окна анализа изучите заблокированное стимулом наложение сигналов мышц-мишеней из каждого испытания в последнем запуске.
   9. Используйте мышь для настройки начала и конца коричневого эталонного и зеленого целевых интервалов (в протоколе H-рефлекторного оперантного обусловливания они соответствуют M-волне и H-рефлексу соответственно). Когда интервалы верны, нажмите красные кнопки Использовать отмеченные тайминги , чтобы сохранить эти персонализированные настройки интервалов для будущих анализов.
   10. На панели Последовательность в нижней половине окна анализа оцените результирующую кривую набора. Настройте параметры для просмотра амплитуды от пика до пика или средней выпрямленной амплитуды и для объединения результатов последовательных испытаний. Поскольку стимулирующий ток увеличивался каждые четыре испытания, укажите Испытания в Пул: 4. Запишите результирующие M_max и H_max.
   11. Если это первый сеанс участника, оптимизируйте места записи ЭМГ в мышцах-мишенях следующим образом.
       1. Переместите камбаловидные электроды медиально на половину ширины электрода (или на полную ширину электрода, если мышца достаточно широкая). Затем повторите описанные выше шаги, чтобы собрать полную кривую набора и записать полученные M_max и H_max.
       2. Переместите камбаловидные электроды на то же расстояние в боковом направлении от их первоначального положения и снова выполните измерение кривой набора для оценки M_max и H_max. Примите расположение электродов, которое максимизирует H_max , и отмечайте, отмечайте и фотографируйте их положения, как на шаге 4.3.8.
   12. Выберите интенсивность стимула, которая вызывает близкий к максимальному H-рефлекс — в идеале на восходящем (левом) склоне кривой рекрутирования H-рефлекса — но с ограничением, что должна быть видимая M-волна. Установите это значение интенсивности стимула на стимуляторе и запишите его для будущих сеансов. Также обратите внимание на соответствующий размер М-волны (см. обсуждение).
6. Измерьте распределение Н-рефлекторных размеров, не давая обратной связи следующим образом.
   1. Перейдите на вкладку Контрольные пробные версии .
   2. Когда участник встанет, нажмите кнопку Пуск. Как и прежде, поручите участнику использовать обратную связь, обеспечиваемую восходящей и нисходящей планкой, для поддержания уровня фоновой мышечной активности в пределах требуемого диапазона.
   3. Если это базовый или последующий сеанс, выполните 75 испытаний последовательно при выбранной интенсивности стимула. Если это сеанс кондиционирования, выполните всего 20 испытаний. После заданного количества испытаний нажмите кнопку Стоп , чтобы завершить запуск.
   4. Анализ прессы. Как и прежде, оцените наложение форм сигналов ответа на каждое испытание в верхней панели и последовательность размеров ответа ниже. Новая вкладка под названием Распределение также активируется по умолчанию поверх Sequence. Он показывает распределение размеров Н-рефлекса, с сводной статистикой справа.
   5. Нажмите Log Results ( Результаты журнала ), чтобы добавить сводную статистику в журнал сеансов.
   6. Если это базовый сеанс, повторите описанные выше шаги в общей сложности для 3 запусков по 75 испытаний в каждом. Затем перейдите к измерению кривой закрытия набора на шаге 4.8.
   7. Если это сеанс обусловливания, установите для целевого процентиля значение 66. Уровни критериев обусловливания вверх и вниз вместе с медианой показаны вертикальными красными линиями. Выберите критерий обусловливания, нажав кнопку Up-Condition или Down-Condition . Для этого протокола нажмите Кнопка Вниз-Условие. Это действие будет зарегистрировано автоматически, и окно анализа закроется.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В протоколе понижения кондиционирования целевое значение процентиля 66 означает, что успешное испытание определяется как испытание, в котором размер ответа находится в нижних 66% от ранее измеренного распределения; и наоборот, в условиях апкондиционирования успех означает получение размера отклика в верхних 66% распределения.
7. Выполните оперантное обусловливание, как описано ниже.
   1. Перейдите на вкладку Учебные пробные версии .
   2. Когда участник встанет, нажмите кнопку Пуск.
   3. Если участник не видел его раньше, обратите его внимание на новую панель обратной связи в середине экрана. Объясните, что он показывает самый последний размер H-рефлектора относительно диапазона заштрихованной цели. Если ответ попадает в целевой диапазон, испытание будет считаться успешным, а полоса будет темно-зеленой. Если он выйдет за пределы диапазона, испытание будет считаться неудачным, а полоса будет более ярко-красной.
   4. На протяжении всего пробега мотивируйте участника выполнить как можно больше успешных испытаний. Количество проведенных испытаний и доля испытаний, которые были успешными в прогоне до сих пор, показаны в правой части экрана. После 75 проб нажмите кнопку Стоп , чтобы завершить запуск.
   5. Нажмите кнопку Анализ . Окно анализа выглядит так же, как и для контрольных испытаний. Опять же, используйте вкладку «Последовательность », чтобы убедиться, что М-волны остаются постоянными в нужном размере.
   6. Как и прежде, выбрав вкладку Распределение , используйте кнопку Down-Condition для обновления критерия оперантного обусловливания для следующего запуска. Повторите процедуру оперантного обусловливания еще в 2 раза, в общей сложности 3 прогона по 75 испытаний в каждом.
8. В конце сессии выполните еще одно измерение кривой набора персонала, как показано на этапах 4.5.1.-4.5.6.
9. Завершите сеанс, как описано ниже.
   1. Введите дополнительные заметки о сеансе на вкладке Журнал . Журнал сохраняется автоматически при заполнении в текстовом файле с отметкой даты в каталоге данных сеанса. Закройте окно. Данные и журналы уже будут сохранены.
   2. Чтобы вернуться к окну анализа ранее записанных данных, дважды щелкните значок автономного анализа EPOCS и выберите файл данных для выполнения анализа. Дождитесь обработки необработанных сигналов (это может занять 1 мин и более).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Данные сохраняются в виде .dat файлов в формате BCI2000. Имя файла указывает дату и время сеанса, идентификатор участника, режим (ST для теста стимулов, VC для добровольного сокращения, RC для кривой набора, CT для контрольных испытаний и TT для тренировочных испытаний) и номер последовательного запуска.

5. Выполнение нескольких повторных сеансов

1. Запланируйте в общей сложности 6 базовых сеансов, 24 сеанса кондиционирования (или 30 для людей с неврологическими нарушениями) и 4 последующих сеанса. Планируйте базовые и кондиционирующие сеансы со скоростью 3 сеанса в неделю, каждый сеанс продолжительностью не более 90 минут. Организуйте, чтобы все сеансы проводились в одно и то же время суток, чтобы свести к минимуму последствия суточных изменений.
2. В каждой из 6 базовых сессий проведите первоначальный запуск кривой набора персонала , 3 запуска из 75 контрольных испытаний и окончательный запуск кривой набора .
3. В каждом из 24 (или 30) сеансов кондиционирования проведите первоначальный запуск кривой набора , 1 запуск из 20 контрольных испытаний, 3 запуска из 75 учебных испытаний и окончательный запуск кривой набора .
4. Проведите 4 последующих сеанса через 10-14 дней, 1 месяц, 2 месяца и 3 месяца после последнего сеанса кондиционирования. В зависимости от целей исследования, они могут быть идентичны базовым сеансам или сеансам кондиционирования.

Результаты

На рисунке 2 показана эффективность приведенного выше протокола при измерении кривых рекрутирования М-волн и Н-рефлекторов и при измерении распределения Н-рефлекторных размеров при постоянной интенсивности стимуляции. Это также иллюстрирует общую эффективность многосеансового протокола в изменении размера Н-рефлектора у неврологически ненарушенных участников и в улучшении функции опорно-двигательного аппарата у участников с неполной травмой спинного мозга.

На рисунке 2A показан снимок экрана окна анализа после запуска, выполненного в режиме Recruitment Curve во время H-рефлекторного оперантного обусловливания (см. шаг протокола 4.5.). В нижней половине окна (панель «Последовательность ») горизонтальная ось показывает пробное число— следовательно, интенсивность стимула увеличивается слева направо. H-рефлекторный размер (зеленые круги) увеличивается, затем падает в зависимости от интенсивности стимула, тогда как размер М-волны (коричневые треугольники) повышается, а затем насыщается. На рисунке 2B показан снимок экрана окна анализа после запуска, выполненного в режиме контрольных испытаний или тренировочных испытаний во время H-рефлекторного оперантного обусловливания (см. шаг протокола 4.6. и шаг 4.7.). В нижней панели (панель «Распределение») гистограмма Н-рефлекторных размеров облегчает выбор соответствующего уровня критерия для последующего кондиционирования вверх или вниз. На рисунке 2C размер Н-рефлектора у неврологически ненарушенных участников строится в зависимости от количества сеансов в 6 базовых сеансах, 24 сеансах кондиционирования и 4 последующих сеансах. Данные были собраны у 15 участников (8 мужчин, 7 женщин), из которых 2 участвовали как в восходящей, так и в нисходящей кондиционирующей группе. Участники были в возрасте 21-55 лет. Все участники дали информированное согласие. Протокол был одобрен институциональным наблюдательным советом (IRB) Департамента здравоохранения штата Нью-Йорк (номер одобрения 05-058). Thompson et ^al.16 приводит более подробную информацию. На рисунке 2D показано благотворное влияние холсовидного H-рефлекторного понижения у участников с хроническим поражением нижних конечностей после неполной травмы спинного мозга. Успешное обусловливание было связано с улучшением симметрии походки и скорости ходьбы относительно исходного уровня. Данные были собраны у 13 участников (9 мужчин, 4 женщины) в возрасте 28-68 лет, которые дали информированное согласие. Протокол был одобрен IRB больницы Хелен Хейс (номер одобрения 07-07). Thompson et ^al.14 приводит более подробную информацию.

Рисунок 2: Репрезентативные результаты. (A) Снимок экрана: окно анализа кривой найма. (B) Снимок экрана: окно анализа контрольных испытаний или учебных испытаний. (C) Контрастные эффекты обусловливания H-рефлекса камбалы и вниз у неповрежденных участников. Красные восходящие треугольники показывают средний H-рефлекторный размер от N = 6 успешно подготовленных участников (из 8); синие нисходящие треугольники показывают средние ответы от N = 8 успешно пониженных участников (из 9). Полосы ошибок обозначают стандартную ошибку. Это изображение было изменено из Thompson et ^al.16. (D) Терапевтическое влияние камбаловидного Н-рефлекторного понижения на скорость ходьбы и симметрию походки у людей с хроническими нарушениями после неполной травмы спинного мозга. Бары контрастируют результаты для N = 6 участников, чьи H-рефлексы были успешно понижены, против N = 4 участников из контрольного состояния (без оперантного обусловливания) и N = 3 участника, у которых протокол даун-обусловливания не смог уменьшить размер рефлекса. Полосы ошибок обозначают стандартную ошибку. Каждая звездочка указывает на p-значение ниже 0,05 в парном t-тесте, сравнивающем предварительные и постусловливающие измерения. Это изображение было изменено из Thompson et ^al.14. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Обсуждение

Протокол, описанный выше, подходит для демонстрации камбаловидного Н-рефлекторного понижения у типичного взрослого человека без неврологических нарушений. Точные значения параметров могут варьироваться от человека к человеку и, в частности, в зависимости от нарушения. В то время как кривая набора участника достигала M_max при стимулирующем токе около 25 мА в видео, другому человеку может потребоваться 50 мА или более, поэтому ток будет увеличиваться более крупными шагами во время измерения кривой набора. Они также могут потребовать большей продолжительности импульса. Третий человек может быть более чувствительным и требовать меньших текущих настроек. Протокол также должен быть адаптирован в соответствии с мышцей, которые кондиционируются. Например, при нацеливании на сгибатель carpi radialis мышцы^24,25 обычно используется более низкая настройка тока; для установления шкалы предельных значений фоновой ЭМГ следует использовать режим добровольного сокращения; и необходимо проявлять большую осторожность как при оптимизации размещения электродов, так и при оптимизации осанки, которая затем должна оставаться постоянной во всех испытаниях.

Протокол чувствителен к изменениям во взаимосвязи между настройкой тока стимулятора и количеством тока, фактически доставляемого к нерву — на это могут влиять небольшие изменения в осанке, гидратации участника и высыхании адгезивного электродного геля. При Н-рефлекторном кондиционировании эту проблему можно смягчить, используя размер М-волны в качестве показателя эффективной интенсивности стимуляции. Он отражает количество камбаловидных мотонейронов эфферентных аксонов, возбуждаемых раздражителем. Таким образом, если размер М-волны остается постоянным, это означает, что число первичных афферентных аксонов, возбуждаемых стимулом, т. е. аксонов, вызывающих Н-рефлекс, также остается постоянным (см. также Crone et ^al.26). Следовательно, эта M-волна упоминается как эталонный отклик в программном обеспечении. По этой причине шаг 4.5.12. упоминает, что целевой размер М-волны должен быть зафиксирован. На самом деле важнее сохранить этот размер отклика примерно постоянным, чем поддерживать номинальный ток строго постоянным. Вкладка «Последовательность» окна анализа позволяет ретроспективно проверять постоянство М-волны над каждым прогоном; для H-рефлекторного кондиционирования камбалы этого часто бывает достаточно, чтобы исправить любые проблемы. Для большего контроля к компьютеру может быть подключен второй монитор для отображения аналитики M-wave в режиме реального времени, которая направляет ручную настройку испытания за испытанием. Автоматизация этой задачи управления является текущим проектом²⁷.

Суточные вариации могут также влиять на электрофизиологические реакции человека 28,29,30,31. По этой причине рекомендуется, чтобы все сеансы выполнялись в одно и то же время суток, т.е. в течение одного 3-часового временного окна.

Успех оперантного обусловливания может быть чувствителен к точности временного интервала, выбранного оператором для определения Н-рефлекса; в частности, интервал не должен быть слишком широким. Подробные рекомендации по правильному определению интервалов выходят за рамки настоящей статьи. Это также функция, которая будет автоматизирована в будущих версиях программного обеспечения.

Критическим этапом протокола является шаг 4.5.6., на котором оператор вручную увеличивает ток стимулятора многократно после каждого фиксированного количества испытаний. Неправильный подсчет испытаний здесь или неправильная настройка текущего циферблата может привести к искажению результирующей кривой набора. Эту возможность ошибки пользователя можно смягчить, включив опцию Digitimer Link, которая позволяет автоматизировать текущую настройку для одной конкретной модели стимулятора.

Эта статья была посвящена H-рефлекторному кондиционированию, поскольку она является наиболее полно разработанным из потенциальных клинических применений EPOCS. Существующее программное обеспечение помогает исследователям в продолжающихся усилиях по оттачиванию этого протокола в направлении широкого клинического распространения³². Помимо H-рефлекторного кондиционирования, EPOCS также может применяться в его нынешней форме к более широкому спектру методов стимуляции и вызванных реакций. Например, он может одинаково хорошо запускать механическое устройство, которое вызывает рефлекс растяжения, который также может быть обусловлен 33,34,35. Этот подход адаптируется к нарушениям человека; у одного человека при понижении холостого Н-рефлекса улучшает локомоцию за счет уменьшения спастической гиперрефлексии¹⁴; в другом случае, подтягивание передней части большеберцовой кости улучшает передвижение, уменьшая падение стопы³⁶.

В то время как продолжаются усилия по созданию коммерческой реализации протокола, оригинальное программное обеспечение будет поддерживаться параллельно в качестве исследовательского инструмента для обеспечения необходимой гибкости для расширения области целевой нейропластичности. Эта гибкость обеспечивается модульностью и расширяемостью широко распространенной и хорошо зарекомендовавшей себя программной платформы BCI2000, на которой основан EPOCS. Это означает, что при минимальном вмешательстве инженера-программиста система реконфигурируется для еще более широкого спектра исследовательских целей. Например, он может быть сконфигурирован для записи дополнительных каналов биосигнала или дополнительных датчиков для последующего анализа (например, ножных переключателей и датчиков отслеживания движения) для кондиционирования во время передвижения. Он также может быть запрограммирован на рассмотрение дополнительных критериев стимуляции (например, запуск стимуляции только на определенной части цикла походки) или на запуск дополнительных стимулов подкрепления в успешных или неудачных испытаниях. Приведены примеры файлов настройки.

Таргетная нейропластичность все еще находится в зачаточном состоянии. Ожидается, что его еще не изученные пути принесут большую пользу как для разработки новых терапевтических подходов (как обсуждалось выше), так и для выяснения естественной истории болезни и механизмов функционирования центральной нервной системы как в здоровье, так и в болезни ^2,32,37. Поэтому мы стремимся поддерживать и поддерживать EPOCS в качестве ключевого инструмента для реализации этого терапевтического и научного потенциала.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Спиртовые тампоны	любые		Для нанесения на кожу
BNC кабель (длинный) x 1	любой		Male BNC на male BNC, достаточно длинный, чтобы дотянуться от дигитайзера до стимулятора
BNC кабель (средний) x 2	любых		Male BNC к male BNC, достаточный для того, чтобы дотянуться от усилителя до дигитайзера
BNC кабель BNC (короткий) x 1	любой		Штекерный BNC на штекер BNC, короткий (для подключения между двумя портами дигитайзера)
BNC тройник	любой		разветвитель женский-мужской-женский BNC
Компьютер	Lenovo	ThinkStation P340	Подойдет широкий спектр вычислительного оборудования, особенно если используется USB дигитайзер (слоты PCI не нужны).  Должен работать под управлением Windows 7+. В комплект входит стандартная клавиатура и мышь.
Стимулятор постоянного тока	Digitimer Ltd.	DS8R	DS8R поддерживает автоматизацию EPOCS. При ручном управлении,  другие стимуляторы постоянного тока могут быть использованы при условии, что они имеют внешний триггер TTL и могут достигать длительности импульса 1  мс или более.
Дигитайзер (опция А)	National Instruments	USB-6212	USB дигитайзер со встроенными разъемами BNC.
Дигитайзер (опция B)Дигитайзер	National Instruments	PCIe-6321	PCIe— требуется настольный компьютер со свободным слотом PCI, а также кабель и клеммная колодка BNC (ниже)
Кабель дигитайзера (только для опции B)	National Instruments	SHC68-68-EPM	подключает дигитайзер PCIe к клеммной колодке BNC
Клеммная колодка дигитайзера (только для опции B)	National Instruments	BNC-2090A	19-дюймовая клеммная колодка BNC для монтажа в стойку
Система усиления ЭМГ	Bortec Biomedical Ltd.	AMT-8	Аналоговый усилитель + портативный блок + длинный кабель передачи + аккумуляторная батарея + два провода активного электрода с коэффициентом усиления 500 (1 биполярный, 1 биполярный с заземлением)
Монитор			достаточно большой, чтобы участник мог четко видеть с предполагаемого расстояния обзора.
Электроды «НейроПлюс» (22  х  22  мм) x 6	Вермонт Медикал Инк.	A10040-60	Одноразовый самоклеящийся серебро/хлорид серебра 22  х  22  мм  поверхностные электроды ЭМГ. 6 необходимо на сеанс (11 на первом сеансе участника)
Электрод NeuroPlus (22  х  35  мм) x 1	Вермонт Медикал Инк.	A10041-60	Одноразовый самоклеящийся электрод из серебра/хлорида серебра 22 x 35 мм-ЭМГ. 1 необходим за сеанс.
Защелкивающийся провод х 2	любых	EDR1220	Провода для стимуляции электродов: 1,5 мм DIN к кнопке Защелкивающийся
провод	любой		8– Длина одножильного изолированного провода 10 см